新能源汽车创新——氮循环引擎替代氢燃料电池

添加时间：2012-11-14 11:36:32 来源：爱中国能源网

      据了解，梅赛德斯奔驰F-Cell旅行车和本田FCXClarity轿车推出了使用新型氢燃料电池的环保汽车。这些车不像常见的电动汽车那样把盒装电池放置在车辆底部，而是将类似的燃料电池装在引擎盖下。
在美国洛杉矶的一些居民住宅区经常可以看见这些深红色FCXClarity和银白色F-Cell旅行车，它们都是试验用车，由厂家直接租赁给体验用户，以检测这类氢燃料汽车在洛杉矶的交通条件下超车和提速的能力。
     到目前为止，大多数试验车辆都表现得相当不错。其优势之一，这些车辆从排气筒里排出的只有水蒸气。此外还有一个优势，燃料电池汽车极大地缓解了困扰日产Leaf系列蓄电池汽车的“产品焦虑症”。
梅赛德斯奔驰和本田的试验车拥有300公里到380公里的续航能力，相比蓄电池汽车，这与传统内燃机汽车的差距要小很多。不过，这些车需要回到洛杉矶地区仅有的5家对公众开放的氢燃料加注站，在几分钟内它们的油箱就能加满，不用像蓄电池汽车一样花几小时充电。
      如果要进一步完善并投入大规模生产，首要的前提也是困难所在，就是氢燃料加注设施的进一步推广。现如今，此类加注站比蓄电池汽车充电站甚至液化天然气泵站的数量更少，相距也更远。但燃料电池汽车应该会成为当今甚至未来一项颇具吸引力的驾车选择。
据悉，完善生产、传输和储存氢燃料所需的工厂和设备的成本相当可观。与制造氨肥或将重油馏分转化为汽油用的工业氢气不同，燃料电池所用氢气纯度须达到99.999%。这决定了生产这类氢气除电解水之外别无他法。
      在运输环节上也存在难题。氢气拥有最小的分子，因此能穿透几乎所有物质。更为特别的是，它能脆化钢材，并引起锈蚀，使传输过程中裂纹扩展的速度加快。这就需要给输气管道和储气罐加衬里。
与汽柴油等化石燃料不同，氢气自身并不能产生能量。它只是一种介质，可存储发电站产生的电能并将其传输到电动汽车的发动机以驱动车轮，其工作原理与蓄电池大致相同。由于自然界中流离氢的含量并不足以为人所用，人们须要用电解水的方式生产氢气。
      在美国加州，尽管太阳能装置和风场数量众多，但居民用电中有62%是来自化石燃料，其中大多数都要通过其他州的火电厂输送，既不环保又不清洁。而电解水工厂的生产高峰是在夜间的低价时段，换而言之，氢燃料汽车对温室气体排放也有一份“贡献”。
      如果我们将气体的排放从汽车排气管转移到发电厂，这就使控制污染变得更容易。除蓄电池和通过电解水生产氢气外，我们还要考虑到是否有更有效的储存车用电能的方式。
       液化空气，更准确地说，是空气中占78%的氮气。越来越多的人认为这是一种不错的选择。早在1883年，人类便首次将空气液化。那时的工艺流程与今天的类似，以200个大气压将其压缩，冷却至-190℃后，令其急速释放和浓缩。这一工序可将1000升透明气体变成1.4升淡蓝色的液体。
       只要容器隔热性能良好，液化空气可在大气压下长期贮存。一旦暴露在室温下，它就会立即沸腾并还原成气态。在此过程中，它的体积将膨胀到原来的700倍，利用这个特性能为活塞发动机或涡轮机提供动力来源。
       液氮还有一个更大的优点。它的密度比液态空气大得多，单位体积内能贮存更多的能量，汽车加满一箱能跑更远的路程。同等质量下，就性能和续航距离来说，氮燃料汽车类似于电动车而非传统汽车。但液氮汽车的造价很可能比电动车低很多。其优势之一是液氮汽车发动机无需应对高温，因此可用便宜的合金甚至塑料生产出来。
       优势之二在于液氮汽车无需笨重的牵引电池，因此会比电动车更轻巧，成本也更低。目前，电动车用锂电池每度电成本在500至600美元间。日产Leaf储电量为24度，其电池成本在13200美元左右，占整车基准价格35200美元的1/3还多。因此，具备同等性能和续航能力的液氮汽车成本只有电动车的一半。
       优势之三是液氮是工业制氧过程中的副产品。由于在空气中的含量是氧气的4倍，氮气必然用都用不完，甚至液氮在美国的售价只是牛奶的1/10。
       最后，机械设计上的突破使液氮成了比车用锂电池更具吸引力的选项。英国独立工程师彼得·迪尔曼的一项发明摒弃了液氮快速蒸发所需的昂贵换热器，而在液氮被放进汽缸的同时注入少量的水和防冻剂（如甲醇），使液氮快速沸腾并膨胀，从而压下汽缸内的活塞。迪尔曼说：“如果不这样做，你就得使用一套笨重、低效而昂贵的多级引擎。” 
     领导行业标准制定和认证的伦敦机械工程技师学会对德尔曼引擎公司的新产品印象颇佳，于是成立了一个由工程师、学者、政府官员和工业领袖组成的工作组来试验液氮技术的利用方式。
如果实践证明总成本更低且能快速加注燃料的氮能汽车可实现电动车的零排放，那么新一代氢燃料电池车或许将被取代。
       按本田公司的说法，驱动电动车的燃料电池效率要比内燃机高2到3倍。不幸的是，燃料电池车造价甚至比电瓶车还高。据估计，本田为FCXClarity开发的第三代100千瓦燃料电池组每套造价约为35万美元。梅赛德斯奔驰电池组造价也差不多。这就是本田只生产了200辆FCXClarity，而梅赛德斯奔驰也只生产了70辆F-Cells的原因。
      据估计，近年来汽车厂商将燃料电池组的造价削减过半。如今，这些电池组安装好后平均每千瓦造价降至1500美元，但仍比内燃机高出甚多。靠质子交换膜燃料电池技术压缩更多成本也不是件容易的事。
即便如此，近期巴黎车展上仍展出了7辆新款燃料电池汽车。当然，其中大都是概念车，但所有车都功能完备。看来汽车产业是在往电动汽车上下注，但其赌注是否下到了正确的技术上尚未可言。