为什么氢燃料电池突然热起来了？
燃料电池之所以火起来了，是因为它确实能解决现在内燃机和电动车的痛点，而且可以利用谷电和废电制氢，达到储能的目的。
因此本文分为两部分，分别介绍氢气作为储能和作为燃料电池的作用。
储能部分
先讲氢气的优点：
- 来源广泛，非常广泛，工业副产氢，煤制氢，天然气制氢，技术都很成熟，特别是工业副产氢，如焦炉煤气里的氢，这些氢气在工艺上用不到，附近也没有化工厂需要，以前都是直接当做燃料烧掉，利用价值不比同等热值的煤炭高，但是提纯一部分做燃料电池的燃料，剩下的还是当燃料烧掉，也就提高了副产品的价值。
- 风电，水电，光电，都有发电不稳定的问题，时高时低，发出来的电用不掉就只能浪费掉。由于电解水装置的调节能力通常较强，相应速度快，（但是效率较高的SOEC需要高温，调节能力可能比较差）可以利用这部分电来电解水制氢，实现能量的储存。
- 火电厂在夜间时，由于符合低，需要减负荷运行，减负荷就会偏离最佳工况，发电效率就会降低，同样的，如果保持高效率运行，由于效率提高多产的电力用来电解水制氢，也就实现了能量的储存。
- 最终是否利用氢气储能的决定性因素只有一个… 就是钱… 因为储能的方法有很多，利润最高的最好… 只要制氢储氢能赚到最多的钱，电厂就会采取用氢气储能的方案，如果不能，就会采用如抽水，蓄热一类的方案进行储能，如果储能反而会亏钱，企业会直接放弃储能。如果氢燃料电池兴起，那么高纯氢气的销路就有保障了，那么就有更大的概率，企业会选择氢气储能。
再来讲讲缺点：
- 储存和运输是最大的痛点，世界上应该再难找到比氢气更易爆的气体了，因此安全要求高；世界上也找不到比氢气更轻的气体了，因此即使高压运输，占用体积也很大；由于需要超高压运输，压缩机要求也很高。因此，氢气的经济运输半径很小，而产氢的地区通常又与用氢的地区相去甚远…
- 可以这样理解，如果氢气方便储运的话，现在的副产氢气的化工厂何必把珍贵的氢气白白烧掉，而不是卖给其他有需要的化工厂呢？因为运费太高把白菜都盘成了黄金价，需要氢气的化工厂，通常都选择了自己在现场用甲醇或天然气制氢…
- 因此，虽然制取合格氢气实际成本很低，但是难点在运输和存储上，即使用新能源的废电这种几乎免费的方式来制氢，也面临运输和存储成本高的问题。
- 同时，由于储运困难，加注站的建设难度也是极为困难，因而现在很多加注的设计也是用甲醇或天然气现场制氢… 便宜的工业副产氢和废电制氢被排除在外了… 昂贵的加注站也导致了氢能源汽车是先有蛋还是先有鸡的问题…
- 不解决这个问题，氢能源就会因为价格过高而不被消费者接受，或是无法利用其储能调峰的能力…
- 还有一个缺点是效率问题，如果不将氢气作为产品出售，利用氢燃料电池发电做调峰使用，其效率虽然比内燃机高很多，但是和锂电池，液流电池相比，要差太多太多了…
燃料电池汽车
在上一章，我们讲到现阶段的氢燃料电池效率和锂电，液流电池比没有优势，用着调峰损失较大，不换算，但是它比内燃机效率高，污染小，能量密度又比普通高很多，那么它用来替代内燃机做车用发动机是很适合的。具体理由嘛，可以参考下面我文章的节选：
热效率
内燃机经过上百年发展,人才济济,资源充沛,业内最高水平热效率也只有41%,还必须在额定的转速条件下才能达到, 更不用说普通内燃机,30+%已是极限. 那么燃料电池呢?刚刚从象牙塔里走出来的燃料电池,热效率40%起步,最高60%已有产品,实验室听说甚至能干到80%+… 婴儿状态就直接干趴了内燃机最高水平…
制造成本
现在的燃料电池没有规模效应,制造成本高居不下,行业大佬们做着少而精的事情,躺着赚钱,并不想伺候事儿多的普罗大众. 实际上, 燃料电池的构成是什么呢? 常见的PEM型主要由三部分构成，质子交换膜，催化剂+扩散层，双极板。交换膜是塑料的，可以是nafion也可以PBI，我个人看好高温PBI膜，因为高温可以解决很多问题，PBI一公斤粉料只需要两三百块钱，比较好的1000多，大批量改性制成膜的成本也不会太高；催化剂虽然含铂，但是实际上用量并不多，约0.5mg/cm2，一个电池用1平米（约10kw）的催化剂来计算，只需要5g铂金，成本不足1000元，即使堆到100kw，也不到10000元，更进一步，物质不生不灭… 铂金是可以回收的… ；双极板现在比较成熟的是复合石墨板，石墨是什么呢？碳… 来源丰富到不可想象… 但是制造过程复杂，不划算，国产化以后，成本降了很多，不过更厉害的是金属双极板有了突破，并且商用了，双极板成本也嗖嗖往下降… 100公斤不锈钢板也就1500块钱，镀膜加工的成本给它算2000块。这么算起来，10kw左右的燃料电池价格成本不会超过2万元；形成规模，打破垄断，工艺升级以后，5000元/10kw也不是不可能。
使用成本
氢自然是燃料电池最理想的原料，没有碳排放，只排水，制取和来源也非常丰富，目前主要通过化石燃料制氢，煤，天然气都是制氢的好原料，我国富煤，少油，贫气，大量石油都要靠进口，自然是用煤制成的氢气更符合我国国情。可惜的是，氢实在是太活泼，爆炸范围又极宽，作为化工人，经常与氢气打交道，本狗时常都怕怕的，一定要小心小心再小心，不过这是通过技术手段可以解决的，无非就是多加几道安全措施，将它的爆炸风险控制到现有汽油车水平是可以做到的。然而最关键的是，氢气太轻了，要不为什么叫“轻”气 ，氢气的质量能量密度傲视群雄，但是密度低得令人发指… 造成它体积能量密度非常差… 压缩到70Mpa也不如汽油… 密度低+易爆就造成了运输困难，超高压又造成了压缩难，加注站技术难度高，这么多难点直接导致用于燃料电池的纯氢价格比制造价格贵了很多倍… 因此，虽然氢气是最好的燃料，但是需要解决的问题还太多。
因此要解决氢气的运输和安全问题，就要找比高压储氢更经济实惠的方案。最简单有效的就是用氢气和二氧化碳合成甲醇+水，甲醇就是我们非常熟悉和常用的燃料了，运输，储存和加注都很方便，安全性与汽油相当，甚至略好一些。需要用氢气的时候，合成甲醇的反应是可逆的，加水加催化剂，在200°C+的温度下，甲醇就会分解成氢气和二氧化碳。问题完美的解决了~ 呃，等等… 为什么生成的氢气里除了二氧化碳还有少量一氧化碳啊… 这是因为这个反应其实是两步，甲醇先分解成了氢气和一氧化碳，一氧化碳再和水反应生成氢气和二氧化碳，这一氧化碳就是没反应掉的残留… 即使用上最好的催化剂，也有约0.5%的CO在氢气里。
坑爹的是，一氧化碳分分钟就能干死我的铂金催化剂啊… 怎么办？我们可以提高温度啊，温度越高，我的铂金催化剂就越耐操，到了200°C，可以正面刚3%的CO，但是这个时候如果是Nafion膜，妥妥地给烧坏了… 如果要把CO扣掉，制成纯氢的话，需要用昂贵的膜来分离，和反渗透净水器一样，生成纯净水时会产生废水，这里也一样，生成纯氢会产生废气，大约要损失20-30%的氢气… 显然是非常非常非常的不换算了，但是即便如此，如果使用60%热效率的电堆，损失了30%也还有42%的热效率，依然吊打燃油车…
解决高温下质子交换膜烧毁的问题，还有另一种思路，既然你这膜刚不住，那我换一种耐高温的膜呗，高温下也不用加湿，也没有水管理了，系统简单了一个量级，价格还便宜了。现在的PBI高温膜也有突破，寿命不再是问题了，不过热效率就比Nafion差一点了，大约45-49%，胜在简单便宜，使用甲醇作为原料的话，效率比低温膜略高。日后一定还会有更高效的膜开发出来，毕竟它比Nafion出现得更晚，相关研究更少。
我们来计算一下使用甲醇燃料电池、电力以及内燃机的行驶费用。（氢气短时间内很难大规模应用，暂时按下不表）
此表中居民电按0.5元/度，商业电按1.2元/度计算。
可以看到，汽油比甲醇贵了差不多一倍，商业用电比甲醇稍贵，居民用电则明显比其他所有能源都便宜，比甲醇便宜了一半… 但是物业私人车位拉的充电桩通常不会按居民电费结算…
行驶里程
按照100km需消耗20kw，电池能量密度200wh/kg计算行驶600km需要的燃料结果如下表：
相比汽油车，甲醇燃料电池只需要多装15公斤约20升甲醇就能满足需要，而电池多出近600公斤… 不是一个量级的比较… 电池每一公斤都是钱，甲醇和汽油则是塑料箱大点小点的问题，几乎不影响成本…
充能速度
这个不用计算，甲醇和汽油都是5分钟内搞定，电池车再快也要接近1小时。
建设难度
甲醇安全等级与汽油相同，稍加修改就可以利用现有加油站改建，电池车的快充瞬时功率太高，后期需要拉专线，对电网也是不小的考验，成本可能比加氢站便宜，但是比甲醇贵多了。
环保
虽然都是用燃料，但是燃料电池反应温度低，反应物纯净杂质少，产物杂质也就少，温度不够高，氮气和氧气无法反应生成氮氧化物，除了碳排放，使用甲醇燃料电池几乎没有有害排放。
汽油内燃机要达到高效的话就需要尽量提高温度，温度一高，氮气就开始和氧气反应了… 由于汽油本身是上百种物质组成的混合物，反应产物也比较难控制…
从可再生性来说，甲醇可以通过生物质或氢气+CO2再生，汽油的话，实在要再生也可以用相似的方法再生，只是碳链太长，生成物不纯，难度也更高，并不划算。曾经在汽油价格高的时候，有很多厂家把甲醇制成汽油，获得不小的利润。
总结
氢燃料电池很美好，即可储能，又比内燃机高效，但是氢气的储运搞不定，不消除消费者对氢气的恐惧，就不会在消费市场有实用价值。因此，目前要想用上燃料电池，甲醇燃料电池更接地气，燃料也更便宜，但是需要小心的是甲醇直接燃料电池，这货能查到的学术文献很少，热效率也基本没看到，常见的燃料用的是3%的甲醇溶液（也就是说剩下97%是水，不能供能），一般是用在手机充电宝一类的便携设备上… 能不能用在汽车上还存在疑问。
作者：微醺的工程狗
链接：https://www.zhihu.com/question/317410308/answer/636643801
来源：知乎
