氢燃料电池汽车

为了到 2050 年实现气候中和，欧盟委员会本周公布了一项名为“清洁氢联盟”的工业战略。欧共体、欧洲燃料电池和氢工业以及研究机构之间的公私合作伙伴关系将推动该地区努力确保欧洲的能源独立和开发零排放汽车。

从电动汽车到氢动力汽车？
下一代汽车的普遍目标是产生更少有害物质和更少噪音的汽车。全世界都在试验电动汽车（EV）。电动汽车属于电动汽车领域，其缺点之一是充电时间长。

这个问题可以通过氢燃料解决，也称为电池燃料。氢电池利用与航天器相同的能量到达地球轨道。但是氢能汽车是如何工作的呢？有哪些优势和劣势？

氢燃料汽车的硬件 氢
燃料汽车将化学能转化为机械能。氢可以直接燃烧到内燃机中，在这种情况下，我们有一辆氢内燃机汽车（HICEV）。或者它可以用来在燃料电池中与氧气发生反应，从而产生电力。这种类型的车辆被称为燃料电池电动汽车（FCEV），近年来，FCEV引起了许多制造商的关注。

FCEV由电动发动机提供动力，并有一个车载发电厂，可以生产和管理氢气。氢动力汽车对环境的影响很小，因为它们不会产生污染排放物（温室气体、细颗粒物等），而是会产生水蒸气（图 1和图2）。

图 1：氢气汽车的框图。在燃料电池中，氢气和氧气产生电能，电能被输送到电动机和/或电池。（图片：宝马）

图 2：电动汽车和氢燃料汽车的比较（图片：InsideEVs.com）

氢是宇宙中最丰富的化学元素，但不是自然形式。因此，它不完全是可再生资源，必须使用不同的系统生产。因此，氢流动性对环境的整体影响取决于用于生产它的能源。如果您使用可再生能源来生产氢气，那么对环境的影响是最小的。相反，如果使用化石资源，则对环境的影响要大得多。

氢气可以通过两种不同的生产工艺和技术生产：重整和电解。重整对环境的影响更大，因为它涉及原油的开采、运输和精炼。电解是通过电诱导的化学反应将 H 2 O 水分子分解成单独的氢和氧原子的过程。该生产过程不排放污染气体，但需要大量电力。电解过程由低压电流组成，该电流流过水以释放气态的氧气和氢气。

氢的特性之一是其非常高的比能量密度，40,000 Wh/kg，或者是锂离子电池比能量的 236 倍。这意味着氢动力汽车比电池动力汽车更轻，续航里程更广。此外，加氢只需几分钟，而电池驱动的汽车则需要几个小时。

图 1显示了氢燃料汽车的总体布局。燃料电池中发生反向电解：氢气来自储罐，空气来自周围环境。燃料电池不提供热燃烧，而是提供电流，产生未改变的水作为唯一的废物。

燃料电池接收两个流入流：来自负极的氢气和来自正极的氧气。氢发动机中包含的催化剂使电子与原子核分离，该反应释放电力。电子移动到正极并加入氧原子，氧原子接收负电荷。氢与氧的结合产生化学反应，其最终产物是水。排放的是水蒸气，氢气汽车可以将其直接释放到大气中（图 3和图4）。

图 3：电解的一般框图

图 4：氢燃料汽车的内部零件

燃料电池中产生的电流可以直接为车辆供电或为比作为中间蓄电池的经典汽车更小的电池充电。与其他混合动力汽车一样，氢动力汽车也使用能量收集来为电池充电。电池用于满足可能的发动机能量需求并回收制动能量，就像电动汽车和混合动力汽车一样。燃料电池产生的电压必须高达 600 V。

在低速行驶时，汽车仅从电池移动并获取能量。相比之下，在更高的速度下（例如，在高速公路上），燃料电池为发动机带来额外的动力，同时为电池充电。

优点和缺点
氢燃料可以带来的优点是最大限度地减少排放（水是唯一的废物）、加氢速度、减少消耗和延长自主权。但也存在与氢气管理问题相关的缺点，从需要电力的电解技术到在充电/充电站储存。电解造成的损失是氢气生产中的一个问题。

不利的一面是，您无法在任何地方加油/充电；事实上，许多问题是由于氢气难以储存，因此今天的分销商很少。而且，如上所述，分离氢气的过程可能是能源密集型的。

与汽油或柴油相比，氢气的储存需要大量空间。氢气罐必须足够坚固以承受约 700 bar 的压力。氢气在 –253°C 下以气态或液态形式储存。

加油基础设施，今天大多不存在，需要大量的经济投资。此外，燃料电池汽车的生产成本远高于传统汽车。

氢燃料汽车具有更大的自主权。一个装满氢气的罐足以行驶约 500 公里的距离。电池驱动的汽车只有在配备大电池的情况下才能达到这个值，但这会导致车辆重量增加和充电时间延长。

市场示例
德国是欧洲领先的氢动力汽车国家。事实上，在 2019 年 12 月，德国大约有 80 个氢燃料汽车加油站。

福特和雷诺等众多制造商已经冒险制造氢动力汽车，尽管他们更愿意将资源用于电动汽车。相比之下，其他公司，如丰田，一直在开发这种技术，直到这种类型的车辆被制造和销售。

丰田 Mirai 使用丰田燃料电池系统 (TFCS)，提供燃料电池技术和混合动力电动汽车的典型技术。另一款氢燃料汽车是本田 Clarity 燃料电池。得益于创新发动机的 177 马力，这款日本轿车可行驶 650 公里，最高时速可达 165 公里/小时。奥迪 H Tron、宝马 i Hydrogen Next 和现代 NEXO 在氢燃料汽车中特别受关注。

氢能汽车每 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：可以假设一满罐的成本约为 50 欧元，而平均距离可以与汽油车相比（图 5）。

图 5：全球氢燃料电池电动汽车产量（图片：HIS）

与由电池驱动的汽车一样，氢对未来的可持续移动性做出了重要贡献。FCEV可以代表零排放技术，让用户保持灵活的驾驶习惯。氢气的效率最高可达汽油的两倍。但我们必须通过可再生解决方案提高氢气产量。降低运输和配送的基础设施成本至关重要。

审核编辑 黄昊宇