石油属于不可再生资源。在初中时,地理老师就曾讲过,地球现存的石油资源仅能用到2050年。也是在初中时,化学老师就曾讲过,氢是清洁的燃料,且生产容易。如果氢能够代替石油,那地球将实现真正的可持续发展。GMAT补习班
这个我在初中时就曾想过的问题,自然也有不少科学家去攻克。最早将氢能源应用在汽车领域的是韩国现代,但让人们熟知这一技术的是日本丰田。
丰田Mirai是丰田在上市的首款氢燃料电池汽车。Mirai是“未来”的罗马音拼写形式。相对于传统的燃油汽车,丰田Mirai的工作原理更加简单。
车辆大体可以分为三个部分。车头部分是“驱动单元”,车身中部“产能单元”,车身中后部是“储能单元”。
当车辆运作时,车头的进气格栅引入空气(氧气)到达“产能单元”也就是燃料电池,氢气也从“储能单元”被传输到“产能单元”。在这里氢气与氧气发生氧化反应,产生电能、热能和水。电能被传输到“驱动单元”用于驱动车轮,多余的电能被传输至车尾储存到储能电池中。热能用于保证反应温度,多余的热量通过冷却散失。水通过排水口排出。
丰田Mirai的“储能单元”除了有储能电池外,最重要的就是储氢罐。储氢罐共计两个,分别位于后轴的前后,总容量为122.4L压力可达70Mpa(国内储氢设备普遍为35Mpa)续航里程可达600km-700km,并且加氢就像加油一样简单,3分钟即可搞定。
对于氢燃料,人们率先想到“易燃易爆炸”。丰田Mirai的储氢罐采用三层设计,最内层的高分子聚合材料不会与氢气反应。中间层采用热塑性碳纤维增强塑料。最外层采用玻璃纤维聚合材料混合材质。储氢罐可以抵抗轻型武器的攻击,强度高的同时制造成本也非同小可。
氢气的爆炸极限为4%~75.6%,低于这个浓度或高于这个浓度即便遇火也不会爆炸。为了避免这一浓度范围,丰田Mirai的储氢罐配有易容泄压阀,在车辆着火的情况下易容泄压阀会快速排出储氢罐内的氢气。
发展的障碍
氢燃料电池确实为汽车工业找到了“新能源”但其发展也有不少障碍。
障碍一:氢的来源
电动汽车在宣传自己0排放无污染的时候,背后的火力发电站正在大肆消耗着煤炭等不可再生资源。而氢燃料电池汽车如今也要面临这一问题。虽然初中时我们就学过电解水制氢,但大规模的电解水制氢成本高。当前制氢手段还是要通过矿物、石油等不可再生资源制取。想要获得更纯净的氢气还需等待光电制氢技术的完善。
障碍二:高昂成本
丰田Mirai在日本当地售价高达741万日元折合人民币46万左右。抛开研发成本,车辆的制造成本也是非常昂贵,除了上述所说的碳纤维+复合材质的储氢罐,燃料电池组还需要贵金属——铂金。每辆丰田Mirai需要铂金15g左右,其他氢燃料电池汽车铂金使用量也在20g-50g左右,全球铂金矿总量为150t左右。如果能够找到更经济的材料替换,氢燃料电池汽车才能广泛普及。
障碍三:安全需验证
虽然丰田Mirai的储氢罐已经有众多安全技术加持,但其稳定性还有待商榷。氢气是极为活泼的气体,这也是为什么氢作为燃料没有普及的原因之一。目前还没有一家第三方机构对丰田Mirai的碰撞安全性做测试,想要普及到燃油车的水平,安全性即便没有提升也不能退步。
氢能源潜力无限
氢燃料电池汽车相对于燃油汽车实现了0排放。与电动汽车相比,氢燃料电池的报废电池污染更小,加氢更快捷。氢能源不仅对汽车有着变革的意义,对全球工业发展、能源体系也有着至关重要的作用。如果有一天人类可以完全掌握氢能源的使用,那将实现真正的可持续发展。
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