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氢燃料电池和氢气发动机的优缺点比较

2021-08-20 17:23
香橙会
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8月10日,工业和信息化部在对全国人大四次会议第5736号建议的答复中表示,下一步,工信部将积极配合制定氢能发展战略,研究推动将氢气内燃机纳入其中予以支持。 氢气内燃机引起了市场关注。氢气内燃机是否就是氢燃料电池系统?二者的区别是什么?我们做个基本的梳理。

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燃料电池和氢气发动机的工作原理及其发展

如图1所示,氢燃料电池是一种不经过燃烧直接通过化学反应将燃料的化学能转换为电能的先进高效的能量转换设备。氢气发动机的原理与燃油内燃机相同,是一种通过燃烧释放反应气体的化学能,通过气体膨胀做功的动力设备。氢气发动机的能量转换效率受卡诺循环的限制,燃料利用率一般不可能超过氢燃料电池。

图1 燃料电池(左)发动机(右)的基本工作原理

早在1852年,慕尼黑的宫廷钟表匠便制成了世界上第一台氢内燃机。 1972年,德国大众汽车公司研制的氢内燃机汽车在美国举行的城市交通工具对大气污染最小的比赛中获得第一名。 1974 年,日本武藏工业大学和尼桑公司合作采用液态储氢、缸内高压喷射、进气道低压喷射技术,研制出“武藏 1 号”氢内燃机汽车,并在每届世界氢能大会上展示对氢内燃机汽车最新研究成果。 1979 年,宝马汽车集团研制的第一辆氢内燃机汽车实现上路,并在后续时间里陆续推出多个系列的氢内燃机汽车。2001 年,宝马集团的 BMW 745h 车型在德国法兰克福车展中亮相;2004 年,以宝马 760i 6.0L V12 汽油发动机为基础改造而成的宝马 H2R 氢内燃机汽车,完成了在法国高速试车场的测试,该车创造出的速度记录高达 9项,充分展现出氢内燃机汽车具有的巨大潜力。2007年,宝马发布了世界首款氢动力汽车“氢能7系”。

 2004 年,美国福特公司开发的混合动力汽车搭载了氢内燃机作为动力源;2006 年,将研发的氢内燃机 V-10 发动机投入生产;并在 2007年开发出氢内燃机公交车。 2007 年,我国长安汽车集团与北京理工大学合作研究氢内燃机汽车,开发出的 PFI氢内燃机汽车满足道路的行驶要求,截止到 2013 年,研制的样车稳定运行距离超过10000 公里。 2021年5月12日,在中国品牌博览会上中国一汽红旗的氢气发动机成为重点关注对象之一。

图3. 一汽红旗

在品牌博览会上展出的氢气发动机 氢燃料电池技术的诞生时间还要早于氢发动机。早在 1839 年英国 William Robert Grove 便率先提出燃料电池基本原理。 在 20 世纪 50 年代 Bacon 作为先驱者开始对燃料电池做基础研究工作,随着美国太空计划采用了燃料电池为其能源供应系统,燃料电池逐渐受到重视,并取得了蓬勃的进展。 在军用领域,氢燃料电池已经成功的应用在军用潜艇上。

潜艇因具有隐蔽性好、对敌威慑力大等优点,国防军工对其的发展尤为重视。氢燃料电池独具的工作温度低、无噪音以及续航能力强等突出优点,正好满足了军用作战潜艇的隐蔽性和续航能力要求。德国霍瓦兹公司研发的 212A 型和 214 型燃料电池潜艇是目前燃料电池技术在潜艇成功应用的最高水平。

 在民用领域,美国的哈里·卡尔·伊里格将农具制造商 Allis-Chalmers 的拖拉机改造成为电机驱动,而动力则来自燃料电池,输出功率达到 15 千瓦。这台拖拉机也成为了世界上第一台燃料电池驱动的载具。在美国空军的协助下,Alice – chalmers 又继续了数年燃料电池方面的研究。

他们组装了一辆燃料电池驱动的叉车和一辆高尔夫球车。直到 1966 年,通用研发出了第一台真正意义上的燃料电池车。以 GMC Handivan 为基础,将所有的燃料电池部件和储氢罐装在面包车的后部,本来六人的后排空间,改造后只能容下两人。它的行驶里程也只是 120 英里。

图4.世界上第一台燃料电池拖拉机

我国的燃料电池车用研究应该于1999年开始在清华大学开展。2001年,清华大学用15千瓦电堆装配了一辆中巴车。2001年,国家科技部立项开展燃料电池客车和燃料电池轿车计划,清华大学被确定为燃料电池客车的牵头单位,同济大学负责牵头做燃料电池轿车。2008年,清华大学在北京奥运会期间投入了三辆燃料电池公交车此后,清华大学又为2010年上海世博会提供三辆公交车。

目前,很多省市都有氢燃料电池公交的试运营线路。 2008 年 6 月16 日,本田公司正式推出新一代氢氧燃料电池汽车“FCX Clarity”。

尽管目前本田已经宣布停产该车型,但该公司在最近的股东大会上表明将继续研发氢燃料电池新型产品,并于2023年投入市场。 2014年 11 月 19 号,丰田公司发布了全新氢燃料电池汽车“Mirai”,中文译作“未来”,真正实现燃料电池汽车规模化量产;2020年12月9号,丰田公司继续推出了第二代“Mirai”,大大提升了续航里程和功率密度,给燃料电池汽车的发展带来了强劲的动力。 

综上所述,氢燃料电池与氢发动机并不是新兴技术,近两个世纪以来,一直都有人从事相关方面的研究,只不过时代和市场决定了哪些技术大放光彩。

当然,也是该技术符合那个时代,凭借在那个时代具有的显著优点才能获得时代和市场的青睐。如电动汽车和燃油车本就是20世纪同台竞争的技术,只不过燃油车凭借运行里程长、燃料重新加注时间短等显著优点PK掉了电动汽车。

电动汽车在节能减排的时代主旋律的政策加持下近十年来又开始重新进入市场。然而电动汽车只是一个高效使用电能的工具,仅依靠它不可能完成低碳甚至无碳社会的构建。甚至如果考虑一些专家诟病电动汽车的碳转移问题,其到底能不能减排还有待商榷。真正碳中和的社会需要新能源去构建,国家制定的能源长远发展战略是构建一个基于可再生能源发电的氢能社会,从而真正实现无碳社会的转型。氢燃料电池和氢气发动机作为其中的一个应用场景便逐渐凸显至重要的位置。

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氢燃料电池和氢气发动机的优缺点比较

如果不考虑化石燃料枯竭(能源安全)和环境污染的问题,没有必要淘汰燃油动力设备,故而氢燃料电池和氢气发动机最大的优点就是环保和燃料来源的可发展性。 氢气发动机由于与燃油发动机结构上的相似,在车用上的研究似乎还要早于氢气发动机,然而为何却迟迟未能进入市场?首先主要是氢能配套设施不完善(加氢不方便和氢气价格过高)。

然而现如今国家大力发展氢能的时代背景下,这将不再成为限制条件。 氢气发动机可充分利用现有的内燃机产业基础,但由于氢气独特的物理化学性质产生的燃烧特性,氢气发动机的技术难度比传统燃油机大!针对传统燃油机使用在氢气领域,需克服的技术难点主要表现在早燃、爆燃和回火三个方面,如表1所示。尽管已经有部分国内企业和高校已经取得一些研究成果,但总体上相关技术还处于研发阶段。而氢燃料电池目前在车上使用的相关技术已逐渐成熟,主要是其配套的产业基础尚处于薄弱阶段。

表1. 氢气发动机的技术难点 来源:杨敏敏, 氢内燃机燃烧早燃回火问题 

氢气的密度非常低,以气体存在的条件下需要的空间非常大。根据研究,在以同等条件进入气缸时,氢气所占气缸气体约是汽油的15~30倍,故而将导致效率下降。另外,氢气发动机的燃料利用率不高,通俗说就是氢气不耐烧,当时2007年宝马推出的氢能7系氢气发动机汽车的氢耗为3.7kg/百公里,而燃料电池乘用车通常是1~1.5kg/百公里。丰田最新推出的第二代Mirai总加氢量为5.6kg,续航为650公里,折合不到1kg/百公里。另外,空气中的氮气在高温高压的工作环境下会生成氮氧化合物污染环境,无法达到氢燃料电池的100%环保。最后,氢气会导致金属发生氢脆现象,影响发动机的安全性能。

图5. 丰田第二代Mirai

相比于氢燃料电池,氢气发动机最大的优势在于成本。目前,100kW的氢燃料电池电堆大约需要50万元(原型机)。尽管雄韬给出了震惊业内的最低价,当订单量在10000台以上时,只需要1199元/kW,此时电堆成本大约需要12万元。目前国产柴油机100kW的售价约在6万元,氢气发动机的成本贵15%左右,约为6.9万元。

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