歐盟委員會看好氫燃料電池車輛

作者 : Maurizio di Paolo Emilio,EE Times Europe編輯暨EEWeb主編

歐盟委員會、歐洲燃料電池與氫能源產業,以及各研究機構之間的合作,將促使歐洲能源獨立性並開發零排放汽車。

為了在2050年到來之前實現氣候中和(climate neutral)的目標,歐盟委員會(EC)近日宣佈了稱為「清潔氫能聯盟(Clean Hydrogen Alliance)」的工業策略計畫。EC、歐洲燃料電池與氫能源產業,以及各研究機構之間的合作,將促使歐洲能源獨立性並開發零排放汽車。

從電動車(EV)到氫動力車?

讓下一代車輛產生更少的有害物質和更少的噪音是汽車製造商的共同目標,為此,全球的廠商都在研發電動車。然而,充電時間過長是電動車的一大痛點。

這個問題可以透過加氫(即電池加氫)來解決。氫電池採用的能源與太空船到達地球軌道的能源是一樣的。那麼氫動力車如何工作?其優缺點是什麼?

氫動力車硬體

氫動力車將化學能轉化為動能。氫內燃機車輛(HICEV)與傳統內燃機工作原理相同,只是將燃料換成了氫。還有一種方法是讓氫在燃料電池中與氧發生反應,從而產生電能。這種類型的車輛稱為燃料電池電動車(FCEV),它由電動引擎驅動,由車載發電系統來生產和管理氫。近年來,FCEV已經越來越多地引起製造商的關注。

氫動力車的一個優勢在於它不排放污染環境的有害物質,僅排放水蒸氣,而不是溫室氣體和微粒(圖1和圖2),因此對環境幾乎沒有影響。但是,氫能源交通對環境的總體影響取決於產生氫的能源。氫是宇宙中儲量最豐富的化學元素,卻不以天然的形式存在。因此,它並不是完全可再生的資源,必須透過生產來獲得。如果利用可再生能源生產氫氣,則對環境的影響最小,相反,如果採用石化原料生產,則對環境的影響將大得多。

 

圖1:氫動力車功能框架圖。在燃料電池中,氫氣和氧氣發生化學反應產生電能,電能再被傳輸到電動馬達和/或電池中。(圖片來源:BMW)

 

圖2:電動車和氫動力車的對比。(圖片來源:InsideEVs.com)

 

氫氣可以透過兩種不同的生產過程和技術獲得:重組和電解。重組對環境的影響較大,因為它涉及原油的提取、運輸和精煉。電解則是利用電產生化學反應,將水(H2O)分子分解為單獨的氫原子和氧原子,此過程不會排放污染氣體,但需要大量的電力。在電解的過程中,低壓電流在水中流過,釋放出氧氣和氫氣。

氫具有非常高的能量密度,達到40,000Wh/kg,是鋰離子電池能量密度的236倍。這意味著氫動力車比電池動力車重量更輕,並且具有更長的行駛里程。而且,加氫只需要幾分鐘,而為電動車充電則需要幾個小時。

圖1顯示了氫動力車的整體構成。來自儲罐的氫與周圍環境中的氧在燃料電池中發生反向電解。燃料電池不提供熱力燃燒,而是提供電流,它產生的唯一廢物是不會發生變化的水。

燃料電池接收到兩種氣流:一種是來自負極的氫,另一種是來自正極的氧氣。氫引擎中的催化劑使電子與原子核分離,這個反應過程會釋放電能。電子移動到正極並與氧原子結合,使氧原子接收到負電荷。

氫與氧結合發生化學反應,其產物為水,最終排放的是水蒸汽,氫燃料車可將其直接排放到大氣中(如圖3和圖4)。

 

圖3:電解的通用原理圖。

 

 

圖4:氫動力車內部構造。

 

燃料電池產生的電流可以直接為車輛供電,或給作為中間媒介的蓄電池(比傳統電池小)充電。氫動力車跟其他混合動力車一樣,也可以利用能量採集的方法為電池充電。如同在電動車和混合動力車中,這種蓄電池用來提供引擎所需的能量,同時回收制動能量,燃料電池產生的電壓必須達到600V。

當車輛低速行駛時,僅由蓄電池提供能量;當車輛以較高的速度行駛時(例如在高速公路上),燃料電池將為引擎提供額外的動力,同時為蓄電池充電。

氫動力車的優缺點

氫動力車的優點是可以最大程度地減少排放量(它排放的唯一廢物是水),能快速添加燃料(氫氣),降低能源消耗,延長了行駛時間。但是,氫燃料的管理還存在一些問題,例如電解需要電力才能完成,而氫氣需要儲存在充氣站/充電站的問題。另外,電解過程會產生損耗也是製氫過程的難題。

氫動力車的缺點是不能隨時添加氫燃料。這主要是由於氫氣難以儲存所致,所以目前市場上的氫氣經銷商並不多。另外,如同前面所提到的,分離氫的過程會消耗大量能源。

與汽油或柴油相比,儲存氫氣需要更大的空間。氫氣罐必須夠堅固,能承受約700bar的壓力。氫氣以氣態的形式儲存,在-253℃以下時則以液態形式儲存。

加氫的基礎設施很少見,因為這需要很大投資。此外,燃料電池車的生產成本也大大高於普通車輛。

與電池動力車相比,氫動力車可以行駛更長的里程。一輛儲滿氫氣的車輛可以行駛約500公里的距離;而能夠行駛如此長距離的電池動力車則需要配備巨型電池,這會導致車輛重量增加、充電時間延長。

市場實例

在歐洲處於領先地位的德國一直專注於氫動力車基礎設施的建設。到2019年12月,德國已經建好了大約80個氫動力車的燃料添加站。

福特(Ford)和雷諾(Renault)等許多製造商也開始製造氫動力車,但是他們更願意投資電動車。相比之下,豐田(Toyota)等公司則一直投入開發這項技術,涉及氫動力車的設計、生產和銷售等各個環節。

豐田Mirai採用豐田燃料電池系統(TFCS)這款車輛使用了燃料電池技術和典型的混合動力技術。本田(Honda)Clarity Fuel Cell也是氫動力車,這款日本轎車採用177馬力的創新型引擎,行駛距離可達650公里,最高時速達到165公里/小時。其他備受關注的氫動力車還包括奧迪(Audi) H Tron、寶馬(BMW) i Hydrogen Next和現代(Hyundai) NEXO。

氫動力車每100公里平均消耗1公斤燃料。氫氣的平均價格為每公斤10歐元,因此可以估算出一滿罐氫氣的成本約為50歐元,而一滿罐氫氣的平均行駛里程與汽油車相當。

 

圖5:全球氫燃料電池電動車產量。(圖片:IHS)

 

氫動力車與電池動力車為未來的綠色交通奠定了基礎。FCEV代表零排放技術,使用戶可以保持現有的駕駛習慣。另外,氫氣的效率是汽油的兩倍。不過,我們必須透過可再生解決方案來提高氫氣生產能力,要知道減少氫氣運輸和配送基礎設施的成本也很重要。

(參考原文:EC to Bet on Hydrogen Fuel-Cell Vehicles,by Maurizio Di Paolo Emilio)

 

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