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国内氢能源车真的来了!电动车要完了?

导读 前两天发了几篇关于新能源的文章,在评论区里一直有一个呼声很高的说法:电动车不行,未来是氢能源的。
前两天发了几篇关于新能源的文章,在评论区里一直有一个呼声很高的说法:电动车不行,未来是氢能源的。

广州车展上,广汽丰田将氢能源轿车Mirai带上了展台。不仅仅是一次技术的展示,还宣告了Mirai将正式进入国内市场。

我们还在适应电动时代,氢的时代就要来了吗?

今天,就再和大家相对细致地聊一聊氢气和汽车的那点事儿。

直接烧氢气?

干过,但不靠谱

氢+氧可以燃烧,反应生成水,这个基础的化学反应,但凡接受过九年义务教育,应该不用科普。

氢气理论上是一种理想的燃料,它的优点,不仅仅在于只产生水的环保属性。氢气理论的能量密度极高,有足足140MJ/Kg,而汽油仅有44MJ/Kg。仅就热值论,三倍于汽油。燃烧温度也远高于汽油,热效率天然较高。

因此,很早的时候,就有人开始了氢内燃机汽车的尝试。比如宝马在上世纪八十年代,就立项了氢能源汽车。

2006年,宝马推出了使用氢内燃机的7系——Hydrogen 7。这批车已经足以满足日常的使用需要,也可以加注普通汽油。虽然没有公开售卖,但广泛提供给了社会知名人士,联合国机构等试用。

直接烧氢的Hydrogen 7

既然氢气是一种可燃气体,自然可以通过内燃机燃烧使用。内燃机改用氢气并非什么难事,任何发动机经过简单改造和针对性调校都可以,原理和天然气的出租车别无二致。

Hydrogen 7结构图,和天然气出租车大差不差

但直接燃烧氢气不靠谱。

背后的原因也简单:氢气热值极高,甚至三倍高于汽油,燃烧温度也远高于汽油,还比汽油更容易爆炸,远离明火才是安全上上策。

而且,虽然说内燃机直接用氢气不是啥难事,但氢气会导致金属产生氢脆现象。也就是游离的氢离子同金属中氢离子结合,导致金属产生微小裂缝,影响零件强度。氢内燃机的诸多部件都需要直接接触氢气,自然氢脆现象极易发生。

Hydrogen 7的发动机,源自普通760

还有一点,直接点氢气的话,对于氢气的浪费惊人。昔日宝马Hydrogen 7的百公里油耗不到15升,但用氢气的话,百公里需要消耗氢气50升。结合当时并不成熟的高压储氢技术,用氢气驱动时续航里程十分感人。

Hydrogen 7巨大的气罐

所以,目前氢内燃机还有没有人研究呢?有,丰田和少数几个专业赛车公司,仍旧看好氢内燃机在赛场的前景,毕竟比赛可以不计成本争第一。但要在生活中应用,直接烧氢气明显不靠谱、不科学,我们需要一种更科学的方式。

丰田的氢燃料赛车

怎么高效利用氢气

氢燃料电池

氢燃料电池是如今氢能应用的主要形式。原理简单来说,就是通过一系列过程,利用氢燃料电池让氢气和氧气结合成水,在这个过程中产生电能。目前应用最成熟,也最广泛的是固体高分子燃料电池。

具体的原理感兴趣的话,可以看如下部分,不感兴趣可以直接略过。

氢燃料电池的原理

氢气首先到达气体分布层,然后进入催化剂层,经过催化层进入质子交换膜。质子交换膜是电子阻隔层,即质子可以通过,而电子通不过。因此电子必须绕道而行,从而形成电流——即发电。

发电后的电子回到质子交换膜的右侧,在催化剂的作用下,与通过交换膜的质子重新结合成为氢气,同时空气经右侧进入,空气中的氧气与氢气结合形成水,其他空气仍然回到大气中去,这就是氢气发电的过程。其过程没有燃烧,没有污染。

这个过程中涉及到如下反应:

阳极:2H2 → 4H+ + 4e-

阴极:O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O

整体:2H2 + O2 → 2H2O + 能量

而通过氢燃料电池产生电能之后,自然是通过电动机来实现车辆的驱动。本质上,氢燃料电池汽车还是一台电动汽车。目前许多氢燃料电池汽车,也都可以直接充电,当作纯电动汽车使用。

相比于氢内燃机,不用点燃的燃料电池自然要安全,相比于直接燃烧氢气做功,氢燃料电池的利用效率也更高。更重要的是,相比于纯电动车,氢燃料电池无需长时间的充电,即便是大型公交车,加注燃料也仅需要10分钟左右。

氢燃料电池公交车的动力系统

目前,我们所说的氢能源汽车,绝大部分都使用氢燃料电池作为动力源。

氢能源汽车

发展到什么程度了?

海外

氢乘用车已经上市

使用氢燃料电池汽车,已经在这两年进入了市场。2022年冬奥会上,就出现了丰田Mirai。而且,已经是这个车系的第两代产品。目前在日本、美国等地实现了销售。在美国,2021年Mirai可卖出2000+台,主要销售到了以加州为核心的西海岸。前段时间也在国内象征性的上市,有望在今年内正式登陆中国市场。

第二代Mirai是一台尺寸类似皇冠、亚洲龙的中大型轿车。如今在美国市场主要销售的Mirai XLE版本,单次加注燃料可以行驶650公里左右。除去丰田,在美国当地市场还可买到本田的氢燃料车Clarity Fuel Cell。

除去日本厂商,韩国的现代在氢能源领域的步伐也很快。现代的氢燃料电池汽车主要面向韩国和欧洲市场销售,主要产品NEXO是一款中型SUV,全球范围内的累计销量已经突破一万台。

国内

氢商用车应用广泛

国内,氢燃料电池车辆的应用,也比想象中广泛。氢燃料电池汽车的应用,一直是近些年来国家发展的重点领域。截至2022年底,实现上牌的氢能源车辆也已经过万台。

国内的一些车企,已经有一些成熟的氢燃料乘用车,做好了投入市场的准备

Mirai已经确定将由广汽丰田渠道引入、在华销售,市场建议零售价为74.8-75.1万元,首批限量引入50辆。

广汽传祺的氢燃料版Aion LX,已经在广州投入了网约车运营。

长安深蓝SL03氢电版也已经正式宣布上市,不过售价高达70万。

国内氢燃料汽车更多应用于商用领域。在近几年,主要以公交车、公共服务车辆、长途货运车辆的形式应用。在北京,已经出现了诸如水木通达等使用氢能源大巴开展通勤、旅游等巴士服务的公司。

服务冬奥会的氢能源大巴

本次冬奥会期间投入使用的氢能车辆,大部分就是在北京、张家口等地日常运营的公交车,体验氢能源车的成本仅需人民币2元。

虽然看似前景美好,但氢燃料同我们的距离其实还很遥远。

燃料电池的应用瓶颈

氢能源的技术瓶颈

氢气难以储存。氢气的燃烧效率是基于单位质量而言的,如果按照体积算,氢气就很渣了。常温下,氢作为密度极低的气体存在,需要极高压力、极低温度才能以液态存在。这就导致氢燃料汽车都需要携带体积巨大的气罐。不增加车辆尺寸的情况下,就需要占用大量的车内空间。

如氢燃料公交高高的车顶,内部就是储氢气罐

前文说到,氢气很危险。而诸多不安全因素,同样适用于氢燃料电池。尽管比起来直接燃烧,燃料电池的安全性已经强不少。

氢气极低的密度,必须加压储存,意味着更容易发生泄漏。同时氢气会渗入金属,造成金属氢脆现象,使金属强度降低。虽然氢燃料电池汽车中接触氢气的组件显著减小,但仍旧存在此类风险。

如上的两点,最终结果就是氢能源汽车造价昂贵。都是对于成本敏感度较小的豪华车、商用车。一台氢能源公交车价格,更是电动公交的三倍有余。

这样简单的氢能源轻卡同样价格不菲

不仅如此,氢气本身价格昂贵,让氢能源车使用成本高:

氢气仍旧很贵。昔日宝马推广的7系氢燃料版,每公里的燃料成本达4-5元人民币。这个价格大概是使用汽油的5倍,电动车的数十倍。

即便是现在,氢气价格依旧高昂。推广氢能源公交车较多的张家口市,就多次面临加氢费用过高,导致公交系统减次运营的情况。因为氢气高昂的价格,许多使用氢能源公交车的城市,甚至不加氢,仅依靠直接充电当作纯电动公交行驶。

技术之外的瓶颈

氢气高昂使用成本背后,是氢气产业链上诸多环节,都面临着技术瓶颈:

氢气制备的效率低,成本高。传统的氢气生产会消耗大量的电能,只是制氧工业的副产物。如今可以用风电等相对廉价的绿色电力制氢,但是制备的成本依旧居高不下。即便制备的规模效应有了,又涉及下一个问题,如何将氢气从制备的工厂转移到加氢站?

氢气运输的效率低,成本高。根据我国相关法律法规,目前氢在我国尚未作为能源进行管理,而是作为危化品管理,储氢和运氢对专业性要求很高。使用管道的话,氢气的高危性,又使得管道成本十分高昂。目前,仅仅有中石化等少数企业,准备实验性地建设氢气运输管道。

氢气加注的成本,也很高。虽然加氢的过程和加油别无二致,但是加氢站的建设、运营成本要远高于加油站。加氢过程对于操作人员的要求,也远高于加油站。大规模建设加氢站的成本是一个天文数字。

所以,截止目前加氢站都十分稀有,尤其是面向乘用车的加氢站。在广汽丰田的网站上,我们可以查到,可供Mirai使用的加氢站全国只有三个。

如上几点行业、上游的因素,都是现如今氢气推广普及的巨大障碍。也是不少机构对于氢能源的应用前景表示悲观的主要原因。

氢能取代电吗

从目前阶段来看,氢能源距离成熟的商业应用还有很多路要走。现如今氢能源也面临着和纯电驱动相似的问题:配套设施跟不上,车辆技术不成熟,冬季续航短等。从现在的应用效果来看,短途、小型车氢能源汽车比之电动车并没有优势。长途重载的重型汽车,才是氢能源比电动车优势明显的领域。

其实,纯电仍旧是目前看起来最适合我们的新能源应用形式。电动机的高效率是毋庸置疑,制约电驱动的是电池和充电效率。氢和电谁是未来,取决于的是电池技术和氢气应用哪一个先迎来突破。

未来一定是新能源的,这是毫无疑问的。但是,新能源不等于纯电动。实际上,生物燃料、氢燃料,甚至于太阳能、核能都可能是未来交通工具的驱动形式。未来的新能源应用也必然是多层次的。就如同我们现在应用的化石燃料也有着汽油、柴油、重油、煤油之分。氢能源或许是会和纯电动一起,应用在不同的领域。

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