氢动力捲土重来燃料电池商用化障碍分析

2020-07-19
[导读 ] 文 许鸿德在21世纪的前几年,被视为最清洁的「氢动力」成为汽车产业的希望所寄、德国BMW集团更投入了数十亿欧元的研发经费,然而电池动力却成了之后的科技主流,氢动力也淡出了主流媒体的视线。不过德国车厂并……

文 许鸿德

在21世纪的前几年,被视为最清洁的「氢动力」成为汽车产业的希望所寄、德国BMW集团更投入了数十亿欧元的研发经费,然而电池动力却成了之后的科技主流,氢动力也淡出了主流媒体的视线。不过德国车厂并未放弃氢动力,不论是在2011年的法兰克福车展、还是2012年日内瓦车展,Mercedes车厂都高调发表了氢动力概念车,并承诺将在2014年量产燃料电池车辆。在沈寂了数年之后,氢动力能否捲土重来?


氢动力捲土重来燃料电池商用化障碍分析Daimler集团主席Dieter Zetsche经常大声呼吁氢动力的好处,Mercedes车厂也推出一系列相关概念车型。

未来汽车的动力来源将是什幺?多数专家同意「氢动力」的种种优点看似是完美解答,但即使各大车厂倾全力研发(BMW已投入超过10亿欧元、还準备再投入10亿欧元),在燃料电池诞生已超过30年的今天、似乎仍有几大障碍无法克服。多数人相信氢动力车改变世界的那一天应该在30到40年后,「大家说『氢动力』是未来的希望,在我的眼中、氢动力永远都是未来的幻影」J.D. Power的研究员Walter McManus继续说:「换句话说,『氢动力』只会在科幻小说中出现!」体认到类似氢动力的全新动力来源无法在几年内改变世界,几年前多数车厂也收起幻想与不切实际,审慎考虑以现有技术为基础、提供给消费者面对油价危机的立即解答。包括Hybrid汽电混合动力引擎、先进柴油引擎与使用改良燃料(包括植物油或氢气)的内燃机引擎是目前檯面上的选择。


氢动力捲土重来燃料电池商用化障碍分析除了普通消费者之外,美国军方也开始测试氢动力车辆的实用性。
德国车厂不放弃氢动力技术

截至目前为止,Hybrid混合动力系统与纯电池动力仍是节能车辆市场的主流技术,但为数不少的汽车製造商从未放弃使用「氢能源」作为未来的零排放能源。Daimler集团主席Dieter Zetsche在2011年法兰克福汽车展对全球媒体大谈特谈「氢能源的好处」,他还表示将氢能源转化为电力的燃料电池是唯一能保留驾驶者之前习惯的续航里程、动力输出和行驶舒适度的替代性能源:「除了没有废气排放,氢动力提供了消费者过去驾驶车辆所习惯的一切!氢是宇宙中最常用的元素,每个国家都可以製造氢能源(而不必仰赖中东石油巨头)并且永不枯竭。因此它是最平民化的燃料」。去年Daimler集团推出了一款鸥翼概念车F125,这款车可靠氢燃料电池和电池动力驱动,加满一次可行驶600英哩之远。无独有偶,日前德国财经杂誌《WirtschaftsWoche》在报导中引用某知情人士表示,GM与BMW集团有望合作研发使用于民用车的氢燃料电池技术,未来BMW将投入研究经费以交换GM拥有的相关技术。
氢动力捲土重来燃料电池商用化障碍分析过去BMW集团主张开发以氢气为燃料的内燃机引擎、而非以氢燃料电池转换成电力来驱动电动马达的方式(多数其他车厂的氢动力研发方向),BMW的代表作是2000年推出的BMW 750hL。
G.M集团负责燃料电池业务的执行董事Charles Freese在接受访问时证实GM的确已经与BMW集团进行过讨论,未来双方将致力降低该氢动力技术的生产成本:「过去15年来我们一直在研发燃料电池系统,未来我们会大力推广该技术」。BMW和GM以前曾与Daimler集团联手开发双模混合动力系统,研究成果之后用于GM旗下的大型SUV车型。过去BMW集团主张开发以氢气为燃料的内燃机引擎、而非以氢燃料电池转换成电力来驱动电动马达的方式(多数其他车厂的氢动力研发方向),BMW的代表作是2000年推出的BMW 750hL,这款车可说是BMW展现当时氢动力技术的代表作:该车搭载一具排气量5.4公升、可使用汽油与液态氢两种燃料的V12引擎,后座行李箱内则有一个容量为140公升的液态氢冷冻储存槽。然而在与GM集团合作之后,BMW很可能转而投效氢燃料电池的行列。


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氢动力的种种优点


使用石油燃料(汽油或柴油)内燃机为汽车动力来源的最大缺点,当属不论是汽油、柴油、醇燃料(甲醇与乙醇)与甲莞在燃烧后都会产生碳氧化物(COx)的污染物,但用氢气作燃料的排放物只有水,氢气动力一口气解决了两个基本问题:所排放废气的污染问题(车辆废气已成为全球主要空气污染源之一)和石化燃料的可持续使用问题(如今石油资源日益枯竭,油价长期看涨)。氢具有非常高的能量密度,释放的能量足以使汽车引擎运转,因此许多科学家预言,以氢为能源的燃料电池是本世纪汽车的核心技术,它对汽车工业的革命性意义就相当于1960年代CPU对于资讯工业一般重要。而且氢为二次能源(可循环使用),既容易取得(直接由太阳能电解海水即可获得)又不导致环境污染,堪称最理想的汽车燃料来源!氢燃料电池拥有电动车与氢气动力来源的优点,却没有氢气直接燃烧的相关技术限制,可说是目前最具可行性的氢动力技术。燃料电池的最大优势就在于转换效率高出内燃机引擎近四倍!工作过程不涉及燃烧、无机械损耗,比蒸汽机、内燃机等能量转换效率要高得多。

氢动力捲土重来燃料电池商用化障碍分析除了概念车之外,Mercedes车厂也尝试过替量产车型换上氢动力系统。
由Toyota等车厂的实验得出结论,汽油引擎效率从油箱到车轮为16%、而氢燃料电池车为60%!燃料电池也很少需要维修,因为氢气未含腐蚀性杂质,也没有积碳阻塞燃烧室。世界上首款量产燃料电池车型:Honda FCX Clarity已于2008年夏天问世、并提供给美国洛杉矶的特定顾客贷款购买。上市之前FCX的预订名单包括许多名流大亨,许多人相信一旦氢气加气站逐渐普及化,你我驾驶燃料电池车辆的那一天不用再等太久。许多读者可能好奇种种迹象显示「氢能源」将成为新工业时代的基础,那为什幺电池动力车辆目前仍声势浩大?纯电池动力汽车得到更多关注的原因之一是目前这类产品已在市场上销售:Nissan Leaf推出至今超过一年,而BMW i系列等其他车型也将在两年之后问世。GM集团的欧洲品牌Opel也开始接受Opel Ampera(Chevrolet Volt的孪生兄弟)的订单。但对于销售众多大型SUV产品的GM及还拥有Freightliner品牌商用车的Daimler集团而言,石化燃料价格越来越贵对于他们的业务来说是「真正的威胁」,特别是对大型商用车来说,现有的二次电池重量太重而且续航能力有限、因此无法解决问题。


氢动力捲土重来燃料电池商用化障碍分析GM集团高层于2010年证实他们正在测试体积小、重量轻、成本低的「实用化导向型」燃料电池系统。
加气站普及将成为未来成败关键

虽然已投资近20亿美元于燃料电池开发,GM集团对于其「氢动力」计画仍相对低调,同时也研发插电式混合动力和电池动力系统。不过GM集团高层于2010年证实他们正在测试体积小、重量轻、成本低的「实用化导向型」燃料电池系统(昂贵的铂催化剂用量已从80克减少到30克),预估可在2015年实现量产并用于民用车型。虽然燃料电池的量产成本逐渐降低,但氢动力车辆距离真正商用化还有一个最大障碍:氢气的储存技术障碍与氢气加气站严重不足。氢气储存技术的问题在于:在室温与室压下,氢是以气体状态存在、而气体状态的氢元素有着「能量密度太低(即每单位体积的氢气所含能量低于石油太多)」的问题,就算冷却到零下253度,每单位体积的液态氢所含的能量密度仍只是相同体积石油的25%、这意味着氢动力汽车必需搭载普通汽车大上4倍的油箱(还有维持低温状态的技术瓶颈)才能拥有相同的续航距离,过去BMW研发人员的首要课题就是如何在车上保存低温液态氢并儘可能缩小油箱体积?另一个难题是如何确保液态氢在冷冻储存槽输送到引擎燃烧室的过程中没有洩漏或是蒸发?
氢动力捲土重来燃料电池商用化障碍分析Honda FCX Clarity已于2008年夏天问世、并提供给美国洛杉矶的特定顾客贷款购买。
2000年BMW开发出新一代的冷冻储存槽(Cryotank)已经取得这方面关键性技术的突破!由于车内的氢气储存设备太重,氢动力车辆只有在有加气站网路密集的市场才能满足日常用车需求,也难怪Daimler集团主席Dieter Zetsche大声呼吁:「技术已经有了,现在我们需要的是氢气加气站」。德国燃料电池和氢能协会的政策董事James Warner日前表示德国境内将开始大量建设氢能源的相关基础设施,Daimler集团也已经于工业用气供应厂商Linde合作、计画未来三年在德国建设二十几个公共站加气站。Toyota、Honda、Daimler和Hyundai/KIA车厂则共同表示有能力在2015年左右在美国市场推出量产化氢动力车型,但是加气站基础设施的布建缓慢可能使这一时间表发生变化。看来你我若想要早一天享受氢动力的种种好处,恐怕还要向政府单位多多施压。


氢动力捲土重来燃料电池商用化障碍分析对于销售众多大型SUV产品的GM及还拥有Freightliner品牌商用车的Daimler集团而言,石化燃料价格越来越贵对于他们的业务来说是「真正的威胁」,特别是对大型商用车来说,现有的二次电池重量太重而且续航能力有限。
氢动力捲土重来燃料电池商用化障碍分析氢动力车辆由于其「零排放」特色,所以也受到前加州州长Arnold Schwarzenegger的大力支持。
氢动力捲土重来燃料电池商用化障碍分析Toyota、Honda、Daimler和Hyundai/KIA车厂则共同表示有能力在2015年左右在美国市场推出量产化氢动力车型,但是加气站基础设施的布建缓慢可能使这一时间表发生变化。
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