氫燃料與氫能源清潔汽車應用現狀

氫作為二次能源來源廣泛，也算得上是“地球村”最為豐富的資源。它不僅可以來源于化石能源的工業副產品，還可以通過太陽能、風能、潮汐能等不穩定供電的可再生能源電解水制氫，還可以從煤氣、天然氣、細菌分解得到，可以回憶一下，我們在中學化學就有實驗室測試過將氫氣電解，點燃冒著藍色火焰的場景，其實它更重要的是“可再生”和“重復利用”。

目前氫的制備主要有水、生物、石化燃料制氫。氫能源的轉化效率比石油高出10倍之多，目前，汽車領域氫能源的使用主要是通過燃料電池和氫氣發動機。可再生能源制氫是可預見性燃料發展的最高點，所以現在的車企都要造氫能源車，氫能源具備以下幾個特點：

一是自然界存在最普遍的元素，氫氦鋰鈹硼碳氮氧氟氖，念一遍，氫排第一，量子小但是數量多。除空氣中含有氫氣外，他的主要化合物的形態存儲于水中，而水是地球上最廣泛的物質。據科學家推算，如把海水中的氫全部提取，它所產生的總熱量比地球上所有化石燃料放出的熱量還大9000倍。

二是除核燃料外，氫的發熱值是所有化石原料、化工原料和生物燃料中最高的，為142.35千焦/公斤，是汽油發熱值的3倍。

三是燃燒性能好，點燃快，體積分數占3%-97%范圍內均可燃燒。

四是無毒，與其他燃料相比，燃燒最清潔，除生成水和氮化氫外，沒有內燃機燒汽油還燒出一氧化碳、二氧化碳、烴類化合物、粉塵顆粒物等等對環境有害物質，少量氮化氫經過處理，又變成氮氣和氫氣，生成的水繼續循環使用。

五是利用形式多，既可以通過燃燒產生熱能，在熱力發動機中產生機械功，又可以作為能源材料用于燃料電池，或轉換成固態氫用做結構材料。

氫作為發動機燃料目前仍存在一些問題，由于氫的燃燒速度快，易產生早燃，進氣管回火。氫的能量密度低，無論采用低溫液化、高壓壓縮，還是其他金屬吸附的方法，燃料及附加設備的質量和體積都比較大。另外就是氫的制造成本目前比較高，太陽能制氫的成本是汽油的100倍，如果有先進的制氫設備面世，利用太陽能的高效廉價，燃料電池技術進步，儲氫技術的突破，我們將會有大量的氫作為能源的動力機械，不僅限于汽車。

氫能源在汽車行業中的應用，包括了發動機、制氫技術、儲運方式三個重要環節。

采用氫能源的車用發動機主要有兩種：氫燃料發動機和燃料電池發動機。氫燃料發動機分為純氫燃料發動機和摻氫燃料發動機。純氫燃料發動機是通過對現有汽油機進行適當改裝后直接燃用氫氣，氫氣可以在排氣管內與空氣預混，也可以直接噴入氣缸行成混合氣體燃燒。摻氫發動機多多都是將氫作為汽油機的部分代用燃料，摻氫燃燒可以大大改善汽油機的性能和排放污染。目前國六OBD排放在線監測系統中，速銳得已經服務多家摻氫項目，降低重型柴油車的排放污染，提升燃燒效率。

燃料電池是一種等溫進行，直接將儲存在燃料和氧化劑中的化學能高效、無污染轉化為電能的發電裝置。氫氣與氧氣生成水，電子通過外電路做功并構成電的回路，依靠電能驅動汽車，生成的水不稀釋電解質，而是通過電極隨反應尾氣排出，只要能保證燃料和氧化劑的供給，燃料電池就可以連續不斷產生電能。

制氫技術和儲運方式就不展開了，都是大課題，和我們本身業務相關性不強，不展開理解。氫燃料汽車目前使用的內燃機是在傳統內燃機的基礎上加以修改后可以直接用氫為燃料進行燃燒，產生動力。燃燒的產物只有水和NOx，不會產生顆粒、積炭等，從而大大減少了發動機的磨損和減輕潤滑油被污染的程度，是目前發動機最清潔的燃料。但其效率低，大約只有38%左右，且由于氫燃料熱值高，火焰傳播速度快和點火范圍寬等特點，氫燃料發動機容易出現早燃、回火、敲缸、發動機熱負荷高等情況。燃氫汽車不會污染環境，是一種友好的綠色交通工具。

近年來隨著燃料電池制造技術的提高，成本的降低，同時也迫于保護環境的壓力，車企大佬們布局了氫燃料電池在汽車上的應用研究。車用的氫燃料電池主要是質子交換膜燃料電池，其利用氫和氧發生電化學反應而不是通過燃燒產生電，生成水，整個過程清潔無污染且高效，易操作，是未來交通工具的主要動力。隨著各國各公司對燃料電池的巨額投入和關鍵技術的不斷突破，燃料電池汽車必將取代內燃機汽車，從目前電動汽車來看，電動汽車也將長期存在。

為什么這么說呢？

氫作為汽車能源發展的制約因素還有如下三點：

一是高成本。氫能的獲得、制取過程中要耗費大量能源，如不可再生資源、電能、核能等；作為氣體燃料，它的儲存、運輸成本也是非常高昂；目前國內加氫站的基礎設施還不多，全國加起來也就幾十個，這些基礎設施的建設需要很大的投入。

二是安全性。氫氣密度小、容易著火和氣化，因此在氫氣的制取、儲存和運輸過程中都可能面臨泄露和爆炸的危險。而現在的技術條件也無法保證氫氣在不同狀態下的性能。

三是制氫有污染。它本身是轉換能源，目前有兩種方式獲得氫氣，一是電解水，二是天然氣重整。方法一世界絕大部分地區最廉價的電力是靠燒煤獲得，如果采用電力能源來來電解水，會增大二氧化碳的排放；方法二天然氣和水蒸氣反應除了生成氫氣外，也會生成二氧化碳。所以，使用氫能源車本身不排放二氧化碳，但是制氫過程釋放的二氧化碳可能比傳統汽油發動機釋放的更多。

為了緩解石油資源緊缺帶來的壓力，各國政府和相應的機構在氫能源利用方面都制定了積極的政策和投資計劃，世界能源巨頭也積極參與了氫能的研究和利用。

速銳得科技在氫能源領域，于2017年就開始針對豐田氫能源汽車Mirai進行整車控制策略的研究，這個車全球比較罕見，看上去像是改裝型的氫能源車，大體價格在300多萬零部件通用化程度很高，尺寸比奧迪A6還要大一點，主要是氣罐占了不少的空間，第一代續航說有500多公里，實際在450多公里左右，由于加氫站點少，加氫比較麻煩，有加氫5分鐘，路上2小時的說法。但是豐田氫能源汽車Mirai是具備規模化、商業化、技術相對成熟的車型，在氫燃料電池車的方面奠定了堅實的基礎和行業先驅地位。