氢能未来 Hydrogen Power Fuel Cell创造明天

2020-07-19 483 views

为什幺各大车厂要竞相发展氢能动力?汽/柴油引擎、油电混合系统、生质燃料都要消耗石油,且烧油就会排碳,甚至生质燃油还得使用可观的农作物造成粮荒,所以Hybrid、Bio-Fuel绝对不会成为趋势,反倒是最近相当热门的LPG天然气车种,可算是过渡时期中最具竞争力的设计。

此外,电动车虽然也正在积极发展中,但目前受限充电、蓄电的能力,续航力十分有限,短期要实现只能用于城市通勤的小型车,且由于各大先进国家都推广单车搭配捷运,故未来成功的机率并不高。在此之中,大家不难发现前述的可行替代能源,均仍仰赖内燃机架构,实际上电力的运用相当稀少,而氢能则皆可提供发动机与马达使用,因此诞生了Hydrogen Power(氢引擎)及Fuel Cell(燃料电池)两种设计。

氢能未来 Hydrogen Power  Fuel Cell创造明天

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氢能动力是以氢和氧的化学反应形成,燃烧后又回归为纯水,因此是公认最佳的未来能源。

各种能源车款比较 种类 燃料电池Fuel Cell 氢气引擎Hydrogen Power 油电混合动力Hybrid 天然气LPG E85酒精汽油 汽油 Honda FCXBMW Hydrogen 7 Toyota Prius  VW Passat TSI Eco FuelVolvo  代表车款使用氢气转化为电力驱动马达,公认为最节能环保的终极目标,但需克服马达出力与蓄电能力的限制。 内燃机引爆氢气动能,具有和传统汽油引擎相似的特性,为氢能时代最易推广且为大众所接受的设计。 组合汽油引擎与电动马达双动力,利用电能来减少引擎使用频率,进而能够降低油耗与减少空气汙染。  搭配汽油引擎的双动力设计,以天然气售价便宜、行驶里程数高为卖点,目前欧洲地区正积极推广中。 生质燃料的汽油引擎,使用约85:15的酒精、汽油混合,节能效果有限且成本较高,未来性并不看好。

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Hydrogen 7採双燃料模式,可进行汽油与氢气两种选择,操作只需透过方向盘切换键即可。

内燃机沿用 Hydrogen Power

氢气是质量最轻且最普遍的化学元素,构成了地球上百分之九十的物质,也就是碳氢化合物。它是极易燃烧的双原子气体,导热能力非常强,同时高温下相当活泼,与氧气化合后可释放出大量的热能,所以为火箭燃料的构成之一,亦属未来最具潜力的车用能源。

另一方面,以再生方式产生的氢气非但不会对环境造成危害,燃烧过程中更不会出现讨厌的二氧化碳,只是纯净的水,故氢气是一个可永续供应的优质能源。按照氢气的特性来看,不难想见它非常适合需要吸气结合氧分子助燃、以火星塞燃爆高温高压混合气的内燃机架构,主要与燃油不同之处,是氢引擎需要有极周密的储气设备,同时作动上液态氢是在进气歧管处与空气预混(定体积喷射),不似汽油为燃烧室混合。

关于氢引擎的储气设备,是要以特製钢瓶装载经过高压压缩的液态氢,定体积内当然是灌入的量愈多压力愈大,这种钢瓶需採中央有真空绝缘的双层构造维持超低温(约-253℃),容量8公升压力即达到700bar。这8公升的行驶距离则有200公里以上,换算下来每公升氢气的里程为25公里,至少节能效果是汽油引擎的2倍,但氢气的成本不低,在现阶段使用并无法「节费」。

Hydrogen Power车种的优点除节能外,开起来还保有传统引擎的油门反应及拉转快感(动力相对会牺牲一些),同时其造价不似燃料电池车昂贵,使用车型也没限制且车重不致上升过多,不过Fuel Cell仍为终极目标,因为其效率更佳并可减少臭氧洞的扩散。

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BMW Hydrogen 7是氢引擎的代表车种,目前已提供特定顾客在道路上使用。

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氢引擎的作动特性是在进气歧管与空气混合,接着以专用高压喷嘴注入燃烧室点火爆炸。

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Hydrogen车款的高压储气槽与输送管路十分讲究,这也是所有的技术所在。

 电力驱动 Fuel Cell

燃料电池动力的特色,简单说是以氢氧作用的化学反应,来产生大电流驱动马达,这是由Ballard/Ford公司所研发,其核心则是一位于两片石墨板间的PEM质子交换膜。PEM的一侧供给氢气,另一边为利用套气槽带来大气中的氧气,使氢气能以带电粒子的型式穿透薄膜,进一步与氧气化合成水并释放电能;而由于这整个系统的体积相当庞大,搭配车型只能设定为单厢式,以全平底板放置所有零组件,车重也因此上升约300公斤。

Fuel Cell的组成大致可分成六大部份,以FF车而言车头仍为动力源(马达)所在,后方依序放置系统模组、燃料电池模组、动力分配单元(Fuel Cell电压转为电池储存电压)、高压气瓶与240V贵金属电池。至于其所产生的400V以上电压除供应驱动马达以外,剩下的电力则回充于电瓶,做为瞬间加速与其他用电的来源;而Fuel Cell车种亦不需配置变速箱,为直接由马达带动,所以车速取决于马达转速,煞车减速反转并有充电作用,撇开氢气之外,它就是一部电动车。

Fuel Cell系统受限马达出力(约100hp/22.0kgm),在目前的概念阶段多搭载于中小型的单厢车款,但续航力已突破至300公里。其特点则是任何转速都可维持峰值扭力,马力同样跟随转速成正比,13000转的上限推算下来也有180km/h的能耐,它的耗能亦同于氢气引擎,为每公升平均23.8~26.3公里。

在实际驾乘感受上,氢引擎与燃料电池车款有着截然不同的个性,前者与传统车辆无异,也能产生运转声浪,不过动力会稍逊于汽油引擎;而后者就是一派电动车的感觉,安静到一个不行,同时因为永远保有最大扭力所致,起步、加速都堪称轻快顺畅,只是必须习惯无声与不够线性这两项特点。

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M.Benz A-Class Fuel Cell已在全球测试多年,成熟度也相当高,未来绝对是量产的试金石。

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Fuel Cell的核心是PEM质子交换薄膜让氢氧作用,最后以400V的高电压驱动前轮马达,出力则约在100hp/20.0kgm上下。

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燃料电池动力有低温难发的问题,目前的技术已可对应达零下 10度;而其发动则分成两阶段Pre-Charge,第一段是鼓风机导入含氧空气,第二段为氢气开始混合作用,待行车电脑显示100%与电錶达到绿色範围,就会在不知不觉中启动马达。

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燃料电池的系统非常複杂且庞大,因此需要搭配A-Car这种底板全平的单厢车体,其从头至尾的元件依序为马达、系统模组、燃料电池模组、动力分配单元、氢气瓶与高压电瓶。  

两种氢动力比较

种类氢气引擎燃料电池性能接近传统动力马达出力较小节能1公升约25公里1公升约25公里续航力400公里200~300公里生产成本略高极高週边搭配少複杂体积/重量略为增加增加极多使用车型不限单厢小型车

 氢能未来 Hydrogen Power  Fuel Cell创造明天

氢能车款目前都採租赁方式供名人使用,图中就是Honda FCX首批车主的交车典礼,由社长福井威夫亲自主持。

氢能未来 Hydrogen Power  Fuel Cell创造明天 

氢气的取得以电解法为最佳,但加热纯水需耗费大量电力,故像採太阳能发电都是必要的节能手段。

氢能时代来临 配套措施关键

不论是氢引擎或燃料电池车款,最近都已推出实验性质的量产版,如Honda FCX、BMW Hydrogen 7,两者均採出租方式供名人使用来营造节能形象。实际上这两种氢气动力要付诸市售,恐怕是2012~2015年的事,而且这中间不只是车辆本身的研发,週边的加气站普及度、氢气价格皆为能否推行的配套措施,如果此计划成功的话,也算是另一次的工业革命了。

以加气站来说,车厂必须与政界决策高层、能源产业协商广设,然后还得想办法压低氢气价格。目前发展氢能最力的德国,当地液态氢1公升为8欧元(约合台币380元),售价是汽油的6倍,但氢气的行驶里程只比汽油高2倍,故总花费要增加3倍,如此也失去节约的意义,降价自然是刻不容缓。

氢气的分解有多种模式,并区分工业与纯化两大範围,车用氢能使用前者即可,而这又分成电解、烧煤、甲烷重组等方式,其中加热天然气的重组甲烷成本最低,电解法则最简单亦最乾净,但令纯水导电需消耗大量电力,所费相当惊人,故像BMW就选择了烧煤提炼氢气。事实上在未来有大量需求时,如各国政府愿意投入水力、风力、太阳能、潮汐力支援电解法才是正道,我们相信这天一定会到来。

最后,氢引擎和燃料电池究竟何者为优?以用车的角度来看,目前Hydrogen Power确实比Fuel Cell的表现为佳,而且能做到加入汽油的双燃料设计,不过Fuel Cell既然是终极目标,车厂一定会持续不断改进,但电池容量与马达出力是一大癥结,所以氢能时代的前10年,氢引擎必能独领风骚!

氢能未来 Hydrogen Power  Fuel Cell创造明天

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 氢气加气站规模最大者在柏林,这是因为双B的主导,而灌入高压氢气时其出口有一开关阀控制,管路设计是一氢气注入、一排出空气。

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