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面向清洁未来

漫谈氢燃料与燃料电池技术

氢能源的利用

现在新能源汽车算是一个很火的话题,不少消费者思维中新能源汽车=电动车,事实并非如此,清洁能源可以通过多个途径实现,比如今天为大家介绍的氢燃料电池技术。

■ 燃料电池车消耗的氢气从何而来?
氢燃料电池以氢气作为燃料,化工技术目前也在不断发展,生产氢气的技术也是各有千秋。

* 实验室制备?少量可以
以前我们上化学课的时候,都会用金属钠和水的反应生产少量氢气,这在实验室环境没问题,但是大量生产显然不行,不但效率低,成本也高的吓人,显然燃料电池车用的氢气不是这样来的。

* 化工副产品:数量有限
在很多化工行业,除开主要产品之外,也会生产出氢气,不过这样的途径同样有量相对较小,产量不太容易满足需求,此外纯度也需要进一步提纯。

* 天然气+水:化石燃料反应
天然气(甲烷)与谁在高温下可以生产氢气和一氧化碳,后者也可以作为气体燃料,前者经过提纯就可以储存到加氢站,供给氢燃料电池汽车了。这种方式产量大,成本低,只要处理好一氧化碳,是目前比较实用化的制氢手段。

* 电解水:可利用用电波谷和太阳能发电
当然了,我们也可以利用中学化学实验中的电解水来制备氢气,生产氢气和氧气,电解水的亲戚纯度很高,至于成本和耗电问题,也可以利用电网的晚间用电波谷,或者利用太阳能电池发电,从而实现更为环保的制氢过程。丰田在日本国内已经开始风力发电制氢的尝试。

* 生物制氢:起步阶段
生物也会利用酶等生化反应产生气体,比如沼气就是细菌产生的,同样也有一些微生物可以生产氢气,目前这类技术还处于摸索阶段。

■ 燃料电池如何运作?
燃料电池单元本身实际上是一个反应器,导入氢气和氧气,在催化剂等环境下,然后产生电能和水,大体原理如下图:

发完电之后,后半部分就和普通的电动车没有太大差异了,也有电机、电控部分,当然也有储能电池组(确保稳定供电)。

■ 氢燃料有啥优势?
引入新技术肯定是要有优点才行,不然费那么大劲干啥呢?氢燃料相比传统的燃油或者纯电动车型,主要有如下优势:

1、排放低于燃油车,且可以再生
尽管发电和制氢会消耗一定能量,并有排放,但是相比直接烧油的燃油车,氢燃料电池汽车的整体排放还是要低不,同时也能利用可再生能源(比如风电),环保特性突出。

2、续航堪比燃油车,加氢时间比充电快得多
说到续航里程和充电时间,纯电动汽车就比较尴尬了——后者还面临冬季严寒时电池衰减的问题,相反氢燃料电池汽车就没有这么多担忧,以丰田Mirai为例,加满只需要3分钟,比电动车开挂用快充都要快很多。氢燃料电池车轻而易举就能实现超过500公里续航里程,电动车充电时间长,依赖车位充电目前已经成为瓶颈

3、可为外界供给能源
由于氢燃料电池将化学能转变成电能,且能灵活存储,所以氢燃料电池汽车可以在野外、救援等多种环境下,提供能源(电能)的供应,无论是生活还是应急,都多了一份选择。

■ 消费者担心的问题:都有应对策略
* 加氢站如何推广?
通过部分发达地区建设示范站点,带动普及

和纯电动汽车所用的充电站类似,加氢站在初期也会面临网点较少的问题(实际上充电站由于充电效率的不足,数量缺口问题还存在),对此一些汽车厂商也通过示范站点,同步推进氢燃料电池车型的销售,最终实现逐步普及。

* 燃料罐的安全性靠谱不?
安全性和传统车型没有差别

氢燃料罐需要承受700个大气压的压力,可能有的消费者有点畏惧,实际上压力容器技术越来越成熟,基于碳纤维增强树脂的氢燃料罐本身及其附属设备的安全性也是可以信赖的。从材料上来说比市面上任何一种储蓄罐强度都要高很多,即便出于某种原因造成氢气泄露,保护装置会在第一时间自动切断阀门。不像液态的汽油,由于氢气比空气轻,车辆在设计时预设多个倒流孔,使得氢气能够迅速散发掉,不易爆炸并燃烧。

■ 丰田的燃料电池车型
作为世界汽车巨头之一,丰田也在新能源尤其是氢燃料电池技术进行了长期的研发,并将Mirai(未来)正式推向市场,这也是全球首款真正意义上的全新开发、量产氢燃料电池商品车型。

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氢燃料电池汽车——丰田Mirai


主要数据:
续航里程:700公里(JC08循环工况)
最高车速:175公里/小时
乘员数量:4人

Mirai有哪些黑科技?

① 功率更高的燃料电池组
燃料电池组是氢燃料电池车型的核心,也是电力的来源,Mirai所用的燃料电池组重量56公斤,最大功率114千瓦,其功率密度位于世界前列。

燃料电池位于车辆车身中部接近地板位置,可以降低重心
通过改变阴极的设计和阳极的薄膜工艺,丰田将燃料电池单体的电流密度再度提升,同时也让发电更为均匀、稳定。比如它首次引入了3D细孔网流路设计,让反应物排出更为顺畅,利于燃料和氧化剂的扩散。

② 世界顶级的储氢罐
早在2000年丰田就开始自己研发储氢罐,到了Mirai上面,通过新材料和工艺、结构设计实现了进一步轻量化,碳纤维使用量减少40%,储氢密度达到了世界顶级水平,充满也只需要3分钟。

结语:氢燃料电池技术由于可再生、低排放,成为面向未来的清洁新能源,它的发展和普及显然是新能源的方向之一。另外,值得一提的是,丰田即将在中国进行氢燃料电池车型与加氢站的示范运行,对于推动氢燃料电池技术的普及也将起到良好作用,对此我们也会继续关注。

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其他氢燃料电池车型

本田Clarity

在2015东京车展上,本田正式发布了旗下氢燃料电池车型FCV的量产版车型,并公布了其正式的名字——CLARITY。这款车采用氢燃料电池动力系统,可提供700km的最大续航里程,在燃料耗尽后仅用时3分钟即可充满。

宝马氢燃料概念车

宝马曾推出氢能7系,为世界第一款氢动力豪华高性能轿车。其实宝马一直在持续研发氢燃料电池车型。在2015年,宝马曾计划推出基于i8车型开发的氢燃料电池车型,但最后搁置了。宝马全新氢燃料汽车在尺寸方面与有望与5系相当,或高于5系。目前此款新车是独立车型还是现款车型的衍生版还尚未可知,不过宝马表示已经做好准备应对市场的需求变化。

奔驰GLC F-Cell

奔驰GLC F-Cell基于GLC级车型打造而来,但采用氢燃料电池作为动力,其续航里程有望达到250-300英里,并有望在2017年底于德国、美国和日本开售。新车装备了2个重达4kg的碳纤维罐用来储存氢气,其可在3分钟内充满。此外,新车还配备了9kWh的锂离子电池,充满电后可支持新车行驶50km。