欧盟委员会看好氢燃料电池汽车

EDN电子技术设计 2020-07-07 00:00

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为了在2050年到来之前实现气候中和（climate neutral）的目标，欧盟委员会（EC）近日宣布了称为“清洁氢能联盟”的工业战略计划。EC、欧洲燃料电池与氢能源行业、以及各研究机构之间的合作，将促使欧洲能源独立并开发零排放汽车。

从电动汽车到氢动力汽车？

让下一代汽车产生更少的有害物质和更少的噪音是汽车制造商的共同目标，为此，全球的厂商都在研发电动汽车(EV)。然而，充电时间过长是电动汽车的一大痛点。

这个问题可以通过为氢燃料电池加氢来解决。氢电池采用的能源与宇宙飞船到达地球轨道的能源是一样的。那么氢动力汽车如何工作？其优缺点是什么？

氢动力汽车硬件

氢动力汽车将化学能转化为动能。氢内燃机汽车（HICEV）与传统内燃机工作原理相同，只是将燃料换成了氢。还有一种方法是让氢在燃料电池中与氧发生反应，从而产生电能。这种类型的汽车称为燃料电池电动汽车（FCEV），它由电动机驱动，由车载发电系统来生产和管理氢。近年来，FCEV已经越来越多地引起制造商的关注。

氢动力汽车的一个优势在于它不排放污染环境的有害物质，仅排放水蒸气，而不是温室气体和微粒（图1和图2），因此对环境几乎没有影响。但是，氢能源交通对环境的总体影响取决于产生氢的能源。氢是宇宙中储量最丰富的化学元素，却不以天然的形式存在。因此，它并不是完全可再生的资源，必须通过生产来获得。如果利用可再生能源生产氢气，则对环境的影响最小。相反，如果采用化石原料生产，则对环境的影响大得多。

图1：氢动力汽车功能框图。在燃料电池中，氢气和氧气发生化学反应产生电能，电能再被传输到电动机和/或电池中。（图片来源：宝马）

图2：电动汽车和氢动力汽车的对比。（图片来源：InsideEVs.com）

氢气可以通过两种不同的生产过程和技术获得：重组和电解。重组对环境的影响较大，因为它涉及原油的提取、运输和精炼。电解则是通过电产生化学反应，将H₂O水分子分解为单独的氢原子和氧原子。此过程不会排放污染气体，但需要大量的电力。在电解的过程中，低压电流在水中流过，释放出氧气和氢气。

氢具有非常高的能量密度，达到40,000Wh/kg，是锂离子电池能量密度的236倍。这意味着氢动力汽车比电池动力汽车重量更轻，并且具有更长的行驶里程。而且，加氢只需要几分钟，而为电动汽车充电则需要几个小时。

图1显示了氢动力汽车的整体构成。来自储罐的氢与周围环境中的氧在燃料电池中发生反向电解。燃料电池不提供热力燃烧，而是提供电流，它产生的唯一废物是不会发生变化的水。

燃料电池接收到两种气流：一种是来自负极的氢，另一种是来自正极的氧。氢发动机中的催化剂使电子与原子核分离，这个反应过程会释放电能。电子移动到正极并与氧原子结合，使氧原子接收到负电荷。

氢与氧结合发生化学反应，其产物为水，最终排放的是水蒸汽，氢燃料汽车可将其直接排放到大气中（如图3和图4）。

图3：电解的通用原理图。

图4：氢动力汽车内部构造。

燃料电池产生的电流可以直接给汽车供电，或给作为中间媒介的蓄电池（比传统电池小）充电。氢动力汽车跟其他混合动力汽车一样，也可以利用能量采集的方法为电池充电。如同在电动汽车和混合动力汽车中，这种蓄电池用来提供发动机所需的能量，同时回收制动能量。燃料电池产生的电压必须达到600V。

当汽车低速行驶时，仅由蓄电池提供能量；当汽车以较高的速度行驶时（例如在高速公路上），燃料电池将为发动机提供额外的动力，同时为蓄电池充电。

氢动力汽车的优缺点

氢动力汽车的优点是可以最大程度地减少排放（它排放的唯一废物是水），能快速添加燃料（氢气），降低了能源消耗，延长了行驶时间。但是，氢燃料的管理还存在一些问题，例如电解需要电力才能完成，而氢气需要存储在充气站/充电站。电解过程会产生损耗也是制氢过程的难题。

氢动力汽车的缺点是不能随时添加氢燃料。这主要是由于氢气难以储存所致，所以目前市场上的氢气分销商并不多。另外，如同前面所提到的，分离氢的过程会消耗大量能源。

与汽油或柴油相比，储存氢气需要更大的空间。氢气罐必须足够坚固，能承受约700巴的压力。氢气以气态的形式存储，在-253℃以下时则以液态形式存储。

加氢的基础设施很少见，因为这需要很大投资。此外，燃料电池汽车的生产成本也大大高于普通汽车。

与电池动力汽车相比，氢动力汽车可以行驶更长的里程。一辆储满氢气的汽车可以行驶约500公里的距离；而能够行驶如此长距离的电池动力汽车则需要配备巨型电池，这会导致汽车重量增加、充电时间延长。

市场实例

在欧洲处于领先地位的德国一直专注于氢动力汽车基础设施的建设。到2019年12月，德国已经建好了大约80个氢动力汽车的燃料添加站。

福特和雷诺等许多制造商也开始制造氢动力汽车，但是他们更愿意投资于电动汽车。相比之下，丰田等公司则一直投入开发这项技术，涉及氢动力汽车的设计、生产和销售等各个环节。

丰田Mirai采用丰田燃料电池系统（TFCS），这款汽车使用了燃料电池技术和典型的混合动力技术。本田Clarity Fuel Cell也是氢动力汽车，这款日本轿车采用177马力的创新型发动机，行驶距离可达650公里，最高时速达到165公里/小时。其他备受关注的氢动力汽车还包括奥迪H Tron、宝马i Hydrogen Next和现代NEXO。

氢动力汽车每100公里平均消耗1公斤燃料。氢气的平均价格为每公斤10欧元，因此可以估算出一满罐氢气的成本约为50欧元，而一满罐氢气的平均行驶里程与汽油汽车相当。

图5：全球氢燃料电池电动车产量（图片来源：IHS）

氢动力汽车与电池动力汽车为未来的绿色交通奠定了基础。FCEV代表零排放技术，使用户可以保持现有的驾驶习惯。另外，氢气的效率是汽油的两倍。不过，我们必须通过可再生解决方案来提高氢气生产能力，要知道减少氢气运输和配送基础设施的成本也很重要。

（ASPENCORE旗下EETimes欧洲网站，参考链接：EC to Bet on Hydrogen Fuel-Cell Vehicles。）

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