為了在2050年到來之前實現(xiàn)氣候中和(climate neutral)的目標,歐盟委員會(EC)近日宣布了稱為“清潔氫能聯(lián)盟”的工業(yè)戰(zhàn)略計劃。EC、歐洲燃料電池與氫能源行業(yè)、以及各研究機構(gòu)之間的合作,將促使歐洲能源獨立并開發(fā)零排放汽車。
從電動汽車到氫動力汽車?
讓下一代汽車產(chǎn)生更少的有害物質(zhì)和更少的噪音是汽車制造商的共同目標,為此,全球的廠商都在研發(fā)電動汽車(EV)。然而,充電時間過長是電動汽車的一大痛點。
這個問題可以通過為氫燃料電池加氫來解決。氫電池采用的能源與宇宙飛船到達地球軌道的能源是一樣的。那么氫動力汽車如何工作?其優(yōu)缺點是什么?
氫動力汽車硬件
氫動力汽車將化學能轉(zhuǎn)化為動能。氫內(nèi)燃機汽車(HICEV)與傳統(tǒng)內(nèi)燃機工作原理相同,只是將燃料換成了氫。還有一種方法是讓氫在燃料電池中與氧發(fā)生反應(yīng),從而產(chǎn)生電能。這種類型的汽車稱為燃料電池電動汽車(FCEV),它由電動機驅(qū)動,由車載發(fā)電系統(tǒng)來生產(chǎn)和管理氫。近年來,F(xiàn)CEV已經(jīng)越來越多地引起制造商的關(guān)注。
氫動力汽車的一個優(yōu)勢在于它不排放污染環(huán)境的有害物質(zhì),僅排放水蒸氣,而不是溫室氣體和微粒(圖1和圖2),因此對環(huán)境幾乎沒有影響。但是,氫能源交通對環(huán)境的總體影響取決于產(chǎn)生氫的能源。氫是宇宙中儲量最豐富的化學元素,卻不以天然的形式存在。因此,它并不是完全可再生的資源,必須通過生產(chǎn)來獲得。如果利用可再生能源生產(chǎn)氫氣,則對環(huán)境的影響最小。相反,如果采用化石原料生產(chǎn),則對環(huán)境的影響大得多。
圖1:氫動力汽車功能框圖。在燃料電池中,氫氣和氧氣發(fā)生化學反應(yīng)產(chǎn)生電能,電能再被傳輸?shù)诫妱訖C和/或電池中。
圖2:電動汽車和氫動力汽車的對比。
氫氣可以通過兩種不同的生產(chǎn)過程和技術(shù)獲得:重組和電解。重組對環(huán)境的影響較大,因為它涉及原油的提取、運輸和精煉。電解則是通過電產(chǎn)生化學反應(yīng),將H?O水分子分解為單獨的氫原子和氧原子。此過程不會排放污染氣體,但需要大量的電力。在電解的過程中,低壓電流在水中流過,釋放出氧氣和氫氣。
氫具有非常高的能量密度,達到40,000Wh/kg,是鋰離子電池能量密度的236倍。這意味著氫動力汽車比電池動力汽車重量更輕,并且具有更長的行駛里程。而且,加氫只需要幾分鐘,而為電動汽車充電則需要幾個小時。
圖1顯示了氫動力汽車的整體構(gòu)成。來自儲罐的氫與周圍環(huán)境中的氧在燃料電池中發(fā)生反向電解。燃料電池不提供熱力燃燒,而是提供電流,它產(chǎn)生的唯一廢物是不會發(fā)生變化的水。
燃料電池接收到兩種氣流:一種是來自負極的氫,另一種是來自正極的氧。氫發(fā)動機中的催化劑使電子與原子核分離,這個反應(yīng)過程會釋放電能。電子移動到正極并與氧原子結(jié)合,使氧原子接收到負電荷。
氫與氧結(jié)合發(fā)生化學反應(yīng),其產(chǎn)物為水,最終排放的是水蒸汽,氫燃料汽車可將其直接排放到大氣中(如圖3和圖4)。
圖3:電解的通用原理圖。
圖4:氫動力汽車內(nèi)部構(gòu)造。
燃料電池產(chǎn)生的電流可以直接給汽車供電,或給作為中間媒介的蓄電池(比傳統(tǒng)電池小)充電。氫動力汽車跟其他混合動力汽車一樣,也可以利用能量采集的方法為電池充電。如同在電動汽車和混合動力汽車中,這種蓄電池用來提供發(fā)動機所需的能量,同時回收制動能量。燃料電池產(chǎn)生的電壓必須達到600V。
當汽車低速行駛時,僅由蓄電池提供能量;當汽車以較高的速度行駛時(例如在高速公路上),燃料電池將為發(fā)動機提供額外的動力,同時為蓄電池充電。
氫動力汽車的優(yōu)缺點
氫動力汽車的優(yōu)點是可以最大程度地減少排放(它排放的唯一廢物是水),能快速添加燃料(氫氣),降低了能源消耗,延長了行駛時間。但是,氫燃料的管理還存在一些問題,例如電解需要電力才能完成,而氫氣需要存儲在充氣站/充電站。電解過程會產(chǎn)生損耗也是制氫過程的難題。
氫動力汽車的缺點是不能隨時添加氫燃料。這主要是由于氫氣難以儲存所致,所以目前市場上的氫氣分銷商并不多。另外,如同前面所提到的,分離氫的過程會消耗大量能源。
與汽油或柴油相比,儲存氫氣需要更大的空間。氫氣罐必須足夠堅固,能承受約700巴的壓力。氫氣以氣態(tài)的形式存儲,在-253℃以下時則以液態(tài)形式存儲。
加氫的基礎(chǔ)設(shè)施很少見,因為這需要很大投資。此外,燃料電池汽車的生產(chǎn)成本也大大高于普通汽車。
與電池動力汽車相比,氫動力汽車可以行駛更長的里程。一輛儲滿氫氣的汽車可以行駛約500公里的距離;而能夠行駛?cè)绱碎L距離的電池動力汽車則需要配備巨型電池,這會導(dǎo)致汽車重量增加、充電時間延長。
市場實例
在歐洲處于領(lǐng)先地位的德國一直專注于氫動力汽車基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)。到2019年12月,德國已經(jīng)建好了大約80個氫動力汽車的燃料添加站。
福特和雷諾等許多制造商也開始制造氫動力汽車,但是他們更愿意投資于電動汽車。相比之下,豐田等公司則一直投入開發(fā)這項技術(shù),涉及氫動力汽車的設(shè)計、生產(chǎn)和銷售等各個環(huán)節(jié)。
豐田Mirai采用豐田燃料電池系統(tǒng)(TFCS),這款汽車使用了燃料電池技術(shù)和典型的混合動力技術(shù)。本田Clarity Fuel Cell也是氫動力汽車,這款日本轎車采用177馬力的創(chuàng)新型發(fā)動機,行駛距離可達650公里,最高時速達到165公里/小時。其他備受關(guān)注的氫動力汽車還包括奧迪H Tron、寶馬i Hydrogen Next和現(xiàn)代NEXO。
氫動力汽車每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,因此可以估算出一滿罐氫氣的成本約為50歐元,而一滿罐氫氣的平均行駛里程與汽油汽車相當。
圖5:全球氫燃料電池電動車產(chǎn)量
氫動力汽車與電池動力汽車為未來的綠色交通奠定了基礎(chǔ)。FCEV代表零排放技術(shù),使用戶可以保持現(xiàn)有的駕駛習慣。另外,氫氣的效率是汽油的兩倍。不過,我們必須通過可再生解決方案來提高氫氣生產(chǎn)能力,要知道減少氫氣運輸和配送基礎(chǔ)設(shè)施的成本也很重要。
原標題: 歐盟委員會看好氫燃料電池汽車