
在商用車行業,說到氫燃料,更多的人會想到氫燃料電池技術。但也許很多人不知道氫燃料為汽車提供動力還有另一條技術路線——氫動力內燃機,已經成為許多商用車企業未來發展的方向。那么,氫燃料和氫動力技術有什么區別,它們各自的優勢是什么呢?
會議推薦:零碳世界、氫啟未來:2022中國(西部)氫能產業大會
在中國,純電動汽車是最主流的新能源技術路線。然而,鋰電池也存在一些弱點,如重量、成本、環境影響和充電時間長。氫燃料電池汽車被稱為近乎完美的汽車能源終極解決方案。學過化學的朋友都知道,氫和氧發生化學反應,產生能量和水。這也是氫能源汽車的基本工作原理。氫燃料電池汽車依靠氫燃料電池電堆中的氫氣與氧氣發生電化學反應,產生電能驅動。氫燃料電池本質上是一種發電裝置,已成為原有鋰離子電池電動汽車續航的“充電寶”。
首先,氫具有廣泛來源,是自然界中最常見的元素,是取之不盡、用之不竭的清潔能源。其次,燃料電池電化學燃燒中的產物只有水,不會產生任何溫室氣體二氧化碳。最后,氫的能量密度很高,氫的能量密度是汽油的3倍,鋰電池的150倍,高能量密度驅動的車輛續航很容易達到甚至超過現有的燃油汽車。
然而,氫燃料電池的技術路線在無限光環背后也有其最致命的弱點,即成本過高。一方面,由于氫燃料電池內質子交換膜的催化層比較嬌貴,在燃料電池電堆中,鉑需要作為催化劑,即比黃金更稀有的鉑金。如此嬌貴的催化層要求氫氣純度達到99.99%。現在最常見、最簡單的工業制氫方法無法滿足這一要求,只能轉向價格非常昂貴的PEM和SOEC電解水制氫技術。另一方面,由于氧氣來自空氣,空氣中的一氧化碳、二氧化碳等氮氧化物會對氫燃料電池的催化層造成不可逆轉的損傷,因此對空氣過濾系統的要求會非常高。
基于氫燃料電池技術路線的這些主要問題目前還不能在商用車上迅速普及。那么還有其他解決辦法嗎?由于氫氣是一種可燃氣體,可以通過內燃機自然燃燒,另一種專門研發氫動力內燃機的技術路線誕生了,對這條路線大家了解的或許并不多。
氫動力發動機和普通燃油發動機一樣,有四個沖程:吸氣、壓縮、做功和排氣。由于該技術用傳統的燃燒反應取代了燃料電池的電化學反應,在燃燒過程中不需要如此高純度的氫氣和高純度的氧氣,這在很大程度上解決了燃料電池技術的高成本問題。
此外,值得注意的是,在氫燃料電池驅動模式下,電動機的扭矩在低速時非常高,但隨著電機轉速的增加,反而雙曲減小。而電動機的功率(功率輸出)是一條平線,因為每個電動機都有一個恒定的額定功率,以避免過熱、防止損壞電線絕緣。相比之下,氫氣內燃機的扭矩可以隨著發動機轉速的增加而保持不變(特別是對于增壓發動機),在更高的發動機轉速下有更大的功率輸出。因此,氫氣內燃機對于承擔貨物運輸的中重型卡車是更經濟、更有效的選擇。
在污染物排放技術處理方面,雖然氫氣發動機排放不能達到氫氣燃料電池技術的零排放,但與傳統內燃機相比,其污染物類型的排放確實要低很多。除了氫氣發動機釋放接近零的微量二氧化碳(來自環境空氣和潤滑油)外,氮氧化物是氫氣燃燒潛在副產品的唯一重要污染物。然而,使用先進的燃燒過程和相對簡單的后處理系統,氮氧化物的排放可以減少到接近于零。
氫動力內燃機也具有重要優勢,可以在原有技術細節優化的基礎上快速進入市場。因此在未來幾年柴油汽車,特別是中重型柴油車的使用可以逐步減少,其技術實現難度和成本遠低于氫燃料電池系統。此外,與改變驅動機構相比,內燃機已經使用了百余年,并得到了成熟服務體系的廣泛支持。堅固耐用的發動機可以在塵土飛揚的環境中工作,也可以承受劇烈的振動,有各種規格和配置。從汽車制造商和團隊運營商的角度來看,轉向氫氣發動機具有更成熟的零部件和技術體系。
由于這些原因,達夫、曼恩、斯堪尼亞和其他外國商用車制造商正在嘗試開發氫內燃機技術。但戴姆勒、沃爾沃、依維柯等制造商對氫燃料電池技術更加看好。而國內廠商除了玉柴去年年底發布了國內首臺燃氫發動機以外,其他主要汽車公司的技術投入也在氫燃料電池上。因此,企業之間的觀點差異相對明顯,小編認為,由于氫內燃機的排放,它更適合作為一種過渡和補充技術。那么,你如何看待這兩種技術的發展前景呢?
往期精選回顧:
2022年天津發布重點建設項目清單:多個鋰離子電池材料及氫能項目入選!