中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：在日漸火熱的民用無(wú)人機(jī)市場(chǎng)，氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)讓很多企業(yè)想嘗試卻又顧慮重重。
其實(shí)氫燃料并不是個(gè)什么新發(fā)明，早在半個(gè)世紀(jì)前氫能就應(yīng)用于航天領(lǐng)域了，隨著人們不斷地掌握多種先進(jìn)的制氫技術(shù)，氫燃料電池被運(yùn)用于發(fā)電、汽車、航空等領(lǐng)域。
讓企業(yè)猶豫不決的，是其高昂的成本，除此之外，技術(shù)的可靠性更是關(guān)鍵原因。為此，我們采訪了眾宇動(dòng)力副總經(jīng)理李九鼎先生，對(duì)氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行詳盡的了解。
Q：氫燃料電池為什么是被看好的21世紀(jì)新能源之一，氫燃料電池與鋰電池相比，到底有哪些優(yōu)勢(shì)？
A：氫能在無(wú)人機(jī)、汽車、工廠、住宅供電等方面都有著極大的需求和應(yīng)用前景，甚至在未來(lái)有望取代現(xiàn)有石油經(jīng)濟(jì)體系，進(jìn)入“氫經(jīng)濟(jì)”時(shí)代，成為人類生活必不可少的能源。主要有幾大優(yōu)點(diǎn)：
一是高效能：其發(fā)電效率通常能達(dá)到32%至70%。以民用無(wú)人機(jī)為例，目前市面上的多旋翼無(wú)人機(jī)主要采用鋰聚合物電池作為主要?jiǎng)恿?，續(xù)航能力一般在20 分鐘至30分鐘之間，因技術(shù)方面不同有所差別，大部分續(xù)航時(shí)間都是在45分鐘以內(nèi)；而氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)的旋翼機(jī)，續(xù)航時(shí)間超過(guò)4.5小時(shí)。
解讀氫燃料電池：前景廣闊 商業(yè)化之路并不遠(yuǎn)
二是環(huán)保：燃料電池的排氣是水蒸氣，對(duì)環(huán)境的影響可忽略不計(jì)。隨著全球工業(yè)化進(jìn)程不斷加快，化石燃料消耗量日益增長(zhǎng)，環(huán)境污染問(wèn)題也越來(lái)越受到關(guān)注，氫能有望成為清潔燃料的替代品。
三是安全：氫氣是最輕的、逃逸性最強(qiáng)的燃料，很難聚集；燃料電池工作的整個(gè)過(guò)程溫度在80C以下，沒(méi)有燃燒過(guò)程；海拔3000m以下，對(duì)燃料電池性能影響微乎其微。
Q：那氫燃料電池的工作原理是什么？
A：氫燃料電池是使用氫這種化學(xué)元素，制造成儲(chǔ)存能量的電池。其基本原理是電解水的逆反應(yīng)，把氫和氧分別供給陰極和陽(yáng)極，氫在陽(yáng)極變成氫離子（質(zhì)子）通過(guò)電解質(zhì)轉(zhuǎn)移到陰極，同時(shí)放出電子通過(guò)外部的負(fù)載到達(dá)陰極，與氧氣發(fā)生反應(yīng)生成水。
氫燃料電池的基本結(jié)構(gòu)和基本燃料電池的結(jié)構(gòu)相同包括：電極、電解質(zhì)隔膜與集電器等。
電極是燃料氧化和還原的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的場(chǎng)所，可分成陰極與陽(yáng)極兩部分。電解質(zhì)隔膜的功能是分隔氧化劑與還原劑并同時(shí)傳導(dǎo)離子。目前燃料電池所采用的電解質(zhì)隔膜可以分為兩類，一類為以絕緣材料制作多孔隔膜，例如石棉膜、碳化硅膜和鋁酸鋰膜等，再將電解液，例如氫氧化鉀、磷酸和熔融碳酸鹽等，浸入多孔隔膜：另一類電解質(zhì)隔膜為固態(tài)離子交換膜，例如質(zhì)子交換膜燃料電池中采用的全氟磺酸樹(shù)脂膜。集電器也稱做雙極板，它只有收集電流、疏導(dǎo)反應(yīng)氣體及分隔氧化劑與還原劑的作用；雙極板的性能取決于材料特性、流場(chǎng)設(shè)計(jì)與加工技術(shù)。
由于供應(yīng)給陰極板的氧，可以從空氣中獲得，因此只要不斷地給陽(yáng)極板供應(yīng)氫，給陰極板供應(yīng)空氣，并及時(shí)把水（蒸氣）帶走，就可以不斷地提供電能。由于氫燃料電池不儲(chǔ)能，確切的講應(yīng)該稱為氫發(fā)電裝置。
Q：既然氫燃料電池具有如此優(yōu)勢(shì)，那么無(wú)人機(jī)行業(yè)氫燃料電池發(fā)展現(xiàn)狀又如何呢？
A：目前無(wú)人機(jī)電池大部分仍然是鋰電池，氫燃料電池并未得到大面積普及。但是國(guó)內(nèi)外很多企業(yè)都開(kāi)始推出氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)的無(wú)人機(jī)產(chǎn)品。
國(guó)外，前不久俄國(guó)NELK公司制造的氫燃料電池八旋翼無(wú)人機(jī)在莫斯科近郊切爾諾戈洛夫卡進(jìn)行的測(cè)試中創(chuàng)下了3小時(shí)10分鐘的多旋翼無(wú)人機(jī)飛行時(shí)長(zhǎng)記錄。國(guó)內(nèi)，科比特發(fā)布了一款名為HYDrone-1800的多旋翼無(wú)人機(jī)，采用氫燃料電池，續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)達(dá)273分鐘。
而且在今年的5月29日，眾宇動(dòng)力團(tuán)隊(duì)在海拔3500米，環(huán)境溫度-4℃的新疆勝利達(dá)坂地區(qū)，順利完成了對(duì)氫燃料電池系統(tǒng)在高原應(yīng)用中功效的檢測(cè)。結(jié)合 2015年在新疆亞洲地理中心的-17℃低溫測(cè)試，基本解開(kāi)了中國(guó)廣袤地域的使用限制束縛?？梢灶A(yù)見(jiàn)，氫燃料為能量載體的時(shí)代很快就會(huì)到來(lái)，在無(wú)人機(jī)行業(yè)的應(yīng)用范圍會(huì)大規(guī)模擴(kuò)大。
Q：那當(dāng)前行業(yè)應(yīng)用的限制因素主要有哪些呢？我們?cè)趯?duì)待氫燃料電池方面有哪些認(rèn)識(shí)誤區(qū)？
A：很多企業(yè)對(duì)氫燃料電池存在顧慮，主要基于技術(shù)是否成熟、氫氣的來(lái)源、氫氣的存儲(chǔ)及安全等問(wèn)題。下面我來(lái)解釋一下這幾個(gè)問(wèn)題：
首先是氫氣的制?。簩⑻?yáng)能、風(fēng)能、水的位能等可再生能源轉(zhuǎn)化成電能，利用電解電池，電解水制氫，通過(guò)高效儲(chǔ)氫材料常溫儲(chǔ)存，或經(jīng)管道輸送，其危險(xiǎn)性不比天然氣更大，目前全球制氫技術(shù)非常成熟。
其次是燃料電池的價(jià)格：很多人認(rèn)為，在氫燃料電池發(fā)電的過(guò)程中用到的金屬鉑催化劑是造成燃料電池成本高的主要原因。但是事實(shí)上，在燃料電池中的鉑使用量非常少，其材料成本根本不高，每kW功率燃料電池所含有的鉑的價(jià)值大約也就100-200元RMB，而且目前用量還在不斷降低。真正造成成本高的原因是產(chǎn)業(yè)不夠成熟，產(chǎn)量太小導(dǎo)致生產(chǎn)成本過(guò)高。當(dāng)然單靠無(wú)人機(jī)行業(yè)可能無(wú)法將產(chǎn)量做到足夠大，但是隨著氫燃料電池在汽車等其他領(lǐng)域的普及，其成本會(huì)大幅下降，甚至低于鋰電池目前的成本水平。當(dāng)然目前還有很多公司和研究機(jī)構(gòu)在研究非貴金屬催化劑，目前有一些已經(jīng)取得了不錯(cuò)的效果。
最后是氫氣的儲(chǔ)存和運(yùn)輸，一般常見(jiàn)的儲(chǔ)存方法有常壓吸附儲(chǔ)氫、高壓儲(chǔ)氫、液氫儲(chǔ)氫、化合物儲(chǔ)氫等。氫氣的各種存儲(chǔ)方法都有各自的缺陷，目前一般都是根據(jù)終端產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域和使用方法來(lái)選擇更合適的儲(chǔ)氫方法。工程師們正在不斷的努力設(shè)計(jì)出使用更方便更安全的加氫設(shè)備，做到像汽車加油一樣的便捷。
Q：氫燃料電池能否在無(wú)人機(jī)行業(yè)規(guī)模化、商業(yè)化應(yīng)用？
A：很顯然，這個(gè)答案是肯定的。隨著氫燃料電池技術(shù)的進(jìn)步，近幾年來(lái)全世界范圍內(nèi)燃料電池產(chǎn)品的出貨量在不斷增長(zhǎng)。燃料電池的性能、壽命、成本三大主要問(wèn)題正在逐步解決，讓商業(yè)化發(fā)展成為可能。
世界各國(guó)都對(duì)氫燃料電池表現(xiàn)出極大的熱情并投入巨大的資金。而且我國(guó)國(guó)家頂層設(shè)計(jì)也在加快燃料電池的市場(chǎng)化步伐，積極培育以儲(chǔ)氫罐、加氫站、輸氫管道等為標(biāo)志的氫經(jīng)濟(jì)或氫產(chǎn)業(yè)。
5月底，李克強(qiáng)總理在湖北武漢考察時(shí)，就很關(guān)注氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)的研究和發(fā)展，希望我國(guó)企業(yè)能多掌握這樣的清潔能源技術(shù)，成功應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，讓大家的生活能夠在干凈整潔的條件下越來(lái)越好。
緊隨其后在6月初，國(guó)家發(fā)改委、能源局發(fā)布了《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃(2016-2030年)》。以圍繞環(huán)境質(zhì)量改善目標(biāo)提供清潔能源技術(shù)支撐等的四個(gè)圍繞為綱領(lǐng)，提出了新能源發(fā)電、電氣設(shè)備等領(lǐng)域的多項(xiàng)高端技術(shù)發(fā)展規(guī)劃。
Q：我國(guó)是能源消費(fèi)大國(guó)，又是能源短缺國(guó)家。氫能的研發(fā)與應(yīng)用，對(duì)我國(guó)的能源發(fā)展現(xiàn)狀起到哪些作用？
A：這里我們要先普及一下“垃圾電”的概念。風(fēng)電本身具有不穩(wěn)定性，不易準(zhǔn)確預(yù)計(jì)，風(fēng)況不穩(wěn)定，產(chǎn)生的電能就不穩(wěn)定，風(fēng)電的電能質(zhì)量也較差，其功率因數(shù)和諧波往往得不到有效控制。風(fēng)電和光伏發(fā)電因此被稱為“垃圾電”從而不得不放棄，造成巨大浪費(fèi)。
有數(shù)據(jù)顯示，2010年至2015年，我國(guó)棄風(fēng)電量累計(jì)達(dá)到997億千瓦時(shí)，直接經(jīng)濟(jì)損失超過(guò)530億元。2015年棄風(fēng)電量就達(dá)到339億千瓦時(shí)，直接經(jīng)濟(jì)損失超180億元，幾乎抵消全年風(fēng)電新增裝機(jī)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。
新疆自2015年11月以來(lái)?xiàng)壒饴室宦凤j升，從2015年12月份的接近60%棄光率，到2016年2月份已高達(dá)70%，成為目前全國(guó)棄光最為嚴(yán)重的省份。
在中國(guó)的新疆、甘肅等地，如果可再生能源所發(fā)出的電能夠得到全部的利用，已經(jīng)能夠覆蓋其所有用電需求，甚至還有富余。
在交通領(lǐng)域，使用燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的公共汽車已經(jīng)開(kāi)始在國(guó)內(nèi)興起。而2015年僅被棄掉的風(fēng)電就可制氫約62萬(wàn)噸，這些氫氣可供25萬(wàn)輛公共汽車每輛每年行駛約7萬(wàn)公里。
如果用來(lái)燃燒使用，62萬(wàn)噸氫氣相當(dāng)于67.8億立方，而2016年全國(guó)天然氣總需求量也才2000億立方。
按照中國(guó)的可再生能源裝機(jī)增長(zhǎng)速度，如果能夠利用燃料電池和氫能來(lái)較好的解決棄風(fēng)棄光問(wèn)題，完全有可能在本世紀(jì)中葉完全擺脫化石能源，形成真正的氫能經(jīng)濟(jì)。
小結(jié)：
當(dāng)前，燃料電池處于從技術(shù)開(kāi)發(fā)向商業(yè)運(yùn)作轉(zhuǎn)折的時(shí)期。首先從技術(shù)性能來(lái)說(shuō)，多條技術(shù)路線基本統(tǒng)一，主流技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)，如高功率的金屬板電堆、70MPa的高壓氫氣瓶。
其次，燃料電池的材料、設(shè)計(jì)以及制造技術(shù)趨于成熟。從參考到試驗(yàn)，從加工到生產(chǎn)，我國(guó)目前已經(jīng)掌握了催化劑、膜、炭紙等關(guān)鍵材料的制備工藝，并且批量生產(chǎn)技術(shù)趨于成熟。
最后，燃料電池成本有望繼續(xù)降低。高成本一直是制約燃料電池商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題之一。但是，這并不是死命題無(wú)法解決。有業(yè)內(nèi)專家指出，加強(qiáng)對(duì)儲(chǔ)氫材料、氫的電解制取和燃料電池的開(kāi)發(fā)力度，大幅度降低其成本，同時(shí)實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)，攤薄制造成本，這一合理的氫經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)或?qū)闀r(shí)不遠(yuǎn)。
