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金鳳區混合氣體過濃品牌

來源:網絡

發布時間:2020-04-20 08:05:28

金鳳區混合氣體過濃品牌近日,展示氫能愿景的“現代氫世界”在上海展出,展示了NEXO氫燃料電池量產車型與關鍵技術成果。

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有些朋友產生了疑問,莫非中國選擇了純電動的新能源技術路線,而日韓選擇了不同的氫燃料電池的技術路線,從此分道揚鑣了?“未來的新能源汽車究竟是純電動、混合動力還是燃料電池汽車的天下?”這個老問題是否又有了懸念?

借著這個老問題,我分享一下自己的觀點:

不同技術路線的商業化速度,取決于技術成熟度、成本、便利性等工程技術因素,需要分析純電動、混動、燃料電池的技術原理。

燃油車用(石油)燃料,電動車用電池;混動車二者都用,但燃料還是燃料,電池還是電池,二者通過機電方式耦合起來。

那么問題來了,“燃料電池”(Fuel Cell)是個啥?

燃料電池技術原理一、能量的元素載體

從能量密度角度進行分析:

鉛酸電池、鎳氫電池、鋰離子電池,元素載體從鉛到鎳再到鋰,能量密度顯著提高,那么未來會不會還有更好的電池元素載體呢?

電池能量密度不斷提高,鋰離子電池是鉛酸電池的4倍左右要回答這個問題,首先要認識到:無論是內燃機燒油還是鋰電池放電,都是通過原子最外層電子的轉移來釋放能量,也就是氧化還原反應。

氧化還原反應中,內層電子就是典型的懶漢,光吃飯不干活。所以,提高效率的思路也很簡單:不干活的懶漢電子比例越少越好!

打開元素周期表[1]:容易找到鉛(Pb)在第6排,有5層不干活的電子;鎳(Ni)在第4排,有3層不干活的電子。這就從原子的角度決定了:鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池的能量密度潛力都是有限的!

電子層數多的元素,恐怕是沒什么前途了。咱們還是從元素周期表的前2行來找潛力股:氫氦鋰鈹硼、碳氮氧氟氖。

知乎高贊同神文[2]分析指出:氧與氟都是氧化劑,排除;氦、氖、氮都是惰性或準惰性氣體,排除。那么就只剩下鋰、鈹、硼、碳、氫,它們的勤勞電子比例(電子轉移數/原子量)分別為14%、22%、28%、33%、100%。

元素周期表雖然很大,但適合作為能量載體的元素不多??!

用于純電動的鋰(14%):把鋰挑出來做成充電電池(Rechargeable Battery),用于純電動汽車。勤勞電子比例只有14%,難怪能量密度低。用于內燃機的碳(33%)與氫(100%):生命活動與地質運動,沉積出以碳與氫元素為元素主體的石油,人類開采后,用于內燃機汽車。碳的勤勞電子比例是33%,已經不低了,但還是拖了氫的后腿;更嚴重的是,碳在氧化后會產生溫室氣體二氫化碳。用于氫燃料電池的氫(100%):有沒有比鋰、比碳+氫更完美的元素載體呢?有的,那就是較完美的能量載體氫氣,用于氫燃料電池汽車。根據相關參考數據顯示,氫還是宇宙中、地球上豐富的元素,占宇宙質量的75%、宇宙分子的90%、地表的70%。從能量元素載體的角度來看,氫燃料電池技術雖然大器晚成,但它生而不凡。

二、“燃料”屬性:能量密度高、加氫速度快

所謂燃料,是指能量轉換系統從外部獲得的實物能量載體。

從這個角度來說,燃料電池與內燃機相似,需要從外部輸入實物能量載體,這也是為什么被稱為“燃料”電池。不同的是,燃料電池需要的是清潔的氫氣,內燃機需要的是化石能源。

目前制約純電動汽車發展的最主要的兩個問題是:能量密度低、充電速度慢。與之相比,正因為“燃料”屬性,這兩點對于燃料電池來說都不是問題:

能量密度高:氫氣的能量密度比鋰電池高上百倍,甚至比石油的能量密度更高。加氫速度快:加氫與加油都只需要三五分鐘,體驗相仿。如此一來,車主就不必到處找充電樁,免去充電等待的時間了。例如現代NEXO氫燃料電池車,只需要加氫3-5分鐘就可以續航800km。三、“電池”屬性:效率高、無污染、可再生

如此說來,在續航與充能方面,氫燃料電池車與傳統燃油車,真的很像! 只不過一個是燒油,一個是燒氫。

當然,二者原理不同,前者是熱力學過程,受制于卡諾循環效率上限;后者是電化學過程,因此也被稱為“電池”。

正因為“電池”屬性,燃料電池又具有新能源汽車的特性:

無污染:氫氣+氧氣→水。不僅沒有氮氧化物這種有毒氣體,就連二氧化碳都沒有??!正因為這個特性,現代NEXO被稱為“100%無公害車輛”。不僅僅是運行時無污染,它甚至還能凈化空氣:氫燃料電池在從大氣中獲取氧氣的過程中,可以凈化99.9%的可吸入顆粒;1輛NEXO每行駛1小時,可凈化26.9kg空氣,相當于43名成人1小時呼吸的空氣車[3]。當然,這一點與電動車碳排放的爭議相似,從全生命周期的角度來看,制氫是免不了有碳排放的。目前的主流觀點是:即便是考慮70%的火電,純電動車的碳排放還是優于燃油車,氫燃料電池車則與純電動相當或更好??稍偕撼斯I副產品制氫之外,還能通過煤制氫、利用谷電電解水制氫等途徑,全生命周期效率要優于汽油柴油。退一萬步講,能源效率還不如汽油柴油,但氫能源作為可再生能源,對石油對外依賴很強的東亞中日韓來說,依然是很有吸引力的選項。高效率:最高效率不受卡諾循環限制,實際效率比內燃機高。移動電站:目前部分電動汽車已經有向外輸出電力的功能,實際上就扮演了移動儲能電站的功能;而氫燃料電池車則更進一步,不僅能儲能,還能清潔發電。10萬輛現代NEXO就相當于一座核電站了。四、當前燃料電池技術的不足

講到這里,大家可能會有點迷糊了:燃料電池有“電池”屬性,所以新能源汽車該有的優點,它都有;燃料電池有“燃料”屬性,所以純電動車的續航短、充電慢的缺點,它都沒有。

那么問題來了:如果燃料電池一身都是優點,那為啥它的產業化進程,要比純電動慢5-10年呢?

原因就在于,燃料電池雖然在技術原理上比較完美,但在工程實踐上還有若干關鍵問題有待解決:

車載儲氫技術:氫氣的能量密度不低,但氫氣在常溫常壓下是氣體,要壓縮成液體運載,所需要的儲氫系統就不簡單了。燃料電池技術:例如膜電極、空壓機、催化劑技術等,不僅技術上需要進一步突破,成本與產業鏈也有待成熟。加氫基礎設施:加氫站的建設難度、成本比充電樁還高。燃料電池與鋰電池是你死我活的競爭關系嗎?了解原理之后,回到提問本身。題主問將來到底是誰的天下,潛臺詞就是將不同技術路線給對立起來了,仿佛互相之間是你死我活的競爭關系一樣。

事實真的如此嗎?這個話題可以從技術路線、應用場景、產業戰略3個角度來簡單分析一下:

一、技術路線水乳交融

如下圖所示,燃油車單獨依靠內燃機工作,純電動單獨依靠鋰電池+電機工作,但燃料電池并不能直接輸出機械能驅動車輪。

典型的燃料電池汽車,一般都要配備一套完整的鋰電池+電機系統,才能將燃料電池輸出的電能進一步轉化成機械能,驅動車輪工作。

聽到這里,大家是不是覺得有點耳熟,這不就是串聯式混合動力汽車嗎?事實上的確如此,大部分氫燃料電池汽車都采用了串聯式混合動力的構型,有時候是鋰電池大點、燃料電池小點;有時候是鋰電池小點、燃料電池大一點。

不同場景下,鋰電池與燃料電池功率配比不同進一步的,串聯式混合動力(Series Hybrid Vehicle)又被稱為“增程式電動汽車(Range-Extender EV)”(例如理想智造ONE),原因就是串聯混合動力車無論在技術原理、駕駛感受還是使用習慣上,其實很接近純電動車。

從技術上來說,原來氫燃料電池汽車與混動車、純電動車有這么深的淵源??!如果一個企業說只專注于氫燃料電池汽車,從不儲備任何混動技術,那可就要警惕了:你打算怎么讓燃料電池驅動車呢?

講到這里大家是不是覺得很有意思? 外行人在爭論咱們是應該發展純電動,還是發展氫燃料電池;而行業技術人員從未將三者對立起來,反而是你中有我、我中有你,水乳交融。

這不禁讓我想到一個畫面:

鋰電池與燃料電池都成親了,我們為何還要爭論它倆誰死誰活的問題呢?截圖自周星馳主演影片 大話西游之大圣娶親二、應用場景各有所長

前文已經從原理上分析了鋰電池與燃料電池各有優劣,這就決定了它們適用于不同的應用場景:

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燃料電池能量密度高,但加氫站建設不易、占用車輛空間較大,因此更適用于長途場景、固定線路場景的中重載貨車或客車等商用車,或者是大型乘用車。鋰電池能量密度低,但充電樁建設靈活性高(家用停車位就可以安裝),因此更適用于中短途乘用車。誠然,放長遠眼光來看,鋰電池技術與燃料電池技術都會持續進步,各自的劣勢也會逐步克服。但是,在可預見的未來里,兩種技術的優劣對比不會發生根本性改變,因此二者都會在各自的應用場景里蓬勃發展,而并不是對立與替代關系。

三、產業戰略定位不同

在電動汽車興起之時,我們已經有了一個成熟而強健的電網。發展電動汽車,落腳點就是汽車行業本身 —— 希望人們未來出行減少對石油的依賴,實現節能減排。

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發展燃料電池的戰略思考則有所不同。曾有人問:燃料電池汽車再好,但發展它必須要重新建立一個像電網那樣的氫能網絡,這是不是有點小題大做了?

的確,建設這樣的氫能網絡工程量巨大,甚至比變革汽車行業本身還難,那我們為什么還要考慮這么一個曲線救國的新能源技術路線呢?

答案是:建設氫能社會并不是為燃料電池汽車服務的配角,氫能戰略本身就是一個完整的產業戰略,發展燃料電池汽車是貫徹氫能戰略的最佳抓手。

如下圖所示,用于交通領域的燃料電池系統雖然數量上所占比例不大,但在裝機瓦數上已占主導地位。因此,從產業的角度來看,引導新能源汽車發展、以燃料電池汽車為戰略抓手,就間接貫徹了整個氫能戰略,何樂而不為呢?

以@現代汽車作為主要角色參與的韓國2050氫能源藍圖為例,在未來的氫能社會中,氫能不僅僅用在燃料電池汽車上,還將應用到發電、工業、建筑等各個領域。氫能戰略并非韓國在唱獨角戲,實際上包括中日韓在內的整個東亞都在配合實踐。

圖片來源[4]經過以上分析,結論就呼之欲出了:由于技術路線互相交融、應用場景各有所長、產業戰略分工不同,純電動、混合動力、燃料電池三種技術路線會長期并存發展,而不會出現某個技術路線一統江湖的局面。

跨國汽車集團采用哪個技術路線?從整個產業的角度來說,三個技術路線并存發展。那從單個汽車企業的角度來說,他們會傾向于采用哪個技術路線呢?

答案也很簡單:小公司才做選擇,大公司我全都做!

九品芝麻官才做選擇,豹子頭說我全都要 截圖自周星馳主演影片 九品芝麻官譬如,大眾汽車集團旗下奧迪品牌的新能源技術路線規劃如下:有純電動、有插電混動也有氫燃料電池,三種技術路線長期并存、協同發展。

又如,另外一家很有代表性的著名汽車集團的技術路線如下:同樣地,有純電動、有插電混動也有氫燃料電池,三種技術路線長期并存、協同發展。

說起氫燃料電池技術的具體企業,大家容易想起來加拿大、日本。實際上,咱們的鄰居中還有一位實力強勁的大玩家,那就是韓國的 @現代汽車。用三個點來簡單介紹 @現代汽車 的氫燃料電池技術與產品。

一、量產車:第一代最早一批,第二代NEXO性能更強

據現代汽車集團新能源技術開發總負責人李起相所述,現代汽車于2013年推出的ix35 FCV是全球最早的量產氫燃料電池汽車之一。2018年推出的第二代NEXO氫燃料電池量產乘用車,在續航距離、儲氫水平、電機功率等關鍵性能上均占據明顯優勢。

現代NEXO氫燃料電池汽車性能參數及研發上市時間對比現代NEXO氫燃料電池二、多種技術路線齊頭并進

與前文舉例的兩個大型汽車集團相仿,現代汽車作為韓國汽車行業領導者,也規劃了純電動、(插電)混動、氫燃料電池三種技術路線長期并存、協同發展的產業戰略。

三、從汽車新能源戰略到氫能社會戰略

在整個氫能戰略中,@現代汽車 的計劃并不僅僅局限在汽車行業的老本行里?,F代汽車集團首席副會長鄭義宣表示:「作為全球氫燃料電池汽車商用化生產的優秀企業,我們將把業務拓展到汽車運輸行業以外」。

目前,國際氫能委員會(Hydrogen Council)的會長企業就由現代汽車聯席擔任,其邁向氫能社會的決心可見一斑。若此戰略實施順利,現代汽車對乃至東亞的影響力將大大增強。

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