為了在2050年到來之前實(shí)現(xiàn)氣候中和(climate neutral)的目標(biāo)，歐盟委員會(huì)(EC)近日宣布了稱為“清潔氫能聯(lián)盟”的工業(yè)戰(zhàn)略計(jì)劃。EC、歐洲燃料電池與氫能源行業(yè)、以及各研究機(jī)構(gòu)之間的合作，將促使歐洲能源獨(dú)立并開發(fā)零排放汽車。

從電動(dòng)汽車到氫動(dòng)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(biāo)，為此，全球的廠商都在研發(fā)電動(dòng)汽車(EV)。然而，充電時(shí)間過長(zhǎng)是電動(dòng)汽車的一大痛點(diǎn)。

這個(gè)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(dá)地球軌道的能源是一樣的。那么氫動(dòng)力汽車如何工作?其優(yōu)缺點(diǎn)是什么?

氫動(dòng)力汽車硬件

氫動(dòng)力汽車將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。氫內(nèi)燃機(jī)汽車(HICEV)與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)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(dòng)汽車(FCEV)，它由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，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(dòng)力汽車的一個(gè)優(yōu)勢(shì)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(duì)環(huán)境幾乎沒有影響。但是，氫能源交通對(duì)環(huán)境的總體影響取決于產(chǎn)生氫的能源。氫是宇宙中儲(chǔ)量最豐富的化學(xué)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(duì)環(huán)境的影響最小。相反，如果采用化石原料生產(chǎn)，則對(duì)環(huán)境的影響大得多。

圖1：氫動(dòng)力汽車功能框圖。在燃料電池中，氫氣和氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能，電能再被傳輸?shù)诫妱?dòng)機(jī)和/或電池中。(圖片來源：寶馬)

圖2：電動(dòng)汽車和氫動(dòng)力汽車的對(duì)比。(圖片來源：InsideEVs.com)

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(duì)環(huán)境的影響較大，因?yàn)樗婕霸偷奶崛　⑦\(yùn)輸和精煉。電解則是通過電產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，將H?O水分子分解為單獨(dú)的氫原子和氧原子。此過程不會(huì)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(dá)到40,000Wh/kg，是鋰離子電池能量密度的236倍。這意味著氫動(dòng)力汽車比電池動(dòng)力汽車重量更輕，并且具有更長(zhǎng)的行駛里程。而且，加氫只需要幾分鐘，而為電動(dòng)汽車充電則需要幾個(gè)小時(shí)。

圖1顯示了氫動(dòng)力汽車的整體構(gòu)成。來自儲(chǔ)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(huì)發(fā)生變化的水。

燃料電池接收到兩種氣流：一種是來自負(fù)極的氫，另一種是來自正極的氧。氫發(fā)動(dòng)機(jī)中的催化劑使電子與原子核分離，這個(gè)反應(yīng)過程會(huì)釋放電能。電子移動(dòng)到正極并與氧原子結(jié)合，使氧原子接收到負(fù)電荷。

氫與氧結(jié)合發(fā)生化學(xué)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(dòng)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(dòng)力汽車跟其他混合動(dòng)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(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車中，這種蓄電池用來提供發(fā)動(dòng)機(jī)所需的能量，同時(shí)回收制動(dòng)能量。燃料電池產(chǎn)生的電壓必須達(dá)到600V。

當(dāng)汽車低速行駛時(shí)，僅由蓄電池提供能量;當(dāng)汽車以較高的速度行駛時(shí)(例如在高速公路上)，燃料電池將為發(fā)動(dòng)機(jī)提供額外的動(dòng)力，同時(shí)為蓄電池充電。

氫動(dòng)力汽車的優(yōu)缺點(diǎn)

氫動(dòng)力汽車的優(yōu)點(diǎn)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(zhǎng)了行駛時(shí)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(chǔ)在充氣站/充電站。電解過程會(huì)產(chǎn)生損耗也是制氫過程的難題。

氫動(dòng)力汽車的缺點(diǎn)是不能隨時(shí)添加氫燃料。這主要是由于氫氣難以儲(chǔ)存所致，所以目前市場(chǎng)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(huì)消耗大量能源。

與汽油或柴油相比，儲(chǔ)存氫氣需要更大的空間。氫氣罐必須足夠堅(jiān)固，能承受約700巴的壓力。氫氣以氣態(tài)的形式存儲(chǔ)，在-253℃以下時(shí)則以液態(tài)形式存儲(chǔ)。

加氫的基礎(chǔ)設(shè)施很少見，因?yàn)檫@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(dòng)力汽車相比，氫動(dòng)力汽車可以行駛更長(zhǎng)的里程。一輛儲(chǔ)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(zhǎng)距離的電池動(dòng)力汽車則需要配備巨型電池，這會(huì)導(dǎo)致汽車重量增加、充電時(shí)間延長(zhǎng)。

市場(chǎng)實(shí)例

在歐洲處于領(lǐng)先地位的德國一直專注于氫動(dòng)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(gè)氫動(dòng)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(dòng)力汽車，但是他們更愿意投資于電動(dòng)汽車。相比之下，豐田等公司則一直投入開發(fā)這項(xiàng)技術(shù)，涉及氫動(dòng)力汽車的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和銷售等各個(gè)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(dòng)力技術(shù)。本田Clarity Fuel Cell也是氫動(dòng)力汽車，這款日本轎車采用177馬力的創(chuàng)新型發(fā)動(dòng)機(jī)，行駛距離可達(dá)650公里，最高時(shí)速達(dá)到165公里/小時(shí)。其他備受關(guān)注的氫動(dòng)力汽車還包括奧迪H Tron、寶馬i Hydrogen Next和現(xiàn)代NEXO。

氫動(dòng)力汽車每100公里平均消耗1公斤燃料。氫氣的平均價(jià)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(dāng)。

圖5：全球氫燃料電池電動(dòng)車產(chǎn)量(圖片來源：IHS)

氫動(dòng)力汽車與電池動(dòng)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(xí)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(yùn)輸和配送基礎(chǔ)設(shè)施的成本也很重要。

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