氫燃料電池汽車

為了到 2050 年實現(xiàn)氣候中和，歐盟委員會本周公布了一項名為“清潔氫聯(lián)盟”的工業(yè)戰(zhàn)略。歐共體、歐洲燃料電池和氫工業(yè)以及研究機構(gòu)之間的公私合作伙伴關(guān)系將推動該地區(qū)努力確保歐洲的能源獨立和開發(fā)零排放汽車。

從電動汽車到氫動力汽車？
下一代汽車的普遍目標是產(chǎn)生更少有害物質(zhì)和更少噪音的汽車。全世界都在試驗電動汽車（EV）。電動汽車屬于電動汽車領(lǐng)域，其缺點之一是充電時間長。

這個問題可以通過氫燃料解決，也稱為電池燃料。氫電池利用與航天器相同的能量到達地球軌道。但是氫能汽車是如何工作的呢？有哪些優(yōu)勢和劣勢？

氫燃料汽車的硬件 氫
燃料汽車將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機械能。氫可以直接燃燒到內(nèi)燃機中，在這種情況下，我們有一輛氫內(nèi)燃機汽車（HICEV）。或者它可以用來在燃料電池中與氧氣發(fā)生反應(yīng)，從而產(chǎn)生電力。這種類型的車輛被稱為燃料電池電動汽車（FCEV），近年來，F(xiàn)CEV引起了許多制造商的關(guān)注。

FCEV由電動發(fā)動機提供動力，并有一個車載發(fā)電廠，可以生產(chǎn)和管理氫氣。氫動力汽車對環(huán)境的影響很小，因為它們不會產(chǎn)生污染排放物（溫室氣體、細顆粒物等），而是會產(chǎn)生水蒸氣（圖 1和圖2）。

圖 1：氫氣汽車的框圖。在燃料電池中，氫氣和氧氣產(chǎn)生電能，電能被輸送到電動機和/或電池。（圖片：寶馬）

圖 2：電動汽車和氫燃料汽車的比較（圖片：InsideEVs.com）

氫是宇宙中最豐富的化學(xué)元素，但不是自然形式。因此，它不完全是可再生資源，必須使用不同的系統(tǒng)生產(chǎn)。因此，氫流動性對環(huán)境的整體影響取決于用于生產(chǎn)它的能源。如果您使用可再生能源來生產(chǎn)氫氣，那么對環(huán)境的影響是最小的。相反，如果使用化石資源，則對環(huán)境的影響要大得多。

氫氣可以通過兩種不同的生產(chǎn)工藝和技術(shù)生產(chǎn)：重整和電解。重整對環(huán)境的影響更大，因為它涉及原油的開采、運輸和精煉。電解是通過電誘導(dǎo)的化學(xué)反應(yīng)將 H 2 O 水分子分解成單獨的氫和氧原子的過程。該生產(chǎn)過程不排放污染氣體，但需要大量電力。電解過程由低壓電流組成，該電流流過水以釋放氣態(tài)的氧氣和氫氣。

氫的特性之一是其非常高的比能量密度，40,000 Wh/kg，或者是鋰離子電池比能量的 236 倍。這意味著氫動力汽車比電池動力汽車更輕，續(xù)航里程更廣。此外，加氫只需幾分鐘，而電池驅(qū)動的汽車則需要幾個小時。

圖 1顯示了氫燃料汽車的總體布局。燃料電池中發(fā)生反向電解：氫氣來自儲罐，空氣來自周圍環(huán)境。燃料電池不提供熱燃燒，而是提供電流，產(chǎn)生未改變的水作為唯一的廢物。

燃料電池接收兩個流入流：來自負極的氫氣和來自正極的氧氣。氫發(fā)動機中包含的催化劑使電子與原子核分離，該反應(yīng)釋放電力。電子移動到正極并加入氧原子，氧原子接收負電荷。氫與氧的結(jié)合產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，其最終產(chǎn)物是水。排放的是水蒸氣，氫氣汽車可以將其直接釋放到大氣中（圖 3和圖4）。

圖 3：電解的一般框圖

圖 4：氫燃料汽車的內(nèi)部零件

燃料電池中產(chǎn)生的電流可以直接為車輛供電或為比作為中間蓄電池的經(jīng)典汽車更小的電池充電。與其他混合動力汽車一樣，氫動力汽車也使用能量收集來為電池充電。電池用于滿足可能的發(fā)動機能量需求并回收制動能量，就像電動汽車和混合動力汽車一樣。燃料電池產(chǎn)生的電壓必須高達 600 V。

在低速行駛時，汽車僅從電池移動并獲取能量。相比之下，在更高的速度下（例如，在高速公路上），燃料電池為發(fā)動機帶來額外的動力，同時為電池充電。

優(yōu)點和缺點
氫燃料可以帶來的優(yōu)點是最大限度地減少排放（水是唯一的廢物）、加氫速度、減少消耗和延長自主權(quán)。但也存在與氫氣管理問題相關(guān)的缺點，從需要電力的電解技術(shù)到在充電/充電站儲存。電解造成的損失是氫氣生產(chǎn)中的一個問題。

不利的一面是，您無法在任何地方加油/充電；事實上，許多問題是由于氫氣難以儲存，因此今天的分銷商很少。而且，如上所述，分離氫氣的過程可能是能源密集型的。

與汽油或柴油相比，氫氣的儲存需要大量空間。氫氣罐必須足夠堅固以承受約 700 bar 的壓力。氫氣在 –253°C 下以氣態(tài)或液態(tài)形式儲存。

加油基礎(chǔ)設(shè)施，今天大多不存在，需要大量的經(jīng)濟投資。此外，燃料電池汽車的生產(chǎn)成本遠高于傳統(tǒng)汽車。

氫燃料汽車具有更大的自主權(quán)。一個裝滿氫氣的罐足以行駛約 500 公里的距離。電池驅(qū)動的汽車只有在配備大電池的情況下才能達到這個值，但這會導(dǎo)致車輛重量增加和充電時間延長。

市場示例
德國是歐洲領(lǐng)先的氫動力汽車國家。事實上，在 2019 年 12 月，德國大約有 80 個氫燃料汽車加油站。

福特和雷諾等眾多制造商已經(jīng)冒險制造氫動力汽車，盡管他們更愿意將資源用于電動汽車。相比之下，其他公司，如豐田，一直在開發(fā)這種技術(shù)，直到這種類型的車輛被制造和銷售。

豐田 Mirai 使用豐田燃料電池系統(tǒng) (TFCS)，提供燃料電池技術(shù)和混合動力電動汽車的典型技術(shù)。另一款氫燃料汽車是本田 Clarity 燃料電池。得益于創(chuàng)新發(fā)動機的 177 馬力，這款日本轎車可行駛 650 公里，最高時速可達 165 公里/小時。奧迪 H Tron、寶馬 i Hydrogen Next 和現(xiàn)代 NEXO 在氫燃料汽車中特別受關(guān)注。

氫能汽車每 100 公里平均消耗 1 公斤燃料。氫氣的平均價格為每公斤 10 歐元：可以假設(shè)一滿罐的成本約為 50 歐元，而平均距離可以與汽油車相比（圖 5）。

圖 5：全球氫燃料電池電動汽車產(chǎn)量（圖片：HIS）

與由電池驅(qū)動的汽車一樣，氫對未來的可持續(xù)移動性做出了重要貢獻。FCEV可以代表零排放技術(shù)，讓用戶保持靈活的駕駛習(xí)慣。氫氣的效率最高可達汽油的兩倍。但我們必須通過可再生解決方案提高氫氣產(chǎn)量。降低運輸和配送的基礎(chǔ)設(shè)施成本至關(guān)重要。

審核編輯 黃昊宇