新能源汽車，最近我想大家并不陌生。這個(gè)稱呼無論是在汽車領(lǐng)域還是股市都是熱門話題，受很多廠家和投資者追捧。
新能源汽車說得直白一些就是不是采用常規(guī)燃料（汽油和柴油）作為動(dòng)力來源的汽車，一般可以分為四大類：混合動(dòng)力汽車（HEV）、純電動(dòng)汽車（BEV）、燃料電池電動(dòng)汽車（FCEV）和其它新能源汽車。
在這四大類新能源汽車?yán)锩妫鼛啄瓯容^流行的就是混合動(dòng)力汽車和純電動(dòng)汽車，這些家用車都已經(jīng)在路面上隨處可見了。但是燃料電池汽車目前國(guó)內(nèi)并沒有量產(chǎn)的家用車，只是一些商用車在使用，而我們口中的燃料電池汽車也就是常說的氫能源汽車。
今天的這篇文章我們就來講講燃料電池和氫能源汽車，為何這種新能源汽車現(xiàn)實(shí)中還沒有普及。
一、什么是燃料電池
燃料電池就是通過化學(xué)反應(yīng)，將燃料或氧化劑中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。我們所說的燃料電池一般就是指氫燃料電池。
氫氣作為燃料電池其實(shí)歷史已經(jīng)很久了，在200年前，其實(shí)就有了，但是因?yàn)榘踩院湍芰棵芏容^低，氫氣作為內(nèi)燃機(jī)燃料并沒有表現(xiàn)出優(yōu)越性。但是，在如今的燃料電池技術(shù)中，氫氣并不直接燃燒，而是和氧氣反應(yīng)轉(zhuǎn)化為電能。
燃料電池主要由三部分組成：電極、電解液和外部電路。氫氣首先進(jìn)入燃料電池的正極，然后氫氣與覆蓋在正極上面的催化劑反應(yīng)，釋放電子形成帶正電荷的氫離子，氫離子穿過電解液到達(dá)負(fù)極。然而，電子不能通過電解液，電子只能流入電路，形成電流，產(chǎn)生電能。在負(fù)極催化劑使氫離子與空氣中的氧結(jié)合成水，水是燃料電池中唯一產(chǎn)生的副產(chǎn)品，這就是所謂的清潔能源。
燃料電池根據(jù)電解液的不同可以分為以下五種類型：
這五種類型里，汽車領(lǐng)域應(yīng)用較多的就是質(zhì)子交換膜燃料電池，它的電解液是質(zhì)子交換膜，運(yùn)行溫度是50-100攝氏度，電極采用的催化劑是鉑金。
了解了燃料電池以及它的工作原理以后，我們還需要搞清楚這個(gè)氫氣究竟是如何產(chǎn)生的，制氫的方法有哪些？
二、常見的氫氣制造方法
今天，氫可以通過多種能源和技術(shù)來生產(chǎn)。如今，全球每年的純氫產(chǎn)量約7000萬噸，其中僅有少于1萬噸的氫氣用于燃料電池汽車，可想而知，這部分未來有很大的發(fā)展空間巨大。
從上表中我們可以看到，當(dāng)今全球氫生產(chǎn)原料以化石燃料為主，占全球氫產(chǎn)量的96%。48%的氫產(chǎn)自天然氣，30%的氫產(chǎn)自烴類/原油產(chǎn)品，18%的氫產(chǎn)自煤炭，僅有4%的氫產(chǎn)自電解水。
中國(guó)是世界上最大的制氫國(guó)，2017年的制氫量有1900萬噸，62%左右的制氫主要來自煤炭和焦?fàn)t生產(chǎn)，因?yàn)橹袊?guó)傳統(tǒng)上非常依賴煤炭生產(chǎn)能源。然而，隨著中國(guó)在全國(guó)范圍內(nèi)全面轉(zhuǎn)向綠色、可再生能源，這種情況正在改變。在中長(zhǎng)期規(guī)劃中，可再生資源作為氫氣制取的來源將發(fā)揮越來越重要的作用。根據(jù)中國(guó)氫聯(lián)盟的數(shù)據(jù)，到2050年，大約70%的氫將由可再生能源生產(chǎn)。
1、煤炭生產(chǎn)氫氣
煤炭產(chǎn)生氫氣的方法在國(guó)內(nèi)比較常用，它是通過“煤氣化”的方式，由煤與高溫蒸汽和氧氣在加壓的氣化爐中反應(yīng)生成合成氣，并轉(zhuǎn)化為氣體成分。
這種氫氣的制造方式操作成本低，原材料比較便宜。缺點(diǎn)就是在產(chǎn)生的過程中會(huì)伴有二氧化碳的產(chǎn)生，富含雜質(zhì)，需要凈化。
2、天然氣生產(chǎn)氫氣
天然氣產(chǎn)生氫氣的方法是目前最成熟、最普遍的方式，美國(guó)95%的氫氣都是通過天然氣進(jìn)行生產(chǎn)的。
這種方法叫做天然氣蒸汽重整，通過天然氣與高溫蒸汽反應(yīng)生成合成氣，即氫氣和一氧化碳的混合物。一氧化碳與水發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生更多的氫。
這種氫氣的制造方式操作成本低，原材料比較便宜。缺點(diǎn)就是在產(chǎn)生的過程中會(huì)伴有二氧化碳和一氧化碳的產(chǎn)生。
3、電解水產(chǎn)生氫氣
我們初中化學(xué)的時(shí)候都學(xué)過電解水可以產(chǎn)生氫氣和氧氣，但這個(gè)運(yùn)行的前提就是要有足夠的電，這個(gè)電究竟從哪里來？
這個(gè)電可以利用電網(wǎng)內(nèi)的電力、風(fēng)能/太陽(yáng)能發(fā)電、光解和生物電解，其中風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)電是未來將廣泛采用的制氫方式。
根據(jù)生產(chǎn)方式和排放物的不同，產(chǎn)生的氫氣命名也不同，我們一起來看看：
天然氣、煤炭和新能源這是最常見的三種制氫方法，天然氣制氫產(chǎn)生的氫氣叫灰氫和藍(lán)氫，煤炭制氫產(chǎn)生的氫氣叫棕氫和藍(lán)氫。由于天然氣和煤炭在制氫的過程中會(huì)產(chǎn)生二氧化碳，二氧化碳被捕捉掉的氫氣稱之為藍(lán)氫。新能源通過電解水的方式產(chǎn)生的氫氣，這里的排放物僅有水，這種氫氣是最干凈、最環(huán)保的，被稱之為綠氫。通過氫氣的四種稱呼和制氫方法，未來的制氫手段多會(huì)應(yīng)用于電解水來獲取。
三、氫氣的運(yùn)輸和儲(chǔ)存
燃料電池汽車目前還未普及很大一個(gè)難題就是氫氣的運(yùn)輸和儲(chǔ)存問題。燃料電池內(nèi)的氫氣是通過加氫站進(jìn)行加注的，而加氫站的氫氣是需要從制氫地運(yùn)輸?shù)郊託湔尽?/span>
氫氣運(yùn)輸?shù)姆绞胶统杀九c氫氣的生產(chǎn)地點(diǎn)密切相關(guān)，可分為集中式式生產(chǎn)、半集中式生產(chǎn)和分散式生產(chǎn)。
集中式生產(chǎn)是指在大型的中央氫氣生產(chǎn)廠生產(chǎn)，然后運(yùn)輸?shù)阶罱K加氫站，而分散式生產(chǎn)是指在加氫設(shè)施附近進(jìn)行生產(chǎn)。半集中式生產(chǎn)是指在距離使用點(diǎn)很近（40-161公里）的中型制氫設(shè)備（5,000-50,000公斤/天）進(jìn)行生產(chǎn)。這些設(shè)施不僅可以提供一定程度的規(guī)模經(jīng)濟(jì)，而且可以最大限度地降低氫運(yùn)輸成本和基礎(chǔ)設(shè)施。
由于氫氣在中國(guó)仍屬于危險(xiǎn)化學(xué)品類別，目前中國(guó)還沒有分散式制氫。
氫氣的運(yùn)輸可以以氫氣的物理狀態(tài)來決定，氣態(tài)氫、液態(tài)氫和固態(tài)氫三種，不同的國(guó)家采用不同狀態(tài)的氫進(jìn)行運(yùn)輸。
1、壓縮的氣態(tài)氫一般是通過卡車或長(zhǎng)管拖車或者管道輸送
2、液態(tài)氫通常由卡車或其他運(yùn)輸方式運(yùn)輸，如鐵路或駁船。液體氫在長(zhǎng)途運(yùn)輸中經(jīng)常使用，因?yàn)樗葰鈶B(tài)氫運(yùn)輸方式更具經(jīng)濟(jì)性
3、固態(tài)氫主要是在特定的容器中輸送，但目前各地區(qū)仍處于不同的發(fā)展階段，需要更多的技術(shù)改進(jìn)才能形成大規(guī)模采用。
目前，通過長(zhǎng)管拖車運(yùn)輸液態(tài)或氣態(tài)氫和通過管道運(yùn)輸氣態(tài)氫是三種主要的運(yùn)輸氫氣的方法。在美國(guó)和日本氫氣一般是以液態(tài)的方式運(yùn)輸，在中國(guó)氫氣一般是以氣態(tài)的方式運(yùn)輸。
四、燃料電池汽車
我們先來看看燃料電池汽車和其它汽車的主要區(qū)別，其實(shí)主要在于動(dòng)力系統(tǒng)。其它的零件基本都比較相似，沒有什么不同的。
燃料電動(dòng)車和純電動(dòng)車都是由電動(dòng)機(jī)來進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，傳統(tǒng)汽車是由內(nèi)燃機(jī)來進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。燃料電池車和純電動(dòng)汽車的主要區(qū)別在于電的來源。與燃料電池車不同的是純電動(dòng)汽車的全部能量來自其電池組，電池組在充電站進(jìn)行外部充電。
燃料電池車由四大基本模塊組成：動(dòng)力系統(tǒng)、底盤、汽車電子和車身。動(dòng)力系統(tǒng)是通過燃料電池系統(tǒng)和電動(dòng)機(jī)為汽車提供動(dòng)力。這種能量來源于氫氣，氫氣被存儲(chǔ)在氫氣罐中。燃料電池堆將這些能量轉(zhuǎn)化成電能，并由電池作為輔助一同驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。
上圖就是燃料電池車的運(yùn)行原理。
在國(guó)內(nèi)燃料電池車主要是商用車和卡車，乘用車基本還未上市。國(guó)內(nèi)的燃料電池車制造廠商主要有福田歐輝客車、宇通客車、青年汽車、中通客車、上汽大通、飛馳客車、東風(fēng)客車、中國(guó)重汽等。
上面講解的都是氫燃料電池車的理論部分，接下來我們來看看實(shí)際的燃料電池車跟傳統(tǒng)的車輛有何不同？
我們先來看看廣汽氫燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)平臺(tái)，在上圖上我們可以看到車輛的前部（傳統(tǒng)車輛發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱的位置）布置有驅(qū)動(dòng)電機(jī)和燃料電池系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要是用來驅(qū)動(dòng)車輛行駛，燃料電池系統(tǒng)是將氫氣轉(zhuǎn)化為電能的裝置。在車輛的中部布置這動(dòng)力電池系統(tǒng)，這塊動(dòng)力電池可不小，甚至可以趕上純電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池大小，它可以直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)或者和動(dòng)力電池堆一起驅(qū)動(dòng)電機(jī)。車輛的后部布置了兩個(gè)儲(chǔ)氫罐，用來儲(chǔ)存氫氣的。
通過這種布局，你可以看到車輛的后部空間基本被儲(chǔ)氫罐所占據(jù)，后備箱的空間會(huì)非常有限，這個(gè)有點(diǎn)像跑氣的出租車，它把加氣罐放在后備箱內(nèi)部。
這個(gè)系統(tǒng)動(dòng)力圖可能會(huì)更形象一些，儲(chǔ)氫系統(tǒng)會(huì)給燃料電池堆提供氫氣，燃料電池堆產(chǎn)生電能，電能通過升壓系統(tǒng)為動(dòng)力電池進(jìn)行充電，最后由動(dòng)力電池驅(qū)動(dòng)電機(jī)讓車輛行駛。氫燃料電池車最終的排放物僅有水，這是典型的清潔能源。
這就是廣汽氫能源汽車的前部，下部是驅(qū)動(dòng)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的上部是燃料電池堆，外部還有一些附件，比如空氣濾清器、去離子罐、高壓水泵、節(jié)溫器、空壓機(jī)、水分分離器、供氫系統(tǒng)等。
驅(qū)動(dòng)電機(jī)和燃料電池堆采用上下布局，前部這套裝置的高度可不低，這要比傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的高度高一些，未來氫能源汽車會(huì)不會(huì)比普通的汽車的底盤都要高一些呢？這套系統(tǒng)似乎更適合SUV車輛。
中部和后部我們一起來看看，中部就跟純電動(dòng)車布置的動(dòng)力電池位置一致，后部可以看到有兩個(gè)黑色的儲(chǔ)氫罐，兩個(gè)儲(chǔ)氫罐的布置采用一高一低的布置，低的儲(chǔ)氫罐是因?yàn)榭拷笈抛挝恢茫叩膬?chǔ)氫罐是在后部底盤懸架和支架的上面，高出的一部分必然會(huì)導(dǎo)致后備箱的空間變小。
我們接下來再來看看上汽的氫能源汽車：
上汽的氫能源布局跟廣汽的完全不同，上汽的氫能源汽車前部是燃料電池系統(tǒng)，系統(tǒng)額定功率83.5KW，電堆峰值功率130KW。中部是儲(chǔ)氫系統(tǒng)，有三個(gè)儲(chǔ)氫罐，儲(chǔ)氫量可達(dá)6.4KG。后部是三合一電驅(qū)系統(tǒng)，峰值功率150KW。
上汽的氫能源汽車布局跟廣汽有很大的區(qū)別，它采用燃料電池和驅(qū)動(dòng)電機(jī)分開布置，這樣可以更好地給后部提供儲(chǔ)存空間，中部的氫氣罐布置是必會(huì)比動(dòng)力電池的高度要高很多，車內(nèi)的乘坐空間是否會(huì)受到影響，這一點(diǎn)要看它是把整個(gè)底盤高度提升還是犧牲室內(nèi)空間，實(shí)車出來我們便會(huì)知道。從上圖中你可以看到，它的動(dòng)力電池沒有布置在中間位置，可能跟燃料電池布置在頭部，但尺寸肯定不如廣汽的動(dòng)力電池，兩家的設(shè)計(jì)側(cè)重性并不相同。
這是上汽氫能源汽車的前部電池的位置，它的固定是采用前后固定的方式，它的前部是一個(gè)大塊的面板，如果前部一旦發(fā)生碰撞，那前部損傷的的幾率會(huì)非常嚴(yán)重，這要看它前部如何進(jìn)行加固，或者整體位置是否靠后一些，預(yù)留出一定的變形空間。
中部三個(gè)儲(chǔ)氫罐非常顯眼，高度問題還是非常值得關(guān)注，會(huì)不會(huì)導(dǎo)致室內(nèi)空間變小的問題。
我想看完今天的文章，你應(yīng)該對(duì)氫能能源汽車有了一定的了解，目前國(guó)內(nèi)的氫能源家用車有成品，但均未量產(chǎn)。配套的設(shè)施也都還未齊全，國(guó)內(nèi)目前的加氫站并不多，在你的城市可否配有加氫站，想要?dú)淠茉雌嚵慨a(chǎn)化，那必然要解決氫氣的運(yùn)輸/儲(chǔ)存和加氫的問題。
