氫燃料與氫能源清潔汽車應(yīng)用現(xiàn)狀

氫作為二次能源來(lái)源廣泛，也算得上是“地球村”最為豐富的資源。它不僅可以來(lái)源于化石能源的工業(yè)副產(chǎn)品，還可以通過(guò)太陽(yáng)能、風(fēng)能、潮汐能等不穩(wěn)定供電的可再生能源電解水制氫，還可以從煤氣、天然氣、細(xì)菌分解得到，可以回憶一下，我們?cè)谥袑W(xué)化學(xué)就有實(shí)驗(yàn)室測(cè)試過(guò)將氫氣電解，點(diǎn)燃冒著藍(lán)色火焰的場(chǎng)景，其實(shí)它更重要的是“可再生”和“重復(fù)利用”。

目前氫的制備主要有水、生物、石化燃料制氫。氫能源的轉(zhuǎn)化效率比石油高出10倍之多，目前，汽車領(lǐng)域氫能源的使用主要是通過(guò)燃料電池和氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)。可再生能源制氫是可預(yù)見性燃料發(fā)展的最高點(diǎn)，所以現(xiàn)在的車企都要造氫能源車，氫能源具備以下幾個(gè)特點(diǎn)：

一是自然界存在最普遍的元素，氫氦鋰鈹硼碳氮氧氟氖，念一遍，氫排第一，量子小但是數(shù)量多。除空氣中含有氫氣外，他的主要化合物的形態(tài)存儲(chǔ)于水中，而水是地球上最廣泛的物質(zhì)。據(jù)科學(xué)家推算，如把海水中的氫全部提取，它所產(chǎn)生的總熱量比地球上所有化石燃料放出的熱量還大9000倍。

二是除核燃料外，氫的發(fā)熱值是所有化石原料、化工原料和生物燃料中最高的，為142.35千焦/公斤，是汽油發(fā)熱值的3倍。

三是燃燒性能好，點(diǎn)燃快，體積分?jǐn)?shù)占3%-97%范圍內(nèi)均可燃燒。

四是無(wú)毒，與其他燃料相比，燃燒最清潔，除生成水和氮化氫外，沒(méi)有內(nèi)燃機(jī)燒汽油還燒出一氧化碳、二氧化碳、烴類化合物、粉塵顆粒物等等對(duì)環(huán)境有害物質(zhì)，少量氮化氫經(jīng)過(guò)處理，又變成氮?dú)夂蜌錃?，生成的水繼續(xù)循環(huán)使用。

五是利用形式多，既可以通過(guò)燃燒產(chǎn)生熱能，在熱力發(fā)動(dòng)機(jī)中產(chǎn)生機(jī)械功，又可以作為能源材料用于燃料電池，或轉(zhuǎn)換成固態(tài)氫用做結(jié)構(gòu)材料。

氫作為發(fā)動(dòng)機(jī)燃料目前仍存在一些問(wèn)題，由于氫的燃燒速度快，易產(chǎn)生早燃，進(jìn)氣管回火。氫的能量密度低，無(wú)論采用低溫液化、高壓壓縮，還是其他金屬吸附的方法，燃料及附加設(shè)備的質(zhì)量和體積都比較大。另外就是氫的制造成本目前比較高，太陽(yáng)能制氫的成本是汽油的100倍，如果有先進(jìn)的制氫設(shè)備面世，利用太陽(yáng)能的高效廉價(jià)，燃料電池技術(shù)進(jìn)步，儲(chǔ)氫技術(shù)的突破，我們將會(huì)有大量的氫作為能源的動(dòng)力機(jī)械，不僅限于汽車。

氫能源在汽車行業(yè)中的應(yīng)用，包括了發(fā)動(dòng)機(jī)、制氫技術(shù)、儲(chǔ)運(yùn)方式三個(gè)重要環(huán)節(jié)。

采用氫能源的車用發(fā)動(dòng)機(jī)主要有兩種：氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)和燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)。氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)分為純氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)和摻氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)。純氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)是通過(guò)對(duì)現(xiàn)有汽油機(jī)進(jìn)行適當(dāng)改裝后直接燃用氫氣，氫氣可以在排氣管內(nèi)與空氣預(yù)混，也可以直接噴入氣缸行成混合氣體燃燒。摻氫發(fā)動(dòng)機(jī)多多都是將氫作為汽油機(jī)的部分代用燃料，摻氫燃燒可以大大改善汽油機(jī)的性能和排放污染。目前國(guó)六OBD排放在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，速銳得已經(jīng)服務(wù)多家摻氫項(xiàng)目，降低重型柴油車的排放污染，提升燃燒效率。

燃料電池是一種等溫進(jìn)行，直接將儲(chǔ)存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能高效、無(wú)污染轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。氫氣與氧氣生成水，電子通過(guò)外電路做功并構(gòu)成電的回路，依靠電能驅(qū)動(dòng)汽車，生成的水不稀釋電解質(zhì)，而是通過(guò)電極隨反應(yīng)尾氣排出，只要能保證燃料和氧化劑的供給，燃料電池就可以連續(xù)不斷產(chǎn)生電能。

制氫技術(shù)和儲(chǔ)運(yùn)方式就不展開了，都是大課題，和我們本身業(yè)務(wù)相關(guān)性不強(qiáng)，不展開理解。氫燃料汽車目前使用的內(nèi)燃機(jī)是在傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的基礎(chǔ)上加以修改后可以直接用氫為燃料進(jìn)行燃燒，產(chǎn)生動(dòng)力。燃燒的產(chǎn)物只有水和NOx，不會(huì)產(chǎn)生顆粒、積炭等，從而大大減少了發(fā)動(dòng)機(jī)的磨損和減輕潤(rùn)滑油被污染的程度，是目前發(fā)動(dòng)機(jī)最清潔的燃料。但其效率低，大約只有38%左右，且由于氫燃料熱值高，火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤旌忘c(diǎn)火范圍寬等特點(diǎn)，氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)容易出現(xiàn)早燃、回火、敲缸、發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷高等情況。燃?xì)淦嚥粫?huì)污染環(huán)境，是一種友好的綠色交通工具。

近年來(lái)隨著燃料電池制造技術(shù)的提高，成本的降低，同時(shí)也迫于保護(hù)環(huán)境的壓力，車企大佬們布局了氫燃料電池在汽車上的應(yīng)用研究。車用的氫燃料電池主要是質(zhì)子交換膜燃料電池，其利用氫和氧發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)而不是通過(guò)燃燒產(chǎn)生電，生成水，整個(gè)過(guò)程清潔無(wú)污染且高效，易操作，是未來(lái)交通工具的主要?jiǎng)恿?。隨著各國(guó)各公司對(duì)燃料電池的巨額投入和關(guān)鍵技術(shù)的不斷突破，燃料電池汽車必將取代內(nèi)燃機(jī)汽車，從目前電動(dòng)汽車來(lái)看，電動(dòng)汽車也將長(zhǎng)期存在。

為什么這么說(shuō)呢？

氫作為汽車能源發(fā)展的制約因素還有如下三點(diǎn)：

一是高成本。氫能的獲得、制取過(guò)程中要耗費(fèi)大量能源，如不可再生資源、電能、核能等；作為氣體燃料，它的儲(chǔ)存、運(yùn)輸成本也是非常高昂；目前國(guó)內(nèi)加氫站的基礎(chǔ)設(shè)施還不多，全國(guó)加起來(lái)也就幾十個(gè)，這些基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)需要很大的投入。

二是安全性。氫氣密度小、容易著火和氣化，因此在氫氣的制取、儲(chǔ)存和運(yùn)輸過(guò)程中都可能面臨泄露和爆炸的危險(xiǎn)。而現(xiàn)在的技術(shù)條件也無(wú)法保證氫氣在不同狀態(tài)下的性能。

三是制氫有污染。它本身是轉(zhuǎn)換能源，目前有兩種方式獲得氫氣，一是電解水，二是天然氣重整。方法一世界絕大部分地區(qū)最廉價(jià)的電力是靠燒煤獲得，如果采用電力能源來(lái)來(lái)電解水，會(huì)增大二氧化碳的排放；方法二天然氣和水蒸氣反應(yīng)除了生成氫氣外，也會(huì)生成二氧化碳。所以，使用氫能源車本身不排放二氧化碳，但是制氫過(guò)程釋放的二氧化碳可能比傳統(tǒng)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)釋放的更多。

為了緩解石油資源緊缺帶來(lái)的壓力，各國(guó)政府和相應(yīng)的機(jī)構(gòu)在氫能源利用方面都制定了積極的政策和投資計(jì)劃，世界能源巨頭也積極參與了氫能的研究和利用。

速銳得科技在氫能源領(lǐng)域，于2017年就開始針對(duì)豐田氫能源汽車Mirai進(jìn)行整車控制策略的研究，這個(gè)車全球比較罕見，看上去像是改裝型的氫能源車，大體價(jià)格在300多萬(wàn)零部件通用化程度很高，尺寸比奧迪A6還要大一點(diǎn)，主要是氣罐占了不少的空間，第一代續(xù)航說(shuō)有500多公里，實(shí)際在450多公里左右，由于加氫站點(diǎn)少，加氫比較麻煩，有加氫5分鐘，路上2小時(shí)的說(shuō)法。但是豐田氫能源汽車Mirai是具備規(guī)模化、商業(yè)化、技術(shù)相對(duì)成熟的車型，在氫燃料電池車的方面奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)和行業(yè)先驅(qū)地位。