如果有这样一种车出现在你面前:低噪声、不加油、不充电、不排放尾气,唯一排放的废物是纯净水。这样的神车并非是想象,而是存在的事实。氢燃料电池车就可以做到以上的情景。随着电动车在国内的日益普及,在问题暴露的同时,也有越来愈多的人开始关注氢燃料电池车。这样的科技产物,其中原理也没那么复杂。
我们对氢气最普遍的了解,可能就是其与氧气结合燃烧,在过程中放出能量了。不过燃料电池并非这么简单。燃料电池的工作原理与传统电池类似,燃料(氢气)在阳极氧化,氧化剂(氧气)在阴极还原。电子经外电路负载从阳极流向阴极,构成回路,产生电流。不同的是,燃料电池工作时,燃料会不断被消耗,因此需要一套单独的储存装置来储存燃料。
这一过程最关键的技术就是利用特殊的“电解质薄膜”将氢气拆分,整个过程可以理解成蚊子无法穿过纱窗,但是更小的灰尘却可以……电解质薄膜也是燃料电池领域最难被攻克的技术壁垒。
因为氢分子体积小,可以透过薄膜的微小孔洞游离到对面去,但是在穿越孔洞的过程中,电子被从分子上剥离,只留下带正电的氢质子通过,氢质子被吸引到薄膜另一侧的电极与氧分子结合。电解质薄膜两侧的电极板将氢气拆分成氢离子(正电)和电子、将氧气拆分成氧离子(负电)和电子,电子在电极板之间形成电流,两个氢离子和一个氧离子结合成为纯水,是反应的废物。这一过程对环境十分友好。
放眼全球,氢能及氢燃料电池的研发在很早就已经开始了。在车辆交通领域更为广泛,尤其是在商用车上。目前,日本将其上升至国家能源及战略层面,因此丰田、本田、日产等汽车厂商都有相应的研发产品及规划,配套设施及商业化发展也相对完善。美国对这方面的推广使用更是世界领先,绝大多数氢能燃料电池车在美国都有租售,用户群体多,氢能及相关行业的发展也更为成熟。
丰田的Mirai可以说是较早推向量产的乘用车。新车具有独特的外观,出色的加速性能以及低重心设计带来的操控稳定性,能够实现在零下30°C启动车辆。Mirai百公里加速度为9.6秒,并能够实现三分钟加满氢气。
在动力方面,Mirai由以下几个部分组成。驱动电机:最大功率113kW,最大扭矩335Nm;电池堆:由370个重量102g,厚度为1.34mm的电芯堆叠而成,体积能量密度3.1kW/L,输出功率114kW,总重量56kg,容积37L;动力电池:镍锰电池,用于制动能量回收和加速辅助供电;高压储氢罐:两个60L和62.4L承受700bar(700Mpa)压力的储氢气瓶,单位储氢密度5.7wt%,可加载5Kg的氢气,EPA续航里程为312英里(约502公里)。
而作为氢能源车又一巨头,现代在2018年底在北美发布了Nexo,作为一辆SUV,Nexo的续航里程高达850Km。价格方面,Nexo与Mirai倒是差不多,其售价都在6万美元左右(约合人民币40万元)。
外观方面,新车的整体外观采用了此前在2017上海车展亮相的氢燃料电池概念车——FE Fuel Cell车型的设计元素。细节方面,该车采用了倒梯形的大嘴式格栅,搭配两侧狭长的前大灯组以及贯穿式的饰条,造型犀利。车尾方面,新车采用圆润简洁的设计风格,搭配两侧LED灯组和与前脸呼应的后保险杠,科技感极强。
与中/日/美国以纯电动陆续为主导不同,韩国则是氢燃料和纯电动同步推进。据介绍,韩国计划2040年前生产100万辆氢燃料电池车,并建成1200个充电桩。目前韩国只有14个氢燃料充电桩,而从今年开始,韩国已经在增加相关基础设施建设步伐。未来,韩国政府将进一步降低氢燃料价格,增加氢燃料供给量,预计在2040年使其价格较2022年降低50%。
国内在氢燃料电池车的研发上稍落后于外国,但目前同样有了一定成果,例如在2019上海车展亮相的格罗夫氢能汽车。新车由西班牙巴塞罗那的格罗夫设计造型中心打造,采用四门溜背式造型设计。车辆采用氢燃料电池作为动力,可在几分钟内完成加氢,续航能力超过1000km。新车将于2019上海车展期间开启预售,并于2020年开始交付。
新车由西班牙巴塞罗那的格罗夫设计造型中心开发,车辆采用四门设计,车辆头灯与巨大的进气格栅相连,运动感十足。其前车门采用上掀的开门方式,十分炫酷,车尾则为溜背式造型设计,同时配以低矮的车身,很有跑车的韵味。其车身采用了碳纤维材料打造,使整车更具轻量化,同时车辆溃缩区使用了复合材料和铝合金结构,具有较高的安全性。
动力方面,新车采用氢燃料电池作为动力来源,排放物仅仅只有水,并且可利用工业副产品提取、制造和供应氢气,更加环保。新车的续航里程将超过1000km,且只需几分钟即可完成加氢。
在动力系统的原理上,不同国家的新车也基本一致。氧气(空气)通过汽车前方的空气压缩机压入到燃料电池堆中;在高压储氢罐中的氢气同时也输送到燃料堆;氢气和氧气在燃料电池堆中反应,产生电和水;产生的电提供给电机驱动车辆行驶;反应产生的水排出车外。
作为一项尚未成熟的技术,燃料电池自然有着不少的缺点,例如氢气目前主要依靠电解水获得,同样要耗费大量的能源。再有就是加氢站的建设,目前国内加氢站十分稀少,能源补充不是很方便。因此氢燃料电池汽车想要普及,还有很长的路要走。
此外,在原材料上,需要用到价格高昂且产量少的铂,因此使得燃料电池成本较高。不过最令消费者担心的还是氢气的安全性。氢气和空气混合时却极易燃,因而需要特别有效的传感器进行监控。不过瑞典查尔姆斯理工大学的研究人员也已经研发出氢气传感器。
该传感器的工作原理基于一种光学现象——等离子体,在大多数的金属中,等离子体频率接近紫外线的频率,反射了可见光让它们看起来很闪亮。一些金属如铜和金,在可见区中有电子带间过渡,借此吸收某些能量,让它们拥有独特的颜色。该光学纳米传感器中包含数以百万计的钯金合金金属纳米颗粒,钯金合金可吸收大量氢气。因此,当环境中的氢含量发生变化时,等离子体效应会导致该传感器变色。
包裹该小型传感器的塑料不止起到保护作用,还是一个关键部件,能通过加速氢气分子进入到金属颗粒中,从而加速传感器的响应时间,探查到氢气分子。同时,塑料还可作为有效的环境屏障,防止其他分子进入传感器,使传感器失效。因此,该传感器能够高效且不受干扰地工作,满足汽车行业的严格要求,能够在一秒内检测到空气中0.1%的氢气。
尽管该传感器主要用于氢能源载体,但是其也有其他可能应用。电力网络工业、化学和核能行业都需要此类高效氢气传感器,而且也可用于改善医疗诊断。
4月23日,工信部运行监测协调局局长黄利斌表示,从目前看,氢燃料电池汽车的产业化进程明显要晚于纯电动汽车。下一步,我们将进一步加大工作力度,联合有关部门开展示范运行,破解氢燃料电池汽车产业化、商业化难题,大力推进我国氢能及燃料电池汽车产业的创新发展。
写在最后:随着电动车的持续发展,插电混动车型和增程式车型可能会在未来率先离开我们的视野。从政策导向的方面来看,纯电车型和燃料电池车型会是未来的发展主力。但至于谁将会笑到最后,请大家拭目以待吧。
5月17-18日，由电车资源、西安新能源汽车产业协会联合主办的“2019中国（西安）新能源汽车产业生态大会”将在西安举行。此次大会以“新能源汽车的革新换代”为主题，得到了陕西省工业和信息化厅、西安市人民政府的指导；邀请新能源汽车行业的国家院士、资深专家、车企领导、零部件企业技术总工、车产品运营企业领导等，从企业关注的后补贴时代国家政策层面、产品技术升级与发展方向、新能源乘用车网约化之路、电动物流车绿色城配之选等热点问题进行探讨。详情咨询 关女士：13640985235 。点击了解大会详情>>>
