氢 燃料 电池 汽车 , 打得 过 纯 电动 车 么?

Translating…

前几天,宝马集团首次公布了BMW i Hydrogen NEXT动力系统的技术细节,也就是新一代氢燃料电池汽车的动力系统。该系统所使用的燃料电池系统通过压缩氢气和空气中氧气发生化学反应,能够产生高达125kW(170匹)的功率。

A4CF984422E3F214F6895532C123758AD813F069_size35_w640_h359.jpeg

此外,宝马集团还与丰田汽车公司合作,双方将致力于氢燃料电池技术的开发。BMW i Hydrogen NEXT动力系统就是搭载的双方合作研发的燃料电池,和宝马集团独立研发的燃料电池组和整体驱动系统。

2.jpeg

宝马集团研发负责人傅乐希表示:“从长期来看,氢燃料电池技术有可能成为宝马集团动力系统组合的第四大支柱。”计划将在2022年小规模生产宝马X5氢燃料电池版本。

笔者第一次了解到“氢气动力”,是在2007年第一次参观中国科学技术馆时。当时宝马展示了“氢燃料汽车”,内心激动之情溢于言表,不仅仅是因为这种车排放物仅为“水”,还有当时看到H2R概念车时的冲击感。

3.jpeg

(宝马H2R概念车)

不过无论当时宝马展示的氢动力7系还是H2R,都是利用压缩氢气作为燃料替代燃油,也就是仍旧在内燃机中工作,即氢气遇到氧气燃烧爆炸产生动能,由内燃机将化学能转化为动能,通过传动系统带动汽车行驶。

4.jpeg

而氢燃料电池则完全是另一种概念,虽然化学方程式仍旧不变,但反应的方式有所不同。在氢燃料电池中,氢气进入电池,通过催化剂的作用下在PEA(Proton Exchange Membranes,质子交换膜)阴极一侧分离为质子(氢离子H ,阳)和电子(e-,阴),因为只有质子能够穿过PEA进入到另一侧,所以电子只能“自寻出路”,沿着电线通过用电器之后进入电池阳极(产生电能),同样在催化剂作用下,氧气与质子(氢离子)和电子共同产生化学反应,合成水(H2O)并释放大量热量。

5.gif

(氢燃料电池工作原理)

注:上图中整体架构(左右进气空间、PEM等)合起来被称之为膜电极(MEA,Membrane Electrode Assemblies),也就是PEM类型氢燃料电池的核心。燃料电池单个输出电压约为0.8~1V,所以真正车载燃料电池其实是燃料电池组,也就是并联串联一大堆单个燃料电池,来保证电压和输出功率。

6.gif

氢燃料电池与氢燃料内燃机相比,其能源利用效率要高很多。内燃机效率理论值可接近50%,但实际上大约在25%左右,而氢燃料电池效率可高达60%(转化为电能),如果算上热能回收利用,总体效率可超过90%(CHP效率,Combined Heat and Power)。

7.jpeg

(不同种类燃料电池工作温度、输出功率、效率、应用领域,其中车载氢燃料电池为PEM类型)

虽然氢燃料电池技术早在1838年就被发明了,并且随后在太空(1960年NASA采用的培根燃料电池)、发电、小型机械和电气设备供能等领域被采用,但受到PEA材料以及诸多限制,仍不足以应用于汽车产品。1991年,Roger Billings研发了第一个氢燃料汽车,真正让氢燃料电池技术引入汽车领域。

然而随后的发展却并未如预期般顺利,近30年过去了,如今市场上真正量产并销售的氢燃料电池车,仅有现代NEXO、本田Clarity、丰田Mirai。

为什么?

首先是制造成本问题。氢燃料电池汽车的工作原理类似混动车型,低功率时,由电池提供动力,而需要急加速时,燃料电池介入为电机提供电能,电池电量低时,燃料电池则为其充电。

8.gif

(图/丰田)

所以其动力系统可以完全可以照搬纯电动车,例如上文中提到BMW i Hydrogen NEXT系统中,其动力系统就是从纯电动车型iX3上拿来的;而氢燃料电池和储氢罐则可以被当作是发电机,在需要时候提供动力和向电池充电。

9.gif

(图/丰田)

问题就在这里,氢燃料电池本身作为核心部分,其成本很高。一方面由于产量不大(多个原因,下文分析),无法利用大规模生产降低成本效应;另一方面则是氢燃料电池材料中需要昂贵的铂金属(或铂家族),所以从原材料采购成本就较高;最后则是技术原因,氢燃料电池之前未能大规模应用于汽车,其中一个关键问题就是寿命,PEM类型氢燃料电池目前全球领先水平其使用寿命大约是5000小时,而国内普遍在2000~3000小时,所以研发成本也会被计入其中。(SOFC寿命约为40000小时,但由于其工作温度和其他限制 ,无法应用于汽车)

10.png

(电池本身成本和整体系统成本)

所以当你对比氢燃料电池车辆的售价时,就不难发现比同级别或者同类型车辆要贵上不少。

甚至其价格比续航差不多的电动车也要贵上不少。

12.jpeg

其次是使用问题。普通汽车加一箱油大约在200~300元之间,续航大约在500~600km左右;纯电动车以特斯拉Model 3长续航为例,超充加满为100~150元左右,家冲为30~40元左右,续航在500km左右;而氢燃料电池以丰田Mirai为例,加满氢燃料(5kg)大约在350~400元左右(70多元/kg),续航在500~600km左右。很明显,氢燃料电池的使用成本大约是燃油车的1.5~2倍,是纯电动车的3~10倍。

13.jpeg

虽然加氢的时间只需要几分钟,但加氢站的数量屈指可数,导致氢燃料电池汽车使用更加不方便。当然如果国家要大力发展氢能源汽车,那么基建或许会在未来快速发展,但这里面存在一个更大的行业问题,也就是一个导致氢燃料汽车未能快速发展的原因——氢气来源。

14.gif

商业化大规模制造氢气大致可以分为四种方式:电解水、天然气、石油、煤炭,分别占世界氢气产量的4%、48%、30%、18%。总体而言,工业中常用甲烷或天然气通过蒸汽重整(Steam Reforming)的方式来制造氢气。

15.jpeg

通过将甲烷和高压高温水蒸气混合,在催化剂作用下,生成氢气。这种方式的弊端就在于,工厂需要消耗大量电能、石油能来生产,并且生成物中除了氢气之外,还有大量二氧化碳。(当然生产锂电池同样会消耗大量能源以及排放温室气体,具体详细对比暂时找不到资料)

cc.gif

此外,氢气的存储和运输又是另一个难题。由于氢气的密度极小,所以想要作为燃料运输和使用,需要使其加压存入高压存储罐,而这就会造成安全隐患,一旦运输过程或存储出现问题,就会发生严重的爆炸事故,例如之前挪威和美国德克萨斯州朗维尤发生的氢气站爆炸,十几公里外都能感受到冲击波。

所以“自产氢气”的加氢站出现,不过显然不可能采用上述工业大规模制氢手段,只能使用电解水方式。该方式不被大范围应用的原因在于,利用电能电解水产生氢气和氧气,然后氢气被燃料电池利用产生电能,即便期间从生产到车辆使用的效率为100%,那么初始使用的电能仍超过最终产生的电能。所以“自产氢气”的加氢站只能通过太阳能等手段先发电,然后再制氢。这种方式的弊端在于,产量低下,每天制氢数量也许只能满足十几辆或者几辆氢燃料汽车使用。

17.jpeg

(站内制氢设备)

不仅如此,作为加氢站,其建设成本由于核心设备的进口费,不算土地成本,其建设费用约为1500万,而如果是具有站内制氢能力的加氢站,其建设成本则高达2000~3000万。并且,据中商产业研究院报告,加氢站中氢气成本约占7成。相比之下,加油站除了土地费用之外,其建设成本不过百来万,而加电站则更低,一个最贵的直流超充桩需要2~4万,普通桩则只需要几千元。

抛开上述所有原因之外,氢燃料电池汽车还有一个不被注意的问题——能源使用效率问题。氢燃料电池虽然比内燃机效率高不少,但对比纯电动车而言却差很多。虽然从动力系统汲取电能并转化为动能,两者效率差不多,但氢燃料从生产到运输再到燃料电池,这期间效率损失巨大,而与之对应的发电厂到电网再充入锂电池,这期间效率较高。

18.jpeg

那是否氢燃料电池汽车就没有未来了?

这要分成两部分来看,对于大规模个人乘用车角度而言,就目前制氢、运输、存储等各个方面来说,对比纯电动车除了补能速度之外毫无优势可言。而对于大型公共交通工具而言,却有所不同。

氢燃料1kg能量约等于1加仑汽油(约2.65kg),而1加仑汽油约等于33kWh电能,但要存储33kWh电能,其电池包重量高达几百kg。所以例如对于飞机而言,携带充足的能源,显然氢燃料最为方便;再例如,行驶路线固定的公交,和一些物流车辆,其起点终点相对稳定,加氢的快速比之充电而言要迅速不少,尤其对于一些“时间就是金钱”的交通需求,既比燃油车环保,又比纯电车辆补能迅速。且对于这些使用场景,其加氢站并不需要遍布全球,只需要在指定位置建设即可。

氢燃料电池技术是人类科技发展中一个里程碑,技术本身是优秀和卓越的,只不过在应用领域还受到诸多限制。可持续能源发展的本质是不依赖有限能源,从而解除人类发展和探索宇宙的“枷锁”,虽然从效率角度而言,通过太阳能、风能等可持续能源制造氢气,再进行利用,显得有些“愚蠢”。但作为一种环保且能量密度较高的存储介质,笔者相信仍然会在未来被重用。

毕竟,谁还没遇到过断电呢。

作者 | 孙鸣远

题图 | 宝马i8氢燃料电池版本

Lees Verder

Plaats een reactie