一、氫動(dòng)力汽車(chē)概述
1、概念
氫動(dòng)力汽車(chē)是指以氫為主要能量作為移動(dòng)的汽車(chē)。一般的內(nèi)燃機(jī)，通常注入柴油或汽油，氫汽車(chē)則改為使用氣體氫。燃料電池和電動(dòng)機(jī)會(huì)取代一般的引擎，即氫燃料電池的原理是把氫輸入燃料電池中，氫原子的電子被質(zhì)子交換膜阻隔，通過(guò)外電路從負(fù)極傳導(dǎo)到正極，成為電能驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)；質(zhì)子卻可以通過(guò)質(zhì)子交換膜與氧化合為純凈的水霧排出。
2、優(yōu)劣分析
優(yōu)點(diǎn)：氫動(dòng)力汽車(chē)是一種真正實(shí)現(xiàn)零排放的交通工具，排放出的是純凈水，其具有無(wú)污染，零排放，儲(chǔ)量豐富等優(yōu)勢(shì)，因此，氫動(dòng)力汽車(chē)是傳統(tǒng)汽車(chē)最理想的替代方案。與傳統(tǒng)動(dòng)力汽車(chē)相比，氫動(dòng)力汽車(chē)成本至少高出20%。
缺點(diǎn)：氫燃料電池成本過(guò)高，而且氫燃料的存儲(chǔ)和運(yùn)輸按照技術(shù)條件來(lái)說(shuō)非常困難，因?yàn)闅浞肿臃浅Ｐ。瑯O易透過(guò)儲(chǔ)藏裝置的外殼逃逸。另外最致命的問(wèn)題，氫氣的提取需要通過(guò)電解水或者利用天然氣，如此一來(lái)同樣需要消耗大量能源，除非使用核電來(lái)提取，否則無(wú)法從根本上降低二氧化碳排放。
3、工作原理
將氫氣送到燃料電池的陽(yáng)極板(負(fù)極)，經(jīng)過(guò)催化劑(鉑)的作用，氫原子中的一個(gè)電子被分離出來(lái)，失去電子的氫離子(質(zhì)子)穿過(guò)質(zhì)子交換膜，到達(dá)燃料電池陰極板(正極)，而電子是不能通過(guò)質(zhì)子交換膜的，這個(gè)電子，只能經(jīng)外部電路，到達(dá)燃料電池陰極板，從而在外電路中產(chǎn)生電流。電子到達(dá)陰極板后，與氧原子和氫離子重新結(jié)合為水。由于供應(yīng)給陰極板的氧，可以從空氣中獲得，因此只要不斷地給陽(yáng)極板供應(yīng)氫，給陰極板供應(yīng)空氣，并及時(shí)把水(蒸氣)帶走，就可以不斷地提供電能。燃料電池發(fā)出的電，經(jīng)逆變器、控制器等裝置，給電動(dòng)機(jī)供電，再經(jīng)傳動(dòng)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)橋等帶動(dòng)車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，就可使車(chē)輛在路上行駛。與傳統(tǒng)汽車(chē)相比，燃料電池車(chē)能量轉(zhuǎn)化效率高達(dá)60~80%，為內(nèi)燃機(jī)的2～3倍。燃料電池的燃料是氫和氧，生成物是清潔的水，它本身工作不產(chǎn)生一氧化碳和二氧化碳，也沒(méi)有硫和微粒排出。因此，氫動(dòng)力汽車(chē)當(dāng)之無(wú)愧地是未來(lái)汽車(chē)發(fā)展的重點(diǎn)！
二、氫燃料特點(diǎn)分析
1、氫燃料介紹
氫是一種無(wú)色的氣體。燃燒一克氫能釋放出142千焦?fàn)柕臒崃浚瞧桶l(fā)熱量的3倍。它燃燒的產(chǎn)物是水，沒(méi)有灰渣和廢氣，不會(huì)污染環(huán)境。氫的重量特別輕，它比汽油、天然氣、煤油都輕多了，因而攜帶、運(yùn)送較不方便，但氫作為燃料仍然被認(rèn)為將會(huì)成為21世紀(jì)最理想的能源。氫燃料作為能源的突出特點(diǎn)是無(wú)污染、效率高 、來(lái)源廣、可循環(huán)利用等。
2、制氫方法
傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)氫能的方法，包括天然氣或裂解石油制氫、無(wú)二氧化碳排放制氫、煤汽化制氫、甲醇制氫及變壓吸附制氫等。并對(duì)再生氫的制備方法、物理法儲(chǔ)氫、化學(xué)法儲(chǔ)氫、碳材料吸附儲(chǔ)氫展開(kāi)論述，最后對(duì)其今后的發(fā)展動(dòng)向作出預(yù)測(cè)及總結(jié)。
3、儲(chǔ)氫方法
傳統(tǒng)儲(chǔ)氫方法有兩種，一種方法是利用高壓鋼瓶（氫氣瓶）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。近年來(lái)，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（金屬氫化物）來(lái)儲(chǔ)存氫氣。
三、國(guó)外氫動(dòng)力汽車(chē)發(fā)展現(xiàn)狀
美國(guó)能源部在近日對(duì)外表示，韓國(guó)汽車(chē)制造商現(xiàn)代汽車(chē)、德國(guó)汽車(chē)制造商奔馳、日本車(chē)企日產(chǎn)汽車(chē)和豐田汽車(chē)已經(jīng)與該部門(mén)達(dá)成了協(xié)議，將準(zhǔn)備推出首輪氫動(dòng)力汽車(chē)。這一公共部門(mén)與私人企業(yè)合作模式將會(huì)把關(guān)注的重點(diǎn)放在氫能源基礎(chǔ)設(shè)施的構(gòu)建上，且將會(huì)把這個(gè)命名為H2USA。
主要發(fā)達(dá)國(guó)家氫能源汽車(chē)發(fā)展情況
1、美國(guó)
早在1994年，克林頓政府實(shí)施“新一代汽車(chē)合作計(jì)劃”（PNGV），耗資15億美元，開(kāi)發(fā)3倍于當(dāng)時(shí)燃料效益的新一代先進(jìn)轎車(chē)。布什政府提出“自由轎車(chē)”（Freedom car）項(xiàng)目以及“自由燃料”（Freedom fuel）計(jì)劃（氫計(jì)劃），總共耗資17億美元，從事氫能燃料電池、氫能基礎(chǔ)建設(shè)與尖端車(chē)輛科技的發(fā)展。
美國(guó)計(jì)劃在2020年廣泛推廣實(shí)用性的氫燃料電池車(chē)。美國(guó)政府堅(jiān)信，到2015-2020年，燃料電池電動(dòng)汽車(chē)和氫燃料的加注基礎(chǔ)設(shè)施，將一切準(zhǔn)備就緒。
2、日本
從世界范圍看，日本是新能源車(chē)技術(shù)發(fā)展速度最快的幾個(gè)國(guó)家之一，特別是在混合動(dòng)力汽車(chē)的產(chǎn)品發(fā)展方面，日本居世界領(lǐng)先地位。在燃料電池汽車(chē)領(lǐng)域，日本從1993年起就開(kāi)始實(shí)施“世界能源網(wǎng)絡(luò)”計(jì)劃，深人研究氫及其基礎(chǔ)設(shè)施技術(shù)，希望到2020年逐步推廣氫能。
3、歐洲
在歐洲層面上，荷蘭、丹麥、瑞典、法國(guó)、英國(guó)與德國(guó)六國(guó)已經(jīng)達(dá)成共同開(kāi)發(fā)推廣氫能源汽車(chē)的協(xié)議，各國(guó)將一同建設(shè)一個(gè)歐洲氫氣設(shè)施網(wǎng)絡(luò)，并協(xié)調(diào)能源傳輸。
據(jù)荷蘭政府網(wǎng)刊登的信息顯示，今后兩年荷蘭將通過(guò)多項(xiàng)措施推廣氫燃料電池車(chē)，荷蘭基礎(chǔ)設(shè)施與環(huán)境部國(guó)務(wù)秘書(shū)曼斯費(fèi)爾特表示，荷蘭正處于向氫能源汽車(chē)轉(zhuǎn)型的歷史性時(shí)點(diǎn)。從今年起的一段時(shí)間內(nèi)，現(xiàn)代、豐田、戴姆勒克萊斯勒、本田等公司都將在荷蘭市場(chǎng)推出氫能源汽車(chē)。因此，荷蘭國(guó)內(nèi)需要為這項(xiàng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)做好應(yīng)有的準(zhǔn)備工作，政府與市場(chǎng)將通過(guò)補(bǔ)貼、增加排放稅等途徑，協(xié)力創(chuàng)造有利于氫能源汽車(chē)推廣與研發(fā)的環(huán)境。
目前，荷蘭已有部分氫燃料公共汽車(chē)作為示范項(xiàng)目運(yùn)行，預(yù)計(jì)2015年全球市場(chǎng)上將有數(shù)千輛氫燃料電池車(chē)。荷蘭政府的帶頭作用，將全球氫能源汽車(chē)的發(fā)展推上新的階段。
英國(guó)政府提出，將大力發(fā)展氫燃料電池汽車(chē)，其計(jì)劃2030年之前英國(guó)氫燃料電池車(chē)保有量達(dá)到160萬(wàn)輛，并在2050年之前使其市場(chǎng)占有率達(dá)到30%-50%。
4、加拿大
政府投入2.15億加元進(jìn)行“氫能早期采用者計(jì)劃”，用于開(kāi)發(fā)新觀念，包括氫能高速公路的建設(shè)。“加拿大運(yùn)輸燃料電池聯(lián)盟”，政府出資2300萬(wàn)加元展示燃料電池車(chē)。還有，“加拿大燃料電池氫能社區(qū) 伙伴”、“溫哥華燃料電池專(zhuān)案”以及“復(fù)合燃料電池運(yùn)輸公共項(xiàng)目”等項(xiàng)目。
5、冰島
人口僅28萬(wàn)，58%的能源和近100%的電力來(lái)自水電和地?zé)幔缭?999年就提出到2030年將率先建成氫經(jīng)濟(jì)，首先更換首都雷克雅未克的全部公交車(chē)，一并使全部機(jī)動(dòng)車(chē)和漁船使用氫燃料電池。
四、國(guó)內(nèi)氫動(dòng)力汽車(chē)發(fā)展現(xiàn)狀
我國(guó)早在2001年2月，“十五”國(guó)家高新技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（簡(jiǎn)稱(chēng)863計(jì)劃）電動(dòng)汽車(chē)重大專(zhuān)項(xiàng)通過(guò)了科技部立項(xiàng)論證會(huì)，這是我國(guó)有史以來(lái)最大的新能源汽車(chē)科技專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目正式啟動(dòng)。總體投入24億人民幣，三大汽車(chē)集團(tuán)、112家科研單位參與研發(fā)，同時(shí)制訂了三大戰(zhàn)略目標(biāo)（實(shí)現(xiàn)我國(guó)車(chē)用潔凈燃料的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)換，減輕對(duì)石化能源需求的壓力；跳出先污染再治理的怪圈，首先解決大城市公交問(wèn)題，改善城市大氣環(huán)境；跨越式發(fā)展，在世界汽車(chē)工業(yè)新一輪競(jìng)爭(zhēng)中占領(lǐng)制高點(diǎn)）、“三橫三縱”研發(fā)布局（三橫：純電動(dòng)車(chē)、混合動(dòng)力汽車(chē)、燃料電池汽車(chē)；三縱：電池、電機(jī)、控制系統(tǒng)的零部件）和新能源汽車(chē)發(fā)展戰(zhàn)略（優(yōu)先發(fā)展燃料電池汽車(chē)。
國(guó)務(wù)院印發(fā)的《節(jié)能與新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中提到，十二五期間，我國(guó)將繼續(xù)開(kāi)展燃料電池汽車(chē)運(yùn)行示范，提高燃料電池系統(tǒng)的可靠性和耐久性，帶動(dòng)氫的制備、儲(chǔ)運(yùn)和加注技術(shù)發(fā)展，使我國(guó)燃料電池汽車(chē)、車(chē)用氫能源產(chǎn)業(yè)與國(guó)際同步發(fā)展。
同濟(jì)大學(xué)和上汽聯(lián)合研制的氫燃料電池車(chē)，曾在2011年必比登新能源車(chē)大賽上獲得第三名。與世界領(lǐng)先技術(shù)相比，中國(guó)的燃料電池和儲(chǔ)氫罐的承壓技術(shù)還有差距，但基本技術(shù)已經(jīng)具備。
我國(guó)盡管沒(méi)有官方大力提倡和投資，氫燃料電池車(chē)也在頑強(qiáng)研發(fā)中。上汽從2006年起開(kāi)始研發(fā)氫燃料電池車(chē)。2014年3月28日，上汽和大眾汽車(chē)集團(tuán)在德國(guó)簽署聯(lián)合聲明，共同開(kāi)發(fā)氫燃料電池技術(shù)，據(jù)稱(chēng)持續(xù)投入已超過(guò)10億元。
目前，我國(guó)首輛氫燃料電池電動(dòng)機(jī)車(chē)歷時(shí)四年終于研制成功，目前可以用于工業(yè)領(lǐng)域，比如礦山牽引車(chē)。另外，08年奧運(yùn)會(huì)期間我國(guó)自主研制的20輛氫燃料電池轎車(chē)投入運(yùn)營(yíng)，為首批獲得國(guó)家上路許可證的燃料電池汽車(chē)，同濟(jì)大學(xué)參與研制。
五、氫動(dòng)力汽車(chē)前景分析
1、氫燃料行業(yè)前景光明
氫能源行業(yè)的美好前景尚不止如此。美國(guó)移動(dòng)通信運(yùn)營(yíng)商巨頭斯普林特日前就表示，該公司將使用氫燃料電池作為其城市屋頂站點(diǎn)的備用能源，并已布局了約500組氫燃料電池，來(lái)為該公司自身的網(wǎng)絡(luò)布局提供備用電源系統(tǒng)。
氫燃料電源系統(tǒng)吸引通信行業(yè)的一個(gè)原因是模組化和相對(duì)輕的電池重量，這使得氫燃料電池更容易被安裝。需要指出的是，氫燃料電池可以在地面再次充電，而無(wú)須將其搬到屋頂續(xù)航，這是與以往柴油發(fā)電機(jī)相比的一大優(yōu)勢(shì)所在。斯普林特的這項(xiàng)投資已經(jīng)得到了美國(guó)能源部的財(cái)政支持。
聯(lián)邦卡車(chē)也同樣得到了美國(guó)能源部的財(cái)政撥款，其中被授予的300萬(wàn)美元應(yīng)用在氫燃料電池動(dòng)力增程器項(xiàng)目中，并與史密斯電動(dòng)汽車(chē)（SEV）和普拉格能源共同合作完成。該項(xiàng)目研究的核心在于給20輛聯(lián)邦廂式貨車(chē)提供氫動(dòng)力增程器，到目前為止，應(yīng)用鋰電池結(jié)合10千瓦的普拉格GenDrive 1000系列的氫動(dòng)力增程器，一次充電就可使聯(lián)邦卡車(chē)?yán)m(xù)航里程翻倍。
近期，普拉格能源對(duì)外界宣布其GenDrive1000系列再添“新丁”——GenDrive1900，該系列燃料電池將用來(lái)替代酸鉛蓄電池，且能源補(bǔ)充僅需兩分鐘，使公司的客戶(hù)群擴(kuò)大到零售業(yè)和制造業(yè)等領(lǐng)域。普拉格能源公司總裁兼首席運(yùn)營(yíng)官安迪•瑪施表示：“新產(chǎn)品拓寬了我們的市場(chǎng)領(lǐng)域，有力地維護(hù)了我們作為領(lǐng)先的質(zhì)子交換膜（PEM）燃料電池集成商在物料搬運(yùn)行業(yè)的地位。”
此外，目前正在測(cè)試氫燃料電池技術(shù)的公司還包括巴拉德動(dòng)力系統(tǒng)、Hydrogenics公司和昆騰燃料系統(tǒng)技術(shù)。巴拉德在去年協(xié)助澳大利亞電信股份有限公司在容易發(fā)生電路故障的鄉(xiāng)村安裝了9個(gè)燃料電池備用電源，以緩解由于意外停電給用戶(hù)帶來(lái)的不便。
2、氫動(dòng)力汽車(chē)或迎來(lái)春天
近年來(lái)，國(guó)際主流車(chē)企致力于在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域探索的同時(shí)，也在紛紛聯(lián)手以期尋求在燃料電池領(lǐng)域獲得突破，從而為新能源汽車(chē)謀求另一新出路。據(jù)日本媒體報(bào)道，本田和通用汽車(chē)上月正式宣布，將在燃料電池車(chē)等共同開(kāi)發(fā)領(lǐng)域展開(kāi)合作。事實(shí)上，除了本田與美國(guó)通用外，豐田也正在計(jì)劃與寶馬在2020年之前開(kāi)發(fā)出新的燃料電池基礎(chǔ)系統(tǒng)，其中，豐田向?qū)汃R提供基礎(chǔ)性技術(shù)，而寶馬則利用其在氫氣瓶等輕量材料“碳纖維”上所具有的優(yōu)勢(shì)與之合作。此外，日產(chǎn)與德國(guó)戴姆勒、美國(guó)福特也在開(kāi)展合作，并計(jì)劃在2017年發(fā)售相關(guān)車(chē)型。
業(yè)內(nèi)人士表示，車(chē)企之間的開(kāi)發(fā)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈有助于量產(chǎn)技術(shù)的革新和制造成本的降低，進(jìn)而有利于大幅削減用于氫氧反應(yīng)催化劑的白金使用量，從而降低燃料電池車(chē)成本。富士經(jīng)濟(jì)公司統(tǒng)計(jì)顯示，燃料電池車(chē)的全球市場(chǎng)規(guī)模在2013年至2025年期間有望飆升。這意味著，氫動(dòng)力車(chē)正成為特斯拉為代表的鋰電池車(chē)的重要對(duì)手。
國(guó)際汽車(chē)廠(chǎng)商紛紛“下注”氫動(dòng)力汽車(chē)的同時(shí)，中國(guó)車(chē)企也不甘落后。行業(yè)研究人士表示，中國(guó)氫氣資源很豐富，相較太陽(yáng)能、風(fēng)能等清潔能源，氫能是更穩(wěn)定和易于儲(chǔ)存的能源，最適合全部?jī)?chǔ)存起來(lái)作為汽車(chē)燃料，而“充氫”過(guò)程中的氫氧結(jié)合，則是典型的循環(huán)經(jīng)濟(jì)。
受技術(shù)、成本和基礎(chǔ)設(shè)施的制約，國(guó)際上對(duì)氫燃料電池車(chē)商業(yè)化的目標(biāo)從2014年推遲到2017年。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)， 取決于燃料電池中作為催化劑的鉑金用量進(jìn)一步下降，同時(shí)燃料電池壽命提高到5000小時(shí)(相當(dāng)于跑20萬(wàn)公里)以上，動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性提高，另外，大規(guī)模的制氫和存儲(chǔ)工藝也有待解決完善。
