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當(dāng)談到發(fā)動機(jī)的替代電源時，在普通大眾的心目中，燃料電池目前落后了。但專家認(rèn)為，氫燃料電池汽車未來會迎頭趕上。但是這項(xiàng)技術(shù)是如何運(yùn)作的呢？優(yōu)缺點(diǎn)都有什么？
更少的污染物、更少的噪音——這些都是電動汽車的眾多希望之一。談到電動汽車，大多數(shù)人會想到帶有大電池的汽車，您可以從墻上的電源插座充電。然而，交通專家對另一種推進(jìn)技術(shù)寄予厚望——包括替代長充電時間的技術(shù)。
1. 氫發(fā)動機(jī)是如何工作的？
氫燃料電池汽車由電動機(jī)驅(qū)動，因此被歸類為電動汽車。常見的縮寫是 FCEV，是“Fuel Cell Electric Vehicle”的縮寫，與 BEV 或“Battery Electric Vehicle”形成對比。
氫燃料電池汽車與電動汽車不同，其自己發(fā)電不從外部電源充電的內(nèi)置電池發(fā)電，而是擁有自己的高效動力裝置——燃料電池。
在 FCEV 的燃料電池中，氫氣和氧氣產(chǎn)生電能并將能量引導(dǎo)至電動機(jī)中進(jìn)而產(chǎn)生動能，這個過程發(fā)生了反向電解，其中氫與燃料電池中的氧發(fā)生反應(yīng)。氫氣來自 FCEV 內(nèi)置的一個或多個儲罐，而氧氣則來自環(huán)境空氣。這種反應(yīng)的唯一結(jié)果是電能、熱量和水，它們通過廢氣以水蒸氣的形式排放。
氫發(fā)動機(jī)的燃料電池產(chǎn)生的電力可以有兩種途徑，具體取決于具體駕駛情況的需求。它要么流向電動機(jī)并直接為 FCEV 供電，要么為電池充電，電池存儲能量直到發(fā)動機(jī)需要它。這種被稱為峰值功率電池的電池比全電動汽車的電池要小得多，因此也更輕，因?yàn)樗扇剂想姵夭粩喑潆姟?/span>
與其他電動汽車一樣，氫動力汽車也可以回收或“回收”制動能量。電動機(jī)將汽車的動能轉(zhuǎn)換回電能并將其饋入備用電池。
2、氫動力汽車對用戶的利弊
可以從兩個主要角度來看待特定推進(jìn)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)：用戶的角度和環(huán)境的角度。如果任何技術(shù)要成功替代內(nèi)燃機(jī)，它必須是用戶友好的，并顯著減少污染物的排放。
對用戶的好處：
氫燃料電池汽車的推進(jìn)是純電動的。當(dāng)你駕駛一輛時，感覺就像駕駛一輛普通的電動汽車。那是什么意思？幾乎沒有發(fā)動機(jī)噪音和活潑的啟動，因?yàn)殡妱訖C(jī)即使在低速下也能提供全扭矩。
另一個優(yōu)點(diǎn)是快速充電時間。根據(jù)充電站和電池容量，全電動汽車目前需要 30 分鐘到幾個小時才能充滿電。另一方面，燃料電池汽車的氫罐已滿，可以在不到五分鐘的時間內(nèi)再次行駛。對于用戶來說，這使車輛的可用性和靈活性與傳統(tǒng)汽車相媲美。
就目前而言，氫動力汽車的續(xù)航里程仍然比純電動汽車更長。一個完整的氫氣罐將持續(xù)約 300 英里（約 480 公里）。電池驅(qū)動的汽車可以與非常大的電池相匹配——這反過來又會導(dǎo)致車輛重量和充電時間的增加。
燃料電池汽車的續(xù)航里程不依賴于外界溫度。換句話說，它不會在寒冷的天氣中惡化。
目前對用戶的缺點(diǎn)：
目前，氫燃料電池汽車最大的缺點(diǎn)是加氫選擇稀少。氫發(fā)動機(jī)通過特殊的燃料泵加油，未來可能會進(jìn)入普通服務(wù)站。然而，就目前情況而言，氫動力汽車的加油站仍然很少。
“我們在氫燃料電池技術(shù)方面遇到了先有雞還是先有蛋的問題，”寶馬專家 Rücker 解釋道。 “只要?dú)鋭恿ζ嚨募佑驼揪W(wǎng)絡(luò)如此薄弱，客戶的低需求將無法實(shí)現(xiàn)燃料電池汽車的大規(guī)模生產(chǎn)。只要道路上幾乎沒有氫氣汽車，運(yùn)營商就會猶豫不決地擴(kuò)大他們的加油站網(wǎng)絡(luò)。”
寶馬的故鄉(xiāng)德國在氫燃料電池汽車的基礎(chǔ)設(shè)施方面處于領(lǐng)先地位。為了促進(jìn)那里的加氫基礎(chǔ)設(shè)施的擴(kuò)張，寶馬等汽車制造商在清潔能源伙伴計(jì)劃中與氫氣生產(chǎn)商和加氣站運(yùn)營商聯(lián)手，該計(jì)劃計(jì)劃到 2022 年將加氫站網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展到 130 個站點(diǎn)。這將允許在德國的道路上運(yùn)行約 60,000 輛氫燃料汽車。到 2025 年，隨著燃料電池汽車的相應(yīng)增加，下一個目標(biāo)將是 400 個加油站。根據(jù) Rücker 的說法，鄰國還需要更多的加油站，才能真正實(shí)現(xiàn)通過 FCEV 前往德國以外的地區(qū)。
3. 氫動力汽車的成本是多少——為什么？
除了加氣站網(wǎng)絡(luò)薄弱之外，氫燃料電池汽車的需求還低還有一個原因：它們的購買成本相對較高。市場上已經(jīng)上市的少數(shù)幾種燃料電池汽車的中檔或中高檔汽車的成本約為 80,000 美元。這幾乎是同類全電動或混合動力汽車的兩倍。
氫燃料電池汽車仍然昂貴的原因有很多。除了產(chǎn)量小，這意味著生產(chǎn)仍有待工業(yè)化，還有一個問題是貴金屬鉑的需求，它在發(fā)電過程中充當(dāng)催化劑。汽車燃料電池所需的鉑金量已經(jīng)大大減少。 “總體目標(biāo)是將氫動力汽車的價格降低到與其他電動汽車相似的水平，”Rücker 解釋說。
購買價格高的另一個原因是氫燃料電池汽車往往很大，因?yàn)闅涔拚紦?jù)了很大的空間。另一方面，純電池驅(qū)動的電動汽車的驅(qū)動單元也適用于小型汽車。這就是為什么目前可以在所有車輛類別中找到經(jīng)典電動汽車的原因。
除了購買成本之外，運(yùn)營成本在推進(jìn)技術(shù)的成本效益和接受度方面也發(fā)揮著重要作用。在氫燃料電池汽車中，這些成本不僅取決于燃料的價格。目前，1 磅（0.45 千克）氫氣在美國的成本約為 14 美元，而在德國為 4.80 美元（這是 H2 Mobility 合作伙伴商定的價格）。使用 1 磅（0.45 千克）氫氣，F(xiàn)CEV 可以行駛約 28 英里（45 公里）。
因此，目前運(yùn)行氫燃料汽車的每英里成本幾乎是在家充電的電池驅(qū)動汽車的兩倍。 Rücker 預(yù)計(jì)這些運(yùn)營成本會收斂：“如果對氫氣的需求增加，到 2030 年價格可能會降至 2.50 美元/磅（5.60 美元/公斤）左右。”
4. 氫燃料電池技術(shù)的環(huán)保性和可持續(xù)性如何？
從環(huán)境角度來看，僅使用可再生能源且不產(chǎn)生有害排放物的汽車將是理想的選擇。與其他類型的推進(jìn)系統(tǒng)相比，燃料電池汽車離這個目標(biāo)有多近：
替代推進(jìn)系統(tǒng)旨在減少污染物的排放，特別是對氣候有害的二氧化碳，以及其他有毒氣體，如一氧化二氮。氫發(fā)動機(jī)的廢氣由純水蒸氣組成。因此，氫燃料電池技術(shù)在當(dāng)?shù)厥橇闩欧诺摹＿@意味著它可以保持城市空氣清潔，但同時也保護(hù)了氣候嗎？
這取決于為燃料電池汽車生產(chǎn)氫氣的條件。制氫需要電能。這種電能用于通過電解過程將水分解為其組成元素氫和氧。如果使用的電力來自可再生能源，則氫氣生產(chǎn)具有中性碳足跡。另一方面，如果使用化石燃料，最終將對使用氫氣的燃料電池汽車的碳足跡產(chǎn)生連鎖反應(yīng)。這種影響的強(qiáng)度取決于所使用的能源組合。在這方面，氫燃料電池汽車與其他電動汽車沒有什么不同。
然而，生產(chǎn)氫氣的一個缺點(diǎn)是電解過程中的損失。因此，“動力到車輛驅(qū)動”能源鏈的整體效率僅為純電動汽車的一半。當(dāng)前生產(chǎn)的風(fēng)能或太陽能沒有以其他方式使用時，當(dāng)可再生能源的電力供應(yīng)過剩時，可以生產(chǎn)氫氣。這方面的潛力是巨大的。
氫也是許多工業(yè)過程的副產(chǎn)品，在這些過程中，它經(jīng)常被視為廢物而不再使用。燃料電池提供了一種對這種氫氣進(jìn)行循環(huán)利用的方法，但必須先對其進(jìn)行清潔。
氫燃料電池汽車的能源平衡表還必須包括氫的運(yùn)輸和儲存。根據(jù)所使用的運(yùn)輸技術(shù)（液體或氣體），壓縮、冷卻、運(yùn)輸和儲存的成本會有所不同。由于其更好的可運(yùn)輸性和儲存能力，趨勢是向液態(tài)氫發(fā)展。盡管如此，在現(xiàn)階段，氫氣的運(yùn)輸和儲存仍然比汽油或柴油更加復(fù)雜和能源密集。與化石燃料相比，氫氣可以在任何有電和水的地方生產(chǎn)，理論上甚至可以在燃料電池汽車的實(shí)際加油站生產(chǎn)。因此，更高度發(fā)達(dá)的基礎(chǔ)設(shè)施可以顯著縮短未來的運(yùn)輸距離。
總之，氫燃料電池技術(shù)有可能使生態(tài)可持續(xù)的交通成為可能。
寶馬集團(tuán)首席執(zhí)行官奧利弗·齊普塞表示：“只要整個價值鏈?zhǔn)强沙掷m(xù)的，電動汽車就可以為減緩氣候變化做出真正的貢獻(xiàn)。”
5、氫燃料電池汽車有哪些風(fēng)險？
當(dāng)氫氣在不受控制的反應(yīng)中與氧氣反應(yīng)時會發(fā)生什么？很多人會在學(xué)校的化學(xué)課上記住這一點(diǎn)。你得到的是一種爆炸性反應(yīng)，稱為氫氧氣體反應(yīng)。如圖所示，氫氣是易燃的，但在 FCEV 的運(yùn)行中，氫氣和氧氣的不受控制的反應(yīng)幾乎是不可能的。
這是因?yàn)椋跉淙剂想姵仄囍校瑲錃庖砸簯B(tài)形式儲存在特別安全的厚壁罐中。正如 Rücker 強(qiáng)調(diào)的那樣，許多碰撞測試已經(jīng)證實(shí)了氫汽車設(shè)計(jì)方式的安全性：從測試中出來的油箱完好無損，沒有氫氣泄漏。
氫技術(shù)并不新鮮，而是在一系列領(lǐng)域進(jìn)行了嘗試和測試。例如，今天的煉油廠在原油加工中使用大量氫氣作為工藝氣體。管道和儲氫也已經(jīng)運(yùn)行了幾十年。
寶馬集團(tuán)氫燃料電池項(xiàng)目經(jīng)理阿克塞爾·魯克：“碰撞測試表明，氫氣罐在碰撞中沒有損壞，也沒有氫氣逸出。”
6、氫燃料電池技術(shù)在未來將扮演什么角色？
氫能在未來與純電動汽車一起為可持續(xù)交通做出重要貢獻(xiàn)——前提是必要的氫基礎(chǔ)設(shè)施到位并為氫提供良好的價格，并且車輛的價格下降。在這種情況下，氫燃料電池汽車可以成為零排放技術(shù)，讓用戶保持他們習(xí)慣的靈活駕駛習(xí)慣。
由領(lǐng)先的能源、運(yùn)輸和工業(yè)公司組成的全球倡議氫能委員會也對此深信不疑。該委員會認(rèn)為氫不僅是燃料電池汽車未來可持續(xù)的推進(jìn)方式，而且是供暖、電力和工業(yè)的清潔能源。
