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未来的汽车会什么样?
发布时间:2018-09-10

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     近些年,中国品牌在技术研发上的投入正在快速增加 ,但与那些能够踏出国门,甚至是所在大洲,站在全球舞台上的海外车企相比,我们的实力还不在一个量级上。尤其是在新能源车型的研发中,欧洲、美国、日本车企在上世纪末已开始进行了相关研发,而今天我们的车企在这方面的积累屈指可数。所以,为了掌握燃料电池技术最先进的状态,汽车之家选择了走出去实地调查。
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引言:

  21年前,丰田推出了混动技术的首款量产车普锐斯,尽管当时成本颇高,但抱着布局未来的决心,他们决定咬牙坚持。时至今日,超过1200万台的销量证明了当时的“赌博”是正确的。今天,Mirai的处境与当年颇为类似,或者说由于需要布局全新的基础设施,因此面临挑战更大。相比纯电动车更短的充能时间,与内燃机车一样的续航里程,同时更加环保,这些优点加持下它或许才是未来真正的发展趋势。今天这个时间节点有些类似一百多年前内燃机车代替马车的时代,我们怎能错过近距离观察的好机会?所以我们选择了前往日本,这次我们将从源头的技术路线选择,看到消费者购买车型、使用、保养环节,为您展现一个燃料电池产品全方位的状态。除文章外,我们还为您制作了相关视频,敬请期待。


■ 来源与身世

  氢燃料电池(Hydrogen Fuel Cell)是将氢气和氧气蕴含的化学能经过电化学反应直接转换为电能的发电装置,它工作反应时的产物仅有水,符合环保发展需求。同时燃料加注时间和传统燃油车一样,这就规避了纯电动车充电时间长的缺点。另外加注燃料后,车辆续航里程与传统燃油车别无二致,令使用者不再有里程焦虑。此前我们已经进行过详细的解读,对它还比较陌生的朋友可以点击《新纪元的到来 聊聊燃料电池汽车那些事》阅读。

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  这里说句题外话,石油危机的爆发当然不仅推动了燃料电池民用化发展,其对于整个汽车工业走向都产生了深远影响。此前低廉的油价令大排量自然吸气发动机在很长的一段时间里都是技术发展的主流趋势,因此孕育而生了美式汽车文化。当油价迅速飙升,甚至后期发展为有价无市后,小排量发动机以及节油技术快速成为了技术发展的新方向。这样的发展趋势促进了在节油、低排放等技术领域具有明显优势的日系车企进入美国市场,当然这是后话了。

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  当然,燃料电池技术并非完全没有缺点,而原因众说纷纭。能源并不清洁、基础设施少、使用费用高,这些问题到底是真是假?现阶段普通民众真的难以承受?对着屏幕用键盘深评问道肯定得不到真正的答案,因此技术频道决定前往日本,用我们的双眼看看目前世界上量产推广程度最高的日本到底处于何种状态。当然,我们更想知道我国能否推广普及,以及问题或阻碍出在哪里?从日本身上我们能学到什么。

■ 倔强的孤注一掷?

  纵观历史,对新鲜事物抱有极大兴趣的除了所谓的冒险精神,便是渴望通过新技术改变自身状态的群体。日本由于其特殊的地理特点,因此一直以来对节能、减排或者说对具有长久发展潜力的事物抱有浓厚的兴趣。

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  为满足巨大的需求量,1972年起,大阪煤气、关西电力、东京电力等公司于1972年起与文莱等国签订了为期40年的天然气进口协议,以巩固天然气供给网络。截止2012年,日本对天然气的需求已占全球总需求量的37%,从日本能源需求分布上看,石油占52%、煤炭与核电占15%、天然气占4%、其他可再生资源占1.3%。

  巨大的需求量并不意味着核能、天然气就是日本政府心中理想的替代能源。重要问题之一就是各类技术标准、专利不掌握在日本厂商手中。与之相对的,氢能的技术积淀更深,专利更多。氢正是燃料电池的“燃料”之一,值得注意的是日本大力推动燃料电池和氢能源战略的初衷和前提是大力发展核电。

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  日本对燃料电池产生兴趣是在上个世纪90年代,小泉纯一郎就任内阁总理大臣的第二年,也就是2002年,日本核战略进入了快速推广期。4年后的2006年,日本国家能源新战略及核能立国计划大纲中明确表示,要把核能发电提高到占总发电量的30%-40%。

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  推广核能仅仅是其中一部分,核能可以产生大量且廉价的电能,再利用电能分解法制备氢气,最终为燃料电池所需要的氢能源才是整个计划中的重头戏。如果计划推行成功,将一举改变日本能源现状。此前,日本94%的能源消费依靠进口,能源自给率仅为6%左右,不过这一切确实因为核泄漏事故的影响发生了些许改变。

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将褐煤变废为宝

■ 新能源不能来自老污染

  当然,燃料电池产品虽然有着众多优点,却也因为技术原因有着自己的问题。其中最重要,也是被挑战最多的便是能量之一的氢气制取。如果仍旧通过火力发电,随后电解水得到氢气,那么纯电动车被质疑的污染问题也会困扰着它。在这个问题上,日本已经找到了一些解决方案。

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  近年来,世界主流的车用燃料电池产品均为氢燃料电池,但自然界中单质氢气存在相当少见,因此制氢就成为使用整个产业链的源头问题。目前,氢气在很多行业以一种副产品的形式存在,这些行业主要集中在制碱和冶炼等高温工业领域。

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  由于氢气并不是最终的生产目标,所以导致副生氢气在规模、成本和品质方面有一定的差距。因此,在核能发电计划受影响后,日本尝试探索化石燃料反应、电解水、生物制氢、太阳能、风能等多种形式制氢。

- 变废为宝:化石燃料反应

  从供给数量上看,目前绝大多数氢气来自天然气和石油燃料反应。在这之中依靠天然气和水,即甲烷和水经过高温产生一氧化碳和氢气的方式是其中最主流的方法。这种制备方法除了可以取得数量较大且纯度较高的氢气外,同时还具备加工成本相对较低以及排放温室气体较少的优点。

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  另外,从2017年开始,日本尝试从海外进口廉价氢气。其中川崎重工业株式会社(Kawasaki Heavy Industries)已在澳大利亚设立工厂,在当地他们使用廉价褐煤生产氢气。

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- 初中物理解决问题:电解水

  电解水制氢是目前工业制备高纯度氢气的主要方法,目前分为电解盐水和电解纯水两种方式。成本方面,电解纯水相对电解盐水更高。副产品方面,电解纯水的产物只有氧气和氢气。而电解盐水除了可以获得氢气外,还可以得到苛性碱、氯气等。

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  电解水与电解盐水两者制备氢气的纯度都相对较高,可以达到99.99%,也就是说都能满足燃料电池使用需求,不过盐水电解要更具规模更容易形成产业化,且在生产速度和能耗上比电解水更高。

3

便便拯救世界

- 便便拯救世界:生物制氢

  前面提到的几种方法是目前工业中已经成熟应用的,下面说到的生物制氢处于探索阶段。其中有使用农作物、木材等碳水化合物材料制氢的方法,丰田还尝试在美国用动物排泄物制取。是的,你没听错,未来拯救世界的或许就是你不想在吃饭时面对的便便了。 

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  除此以外,目前在试验纯细菌和细胞固定化技术产氢,利用生物学发现的产氢菌种进行生物制氢相比之前的工业制取方法更加环保。另外,部分藻类植物生长过程同样会生产出可供使用的氢能源,但目前技术局限于产量以及收集难度。待混合培养技术和新生物技术应用更成熟后,生物制氢技术潜力会被进一步释放。

- 完全零污染:风能与太阳能

  无论是化石燃料加工,还是电解水以及最新鲜的牛粪提取,中间免不了加温、加压等过程,即使经过处理,仍旧会排放一定污染物,同时消耗部分能源。为了无限接近最初设定的可循环、零排放目标,丰田也在尝试将风能、太阳能添加至氢气制取过程。

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  风能在制氢过程中扮演的角色是提供电力来源,最终制取过程还是依靠传统电解水。与使用核能发电相比,风能更纯净,且安全系数更高,这也是丰田选择它的重要原因。

  当然,风能也有其局限性,其中之一便是受天气因素影响较大,风速过小或过大时,风力发电机都无法工作。因此,这个需要蓄电池组缓冲、消除由于风力发电机工作断续带来的供电波动,保证水电解制氢装置可以得到持续的供电。

  除了风能,纯净的可再生资源中太阳能也可以用于制氢,和风能一样,太阳能也主要为电解水制氢过程提供电能来源。

小结:

  与纯电动产品相比,燃料电池产品规避了前者充电时间过长、续航短的缺点,当然新技术在发展阶段,或多或少面临着成本高昂、基础设施建设的弊端。即便如此,对于能源短缺的日本而言,未来稳定的能源供给模式使他们推广态度最为积极。在下面几期文章中,我们将逐步展现其在不同环节中,如何解决成本高昂、基础设施建设不足的问题

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