燃料电池

持之以恒

尽管采用燃料电池作电源的电动汽车技术尚处于起步阶段,但在未来能够为零排放交通贡献重要力量。为了使氢能作为能源尽可能高效地转换成电能,科德宝高性能材料集团的班哈特博士(Dr. Volker Banhardt)致力于在燃料电池中引入一种非常特殊的组件。

斜阳穿过实验室的窗户。在魏茵海姆工业园(Weinheim Industrial Park)的一个房间里,班哈特手中拿着一块黑色无纺布小样对着亮光。它轻薄如纸。“一面由碳纤维制成。您看到细密的纤维结构了吗?”他边问边来回转动无纺布。“另一面涂有导电碳,如炭黑和石墨。就像在特氟龙不粘锅中,粘合性含氟聚合物确保液体起泡后溢出表面,并且防止无纺布被水浸透。”此类其貌不扬的织物在行话里被称为‘气体扩散层’。它是每个燃料电池的重要件。自2018年起,这种材料将在邻近的生产车间投入工业化生产。在材料研究员班哈特博士看来,这种材料将能够在几年内使电动汽车的燃料电池成为二氧化碳零排放移动出行的一个组成部分。班哈特担任科德宝高性能材料集团燃料电池产品营销负责人。

班哈特博士(图右)拿着“气体扩散层”的样品:一面由碳纤维制成,另一面涂有导电碳,如炭黑和石墨。

燃料电池为蓄电池提供了一种替代方案

原则上,所有配备替代型动力系统的车辆都有潜力在未来以环保方式为人们提供出行服务。然而,如果它们采用电池作电源,尚有许多挑战有待克服。仅在生产电池期间,由于制造过程需要电能,会产生大量二氧化碳。此外,目前纯电动汽车的续航里程并不适合日常使用;充电站太少,充电过程耗时漫长。燃料电池为蓄电池提供了一种替代方案,尤其适合长距离行驶的重型电动汽车。这是因为它们直接在车上产生电动机所需的电能。

为了达到这个目的,汽车首先加氢,可从二氧化碳中性的电能中获得氢。在机动车辆中,燃料电池将氢能转化为电能。原理如下:带正电荷的氢质子通过聚合物电解质隔膜(PEM)从阳极迁移到阴极,在那里,它们与大气中的氧反应形成水。在此过程中,在阳极产生过量带负电荷的氢电子。如果带负电荷的氢电子通过单独电路连接至阴极,它们将进入电流。同时产生作为‘废产物’的水蒸气和热量。由于这涉及没有火焰的氧化过程,因此也被称为冷燃烧。

在冷燃烧的情况下,目的是将尽可能多的能量从氢转化为电——而非转化为热能,车内热能基本未被使用。黑色无纺布恰好可在这方面一展身手。“气体扩散层直接位于催化涂层隔膜上,任务是通过最佳方式将氢气和空气中的氧气扩散到反应过程中。”班哈特解释说。气体扩散得越均匀,且空气能够在整个横截面上流动得越均匀,通过冷燃烧产生的电能就越多。另外,气体扩散层还承担去除废热和水蒸气的任务。正因如此,研发人员采用与制造特氟龙不粘锅类似的方法在其表面添加涂层。蒸汽在通道系统中沿着其冒泡,然后通过通道系统排出。

班哈特博士认为“气体扩散层”将在数年内帮助电动汽车中燃料电池实现零排放。

“在大量采用之前,还有很多事情要做。”

那么,燃料电池未来能够成为纯电动汽车的补充吗?“在大量采用之前,还有很多事情要做。”班哈特表示。由于加氢站数量太少,燃料电池目前主要用于生产生活能源的固定式设备和叉车等特种车辆。这些设备和车辆因此可在建筑物内部运行,且不会产生排放。与此同时,也可在现场加氢站为其供能,远远快过电池供电型叉车的充电过程。燃料电池驱动系统在其他领域的应用也在研究中。

例如,雷诺公司在巴黎2017联合国气候变化大会上展示了燃料电池电动卡车。燃料电池船正在接受零排放港口作业测试,未来还将通过燃料电池辅助涡轮机在机场为飞机提供零排放动力。如同在汉堡和科隆一样,在上海,首批燃料电池公交车已在当地投入运营,以减少城市空气污染。在乘用车领域,丰田、本田和现代业已开发出首批将投入标准化生产的汽车。2018年,梅赛德斯-奔驰计划在市场上推出GLC燃料电池SUV。

班哈特肯定地表示:“尽管燃料电池在2025年之前不会产生重大影响,不过这项技术将应用于多种形式的移动出行领域。”随着魏茵海姆扩大生产规模,科德宝正在为未来需求做好准备。“我们持之以恒,并且目光长远。”