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在新能源的政策東風引導下，從混合動力到純電動車，當“汽車”成為不再依賴石油的新型交通工具，這個詞語本身也變得越來越“名不符實”了。其實叫什么不重要，實不實用才是關鍵。就在純電動車隨著市場保有量的一路攀升而浮現出各種問題的同時，又一種汽車的燃料能源新選擇進入我們的視野——氫能源。
或許是電動車發展過程中的諸多問題讓人們變得更謹慎了，對于氫能源汽車這個新鮮事物，大家表現出來的態度相比較之前電動車問世之初的普遍樂觀，考慮的也更全面了，并在經濟性、環保性、安全性、可持續發展性等方面都提出了相關的質疑。那么，這些擔心是否真的有必要呢？
01
產能高 可持續 無污染
讓氫能成為“天選之子”
氫能作為一種燃料被運用其實已經不是一件新鮮事了。早在19世紀，人們就已經開始對氫能應用裝置進行探索，以氫燃料電池和氫內燃機為代表的應用裝置原型機也得以開發，而且在航天航空領域，氫能已經得到了廣泛的應用。液氫作為火箭發動機的首選燃料，在包括阿波羅登月任務、旅行者號土星任務在內的許多太空任務中被用于運載火箭的高級階段推進劑。
之所以選擇氫能，最為重要的原因在于其燃燒熱值非常高，相當于同等質量汽油的3倍。簡單來說，若完全利用燃料所含化學能，同樣質量的氫能可以提供三倍于同等質量的汽油的能量；且氫能來源廣泛，燃燒產物是水，清潔無污染，能夠滿足人類社會可持續發展的需要。因此，無論從能源的角度還是環保的角度，氫能無疑是最具前景的能源之一。
02
氫能源汽車
如何利用氫能讓汽車跑起來？
氫能雖然有非常多的優勢，但不可否認的是，一些劣勢也影響了對它的直接運用。氫氣不僅具有非常寬的燃燒界限，并且其點火能量非常低，僅需要0.02 mJ，遠小于汽油和天然氣的點火能量。以內燃機系統進行氫能的利用，氫氣與空氣壓縮混合后在氣缸內燃燒，然后將其蘊含的化學能轉化為機械能，從而實現動能的輸出。這種方式不僅能源轉換效率不高，而且由于氫氣的特質，還有易發生氫內燃機早燃、回火以及爆燃等弊端，對氫能的安全利用帶來挑戰。
為了更為安全高效地將氫能運用到交通領域，人們轉向開發相對更安全的氫燃料電池，將氫能的化學能直接轉換為電能。氫燃料電池的工作原理是將氫氣的燃燒反應拆分成兩個半反應，利用兩個半反應之間的電位差實現電能輸出的一種能源轉化裝置。如圖1所示，空氣和氫氣在燃料電池中并不會直接接觸，而是通過正負極分別發生還原和氧化反應，完成氫氣的“燃燒”。這種方式不僅可以避免空氣和氫氣直接接觸燃燒，使得氫氣的使用更為安全，還直接將化學能轉化為電能，極大地提高了能源轉換效率。
03
氫燃料電池汽車與電動車相比較的優勢
成本低、續航長、受環境溫度影響小
隨著燃料電池的發展，氫能源汽車，即氫燃料電池汽車被廣泛地開發。與純電動車相比，氫燃料電池汽車由于只需要補充氫氣即可完成行駛距離的提升，因此在較高的續航里程前提下，氫燃料電池車的燃料電池系統成本遠小于純電動車的電池系統成本。同時，由于燃料電池屬于能源轉化裝置，能夠實現低溫冷啟動，并且在啟動后，可穩定地輸出熱量，使得燃料電池維持在一個恒定的溫度下運行，幾乎不受環境溫度的影響。同時，由于氫燃料電池的續航里程受儲氫量的控制，氫燃料電池汽車還具有可以媲美甚至超越傳統燃油汽車的續航里程長度以及非常短的燃料加注時間。
2014年12月，豐田公司推出了第一輛商業化的氫燃料電池汽車Mirai，這標志著氫燃料電池汽車商業化的開始。如圖2所示，氫燃料電池汽車的動力源主要由六部分組成，包括燃料電池、燃料電池升壓變換器、鎳氫電池組、動力控制單元、發動機及高壓氫氣瓶。Mirai的實際續航里程可達502 km，百公里加速時間為9秒左右，能夠在-30 oC下冷啟動，充氫時間3-5分鐘。隨著氫燃料電池汽車的技術革新，新一代Mirai的續航里程可達850km。
圖2 Mirai 氫燃料電池汽車構造（Outline of the Mirai. www.toyota-europe.com (accessed 14.03.2017).）
04
氫燃料電池汽車的安全性如何？
層層把控 只為更高可靠性
雖然氫燃料電池避免了氫氣和空氣的直接接觸，但是對于有著很大碰撞風險的汽車來說，氫燃料電池汽車上的高壓氫氣瓶仿佛一個潛在的“炸彈”，氫燃料電池汽車的安全是否能夠得到保障呢？
事實上，氫燃料電池汽車具有非常高的安全性，在出廠前每一輛氫燃料電池車都需要經過非常嚴格的檢測流程。車中高壓氫氣瓶的安全性和可靠性需要經過全面的設計和測試，達到與標準CNG發動機相當的安全性水平。
自2015年燃料電池汽車上市以來，截至目前并沒發生過因氫氣泄漏而引發的事故。氫氣是比空氣輕14倍的氣體，具有較大的浮力（快速上升）和較強的擴散性（橫向移動），所以就算萬一發生泄漏，氫氣也會立即擴散到空氣中。因此，在空曠的道路上，即便是在汽車起火的情況下，泄漏的氫氣發生燃燒的可能性非常低。
Dr. Swain對泄露的氫燃料電池汽車和傳統燃油汽車進行了人為點火實驗，發現由于具有非常快的向上擴散速度，氫氣火焰呈火炬狀且隨著氫氣量的減少越來越小（圖3）。相比之下，由于汽油比空氣重，在發生燃燒后會在車底形成了一個大火球直至將汽車燒光。所以說，即便是車輛出現燃燒的情況，氫燃料電池汽車在空曠的路上發生爆炸的可能性也非常低。
圖3 氫燃料電池汽車和汽油汽車的燃燒對比試驗
一般而言，在非常特殊的情況下，富含氫的封閉環境的確可能會導致火災或爆炸，但對于車庫或隧道這些相對密閉的空間而言，其氣流依舊流通，因此氫氣泄漏導致爆炸的可能性也是非常小的。
此外，氫燃料電池汽車所用的高壓氫氣瓶為IV型儲罐，采用纖維纏繞復合材料來保障罐體的強度和剛度。單位重量的碳纖維復合材料的強度是鋼材的6倍，其剛度是鋼材的4倍。因此，碳纖維復合材料比鋼材更輕、更可靠。在1.8米的落差測試實驗中，高壓氫氣瓶并沒有受到損壞。同時在槍擊和碰撞試驗后，高壓氫氣瓶僅僅是噴射出了所有的氫氣，而氫氣則快速地擴散到了空氣中，也并未發生爆炸。
不僅如此，在氫燃料電池汽車上還安裝了多個傳感器，用于高壓氫氣瓶、供氫系統和燃料電池堆上任何氫泄漏的實時監測。如果檢測到氫泄漏，無論是在標準操作過程中，還是在外部沖擊下，供氫系統一旦被破壞，司機的儀表盤就會發出警告顯示。
在氫燃料電池汽車中還有一個安全系統，在這時也會被觸發，從而關閉高壓氫氣瓶的閥門，防止氫氣從罐中噴出。如果發生火災導致氫氣瓶周圍的溫度升得過高，安全系統還設置了最后一重保護，強制將氫氣從燃料箱排出到大氣中，從而避免全車被焚化的悲劇。
綜上，氫燃料電池汽車具有非常高的安全性及可靠性。
05
氫燃料電池汽車任重道遠
期待全面實現綠色出行
雖然氫燃料電池汽車已經實現了商業化，但目前看來，其發展依舊處于初級階段，距離大規模的市場普及還有非常長的道路要走。特別是在國內，有關氫燃料電池汽車的關鍵技術及檢測手段，還需要進一步突破；對于中游加氫裝備以及加氫基礎設施的建設，還需要進行大規模的普及化。由于燃料電池對于氫源的要求較高，上游氫源的純化以及高質量綠色氫能的產制技術還需要進一步攻關。我們堅信在不久的未來，傳統燃油汽車或被氫能源汽車所取代，真正實現全民綠色出行。
作者 | 王 堯 四川大學新能源與低碳技術研究院副研究員
審核 |郝 霞 四川大學 新能源與低碳技術研究院特聘副研究員
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