自1990年代后期以来,汽车制造商对氢动技术进行了大量投资,但是时至今日,市面上只能买到本田、现代和丰田制造的燃料电池汽车。大规模应用并不是受到技术的阻碍,而是加氢站网络建设困难以及成本。

燃料电池氢动汽车迎来快速发展窗口期 各大厂商研发进展一览

氢气已经被吹捧为几十年来最理想的零碳排燃料,但到目前为止,它却一直未能广泛普及。然而,2020年1月,由92家主要公司组成的组织氢气理事会宣称2020年代将是“氢的十年”。帝国理工学院环境政策中心客座教授、咨询公司e4Tech的负责人大卫·哈特(David Hart)赞同这一观点。“我们看到了人们对氢,尤其是氢燃料电池的浓厚兴趣。”他说。

自1990年代后期以来,汽车制造商对氢动技术进行了大量投资,但是时至今日,市面上只能买到本田、现代和丰田制造的燃料电池汽车。大规模应用并不是受到技术的阻碍,而是加氢站网络建设困难以及成本。不过,这一切即将改变。归功于国际上计划使氢气成为整个能源系统的主要组成部分,不仅用于汽车,还用于家庭和工业供暖和供电,以及卡车、火车和轮船,也许最重要的是,用于存储多余的电力。

目前,英国全国只有13家加氢站

2019年,英国宣布成为第一个到2050年实现净零碳排放立法的国家,这比先前的法律要求将1990年的碳排放量减少80%的目标有所提高。丰田英国分公司替代燃料经理约翰·亨特(John Hunt)解释说,这产生了很大的不同:“减少80%的话,可以把所有困难的问题隐藏在剩余的20%之中。一旦将净零碳排放放到台前,就不得不重新思考,脑海里全是难。”

其中之一便是氢气。亨特7月曾在《未来能源场景》报告中说:“英国国家电网清楚地表明氢气是必不可少的,毋庸置疑。”报告还称,每年至少需要190TWh的电力来生产氢气以达到净零值,同时强调了其应对用电峰谷的储能能力(称为电网平衡)。因为目前无法存储大量的非高峰电量,在过去的十年中,8.7TWh的风能(相当于1.36亿台起亚e-Niro 64kWh电池组的容量)被白白浪费,价值高达6.49亿英镑。

亨特相信英国在利用风力发电零碳排制氢方面具有巨大潜力。“英国拥有世界上最方便、最强风力条件。”他解释说:“英国方便利用海水建设近海制氢厂,再通过管道或船运将其运至内陆地区。结合废油气田和钻井,使用这些平台现场制氢是完全可行的。”

绿氢是耗电电解水产生的。电能一旦转化为氢气,就可以无限期地进行存储,充分利用枯竭的油田和盐洞,这就是亨特所说的英国具有“出色的地质条件”。英国已经有三十个盐洞被用来储存天然气和石油。曾经用于输送天然气的管道可以用来输送氢气,起到储能的双重作用。欧盟目前的管道网络不仅可以运输天然气,而且还可以存储1500TWh的天然气形式的能源。与电力不同,氢气所存储的能量不会随着输送而减少。欧洲天然气供应商的一个财团计划再建14,000英里的管道,以形成整个欧洲的氢气配送主干管道。

建设加氢站而没有太多车来加氢,盈利难题一直倍受困扰,但是卡车、出租车和公共汽车的区域性商业车队提供了解决方案。“最初的想法是建设许多加氢站,汽车随处可以加氢。”亨特解释道:“现在的想法则是在特定区域建立车队形成节点。一旦有足够多的区域,就可以将其合并。”亨特认为欧盟2050年目标“非常具有侵略性”,需要协同努力来增加生产绿氢所需的电解槽的产量。

英国公司ITM Power在这个方面有所领先。ITM Motive董事总经理邓肯·耶伦(Duncan Yellen)解释说:“我们生产电解槽已有整整二十年的时间,2020年底将建成一座电解槽超级工厂。”ITM Motive是ITM Power新分公司,成立专门致力于加氢站的发展。目前已经有七家加氢站,主要在伦敦附近,还有六家正在建设之中,包括伦敦地区两家和北部地区的另外四家。“我们需要大约100家加氢站才能拥有合理的地理覆盖范围。”耶伦说:“我的雄伟目标是在未来五年内建成100家加氢站。由于燃料电池汽车种类繁多,100家加氢站足以覆盖英国全境。”

英国ITM公司专门从事储能业务

ITM加氢站已经为出租车队和紧急服务部门提供服务,其中包括拥有11台丰田Mirai的伦敦警察厅。“这些组织一天24小时都需要用车,没有时间插拔充电。”耶伦说。要知道,耶伦从2015年开始日常驾驶丰田Mirai,没有发现车的性能不足的情况。现在ITM加氢站的加氢成本含增值税为每公斤10英镑(Mirai可以加5kg氢)。耶伦的目标是将价格降低到含增值税7英镑左右,只比柴油价格低一点。耶伦坚信氢气将是未来能源场景的重要组成部分:“如果要达到净零排放,我们完全清楚必须要考虑氢气。没有氢,将无法进行季节性存储、备用发电或重货物运输。”

丰田Mirai是公众可以购买的首款氢动汽车

据估计,当今全球运营的氢动车有53,600台,包括18,000台汽车和31,000辆叉车,其余则为商用车。在英国只有240台注册,但是未来一两年内,总数可能会迅速增加。

氢动汽车如何工作

燃料电池电动汽车(FCEV)是具有氢燃料电池系统而非大型电池组的电动汽车,其中氢气以700bar的压力储存于储罐中,电池堆产生高压电,小型缓冲电池提供瞬态电量以加速并存储回收制动能量。电池堆由更小的燃料电池组成(丰田系统中为370个),每个燃料电池都包含一个聚合物膜,夹在涂有催化剂的阳极与阴极之间。氢气流过阴极侧,空气流过阳极侧;氢原子中的质子通过聚合物膜被吸引,与空气中的氧气结合而产生水;留下的电子在阳极与阴极之间产生电流。因此,这种类型的燃料电池称为质子交换膜(PEM)。

FCEV氢气被压缩到700bar或10,153psi的惊人压力

开发过程中的难点在于电池堆内部产生的水、稳定性以及极低的温度下起步。燃料电池也很昂贵,但其成本一直在下降,丰田公司希望到2025年与混合动力汽车相当。多年来,所有储氢罐都经过了严格测试,包括枪击,而且氢气仅在狭窄的空间内才会带来危险,因此燃料电池系统装有泄漏传感器。否则,氢气会无害地散发到空气中。给FCEV加氢与传统汽车加油的方法几乎相同,除了泵嘴牢固地锁定在加氢口稳定高压。FCEV司机在加氢方面几乎没有区别,而驾驶体验与纯电动车完全相同。

氢动汽车研发进展

梅赛德斯·奔驰:尽管早在1998年奔驰便率先推出全球首款公路行驶FCEV,即基于A级的Necar4,但奔驰现在更专注于纯电动车,还拥有奔驰GLC F-Cell原型车和数十年的研发经验。

通用:截止2016年,通用汽车已经在燃料电池技术上投资了19亿英镑,2002年生产了创新的Hywire概念车,并在2008年与本田公司合作生产了Equinox FCEV,但最近搁置了FCEV发展计划。

福特:自从与戴姆勒和加拿大主要的燃料电池开发商Ballard展开合作以来,福特已经减小了发展FCEV的兴趣。但是,福特在中国的合作伙伴江铃还在生产氢燃料电池重型卡车。

宝马:发展较晚,但现在与经验丰富的丰田合作,宝马看到了燃料电池在大型车中的潜力。目前正在开发X5尺寸的SUV i Hydrogen Next。

捷豹路虎:以前没有FCEV,但最近有兴趣,创建了Project Zeus项目,目标是生产揽胜FCEV,强调氢动技术成熟,现在更容易实现。

丰田:丰田早在1992年就开始认真研究氢燃料电池技术,并于2015年将推出了Mirai。第二代Mirai将于2020年晚些时候推出。

现代:现代也是从1990年代开始开发氢燃料电池技术。继ix35 FCEV之后,定制的Nexo现已在英国发售。

本田:本田是最早发展氢燃料电池技术的公司之一,于1980年代后期开始进行基础研究,并自2008年起在美国推出Clarity FCEV。(来源:Autocar)

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