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燃料電池氫動汽車迎來快速發展窗口期 各大廠商研發進展一覽

2020-11-05

燃料電池氫動汽車迎來快速發展窗口期 各大廠商研發進展一覽

氫氣已經被吹捧為幾十年來最理想的零碳排燃料,但到目前為止,它卻一直未能廣泛普及。然而,2020年1月,由92家主要公司組成的組織氫氣理事會宣稱2020年代將是“氫的十年”。帝國理工學院環境政策中心客座教授、咨詢公司e4Tech的負責人大衛·哈特(David Hart)贊同這一觀點?!拔覀兛吹搅巳藗儗?,尤其是氫燃料電池的濃厚興趣?!彼f。

自1990年代后期以來,汽車制造商對氫動技術進行了大量投資,但是時至今日,市面上只能買到本田、現代和豐田制造的燃料電池汽車。大規模應用并不是受到技術的阻礙,而是加氫站網絡建設困難以及成本。不過,這一切即將改變。歸功于國際上計劃使氫氣成為整個能源系統的主要組成部分,不僅用于汽車,還用于家庭和工業供暖和供電,以及卡車、火車和輪船,也許最重要的是,用于存儲多余的電力。

目前,英國全國只有13家加氫站

2019年,英國宣布成為第一個到2050年實現凈零碳排放立法的國家,這比先前的法律要求將1990年的碳排放量減少80%的目標有所提高。豐田英國分公司替代燃料經理約翰·亨特(John Hunt)解釋說,這產生了很大的不同:“減少80%的話,可以把所有困難的問題隱藏在剩余的20%之中。一旦將凈零碳排放放到臺前,就不得不重新思考,腦海里全是難?!?/p>

其中之一便是氫氣。亨特7月曾在《未來能源場景》報告中說:“英國國家電網清楚地表明氫氣是必不可少的,毋庸置疑?!眻蟾孢€稱,每年至少需要190TWh的電力來生產氫氣以達到凈零值,同時強調了其應對用電峰谷的儲能能力(稱為電網平衡)。因為目前無法存儲大量的非高峰電量,在過去的十年中,8.7TWh的風能(相當于1.36億臺起亞e-Niro 64kWh電池組的容量)被白白浪費,價值高達6.49億英鎊。

亨特相信英國在利用風力發電零碳排制氫方面具有巨大潛力?!坝鴵碛惺澜缟献罘奖?、最強風力條件?!彼忉屨f:“英國方便利用海水建設近海制氫廠,再通過管道或船運將其運至內陸地區。結合廢油氣田和鉆井,使用這些平臺現場制氫是完全可行的?!?/p>

綠氫是耗電電解水產生的。電能一旦轉化為氫氣,就可以無限期地進行存儲,充分利用枯竭的油田和鹽洞,這就是亨特所說的英國具有“出色的地質條件”。英國已經有三十個鹽洞被用來儲存天然氣和石油。曾經用于輸送天然氣的管道可以用來輸送氫氣,起到儲能的雙重作用。歐盟目前的管道網絡不僅可以運輸天然氣,而且還可以存儲1500TWh的天然氣形式的能源。與電力不同,氫氣所存儲的能量不會隨著輸送而減少。歐洲天然氣供應商的一個財團計劃再建14,000英里的管道,以形成整個歐洲的氫氣配送主干管道。

建設加氫站而沒有太多車來加氫,盈利難題一直倍受困擾,但是卡車、出租車和公共汽車的區域性商業車隊提供了解決方案?!白畛醯南敕ㄊ墙ㄔO許多加氫站,汽車隨處可以加氫?!焙嗵亟忉尩溃骸艾F在的想法則是在特定區域建立車隊形成節點。一旦有足夠多的區域,就可以將其合并?!焙嗵卣J為歐盟2050年目標“非常具有侵略性”,需要協同努力來增加生產綠氫所需的電解槽的產量。

英國公司ITM Power在這個方面有所領先。ITM Motive董事總經理鄧肯·耶倫(Duncan Yellen)解釋說:“我們生產電解槽已有整整二十年的時間,2020年底將建成一座電解槽超級工廠?!盜TM Motive是ITM Power新分公司,成立專門致力于加氫站的發展。目前已經有七家加氫站,主要在倫敦附近,還有六家正在建設之中,包括倫敦地區兩家和北部地區的另外四家?!拔覀冃枰蠹s100家加氫站才能擁有合理的地理覆蓋范圍?!币畟愓f:“我的雄偉目標是在未來五年內建成100家加氫站。由于燃料電池汽車種類繁多,100家加氫站足以覆蓋英國全境?!?/p>

英國ITM公司專門從事儲能業務

ITM加氫站已經為出租車隊和緊急服務部門提供服務,其中包括擁有11臺豐田Mirai的倫敦警察廳?!斑@些組織一天24小時都需要用車,沒有時間插拔充電?!币畟愓f。要知道,耶倫從2015年開始日常駕駛豐田Mirai,沒有發現車的性能不足的情況?,F在ITM加氫站的加氫成本含增值稅為每公斤10英鎊(Mirai可以加5kg氫)。耶倫的目標是將價格降低到含增值稅7英鎊左右,只比柴油價格低一點。耶倫堅信氫氣將是未來能源場景的重要組成部分:“如果要達到凈零排放,我們完全清楚必須要考慮氫氣。沒有氫,將無法進行季節性存儲、備用發電或重貨物運輸?!?/p>

豐田Mirai是公眾可以購買的首款氫動汽車

據估計,當今全球運營的氫動車有53,600臺,包括18,000臺汽車和31,000輛叉車,其余則為商用車。在英國只有240臺注冊,但是未來一兩年內,總數可能會迅速增加。

氫動汽車如何工作

燃料電池電動汽車(FCEV)是具有氫燃料電池系統而非大型電池組的電動汽車,其中氫氣以700bar的壓力儲存于儲罐中,電池堆產生高壓電,小型緩沖電池提供瞬態電量以加速并存儲回收制動能量。電池堆由更小的燃料電池組成(豐田系統中為370個),每個燃料電池都包含一個聚合物膜,夾在涂有催化劑的陽極與陰極之間。氫氣流過陰極側,空氣流過陽極側;氫原子中的質子通過聚合物膜被吸引,與空氣中的氧氣結合而產生水;留下的電子在陽極與陰極之間產生電流。因此,這種類型的燃料電池稱為質子交換膜(PEM)。

FCEV氫氣被壓縮到700bar或10,153psi的驚人壓力

開發過程中的難點在于電池堆內部產生的水、穩定性以及極低的溫度下起步。燃料電池也很昂貴,但其成本一直在下降,豐田公司希望到2025年與混合動力汽車相當。多年來,所有儲氫罐都經過了嚴格測試,包括槍擊,而且氫氣僅在狹窄的空間內才會帶來危險,因此燃料電池系統裝有泄漏傳感器。否則,氫氣會無害地散發到空氣中。給FCEV加氫與傳統汽車加油的方法幾乎相同,除了泵嘴牢固地鎖定在加氫口穩定高壓。FCEV司機在加氫方面幾乎沒有區別,而駕駛體驗與純電動車完全相同。

氫動汽車研發進展

梅賽德斯·奔馳:盡管早在1998年奔馳便率先推出全球首款公路行駛FCEV,即基于A級的Necar4,但奔馳現在更專注于純電動車,還擁有奔馳GLC F-Cell原型車和數十年的研發經驗。

通用:截止2016年,通用汽車已經在燃料電池技術上投資了19億英鎊,2002年生產了創新的Hywire概念車,并在2008年與本田公司合作生產了Equinox FCEV,但最近擱置了FCEV發展計劃。

福特:自從與戴姆勒和加拿大主要的燃料電池開發商Ballard展開合作以來,福特已經減小了發展FCEV的興趣。但是,福特在中國的合作伙伴江鈴還在生產氫燃料電池重型卡車。

寶馬:發展較晚,但現在與經驗豐富的豐田合作,寶馬看到了燃料電池在大型車中的潛力。目前正在開發X5尺寸的SUV i Hydrogen Next。

捷豹路虎:以前沒有FCEV,但最近有興趣,創建了Project Zeus項目,目標是生產攬勝FCEV,強調氫動技術成熟,現在更容易實現。

豐田:豐田早在1992年就開始認真研究氫燃料電池技術,并于2015年將推出了Mirai。第二代Mirai將于2020年晚些時候推出。

現代:現代也是從1990年代開始開發氫燃料電池技術。繼ix35 FCEV之后,定制的Nexo現已在英國發售。

本田:本田是最早發展氫燃料電池技術的公司之一,于1980年代后期開始進行基礎研究,并自2008年起在美國推出Clarity FCEV。(來源:Autocar)


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