作者:袁一雪 来源:中国科学报 发布时间:2016/2/19 9:28:44
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氢燃料电池车何时驶入快行道

量产的丰田Mirai氢燃料电池车。 图片来源:百度图片

■本报记者 袁一雪

氢气是全世界公认的环保燃料,在燃烧后不会产生二氧化碳和一氧化碳等温室气体,因此在许多年以前不少汽车厂商就开始在做关于氢燃料方面的开发,燃料电池就是链接氢与汽车的“纽带”。

当新能源汽车的概念与纯电动汽车渐渐画上等号时,氢燃料电池车等新能源汽车的其他动力成员似乎渐渐淡出了公众的视线。然而,近日几则关于氢燃料电池车的新闻,让氢燃料电池技术重回公众视线。

最近在美国底特律举行的车展上,来自德国奔驰公司的研发部门主要负责人托马斯·韦伯(Thomas Weber)在接受媒体采访时表示,奔驰将推出的GLC F-Cell由最新的燃料电池技术打造,其电池体积已大幅缩小。他还透露,奔驰目前已做好了该项目的相关准备工作,预计该车将于2017年亮相法兰克福车展,其主要竞争对手为丰田Mirai、本田FCV Clarity及宝马将于2020年推出的首款燃料电池车。

在1月26日,起亚汽车澳大利亚分公司也对外宣布,他们一直在考虑采用最佳战略为汽车引入可替代动力技术,并且倾向于采取氢燃料电池技术。作为该公司的母公司,韩国汽车制造商现代企业集团已经开始研发氢燃料动力技术,目前该技术已经在其ix35 Fuel Cell车型中采用,并在美国和欧洲部分地区限量销售。

而这些利好的消息,是否能够让氢燃料电池车成功逆袭,为新能源汽车发展提供更好的思路?

氢燃料优势明显

虽然氢燃料电池的原理早在19世纪就被发现,但真正作为汽车动力考虑还在20世纪后,这与人类越来越注重温室气体排放有关。氢气则是全世界公认的环保燃料,不含碳元素,在燃烧后不会产生二氧化碳和一氧化碳等温室气体,因此在许多年以前不少汽车厂商就开始在做关于氢燃料方面的开发,燃料电池就是链接氢与汽车的“纽带”。

燃料电池(Fuel Cell),顾名思义,是通过燃料的化学反应来产生电能的一种发电装置。氢燃料电池车就是将氢气和空气送入燃料电池中,经过化学反应,最终产生电能。从驱动方式来说,这与纯电动汽车并无不同,只是一个来自蓄电池,另一个则需要通过燃料电池发电。

但与纯电动汽车中电池的充电放电过程不同的是,在氢燃料电池内部,一场激烈的“交锋”正在展开。氢燃料电池汽车的基本原理是电解水的逆反应,把氢和氧分别供给阳极和阴极,氢通过阳极向外扩散和电解质发生反应后,放出电子通过外部的负载到达阴极。而它们的附加产物只有水,电流用来给电动机提供动力,产生的水则直接排放出来。甚至有人认为,从理论上讲,从排气管排出来的水为纯净水,可以直接拿来饮用。

尽管现在氢燃料主要是从天然气中获得,但是未来可以利用可再生的生物质或者水电、太阳能、风能、地热能等再生能源制取氢燃料。

而且,相较于纯电动车背负的沉重庞大的电池组来说,氢燃料电池车只需要一个或多个氢燃料瓶。“在纯电动车中,电池占了很大的重量比例,如果要纯电动汽车的续航里程增加一倍,那汽车的重量基本上也要翻一番。氢燃料电池车则不存在这个问题,因此比纯电动车具有更好的续航能力。”同济大学汽车学院副研究员郑俊生告诉《中国科学报》记者,氢燃料电池车的另一个重要优势是只须加氢而非充电,“与充电的时间相比,加氢的时间则与现在加油的时间基本一致,大约需要5到10分钟。而且,我们还可以通过加装多个氢气瓶的方式,延长续航里程。”

也因为缺少了沉重庞大的电池组,氢燃料电池车的底盘设计的灵活性也可以得到保障,车内的空间也并不会受到太大影响。

拿丰田汽车公司目前一款成功量产的氢燃料电池车Mirai举例,据美国环境保护署(EPA)官方公布的续航里程达到了502公里,而加氢速度也是飞快,官方数据是仅需3~5分钟即可加满。

瓶颈依然存在

虽然氢燃料电池车的优势相当明显,但是氢燃料电池的成本和寿命是制约其发展的两大瓶颈。

因为氢燃料电池需要使用铂金类催化剂,才能通过氢气和氧气产生电能,其工作过程需要铂金属纳米颗粒提供反应的“中心”,不过这样做的成本很高。铂金就是日常生活中人们熟识的白金,高昂的价格,让氢燃料电池的成本问题较为严峻。“如果氢燃料电池不实现量产的话,成本下降较为困难。”郑俊生表示。

其次,燃料电池汽车的寿命离真正使用还有一定距离。尽管世界各国的研究人员一再提升氢燃料电池的使用寿命,目前世界上最好的氢燃料电池的理论寿命也只停留在8000~10000小时(若按每天工作4小时计算,氢燃料电池的使用时间约为5~6年)。而在锂电池中,以循环次数较多的三元锂电池为例,其寿命在理论上则能达到4000个周期(相当于8~10年)。

此外,基础设施也是氢燃料电池车难以大规模普及的原因之一。因为与电力增容、安装充电设备相比,氢燃料电池车还需要重新建立足够密集的加注管网。而且,氢气的贮藏与运输是个难题。“现在加氢站和氢燃料电池车的关系有点像‘鸡生蛋还是蛋生鸡’。”郑俊生举例说,“因为加氢站不够多,所以人们购买氢燃料电池车的积极性不高;反过来说,因为没人购买氢燃料电池车,所以建立更多的加氢站意义不大。而目前全国计划在建的加氢站也只是个位数。”

技术组合才能让新能源更好

虽然,很多媒体都在放大氢燃料电池车与纯电动车之间的矛盾,但实际上,新能源的使用并非非此即彼,而是可以多种融合。

奔驰公司将于明年推出的氢燃料电池车也是锂电池与燃料电池的合作。因为燃料电池不具备储能的功能,只是相当于发电机,而锂电池则恰恰可以将多余的电能储存,两者相加才能让新能源发挥更好的作用。

比如,Mirai也是混合镍型电池与氢燃料的产物。“氢的能量密度很高,它可以让汽车行驶更远的距离,但功率密度却不高。如果氢燃料电池和其他电源混合使用,比如锂电池或者超级电容器,则可以相互辅助,使汽车具有更长的续航里程和更好的操控性。比如,100公里左右的行驶距离,驾驶者可以选择使用锂电池供电,一旦驾驶汽车进行远途旅行,那么氢燃料就可以提供更长的续航里程。”郑俊生解释道。

《中国科学报》 (2016-02-19 第4版 新知)
 
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