众宇动力李九鼎：氢燃料电池商业化之路并不遥远

　　其实氢燃料并不是个什么新发明，早在半个世纪前氢能就应用于航天领域了，随着人们不断地掌握多种先进的制氢技术，氢燃料电池被运用于发电、汽车、航空等领域。

　　让企业犹豫不决的，是其高昂的成本，除此之外，技术的可靠性更是关键原因。为此，我们采访了众宇动力副总经理李九鼎先生，对氢燃料电池动力系统进行详尽的了解。

　　氢燃料电池/图 来源网络

　　Q：氢燃料电池为什么是被看好的21世纪新能源之一，氢燃料电池与锂电池相比，到底有哪些优势?

　　A：氢能在无人机、汽车、工厂、住宅供电等方面都有着极大的需求和应用前景，甚至在未来有望取代现有石油经济体系，进入“氢经济”时代，成为人类生活必不可少的能源。主要有几大优点：

　　一是高效能：其发电效率通常能达到32%至70%。以民用无人机为例，目前市面上的多旋翼无人机主要采用锂聚合物电池作为主要动力，续航能力一般在20分钟至30分钟之间，因技术方面不同有所差别，大部分续航时间都是在45分钟以内;而氢燃料电池动力系统的旋翼机，续航时间超过4.5小时。

　　众宇动力推出两款名为“天行者”的固定翼无人机和“游骑兵”的六旋翼无人机，前者在2015年6月2日创下了12小时连续不断飞行的成绩;两个月后，后者在新疆创造了3小时30分钟的野外飞行记录。

　　二是环保：燃料电池的排气是水蒸气，对环境的影响可忽略不计。随着全球工业化进程不断加快，化石燃料消耗量日益增长，环境污染问题也越来越受到关注，氢能有望成为清洁燃料的替代品。

　　三是安全：氢气是最轻的、逃逸性最强的燃料，很难聚集;燃料电池工作的整个过程温度在80C以下，没有燃烧过程;海拔3000m以下，对燃料电池性能影响微乎其微。

　　Q：那氢燃料电池的工作原理是什么?

　　A：氢燃料电池是使用氢这种化学元素，制造成储存能量的电池。其基本原理是电解水的逆反应，把氢和氧分别供给阴极和阳极，氢在阳极变成氢离子(质子)通过电解质转移到阴极，同时放出电子通过外部的负载到达阴极，与氧气发生反应生成水。

　　氢燃料电池的基本结构和基本燃料电池的结构相同包括：电极、电解质隔膜与集电器等。

　　电极是燃料氧化和还原的电化学反应发生的场所，可分成阴极与阳极两部分。电解质隔膜的功能是分隔氧化剂与还原剂并同时传导离子。目前燃料电池所采用的电解质隔膜可以分为两类，一类为以绝缘材料制作多孔隔膜，例如石棉膜、碳化硅膜和铝酸锂膜等，再将电解液，例如氢氧化钾、磷酸和熔融碳酸盐等，浸入多孔隔膜：另一类电解质隔膜为固态离子交换膜，例如质子交换膜燃料电池中采用的全氟磺酸树脂膜。集电器也称做双极板，它只有收集电流、疏导反应气体及分隔氧化剂与还原剂的作用;双极板的性能取决于材料特性、流场设计与加工技术。

　　由于供应给阴极板的氧，可以从空气中获得，因此只要不断地给阳极板供应氢，给阴极板供应空气，并及时把水(蒸气)带走，就可以不断地提供电能。由于氢燃料电池不储能，确切的讲应该称为氢发电装置。

　　Q：既然氢燃料电池具有如此优势，那么无人机行业氢燃料电池发展现状又如何呢?

　　A：目前无人机电池大部分仍然是锂电池，氢燃料电池并未得到大面积普及。但是国内外很多企业都开始推出氢燃料电池动力系统的无人机产品。

　　国外，前不久俄国NELK公司制造的氢燃料电池八旋翼无人机在莫斯科近郊切尔诺戈洛夫卡进行的测试中创下了3小时10分钟的多旋翼无人机飞行时长记录。国内，科比特发布了一款名为HYDrone-1800的多旋翼无人机，采用氢燃料电池，续航时间长达273分钟。

　　而且在今年的5月29日，众宇动力团队在海拔3500米，环境温度-4℃的新疆胜利达坂地区，顺利完成了对氢燃料电池系统在高原应用中功效的检测。结合2015年在新疆亚洲地理中心的-17℃低温测试，基本解开了中国广袤地域的使用限制束缚。可以预见，氢燃料为能量载体的时代很快就会到来，在无人机行业的应用范围会大规模扩大。

　　Q：那当前行业应用的限制因素主要有哪些呢?我们在对待氢燃料电池方面有哪些认识误区?

　　A：很多企业对氢燃料电池存在顾虑，主要基于技术是否成熟、氢气的来源、氢气的存储及安全等问题。下面我来解释一下这几个问题：

　　首先是氢气的制取：将太阳能、风能、水的位能等可再生能源转化成电能，利用电解电池，电解水制氢，通过高效储氢材料常温储存，或经管道输送，其危险性不比天然气更大，目前全球制氢技术非常成熟。

　　其次是燃料电池的价格：很多人认为，在氢燃料电池发电的过程中用到的金属铂催化剂是造成燃料电池成本高的主要原因。但是事实上，在燃料电池中的铂使用量非常少，其材料成本根本不高，每kW功率燃料电池所含有的铂的价值大约也就100-200元RMB，而且目前用量还在不断降低。真正造成成本高的原因是产业不够成熟，产量太小导致生产成本过高。当然单靠无人机行业可能无法将产量做到足够大，但是随着氢燃料电池在汽车等其他领域的普及，其成本会大幅下降，甚至低于锂电池目前的成本水平。当然目前还有很多公司和研究机构在研究非贵金属催化剂，目前有一些已经取得了不错的效果。

　　最后是氢气的储存和运输，一般常见的储存方法有常压吸附储氢、高压储氢、液氢储氢、化合物储氢等。氢气的各种存储方法都有各自的缺陷，目前一般都是根据终端产品的应用领域和使用方法来选择更合适的储氢方法。工程师们正在不断的努力设计出使用更方便更安全的加氢设备，做到像汽车加油一样的便捷。

　　Q：氢燃料电池能否在无人机行业规模化、商业化应用?

　　A：很显然，这个答案是肯定的。随着氢燃料电池技术的进步，近几年来全世界范围内燃料电池产品的出货量在不断增长。燃料电池的性能、寿命、成本三大主要问题正在逐步解决，让商业化发展成为可能。

　　世界各国都对氢燃料电池表现出极大的热情并投入巨大的资金。而且我国国家顶层设计也在加快燃料电池的市场化步伐，积极培育以储氢罐、加氢站、输氢管道等为标志的氢经济或氢产业。

　　5月底，李克强总理在湖北武汉考察时，就很关注氢燃料电池动力系统的研究和发展，希望我国企业能多掌握这样的清洁能源技术，成功应用到各个领域，让大家的生活能够在干净整洁的条件下越来越好。

　　紧随其后在6月初,国家发改委、能源局发布了《能源技术革命创新行动计划(2016-2030年)》。以围绕环境质量改善目标提供清洁能源技术支撑等的四个围绕为纲领,提出了新能源发电、电气设备等领域的多项高端技术发展规划。

　　Q：我国是能源消费大国，又是能源短缺国家。氢能的研发与应用，对我国的能源发展现状起到哪些作用?

　　A：这里我们要先普及一下“垃圾电”的概念。风电本身具有不稳定性，不易准确预计，风况不稳定，产生的电能就不稳定，风电的电能质量也较差，其功率因数和谐波往往得不到有效控制。风电和光伏发电因此被称为“垃圾电”从而不得不放弃，造成巨大浪费。

　　有数据显示，2010年至2015年，我国弃风电量累计达到997亿千瓦时，直接经济损失超过530亿元。2015年弃风电量就达到339亿千瓦时，直接经济损失超180亿元，几乎抵消全年风电新增装机的社会经济效益。

　　新疆自2015年11月以来弃光率一路飙升，从2015年12月份的接近60%弃光率，到2016年2月份已高达70%，成为目前全国弃光最为严重的省份。

　　在中国的新疆、甘肃等地，如果可再生能源所发出的电能够得到全部的利用，已经能够覆盖其所有用电需求，甚至还有富余。

　　在交通领域，使用燃料电池发动机驱动的公共汽车已经开始在国内兴起。而2015年仅被弃掉的风电就可制氢约62万吨，这些氢气可供25万辆公共汽车每辆每年行驶约7万公里。

　　如果用来燃烧使用，62万吨氢气相当于67.8亿立方，而2016年全国天然气总需求量也才2000亿立方。

　　按照中国的可再生能源装机增长速度，如果能够利用燃料电池和氢能来较好的解决弃风弃光问题，完全有可能在本世纪中叶完全摆脱化石能源，形成真正的氢能经济。

　　小结：

　　当前，燃料电池处于从技术开发向商业运作转折的时期。首先从技术性能来说，多条技术路线基本统一，主流技术已经出现，如高功率的金属板电堆、70MPa的高压氢气瓶。

　　其次，燃料电池的材料、设计以及制造技术趋于成熟。从参考到试验，从加工到生产，我国目前已经掌握了催化剂、膜、炭纸等关键材料的制备工艺，并且批量生产技术趋于成熟。

　　最后，燃料电池成本有望继续降低。高成本一直是制约燃料电池商业化应用的关键问题之一。但是，这并不是死命题无法解决。有业内专家指出，加强对储氢材料、氢的电解制取和燃料电池的开发力度，大幅度降低其成本，同时实现批量化生产，摊薄制造成本，这一合理的氢经济结构的实现或将为时不远。