為了到 2050 年實現氣候中和，歐盟委員會本周公布了一項名為“清潔氫聯盟”的工業戰略。歐共體、歐洲燃料電池和氫工業以及研究機構之間的公私合作伙伴關系將推動該地區努力確保歐洲的能源獨立和開發零排放汽車。

從電動汽車到氫動力汽車？
下一代汽車的普遍目標是產生更少有害物質和更少噪音的汽車。全世界都在試驗電動汽車（EV）。電動汽車屬于電動汽車領域，其缺點之一是充電時間長。

這個問題可以通過氫燃料解決，也稱為電池燃料。氫電池利用與航天器相同的能量到達地球軌道。但是氫能汽車是如何工作的呢？有哪些優勢和劣勢？

氫燃料汽車的硬件 氫
燃料汽車將化學能轉化為機械能。氫可以直接燃燒到內燃機中，在這種情況下，我們有一輛氫內燃機汽車（HICEV）。或者它可以用來在燃料電池中與氧氣發生反應，從而產生電力。這種類型的車輛被稱為燃料電池電動汽車（FCEV），近年來，FCEV引起了許多制造商的關注。

FCEV由電動發動機提供動力，并有一個車載發電廠，可以生產和管理氫氣。氫動力汽車對環境的影響很小，因為它們不會產生污染排放物（溫室氣體、細顆粒物等），而是會產生水蒸氣（圖 1和圖2）。

圖 1：氫氣汽車的框圖。在燃料電池中，氫氣和氧氣產生電能，電能被輸送到電動機和/或電池。（圖片：寶馬）

圖 2：電動汽車和氫燃料汽車的比較（圖片：InsideEVs.com）

氫是宇宙中最豐富的化學元素，但不是自然形式。因此，它不完全是可再生資源，必須使用不同的系統生產。因此，氫流動性對環境的整體影響取決于用于生產它的能源。如果您使用可再生能源來生產氫氣，那么對環境的影響是最小的。相反，如果使用化石資源，則對環境的影響要大得多。

氫氣可以通過兩種不同的生產工藝和技術生產：重整和電解。重整對環境的影響更大，因為它涉及原油的開采、運輸和精煉。電解是通過電誘導的化學反應將 H 2 O 水分子分解成單獨的氫和氧原子的過程。該生產過程不排放污染氣體，但需要大量電力。電解過程由低壓電流組成，該電流流過水以釋放氣態的氧氣和氫氣。

氫的特性之一是其非常高的比能量密度，40,000 Wh/kg，或者是鋰離子電池比能量的 236 倍。這意味著氫動力汽車比電池動力汽車更輕，續航里程更廣。此外，加氫只需幾分鐘，而電池驅動的汽車則需要幾個小時。

圖 1顯示了氫燃料汽車的總體布局。燃料電池中發生反向電解：氫氣來自儲罐，空氣來自周圍環境。燃料電池不提供熱燃燒，而是提供電流，產生未改變的水作為唯一的廢物。

燃料電池接收兩個流入流：來自負極的氫氣和來自正極的氧氣。氫發動機中包含的催化劑使電子與原子核分離，該反應釋放電力。電子移動到正極并加入氧原子，氧原子接收負電荷。氫與氧的結合產生化學反應，其最終產物是水。排放的是水蒸氣，氫氣汽車可以將其直接釋放到大氣中（圖 3和圖4）。

圖 3：電解的一般框圖

圖 4：氫燃料汽車的內部零件

燃料電池中產生的電流可以直接為車輛供電或為比作為中間蓄電池的經典汽車更小的電池充電。與其他混合動力汽車一樣，氫動力汽車也使用能量收集來為電池充電。電池用于滿足可能的發動機能量需求并回收制動能量，就像電動汽車和混合動力汽車一樣。燃料電池產生的電壓必須高達 600 V。

在低速行駛時，汽車僅從電池移動并獲取能量。相比之下，在更高的速度下（例如，在高速公路上），燃料電池為發動機帶來額外的動力，同時為電池充電。

優點和缺點
氫燃料可以帶來的優點是最大限度地減少排放（水是唯一的廢物）、加氫速度、減少消耗和延長自主權。但也存在與氫氣管理問題相關的缺點，從需要電力的電解技術到在充電/充電站儲存。電解造成的損失是氫氣生產中的一個問題。

不利的一面是，您無法在任何地方加油/充電；事實上，許多問題是由于氫氣難以儲存，因此今天的分銷商很少。而且，如上所述，分離氫氣的過程可能是能源密集型的。

與汽油或柴油相比，氫氣的儲存需要大量空間。氫氣罐必須足夠堅固以承受約 700 bar 的壓力。氫氣在 –253°C 下以氣態或液態形式儲存。

加油基礎設施，今天大多不存在，需要大量的經濟投資。此外，燃料電池汽車的生產成本遠高于傳統汽車。

氫燃料汽車具有更大的自主權。一個裝滿氫氣的罐足以行駛約 500 公里的距離。電池驅動的汽車只有在配備大電池的情況下才能達到這個值，但這會導致車輛重量增加和充電時間延長。

市場示例
德國是歐洲領先的氫動力汽車國家。事實上，在 2019 年 12 月，德國大約有 80 個氫燃料汽車加油站。

福特和雷諾等眾多制造商已經冒險制造氫動力汽車，盡管他們更愿意將資源用于電動汽車。相比之下，其他公司，如豐田，一直在開發這種技術，直到這種類型的車輛被制造和銷售。

豐田 Mirai 使用豐田燃料電池系統 (TFCS)，提供燃料電池技術和混合動力電動汽車的典型技術。另一款氫燃料汽車是本田 Clarity 燃料電池。得益于創新發動機的 177 馬力，這款日本轎車可行駛 650 公里，最高時速可達 165 公里/小時。奧迪 H Tron、寶馬 i Hydrogen Next 和現代 NEXO 在氫燃料汽車中特別受關注。

氫能汽車每 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：可以假設一滿罐的成本約為 50 歐元，而平均距離可以與汽油車相比（圖 5）。

圖 5：全球氫燃料電池電動汽車產量（圖片：HIS）

與由電池驅動的汽車一樣，氫對未來的可持續移動性做出了重要貢獻。FCEV可以代表零排放技術，讓用戶保持靈活的駕駛習慣。氫氣的效率最高可達汽油的兩倍。但我們必須通過可再生解決方案提高氫氣產量。降低運輸和配送的基礎設施成本至關重要。

審核編輯 黃昊宇