正值第五届国际氢能与燃料电池汽车大会在上海举办,这是一场小规模科技展会,我们受邀去现代起亚展台参观并试驾了NEXO,新鲜之余,对于燃料电池有一些感触与大家分享。

氢燃料电池,一度被推举为汽车新能源的未来趋势,后来由于各方各面的技术制约,纯电动慢慢成为了主流,燃料电池的声音弱了不少,但丰田、现代等日韩系车企依然在燃料电池上坚持,尤其是现代起亚,一直将氢燃料电池作为主攻趋势。

★NEXO是谁?

在丰田Mirai、本田Clarity等小体型的燃料电池车之后,现代NEXO是全球第一款量产的氢燃料电池SUV。大体型的SUV对于氢气的装载需求能够给予空间上的便利性,但同时整车重量也会随之增加,所以在综合效率上需要找到一个微妙的平衡。

首先,NEXO上搭载了三个储氢罐,而为了装载这么多罐体,现代起亚进一步增大了氢燃料的储藏密度,从而使储氢罐的体积更小更轻便,车内承载容量为839L,与传统燃油车保持在了同一水平,并未产生过多空间侵占。

每个储氢罐可以装载2.1公斤的高压氢气,三个罐共装载6.3公斤,加氢一次需要5分钟,NEDC工况续航里程能达到800km,燃料电池系统效率达到了60%。

另外,由于氢燃料电池的特性,NEXO的排放物只有水,同时还具有很强的空气净化能力,可以净化99.9%的可吸入颗粒物,行驶一小时能够净化26.9kg空气,10万辆NEXO行驶60分钟可以净化供400万人一小时呼吸的空气,某种程度上来说,甚至可以把这辆车看成一台空气净化器。

单纯从这几项参数上来看,NEXO在空间实用性和能源效率上达到了不错的平衡,但放眼现实就会发现,受限于加氢站等基建的制约,其真实的可用性还远不足以达到燃油车和电动车的水平。同时其价格也相当依赖补贴,比如在韩国当地的官方售价折合人民币约41万,补贴后才降至20万的水平。

★氢燃料电池的工作原理

首先理解一下什么是燃料电池,严格意义来讲,燃料电池在很多文献中被称为燃料电池发动机,因为它并不是储能元件,无法像锂电池一样储存电能,所以在狭义角度来讲,它不算是我们广泛认知中的“电池”,而更算是一种发电机,类似于燃油发动机的原理,从外界输入燃料(如氢气),进入电池堆与氧气发生电化学反应,产生电能。

在NEXO上具体的工作流程是,氢气从储氢罐中出来,通过燃料供给系统降压,进入燃料电池的负极;另一边,空气中的氧气通过车前部的空气供给系统过滤后,进入燃料电池的正极。

氢气和氧气在电池堆中发生化学反应产生电流,直接进入驱动系统,经过逆变器后传给驱动电机,从而驱动车轮的运转。

那么发生在燃料电池堆中的电化学反应又是什么样的呢?从微观维度来看,可以这样通俗地去理解:在负极,氢气在催化剂的作用下失去电子,成为氢离子(即质子),氢离子通过质子交换膜(燃料电池核心元件)来到正极。

而在正极,氧气得到电子生成氧离子,但氧离子在溶液环境中无法存在,所以会立马在催化剂的作用下与从质子交换膜透过来的氢离子结合,生成唯一的产物——水。而电子是从哪里来的?没错,就是氢气在负极卸下来的电子,通过外电路流到了正极,这就是电流的来源,而这整个反应过程,就是燃料电池的本质原理。

所以只要在外电路中接入负载(即驱动电机),就可以将产生的电能利用起来进行车辆的驱动。从这方面来看,燃料电池能够通过电化学反应产生电能,这与现在广义上的电池原理是一致的,但由于燃料电池不能储存电能,所以严格上来说,它也不能算作现在的蓄电池,我们就把它当成发电机即可。

★氢燃料电池的优势

氢燃料电池有其特殊性,优缺点都极其突出,优点就在于绝对环保,排放物只有水,同时还具有净化空气的作用,使用方面也具备续航能力强的优势,并且加氢速度快(3-5分钟),整体效率极高,相当适合长途使用,但这个实际价值是有着前提条件的,而这个前提条件现在无法满足,所以其缺点也就变得很明显。

★氢燃料电池的劣势

由于加氢站的建设成本也极其昂贵,所以目前氢燃料电池的基建设施还完全没有推广开来,加氢便利性也就尚属空谈。另外由于燃料的不可替代性,氢气的制取、压缩、储存、运输等流程都无法简化,尤其是储氢技术一直没有足够的突破,这些都制约着氢燃料电池的发展。

以上是宏观环境的制约,落到产品层面,储氢罐和氢气的重量对于家用车来说负担太大,所以燃料电池本质上并不适合家用车的使用,反而更适合货车、重卡等大型工程用车,以及公交、地铁等客运用车,因为这类车辆对于重量因素相对而言更不敏感。

同时,成本问题不止体现在加氢站的建设和储存、运输等方面,还直接影响到了每一辆产品上,比如根据一位做压力容器检验设备工作的专业人员透露,NEXO上装载的每一个车用玻璃纤维缠绕储氢罐,价格都能顶一辆五菱之光(参数|询价);而燃料电池内部的反应催化剂的关键材料是铂,没错你也可以粗暴地理解为用白金做电池。

而关于车辆的用户体验,由于燃料电池的反应原理,其输出特性比较平缓,无法应对剧烈的功率需求变化,比如当你踩死油门时,ECU指挥气泵加大氢气输入量,压力提高,电流密度提高,但同时电压却在下降,所以动力响应反而较慢,并且会影响系统效率,有些类似于涡轮迟滞比较明显的发动机。

因此在实际应用中,燃料电池通常会与蓄电池或超级电容组合构成混合动力系统,只不过这其中是电与电的混合。此时,燃料电池车又有些类似于增程式电动车,而作为辅助的电池组容量并不大,仅仅作为急加速时的动力补充,而在平时的制动和下坡工况,其电量也会很快充满待用。

★结语:我其实比较希望它是未来

这纯粹是一个主观愿望,因为氢燃料电池的特点太讨人喜欢了,无排放无污染,甚至还能净化空气,如果未来路上的车辆都能达到这种效果,应该所有人都会希望看到,只不过要达成这个效果的前提实在是太难了。

成本的制约、技术的制约,都让燃料电池举步维艰。相对而言,纯电动反而迅速大行其道,究其原因,就是因为电池的应用太容易太简便了,它能更快更直接地进入实用阶段,进而持续带动电池技术的发展。

但燃料电池不行,从目前的技术条件来看,推行燃料电池车需要这些必要的流程:制取氢气、存储、运输、建设加氢站,而纯电动则方便很多——电网这么发达了,想在哪里建充电桩就在哪里接根线就好了,运输?运什么?

那么氢燃料电池该何去何从呢?它当然也有合适的位置,纯电动目前充电效率毕竟还比不上加油,而加氢快啊,虽然加氢站的建设还没法满足大规模民用,但满足一下商用反而相当合适,比如公交地铁、比如货运重卡等,在固定站点建设加氢站显然就没有了民用的诸多制约,并且清洁的能源形式替换掉大型工程车辆的高油耗高污染传统能源,何乐而不为呢?

纯电动当道,只是因为纯电动更符合现在这个时段的需求,万一将来某一天燃料电池的成本问题得到了革命性的解决,或许世界变化的速度比电动车改变世界要快得多呢。我愿意相信燃料电池的未来,是因为我相信能用钱解决的问题,其实都不是问题,等到万事俱备,我们也不是非得买电动车呀。

本文作者为踢车帮 刘剑星