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在新能源的政策東風引導下，從混合動力到純電動車，當“汽車”成為不再依賴石油的新型交通工具，這個詞語本身也變得越來越“名不符實”了。其實叫什么不重要，實不實用才是關(guān)鍵。就在純電動車隨著市場保有量的一路攀升而浮現(xiàn)出各種問題的同時，又一種汽車的燃料能源新選擇進入我們的視野——氫能源。
或許是電動車發(fā)展過程中的諸多問題讓人們變得更謹慎了，對于氫能源汽車這個新鮮事物，大家表現(xiàn)出來的態(tài)度相比較之前電動車問世之初的普遍樂觀，考慮的也更全面了，并在經(jīng)濟性、環(huán)保性、安全性、可持續(xù)發(fā)展性等方面都提出了相關(guān)的質(zhì)疑。那么，這些擔心是否真的有必要呢？
01
產(chǎn)能高 可持續(xù) 無污染
讓氫能成為“天選之子”
氫能作為一種燃料被運用其實已經(jīng)不是一件新鮮事了。早在19世紀，人們就已經(jīng)開始對氫能應用裝置進行探索，以氫燃料電池和氫內(nèi)燃機為代表的應用裝置原型機也得以開發(fā)，而且在航天航空領(lǐng)域，氫能已經(jīng)得到了廣泛的應用。液氫作為火箭發(fā)動機的首選燃料，在包括阿波羅登月任務、旅行者號土星任務在內(nèi)的許多太空任務中被用于運載火箭的高級階段推進劑。
之所以選擇氫能，最為重要的原因在于其燃燒熱值非常高，相當于同等質(zhì)量汽油的3倍。簡單來說，若完全利用燃料所含化學能，同樣質(zhì)量的氫能可以提供三倍于同等質(zhì)量的汽油的能量；且氫能來源廣泛，燃燒產(chǎn)物是水，清潔無污染，能夠滿足人類社會可持續(xù)發(fā)展的需要。因此，無論從能源的角度還是環(huán)保的角度，氫能無疑是最具前景的能源之一。
02
氫能源汽車
如何利用氫能讓汽車跑起來？
氫能雖然有非常多的優(yōu)勢，但不可否認的是，一些劣勢也影響了對它的直接運用。氫氣不僅具有非常寬的燃燒界限，并且其點火能量非常低，僅需要0.02 mJ，遠小于汽油和天然氣的點火能量。以內(nèi)燃機系統(tǒng)進行氫能的利用，氫氣與空氣壓縮混合后在氣缸內(nèi)燃燒，然后將其蘊含的化學能轉(zhuǎn)化為機械能，從而實現(xiàn)動能的輸出。這種方式不僅能源轉(zhuǎn)換效率不高，而且由于氫氣的特質(zhì)，還有易發(fā)生氫內(nèi)燃機早燃、回火以及爆燃等弊端，對氫能的安全利用帶來挑戰(zhàn)。
為了更為安全高效地將氫能運用到交通領(lǐng)域，人們轉(zhuǎn)向開發(fā)相對更安全的氫燃料電池，將氫能的化學能直接轉(zhuǎn)換為電能。氫燃料電池的工作原理是將氫氣的燃燒反應拆分成兩個半反應，利用兩個半反應之間的電位差實現(xiàn)電能輸出的一種能源轉(zhuǎn)化裝置。如圖1所示，空氣和氫氣在燃料電池中并不會直接接觸，而是通過正負極分別發(fā)生還原和氧化反應，完成氫氣的“燃燒”。這種方式不僅可以避免空氣和氫氣直接接觸燃燒，使得氫氣的使用更為安全，還直接將化學能轉(zhuǎn)化為電能，極大地提高了能源轉(zhuǎn)換效率。
03
氫燃料電池汽車與電動車相比較的優(yōu)勢
成本低、續(xù)航長、受環(huán)境溫度影響小
隨著燃料電池的發(fā)展，氫能源汽車，即氫燃料電池汽車被廣泛地開發(fā)。與純電動車相比，氫燃料電池汽車由于只需要補充氫氣即可完成行駛距離的提升，因此在較高的續(xù)航里程前提下，氫燃料電池車的燃料電池系統(tǒng)成本遠小于純電動車的電池系統(tǒng)成本。同時，由于燃料電池屬于能源轉(zhuǎn)化裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)低溫冷啟動，并且在啟動后，可穩(wěn)定地輸出熱量，使得燃料電池維持在一個恒定的溫度下運行，幾乎不受環(huán)境溫度的影響。同時，由于氫燃料電池的續(xù)航里程受儲氫量的控制，氫燃料電池汽車還具有可以媲美甚至超越傳統(tǒng)燃油汽車的續(xù)航里程長度以及非常短的燃料加注時間。
2014年12月，豐田公司推出了第一輛商業(yè)化的氫燃料電池汽車Mirai，這標志著氫燃料電池汽車商業(yè)化的開始。如圖2所示，氫燃料電池汽車的動力源主要由六部分組成，包括燃料電池、燃料電池升壓變換器、鎳氫電池組、動力控制單元、發(fā)動機及高壓氫氣瓶。Mirai的實際續(xù)航里程可達502 km，百公里加速時間為9秒左右，能夠在-30 oC下冷啟動，充氫時間3-5分鐘。隨著氫燃料電池汽車的技術(shù)革新，新一代Mirai的續(xù)航里程可達850km。
圖2 Mirai 氫燃料電池汽車構(gòu)造（Outline of the Mirai. www.toyota-europe.com (accessed 14.03.2017).）
04
氫燃料電池汽車的安全性如何？
層層把控 只為更高可靠性
雖然氫燃料電池避免了氫氣和空氣的直接接觸，但是對于有著很大碰撞風險的汽車來說，氫燃料電池汽車上的高壓氫氣瓶仿佛一個潛在的“炸彈”，氫燃料電池汽車的安全是否能夠得到保障呢？
事實上，氫燃料電池汽車具有非常高的安全性，在出廠前每一輛氫燃料電池車都需要經(jīng)過非常嚴格的檢測流程。車中高壓氫氣瓶的安全性和可靠性需要經(jīng)過全面的設計和測試，達到與標準CNG發(fā)動機相當?shù)陌踩运健?/p>
自2015年燃料電池汽車上市以來，截至目前并沒發(fā)生過因氫氣泄漏而引發(fā)的事故。氫氣是比空氣輕14倍的氣體，具有較大的浮力（快速上升）和較強的擴散性（橫向移動），所以就算萬一發(fā)生泄漏，氫氣也會立即擴散到空氣中。因此，在空曠的道路上，即便是在汽車起火的情況下，泄漏的氫氣發(fā)生燃燒的可能性非常低。
Dr. Swain對泄露的氫燃料電池汽車和傳統(tǒng)燃油汽車進行了人為點火實驗，發(fā)現(xiàn)由于具有非常快的向上擴散速度，氫氣火焰呈火炬狀且隨著氫氣量的減少越來越小（圖3）。相比之下，由于汽油比空氣重，在發(fā)生燃燒后會在車底形成了一個大火球直至將汽車燒光。所以說，即便是車輛出現(xiàn)燃燒的情況，氫燃料電池汽車在空曠的路上發(fā)生爆炸的可能性也非常低。
圖3 氫燃料電池汽車和汽油汽車的燃燒對比試驗
一般而言，在非常特殊的情況下，富含氫的封閉環(huán)境的確可能會導致火災或爆炸，但對于車庫或隧道這些相對密閉的空間而言，其氣流依舊流通，因此氫氣泄漏導致爆炸的可能性也是非常小的。
此外，氫燃料電池汽車所用的高壓氫氣瓶為IV型儲罐，采用纖維纏繞復合材料來保障罐體的強度和剛度。單位重量的碳纖維復合材料的強度是鋼材的6倍，其剛度是鋼材的4倍。因此，碳纖維復合材料比鋼材更輕、更可靠。在1.8米的落差測試實驗中，高壓氫氣瓶并沒有受到損壞。同時在槍擊和碰撞試驗后，高壓氫氣瓶僅僅是噴射出了所有的氫氣，而氫氣則快速地擴散到了空氣中，也并未發(fā)生爆炸。
不僅如此，在氫燃料電池汽車上還安裝了多個傳感器，用于高壓氫氣瓶、供氫系統(tǒng)和燃料電池堆上任何氫泄漏的實時監(jiān)測。如果檢測到氫泄漏，無論是在標準操作過程中，還是在外部沖擊下，供氫系統(tǒng)一旦被破壞，司機的儀表盤就會發(fā)出警告顯示。
在氫燃料電池汽車中還有一個安全系統(tǒng)，在這時也會被觸發(fā)，從而關(guān)閉高壓氫氣瓶的閥門，防止氫氣從罐中噴出。如果發(fā)生火災導致氫氣瓶周圍的溫度升得過高，安全系統(tǒng)還設置了最后一重保護，強制將氫氣從燃料箱排出到大氣中，從而避免全車被焚化的悲劇。
綜上，氫燃料電池汽車具有非常高的安全性及可靠性。
05
氫燃料電池汽車任重道遠
期待全面實現(xiàn)綠色出行
雖然氫燃料電池汽車已經(jīng)實現(xiàn)了商業(yè)化，但目前看來，其發(fā)展依舊處于初級階段，距離大規(guī)模的市場普及還有非常長的道路要走。特別是在國內(nèi)，有關(guān)氫燃料電池汽車的關(guān)鍵技術(shù)及檢測手段，還需要進一步突破；對于中游加氫裝備以及加氫基礎設施的建設，還需要進行大規(guī)模的普及化。由于燃料電池對于氫源的要求較高，上游氫源的純化以及高質(zhì)量綠色氫能的產(chǎn)制技術(shù)還需要進一步攻關(guān)。我們堅信在不久的未來，傳統(tǒng)燃油汽車或被氫能源汽車所取代，真正實現(xiàn)全民綠色出行。
作者 | 王 堯 四川大學新能源與低碳技術(shù)研究院副研究員
審核 |郝 霞 四川大學 新能源與低碳技術(shù)研究院特聘副研究員
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