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導(dǎo)語(yǔ)：
現(xiàn)在大家所指的新能源汽車，被很多人都籠統(tǒng)地認(rèn)為是蓄電池供電的電動(dòng)汽車。其實(shí)并不是如此，因?yàn)樾履茉雌嚭w的領(lǐng)域是非常廣泛的，本文要介紹的氫能源汽車，它也是屬于新能源汽車范疇的。
雖說(shuō)是新能源，但其實(shí)人們很早就開始利用這些能源了。早在1834年美國(guó)人就研發(fā)出了第一臺(tái)電動(dòng)車。而燃料電池也是19世紀(jì)末英國(guó)人提出的。目前，人們希望這些新能源能夠在能源產(chǎn)業(yè)中起到更重要的作用。汽車行業(yè)也是如此，從各大車企未來(lái)車型的規(guī)劃中我們也可以看到，新能源汽車占據(jù)了很重要的位置。不過(guò)究竟是什么類型的新能源汽車“稱霸”未來(lái)世界，這還無(wú)法下結(jié)論。那么，氫能究竟有哪些優(yōu)點(diǎn)？氫能源汽車為何會(huì)在新能源汽車中“掉隊(duì)”？氫燃料電池未來(lái)又會(huì)如何發(fā)展？
一、氫能是什么？
氫是宇宙中所有元素中含量最豐富的元素，在自然界中主要以化合態(tài)存在，是周期表中第一號(hào)元素。
氫能源之所以被人們所期待，是因?yàn)闅淠茉捶先藗儗?duì)于新能源的需求。首先，氫具有除去核燃料外最高的燃燒熱值，為142351KJ/kg，為汽油的三倍；其次，氫的燃燒性能好，與空氣混合時(shí)有寬泛的可燃范圍，而且氫的燃燒速度也很快；第三，氫燃燒后的產(chǎn)物是水，對(duì)環(huán)境十分友好，不會(huì)造成溫室效應(yīng)；最后，氫氣的相對(duì)分子質(zhì)量很小，所以氫能源可以有效的減小燃料自重，可以減小運(yùn)輸氫氣時(shí)的成本。
目前，人們通常不把氫氣當(dāng)燃料使用，而是通過(guò)氫氧燃料電池利用氫能。氫氧燃燒電池也被稱為“氫能利用的核心”。氫氧燃料電池以氫氣作為還原劑，氧氣作為氧化劑，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)，將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿碾姵?。與常規(guī)發(fā)電技術(shù)相比，燃料電池的發(fā)電效率更高。它不受卡諾極限的限制 ，理論能量轉(zhuǎn)換效率90%以上。在實(shí)際應(yīng)用中，發(fā)電效率可達(dá)60%以上，考慮綜合能量利用，燃料電池的總效率可達(dá)80%以上。除此之外，燃料電池還具有供電穩(wěn)定、模塊性好（電池并聯(lián)便能得到大電流；電池串聯(lián)便能得到高電壓）、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、方便耐用等優(yōu)點(diǎn)。
氫氧燃料電池結(jié)構(gòu)
二、氫能技術(shù)“難”在哪兒？
既然氫能源有這么多優(yōu)勢(shì)，但為何市面上卻少見氫能源的實(shí)際應(yīng)用呢？因?yàn)?，氫能源作為一種新興能源，有著一套復(fù)雜的產(chǎn)業(yè)鏈。其中的制備、儲(chǔ)存、運(yùn)輸、加注、電堆，這五項(xiàng)氫能源中的關(guān)鍵技術(shù)均存在一定的難點(diǎn)。
首先是制備環(huán)節(jié)，目前的制氫方式有利用水的分解這一原理的水制氫，通過(guò)焦化、氣化煤等化石能源的化石能源制氫以及將薪柴等生物質(zhì)氣化的生物制氫。然而水制氫的規(guī)模較少，化石能源制氫會(huì)造成一定污染。只有找到合適的制氫方法，氫才能逐步發(fā)展。
其次是儲(chǔ)存環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)儲(chǔ)氫方法有兩種，一種方法是利用高壓鋼瓶來(lái)儲(chǔ)存氫氣，但鋼瓶?jī)?chǔ)存氫氣的容積小，而且還有爆炸的危險(xiǎn)；另一種方法是儲(chǔ)存液態(tài)氫，但液體儲(chǔ)存箱非常龐大，需要極好的絕熱裝置來(lái)隔熱。在近些年，一種新型簡(jiǎn)便的儲(chǔ)氫方法應(yīng)運(yùn)而生，即利用儲(chǔ)氫合金來(lái)儲(chǔ)存氫氣。 這些會(huì)“吸收”氫氣的金屬，稱為儲(chǔ)氫合金。其儲(chǔ)氫能力很強(qiáng)。然而目前這一技術(shù)不夠完善，人們依舊沒有找到最合適的儲(chǔ)氫金屬，而且儲(chǔ)存在金屬中的氫只有加熱才能釋放出來(lái)，而加熱需要一定時(shí)間，這或許會(huì)影響之后環(huán)節(jié)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。
氫的運(yùn)輸、加注環(huán)節(jié)與其他能源相似，可以用車船運(yùn)輸儲(chǔ)存好的氫氣，也可以利用管道直接運(yùn)輸氫氣或液化氫，加注氫氣和加油、加氣的步驟基本相同。但是氫的運(yùn)輸和加注需要注意安全性問題。氫氣作為一種易燃易爆氣體，很容易引發(fā)爆炸。2019年6月，挪威的加氫站就發(fā)生過(guò)爆炸，將四周夷為平地。因此，保證加氫站的安全是產(chǎn)業(yè)鏈中重要的一件事。
電堆即電池組。因?yàn)槿剂想姵匾呀?jīng)成為氫能利用的核心，所以，不斷提升電池的性能對(duì)于氫能利用是很重要的。目前，PtCo化合物催化劑以及質(zhì)子交換膜是電池技術(shù)中的核心。
氫能產(chǎn)業(yè)鏈
氫能產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵技術(shù)
三、 氫能源汽車的“落伍”原因？
氫能在目前的主要應(yīng)用就是氫能汽車，根據(jù)使用氫氣的方式不同，我們可以把氫能源汽車分為氫內(nèi)燃車和氫燃料電池車兩類。
氫內(nèi)燃車與傳統(tǒng)汽油內(nèi)燃機(jī)車相似。它將傳統(tǒng)燃油車的內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行小型改造，通過(guò)燃燒氫氣提供動(dòng)力。氫作為燃料有著熱值高、燃燒性能好等特點(diǎn)，這也使氫內(nèi)燃機(jī)有著更優(yōu)秀的性能。然而，氫內(nèi)燃汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)容易發(fā)生早燃（混合氣在火花塞點(diǎn)火之前，混合氣已被燃燒室內(nèi)的熾熱點(diǎn)點(diǎn)燃而提前燃燒）現(xiàn)象，而內(nèi)燃機(jī)內(nèi)部的高溫也會(huì)使氧氣與空氣中的氮?dú)夥磻?yīng)，生成氮氧化合物，污染環(huán)境。因此，氫內(nèi)燃車被淘汰，沒有完成量產(chǎn)。
另一種是氫燃料電池車，這種氫動(dòng)力車?yán)锍涕L(zhǎng)，因?yàn)槭褂秒姵?，也不?huì)有氫內(nèi)燃機(jī)那樣的環(huán)境問題。然而，發(fā)展氫燃料電池車卻遇到了不少困難。
首先是電池成本很高。前文提到的PtCo化合物催化劑以及質(zhì)子交換膜，制造它們需要復(fù)雜的工藝以及高昂的費(fèi)用。只有少數(shù)公司完全掌握制造它們的工藝，這提高了制造氫燃料電池車的成本。以豐田Mirai為例，盡管豐田已經(jīng)降低了鉑的使用，但目前其售價(jià)依然高達(dá)55萬(wàn)人民幣。
其次，是能源效率問題。相比電動(dòng)汽車，氫能汽車的效率要更低。曾有業(yè)內(nèi)專家計(jì)算，電動(dòng)汽車一旦開始啟動(dòng)，車輛充電位置的電能供應(yīng)將損失約5％，電池的充電和放電會(huì)損失另外10％，最后，電動(dòng)機(jī)損失了5％。計(jì)算下來(lái)的總損失為20％。而氫能汽車是將充電裝置集成在車內(nèi)，最終的驅(qū)動(dòng)方式與純電動(dòng)車一致，都是通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。根據(jù)相關(guān)測(cè)試顯示，如果用100度電制氫，然后存儲(chǔ)、運(yùn)輸，加入汽車，再轉(zhuǎn)為電能，驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其電能的利用率只有38%。如果從氫注入汽車開始計(jì)算，利用率也只有57%。不論怎么計(jì)算，其效率都遠(yuǎn)低于電動(dòng)汽車。
最后是加氫的配套設(shè)施還不完善。以中國(guó)為例，截至2021年1月，全國(guó)充電基礎(chǔ)設(shè)施累計(jì)數(shù)量為171.6萬(wàn)臺(tái)，公共充電樁數(shù)量達(dá)到810903臺(tái)。反觀加氫站，截至2020年底，中國(guó)只建有加氫站104座。這無(wú)疑大大限制了氫能汽車的普及。
圖源： https://new.qq.com/rain/a/20210111A067OB00
盡管氫燃料電池車與傳統(tǒng)汽車相比均具有一定優(yōu)勢(shì)，但它目前存在較明顯的問題。這些問題阻礙著氫燃料電池車的發(fā)展。于是，氫能車在眾多新能源車中“掉隊(duì)”了。
三、氫能源的未來(lái)
雖然氫能整條產(chǎn)業(yè)鏈上仍存在不少問題和難點(diǎn)，氫能源汽車的發(fā)展也遇到了重重困難。但因?yàn)闅淠茉淳哂谐蔀槲磥?lái)能源的潛力，所以各個(gè)國(guó)家越來(lái)越重視氫能源的發(fā)展。
各國(guó)發(fā)展氫能源的戰(zhàn)略
氫能產(chǎn)業(yè)已成為美國(guó)、德國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家的戰(zhàn)略選擇，日本提出“將成為全球第一個(gè)實(shí)現(xiàn)氫能社會(huì)的國(guó)家”。在我國(guó)，氫能和燃料電池產(chǎn)業(yè) 被《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃（2016-2030）》列為15項(xiàng)能源技術(shù)革命重點(diǎn)任務(wù)之一，2019年首次被寫入《政府工作報(bào)告》，有著國(guó)家在戰(zhàn)略上的支持，氫能源未來(lái)的發(fā)展是光明的。
氫能源在未來(lái)所占比重 來(lái)源：世界氫能委員會(huì)《麥肯錫發(fā)布研究報(bào)告，2017年》
在國(guó)家的支持下，氫能產(chǎn)業(yè)化正在快速增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)2050年全球氫能在終端能源的消費(fèi)比例將達(dá)到18%，成為將熱、電、氣等能源網(wǎng)絡(luò)有機(jī)聯(lián)系起來(lái)的重要能源。氫能源將成為未來(lái)全球能源的重要支柱。隨著氫能源技術(shù)的發(fā)展、成熟，氫能源汽車也會(huì)發(fā)展，突破技術(shù)上的瓶頸，跟上新能源汽車的發(fā)展，并逐漸成為未來(lái)汽車行業(yè)的支柱。
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