燃料電池汽車終于向我們開來了
雖然現(xiàn)在市場上已經(jīng)有燃料電池汽車出售，消費者也可以購買自己的氫動力汽車，但是，從產(chǎn)業(yè)和行業(yè)的角度來看，必須加速擴大燃料基礎(chǔ)設施和降低燃料電池汽車的成本。
以燃料電池動力汽車的想法已經(jīng)存在了幾十年。原則上，這些車通過氫與空氣中的氧氣的電化學結(jié)合而產(chǎn)生的電力，可以減少對石油的依賴，而且，從排氣管排放的只有水。但是，盡管進行了廣泛的車隊測試，燃料電池轎車似乎還需要5年的時間。不過.開車的人現(xiàn)在可以購買或租賃燃料電池汽車。今天的數(shù)字很低，只有少數(shù)幾個裝有公共氫氣加油站的地理區(qū)域才有汽車供應。但該行業(yè)正準備生產(chǎn)更多的這些汽車，并擴大加油基礎(chǔ)設施。研究人員繼續(xù)尋找降低燃料電池成本和改善耐久性的方法。
Raymond Lim，一個心理學和統(tǒng)計學講師，把自己描述成一個“喜歡嘗試新技術(shù)的汽車愛好者。”Celso Pierre也是一個喜歡酷的小玩意的人。他是一個機械工程師喜歡徒步旅行和戶外活動。每當彼埃爾聽到新技術(shù)，他跑去了解它。對于這兩個人來說，這種興奮早已發(fā)泄在包括電動汽車和省油的汽車。因此，林和彼埃爾抓住機會加入了小型駕車俱樂部，他們用自己的燃料電池車在加利福尼亞的道路上行駛。利姆開的是豐田的未來，彼埃爾電的是現(xiàn)代的圖森。
這些氫燃料電池電動汽車作為傳統(tǒng)汽車的替代品已經(jīng)發(fā)展了幾十年，它們不依賴化石燃料，也不污染環(huán)境，只排放水蒸氣。在這段時間里，許多燃料電池示范車的原型和車隊已經(jīng)記錄了數(shù)百萬英里，推進了遠遠超出實驗室試驗階段的運輸技術(shù)。然而，工業(yè)觀察家們似乎對汽車燃料電池汽車展廳的沒完沒了的拖延感到沮喪。據(jù)科技愛好者們預測，這些汽車每年都會在市場上“五年后”到達市場，這意味著汽車工業(yè)在很大程度上放棄了生產(chǎn)燃料電池汽車。
那種印象完全是錯誤的。工業(yè)界繼續(xù)致力于這項技術(shù)，而“過去五年”的預測在過去幾年終于實現(xiàn)了。雖然今天出售或租賃的燃料電池汽車的數(shù)量相對少，而且車輛只能在特定的地理區(qū)域內(nèi)使用，私人汽車司機最終才有可能駕駛一輛車離開該地段。與此同時，工業(yè)界正在擴大美國和其他國家的氫燃料基礎(chǔ)設施，并繼續(xù)設法使車輛更便宜、更耐用。
燃料電池的崛起
燃料電池的概念可以追溯到19世紀，但直到上個世紀，各種類型的演示裝置才證明這些電化學裝置能夠可靠地產(chǎn)生電流。當美國國家航空航天局在1960年代和1970年代在雙子座和阿波羅任務以及其他太空計劃中使用這些發(fā)電機時，它們被認為是可靠的裝置。
與電池的電化學相似，燃料電池含有從化學反應中提取有用電能的電極。在電池和燃料電池中，當一個正極通過一個外部電路連接到一個負極時，就會發(fā)生氧化還原反應。當陽極發(fā)生氧化反應并在陰極上進行還原時，電子流過電路，為連接它的裝置提供電發(fā)動機，如燃料電池汽車。
和燃料電池汽車有關(guān)的數(shù)字
57500美元廠商建議零售價為2017豐田的未來
370個燃料電池單電池堆在Mirai的的燃料電池中
~ 5千克質(zhì)量的氫氣存儲在未來的燃料箱中
≥480和＜240行駛公里分別 對于在一個氫罐和各種電池驅(qū)動的電動汽車上。
< 5和30 - 720分鐘 分別對于氫燃料和電動汽車的電池充電時間，
但不同的電池，其存儲的氧化劑和還原劑的電化學燃料電池包內(nèi)，從外部吸取氧化劑和燃料。因此，燃料電池不會耗盡或需要像電池那樣充電。原則上，只要燃料源源不斷的新進入設備中，燃料電池就可以繼續(xù)發(fā)電。
許多類型的燃料電池已經(jīng)通過研究和開發(fā)階段，并有幾個版本已經(jīng)商業(yè)化。這種裝置主要區(qū)別于電解質(zhì)，它是在電極之間傳輸離子的介質(zhì)；構(gòu)成電極和其他元件的材料；以及預期的應用。
燃料從設備到設備也各不相同。在堿性燃料電池中，氫氣用作燃料和氧氣作為氧化劑。但是也有從醇或碳氫化合物中提取氫的系統(tǒng)，以及直接使用甲醇的，而不首先將它轉(zhuǎn)化為氫。
汽車燃料電池目前主要依賴于聚合物電解質(zhì)膜（PEM）。微米厚的薄膜有兩個功能：它是一種固體電解質(zhì)，將氫離子從陽極傳導到陰極，它是一種氣體分離器，可以防止氫氣和氧氣直接、不受控制地混合。這種混合燃料的浪費，使燃料電池運行效率低下，導致副產(chǎn)物，可以降低燃料電池組件。
燃料電池汽車的數(shù)量已經(jīng)從2015年開始進入零售市場也穩(wěn)步增長，當豐田開始在日本和加利福尼亞出售他們汽車。現(xiàn)代和本田也進入零售市場，所以數(shù)字開始攀升。
2016，豐田增加了其四座燃料電池汽車，生產(chǎn)的未來，這意味著“未來”在日本，從2015的700輛，到2016級約2000輛。今年該公司計劃生產(chǎn)約3000輛。
根據(jù)在現(xiàn)代的燃料電池研究實驗室的一名研究員Bo Ki Hong的說法，韓國汽車制造商預計將生產(chǎn)約1000的途勝燃料電池的緊湊型SUV今年年底分發(fā)給18個國家。本田正在生產(chǎn)同樣數(shù)量的清晰車，一款運動型五座燃料電池轎車。所有三家汽車制造商，都是目前在美國銷售或租賃燃料電池轎車的唯一公司，它們的共同目標是在10年后將生產(chǎn)水平提高到數(shù)萬。
那么，是什么能讓燃料電池汽車在五年后從經(jīng)銷商到最后停在人們的車庫里呢？首先，汽車制造商不斷獲得工程和制造業(yè)方面的經(jīng)驗，這有助于降低生產(chǎn)成本。他們還不斷提高質(zhì)子交換膜燃料電池的效率，并學會如何大大減少昂貴的鉑，使設備仍然可以有效地工作。這些進步轉(zhuǎn)化為更便宜、更小型、更強大的設備，為設計各種尺寸和價格吸引顧客的汽車提供了靈活性。
這幅圖顯示了豐田未來的燃料電池汽車主要部件。
氫是汽車的動力
成長的空間（煩惱）
但是，汽車制造商是否會達到他們的生產(chǎn)目標，很大程度上取決于車主們對燃料電池汽車的滿意程度。洪說：“顧客期望與汽油和柴油動力汽車的性能和駕駛體驗都是一樣的。”。
LIM大為贊賞他的Mirai性能。“這輛車很棒，”他說。他說：“這段旅程平穩(wěn)、安靜、有力。當談到加油時，這個過程很快——“不到五分鐘，這就讓我行駛了300多英里（約480公里）。”。
這些與汽油動力汽車相似之處突出表現(xiàn)為燃料電池汽車優(yōu)于電池驅(qū)動的全電動汽車。許多類型的汽車，也被稱為插電式，需要30分鐘到12小時的完全充電，這取決于充電器的類型。許多車續(xù)航旅行少于150英里（約240公里）左右。
這些因素似乎讓燃料電池汽車占了上風。但燃料電池汽車需要氫，目前美國只有40家零售加氫站，幾乎全部在加利福尼亞。
“在這種雞和蛋的困局情況下，”多倫多地區(qū)的燃料電池制造商。Hydrogenics首席技術(shù)官Joseph Cargnelli說，他說，如果消費者不能很方便地獲得氫，燃料電池汽車生產(chǎn)商就會對提高產(chǎn)量猶豫不決。氫氣供應商也會因為沒有足夠的燃料的需求而不確定建設加氫站。
但加氫站的數(shù)量還是在增長。加利福尼亞預計將增加36個站，2018個，一半在北部，一半在南部。
氫加油站也將向東北方向發(fā)展。根據(jù)Jana L. Hartline的說法，豐田公關(guān)經(jīng)理，豐田，與法國液化空氣集團合作，支持12個氫燃料站在紐約，新澤西，馬薩諸塞州，羅得島和康涅狄格建設。她說，第一站應該在年底前完成。在日本，法國液化空氣集團，豐田，和其他九家日本公司同意建立160座加氫站和目的把40000輛燃料電池車2020年送上日本的道路。
燃料電池轎車的數(shù)量遠遠超過這種電化學技術(shù)驅(qū)動的其他車型，因此，它們受到了最多的關(guān)注。然而，其他車型也取得了顯著的成功。例如，無污染，燃料電池公交車走過擁擠的城市街道自本世紀初以來，根據(jù)美國能源部的報告，在全球范圍內(nèi)，到2015年有370輛燃料電池公共汽車交付使用。
另外，雖然18輪大卡車似乎不可能很快被燃料電池拖著在公路上亂跑 ， 但是，豐田今年早些時候已經(jīng)開始在洛杉磯港的一個原型車試驗。
燃料電池叉車的數(shù)量遠遠高于公路車輛。北美洲的主要倉庫運營商，包括亞馬遜、沃爾瑪和聯(lián)邦，都使用大約15000輛的室內(nèi)車輛往返穿梭在產(chǎn)品和設備中。不同于標準電池供電的版本，這些燃料電池供電的版本不需要坐30分鐘或更長的時間來充電。
要解決的問題
即使商用燃料電池汽車的數(shù)量增加，研究人員仍在尋找降低成本和提高耐久性的方法。降低標簽價格的最好研究方法之一是減少用作燃料電池電極催化劑的鉑量，以介導電化學反應。
通用汽車燃料電池研發(fā)總監(jiān)Mark F. Mathias說：“鉑金長期以來一直是燃料電池成本的象征。”。在過去的10年中，通用汽車和其他燃料電池汽車制造商一樣，成功地將汽車燃料電池堆中使用的鉑量從每輛車的大約80克降到30克以下。馬蒂亞斯說，目前，每輛車的目標是10克，這個價值相當可觀。
燃料電池制造商已經(jīng)采取了許多策略來減少所需的貴金屬質(zhì)量，同時確保燃料電池可靠地運行。一個關(guān)鍵的方法是盡可能徹底地分散鉑，例如，在高表面積的碳支撐材料上，最大限度地提高鉑的表面積，用于燃料電池的反應。
一些研究人員正在探索降低鉑和其他貴金屬成本的可能性。洛斯阿拉莫斯國家實驗室和同事Piotr Zelenay準備由氮、碳催化劑，以及廉價的過渡金屬如鐵或鈷具有高活性的氧還原反應，氫燃料電池驅(qū)動的一個關(guān)鍵過程。
提高這些有前途的催化劑的性能需要詳細了解其活性位點的性質(zhì)。因此，洛斯阿拉莫斯集團聯(lián)手在橡樹嶺國家實驗室的研究人員分析fe-n-c燃料電池催化劑采用先進的電子顯微鏡和計算技術(shù)。該研究揭示了碳氮協(xié)調(diào)fen4嵌入式單位最有可能負責的高催化活性物種（科學2017，DOI: 10.1126 /科學。aan2255）。
同時，德拉瓦大學的Ajay K. Prasad，Dionisios G. Vlachos和同事們正在努力改進燃料電池的耐久性。該團隊設計了一個簡單的，提高質(zhì)子交換膜燃料電池中常用的全氟磺酸膜的耐久性，低成本的方式。即使是少量的氫和氧通過膜泄漏，這是一個常見的問題，導致降解這些膜和縮短設備壽命的反應。泄漏，或“交叉”在過氧化氫和自由基的形成的結(jié)果，包括OH·和OH·, 攻擊膜的C–S 結(jié)合處形成針孔缺陷和最終。研究小組表明，用廉價的碳化鎢納米顆粒處理該膜，可以通過粒子捕獲自由基和抑制過氧化氫的形成來延長其壽命。通信。2017，DOI: 10.1038 / s41467-017-00507-6）。
隨著汽車制造商繼續(xù)降低汽車標簽價格，推動燃料電池轎車的生產(chǎn)，越來越多的私人汽車司機將有機會擁有一輛。一些汽車的環(huán)保零排放會激發(fā)他們的動力，而另一些則會被最新技術(shù)的熱愛或氫動力所吸引。
當然，還有些人可能從未來汽車抓到燃料電池汽車的問題。“我得到的時候所有的車都向我問候，”他高興地說道。“人們總是看著我的方向向我揮手。”利姆喜歡和他們談論他的氫燃料電池車，并且確保手邊備有一大堆汽車說明書。“我已經(jīng)這樣做超過了100次，”他說。
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