在新能源的政策東風(fēng)引導(dǎo)下，從混合動(dòng)力到純電動(dòng)車(chē)，當(dāng)“汽車(chē)”成為不再依賴(lài)石油的新型交通工具，這個(gè)詞語(yǔ)本身也變得越來(lái)越“名不符實(shí)”了。其實(shí)叫什么不重要，實(shí)不實(shí)用才是關(guān)鍵。就在純電動(dòng)車(chē)隨著市場(chǎng)保有量的一路攀升而浮現(xiàn)出各種問(wèn)題的同時(shí)，又一種汽車(chē)的燃料能源新選擇進(jìn)入我們的視野——?dú)淠茉础?/p>

或許是電動(dòng)車(chē)發(fā)展過(guò)程中的諸多問(wèn)題讓人們變得更謹(jǐn)慎了，對(duì)于氫能源汽車(chē)這個(gè)新鮮事物，大家表現(xiàn)出來(lái)的態(tài)度相比較之前電動(dòng)車(chē)問(wèn)世之初的普遍樂(lè)觀，考慮的也更全面了，并在經(jīng)濟(jì)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(dān)心是否真的有必要呢？

01

產(chǎn)能高 可持續(xù) 無(wú)污染

讓氫能成為“天選之子”

氫能作為一種燃料被運(yùn)用其實(shí)已經(jīng)不是一件新鮮事了。早在19世紀(jì)，人們就已經(jīng)開(kāi)始對(duì)氫能應(yīng)用裝置進(jìn)行探索，以氫燃料電池和氫內(nèi)燃機(jī)為代表的應(yīng)用裝置原型機(jī)也得以開(kāi)發(fā)，而且在航天航空領(lǐng)域，氫能已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。液氫作為火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的首選燃料，在包括阿波羅登月任務(wù)、旅行者號(hào)土星任務(wù)在內(nèi)的許多太空任務(wù)中被用于運(yùn)載火箭的高級(jí)階段推進(jìn)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(dāng)于同等質(zhì)量汽油的3倍。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，若完全利用燃料所含化學(xué)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(lái)源廣泛，燃燒產(chǎn)物是水，清潔無(wú)污染，能夠滿足人類(lèi)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的需要。因此，無(wú)論從能源的角度還是環(huán)保的角度，氫能無(wú)疑是最具前景的能源之一。

02

氫能源汽車(chē)

如何利用氫能讓汽車(chē)跑起來(lái)？

氫能雖然有非常多的優(yōu)勢(shì)，但不可否認(rèn)的是，一些劣勢(shì)也影響了對(duì)它的直接運(yùn)用。氫氣不僅具有非常寬的燃燒界限，并且其點(diǎn)火能量非常低，僅需要0.02 mJ，遠(yuǎn)小于汽油和天然氣的點(diǎn)火能量。以內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)進(jìn)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(yùn)含的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)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(jī)早燃、回火以及爆燃等弊端，對(duì)氫能的安全利用帶來(lái)挑戰(zhàn)。

為了更為安全高效地將氫能運(yùn)用到交通領(lǐng)域，人們轉(zhuǎn)向開(kāi)發(fā)相對(duì)更安全的氫燃料電池，將氫能的化學(xué)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(yīng)拆分成兩個(gè)半反應(yīng)，利用兩個(gè)半反應(yīng)之間的電位差實(shí)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(huì)直接接觸，而是通過(guò)正負(fù)極分別發(fā)生還原和氧化反應(yīng)，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(xué)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(chē)與電動(dòng)車(chē)相比較的優(yōu)勢(shì)

成本低、續(xù)航長(zhǎng)、受環(huán)境溫度影響小

隨著燃料電池的發(fā)展，氫能源汽車(chē)，即氫燃料電池汽車(chē)被廣泛地開(kāi)發(fā)。與純電動(dòng)車(chē)相比，氫燃料電池汽車(chē)由于只需要補(bǔ)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(chē)的燃料電池系統(tǒng)成本遠(yuǎn)小于純電動(dòng)車(chē)的電池系統(tǒng)成本。同時(shí)，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(dòng)，并且在啟動(dòng)后，可穩(wěn)定地輸出熱量，使得燃料電池維持在一個(gè)恒定的溫度下運(yùn)行，幾乎不受環(huán)境溫度的影響。同時(shí)，由于氫燃料電池的續(xù)航里程受儲(chǔ)氫量的控制，氫燃料電池汽車(chē)還具有可以媲美甚至超越傳統(tǒng)燃油汽車(chē)的續(xù)航里程長(zhǎng)度以及非常短的燃料加注時(shí)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(chē)Mirai，這標(biāo)志著氫燃料電池汽車(chē)商業(yè)化的開(kāi)始。如圖2所示，氫燃料電池汽車(chē)的動(dòng)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(dòng)力控制單元、發(fā)動(dòng)機(jī)及高壓氫氣瓶。Mirai的實(shí)際續(xù)航里程可達(dá)502 km，百公里加速時(shí)間為9秒左右，能夠在-30 oC下冷啟動(dòng)，充氫時(shí)間3-5分鐘。隨著氫燃料電池汽車(chē)的技術(shù)革新，新一代Mirai的續(xù)航里程可達(dá)850km。

圖2 Mirai 氫燃料電池汽車(chē)構(gòu)造（Outline of the Mirai. www.toyota-europe.com (accessed 14.03.2017).）

04

氫燃料電池汽車(chē)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(duì)于有著很大碰撞風(fēng)險(xiǎn)的汽車(chē)來(lái)說(shuō)，氫燃料電池汽車(chē)上的高壓氫氣瓶仿佛一個(gè)潛在的“炸彈”，氫燃料電池汽車(chē)的安全是否能夠得到保障呢？

事實(shí)上，氫燃料電池汽車(chē)具有非常高的安全性，在出廠前每一輛氫燃料電池車(chē)都需要經(jīng)過(guò)非常嚴(yán)格的檢測(cè)流程。車(chē)中高壓氫氣瓶的安全性和可靠性需要經(jīng)過(guò)全面的設(shè)計(jì)和測(cè)試，達(dá)到與標(biāo)準(zhǔn)CNG發(fā)動(dòng)機(jī)相當(dāng)?shù)陌踩运健?/p>

自2015年燃料電池汽車(chē)上市以來(lái)，截至目前并沒(méi)發(fā)生過(guò)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(qiáng)的擴(kuò)散性（橫向移動(dòng)），所以就算萬(wàn)一發(fā)生泄漏，氫氣也會(huì)立即擴(kuò)散到空氣中。因此，在空曠的道路上，即便是在汽車(chē)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(duì)泄露的氫燃料電池汽車(chē)和傳統(tǒng)燃油汽車(chē)進(jìn)行了人為點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)由于具有非常快的向上擴(kuò)散速度，氫氣火焰呈火炬狀且隨著氫氣量的減少越來(lái)越小（圖3）。相比之下，由于汽油比空氣重，在發(fā)生燃燒后會(huì)在車(chē)底形成了一個(gè)大火球直至將汽車(chē)燒光。所以說(shuō)，即便是車(chē)輛出現(xiàn)燃燒的情況，氫燃料電池汽車(chē)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(chē)和汽油汽車(chē)的燃燒對(duì)比試驗(yàn)

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(huì)導(dǎo)致火災(zāi)或爆炸，但對(duì)于車(chē)庫(kù)或隧道這些相對(duì)密閉的空間而言，其氣流依舊流通，因此氫氣泄漏導(dǎo)致爆炸的可能性也是非常小的。

此外，氫燃料電池汽車(chē)所用的高壓氫氣瓶為IV型儲(chǔ)罐，采用纖維纏繞復(fù)合材料來(lái)保障罐體的強(qiáng)度和剛度。單位重量的碳纖維復(fù)合材料的強(qiáng)度是鋼材的6倍，其剛度是鋼材的4倍。因此，碳纖維復(fù)合材料比鋼材更輕、更可靠。在1.8米的落差測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，高壓氫氣瓶并沒(méi)有受到損壞。同時(shí)在槍擊和碰撞試驗(yàn)后，高壓氫氣瓶?jī)H僅是噴射出了所有的氫氣，而氫氣則快速地?cái)U(kuò)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(chē)上還安裝了多個(gè)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。如果檢測(cè)到氫泄漏，無(wú)論是在標(biāo)準(zhǔn)操作過(guò)程中，還是在外部沖擊下，供氫系統(tǒng)一旦被破壞，司機(jī)的儀表盤(pán)就會(huì)發(fā)出警告顯示。

在氫燃料電池汽車(chē)中還有一個(gè)安全系統(tǒng)，在這時(shí)也會(huì)被觸發(fā)，從而關(guān)閉高壓氫氣瓶的閥門(mén)，防止氫氣從罐中噴出。如果發(fā)生火災(zāi)導(dǎo)致氫氣瓶周?chē)臏囟壬眠^(guò)高，安全系統(tǒng)還設(shè)置了最后一重保護(hù)，強(qiáng)制將氫氣從燃料箱排出到大氣中，從而避免全車(chē)被焚化的悲劇。

綜上，氫燃料電池汽車(chē)具有非常高的安全性及可靠性。

05

氫燃料電池汽車(chē)任重道遠(yuǎn)

期待全面實(shí)現(xiàn)綠色出行

雖然氫燃料電池汽車(chē)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化，但目前看來(lái)，其發(fā)展依舊處于初級(jí)階段，距離大規(guī)模的市場(chǎng)普及還有非常長(zhǎng)的道路要走。特別是在國(guó)內(nèi)，有關(guān)氫燃料電池汽車(chē)的關(guān)鍵技術(shù)及檢測(cè)手段，還需要進(jìn)一步突破；對(duì)于中游加氫裝備以及加氫基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，還需要進(jìn)行大規(guī)模的普及化。由于燃料電池對(duì)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(jìn)一步攻關(guān)。我們堅(jiān)信在不久的未來(lái)，傳統(tǒng)燃油汽車(chē)或被氫能源汽車(chē)所取代，真正實(shí)現(xiàn)全民綠色出行。

作者 | 王 堯 四川大學(xué)新能源與低碳技術(shù)研究院副研究員

審核 |郝 霞 四川大學(xué) 新能源與低碳技術(shù)研究院特聘副研究員

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