用液态氢代替液态天然气,直接烧氢气岂不是比做成氢燃料简单?为何非要氢燃料电池?

电动爹再见!充氢5分钟,续航1000公里!氢能源时代真的要来了?

目前的电动汽车存在充能时间长,续航不稳定,冬季续航高速续航衰减严重,受充电设施制约等等问题,目前还很难取代燃油车,而所谓的电动汽车环保,无非是把城区的污染转移到了郊区,在中国火力发电占比高达70%的情况下,电动汽车何谈环保,而且电池污染也是一个不能回避的问题。那么是否有一种新能源,能够解决电动汽车的这些短板呢?答案是有的,那就是氢能源汽车。

氢能源汽车可以说才是真正的新能源汽车,它的充能速度快,3-5分钟就可以充满,它的巡航不受温度和速度影响,基本上可以行驶和标称续航差不多的距离,甚至可以更长,5月26日,氢燃料电池车全新Mirai的续航打破世界纪录,从法国巴黎南部奥利省HYSETCO出发,进行了一次历时22小时的续航挑战,一次加氢行驶距离达1003km。在测试结束后,Mirai的仪表盘上还显示有9公里续航。根据测算,Mirai的平均燃料消耗量为0.55公斤氢气/100 公里,按国内氢能每公斤30元计算,Mirai的行驶成本在16.5元/100公里。

很多人对于氢燃料汽车仍然还有很多疑问?下面我们就来聊聊氢燃料汽车的这些事。

1、氢燃料汽车为什么不直接燃烧氢气,而是要多此一举,把氢气转化为电能?

氢燃料汽车是将氢气送到燃料电池的阳极板(负极),经过催化剂(铂)的作用,转化为电能的,是不是多此一举呢?为什么不直接燃烧氢气呢?氢气的热值可是要比汽油高得多。事实上,也是有直接燃烧氢气的氢能源汽车的,比如说宝马氢内燃机项目Hydrogen 7轿车,和马自达RENESIS氢动力转子发动机。但是氢内燃机有两个问题难以克服。第一点是,氢内燃机的转化效率在40%左右,没有氢燃料电池汽车60%以上的转化效率高。因此续航要缩水20%左右。第二点就是,氢内燃机的安全性要比氢燃料电池汽车差一点,因为在氢燃料电池中氢气是附着在某些基质上的,而不是单质的气态或液态方式存在,因此安全性更高。

2、氢气安全吗?会不会容易爆炸?

很多人认为氢气不安全,是因为近两年有一起加氢站爆炸事故,但是几乎每年都会发生多次加油站爆炸,却很少有人质疑汽油不安全。氢气的确是存在一定的危险性,但是主要是发生在运输的过程中,在储存和使用的时候,氢气比汽油更安全,因为氢气的逸散速度快,很快就会飘向空中,不容易沉积,反而更安全。而在氢燃料汽车中,氢气被储存在金属内胆碳纤维钢瓶里,可以承受70Mpa的压力。冬奥会崇礼赛区50辆氢能源大巴将使用氢燃料为全球的奥运会参赛选手服务,如果氢气容易爆炸,是不可能作为奥运会的使用车辆的。

3、到哪里去加氢,加氢贵吗?

目前从全球来看,只有日本加氢比较方便,所以说,氢气如果要向民用车普及,还有很长的路要走,但是加氢站的建设也在紧锣密鼓的实施中,目前,国内加氢站一共有141座,其中119座正在运营,22座已经建成但是还未试运营,另外,还有73座正在建设,预计今年就可以完工,而中石化还计划在2021年建成100做加氢站。十四五期间,还要建成1000座加氢站,或者油氢合建站。目前我国的氢气价格是30元每千克,如果按照丰田MIRAI 5.6Kg氢气能跑850KM计算,大概为0.2元1公里,比可以安装家充的电动汽车行驶成本高,但是比在外面充电桩充电更便宜。

4、氢气从哪来?

很多人认为,氢气需要电解水而来,用电制氢再把氢气加注到车上,再用氢气发电,这完全是脱裤子放屁。但是氢气不止电解水一种来源,电解水出来的氢气比较纯净,但是我国存在大量的工业副产品氢气,每年大约有工业副产氢1000 万吨没有妥善利用,这部分氢气被称为“灰氢”,纯度不能达到99.97%的燃料电池车用氢气国家标准,但是中石化已经研发出了低成本的氢气提纯装置,可以低成本地将氢气的纯度提升至99.999%,否则,中石化怎么有底气要建设1000座加氢站?所以还以为氢气的制取要靠电解水,就有点落伍了。

5、为什么说氢能源是更环保的能源?

相比汽油燃料产生大量排放物,电动汽车看似环保,但是国内的电力大部分依赖于火力发电,而且电池的污染问题不容忽视。氢燃料汽车的所有排放物都是水,而且氢燃料汽车的电池使用类似于混动汽车,本身容量就不高,只是作为中转站,而且使用寿命长。至于氢气制取的污染问题,上文已经说过了,本身我国就有大量的工业副产品氢气,这部分氢气妥善利用起来,能够减少化石燃料的污染。

6、氢气这么好,为什么只有日本在开发?

事实上,日本确实走在了氢能源利用的前面,全球接近70%的氢燃料汽车专利都掌握在日本手里,但是韩国、美国、德国、中国等等国家都未放弃氢能源的研究,只不过日本作为岛国,忧患意识最强。氢气可以从水中提起,地球上也存在大量的氢元素,因此氢气可以说是取之不尽用之不竭的,一旦取得技术突破,石油美元将崩溃,能源安全问题不复存在。目前国内多个车企正在研发氢燃料汽车,而长城汽车已经研发出续航1000千米的氢燃料汽车,不久就会问世。

7、氢燃料汽车的发展,还存在哪些问题?

氢气的低成本提纯技术已经取得突破,安全也不是困扰氢燃料汽车的问题,那么阻碍氢燃料汽车发展的真正问题在哪呢?其实主要是两点。

第一点,氢燃料汽车的成本问题,我们都知道,氢燃料汽车的催化剂要使用贵金属铂,铂的全世界产量很低,价格也很贵,大概是黄金的4倍,铂经常被用来作为氢燃料电池汽车无法产业化的反面理由。不过,技术人员正在抓紧研究降低铂的使用量,目前本田Clarity催化剂Pt含量降至0.12g/kw,丰田Mirai燃料电池催化剂Pt含量达到0.175g/kw,而我国的铂用量大概在0.3~0.4g/kw,理想的铂载量为每车5g,与尾气催化剂铂含量接近。

第二点,氢气的大规模运输问题,目前高压气态储氢应用最为广泛,而低温液态储氢是比较理想的储氢技术,将氢气深度冷冻至21K液化,再装入隔温的槽罐车中运输,65立方米的槽罐车容量,可容纳4000kg氢气。但在目前的技术条件下,不同的运氢方式均有一定程度的危险性。如果能解决大规模,低成本、高安全性的氢气运输方法,氢燃料汽车的普及就指日可待了。

对于氢能源有质疑和不信任,是非常正常的事情,因为人们总是会对未知的事物恐惧,当初的电动汽车辐射致死论也是如此,但是不可否认的一点就是,氢能源的确是一种潜力很高的能源,一旦氢能源的技术取得突破,带来的技术发展将会是革命性的,我们不妨多以鼓励发展的眼光去看待氢能源的发展。

作为汽车新能源的应用行业,目前比较火爆的是氢燃料电池汽车,很多大的投资都进入了这个行业。氢气可像天然气那样直接用于发动机,它燃烧后生成水,不排放CO、HC、CO2,是非常干净的燃料。

1.氢气用作汽车能源的主要优点

(1)来源非常丰富。氢是宇宙中含量最丰富的元素之一。氢可由水电解而成,水的资源极其丰富。也可以以天然气、煤、硫化氢为原料制取。

(2)污染很少。

(3)热效率高。

2.氢气用作汽车能源的主要问题

(1)成本高。地球上氢气储量固然丰富,但以目前的技术,制取氢的成本太高。

(2)储带不便。氢气在汽车上的储带十分不便。

(3)动力性较差。

氢气作为汽车燃料是合理的,它的前景取决于制氢方法、携带技术有无突破性进展。氢气还是燃料电池的燃料。

这就涉及到氢的理化性质方面。

常温常压下,氢气是一种极易燃烧,无色透明、无臭无味且难容于水的气体。氢气是世界上已知的密度最小的气体,氢气的密度只有空气的1/14,即在0℃时,一个标准大气压下,氢气的密度为0.0899 g/L。氢气是密度最小的气体。空气平均密度为29,而氢气只有2。氢气会上浮到高层大气,在高压环境下,氢气会自燃。因此在自然界空气中存在氢气是很困难的。

既然有这么好的燃料,自然界又很少存在,用什么办法来获取呢?

工业上一般从天然气或水煤气制氢气,而不采用高耗能的电解水的方法。制得的氢气大量用于石化行业的裂化反应和生产氨气。氢气分子可以进入许多金属的晶格中,造成“氢脆”现象,使得氢气的存储罐和管道需要使用特殊材料(如蒙耐尔合金),设计也更加复杂。2018年2月,中国实现氢气的低温制备和存储,荣获科技部2017年度中国科学十大进展。

氢气的储存:由于氢气是一种易燃易爆的气体,难液化,储存和运输不方便也不安全。如何储存氢气是氢能源开发研究的又一关键问题。目前,人们发现某些金属合金如Ti—Fe、Ti—Mn、La—Ni等具有储氢功能。其中La—Ni合金在常温、0.152MPa下就能放出氢气,已用于氢能汽车和燃料电池中氢气的储存,新型储氢型合金材料的研制和实际应用对氢能源开发具有重要意义。

基于多种因素的考虑,现在暂时不用氢气做燃料,不过相信在不远的将来,会克服种种难题,找到解决的办法。

纯粹是为了经费,如果没有经费补贴,二逼才会开发氢能汽车,用屁股想想,就知道氢气在存储运输上行不通了,看看天然气存储运输,氢更严格。再说,氢气在地球上不存在,不像天然气天然存在,制取氢还得消耗其他能源,那么氢气根本不是能源,只不过是能量载体而已。既然是能量载体,何必不用电,?非得脱裤子放屁?还是因为电池能量密度没法解决,电动车替代不了燃油车,现在推广氢能源汽车,就间接证明电动汽车是个笑话,那么氢能汽车是不是更是笑话?

概念搞错了。天然气是天然的,不是人工合成的。天然气在自然界大量存在,成本低。氢燃料电池是将氢气和氧气的化学能直接转换成电能的发电装置。其基本原理是电解水的逆反应,把氢和氧分别供给阳极和阴极,氢通过阳极向外扩散和电解质发生反应后,放出电子通过外部的负载到达阴极。

电池的作用是提供电力,电力是通用能源,你燃烧氢气,产生的是热能,不是电能。燃烧天然气,是让天然气的热能转化为动能,驱动汽车。如果你的汽车是电动汽车,当然就不需要天然气做燃料了。

淘金客说:题主的问题实际上是两个:1、液态氢能代替液态天然气吗?2、燃烧氢气好还是用氢燃料电池好?以下我尽量用最容易理解的方式,倒过来说一下这两个问题。也可以直接看最后的结论

为什么用氢燃料电池?

其实很简单,因为氢燃料电池效率更高。氢气进入燃料电池,直接通过化学反应就产生电能,没有中间环节。氢的化学能到燃料电池输出的电能,淘金客本人亲自测试过的最高效率能达到60%!其余的能量变成热能。而且通常的规律是负载越低效率越高,因为这个过程中产生的热越少。即使只算发电效率50%(此时燃料电池的负载已经比较大了),电动机的效率也比较高能到90%,最终到车轮上动能有45%

燃烧氢气的效率低得多,用氢作燃料效率会高一些,但热机效率到顶也就是卡诺热机,汽车用的发动机还是按效率更低一些的奥拓循环和狄塞尔循环来设计的,效率更低,汽油机就是36%,柴油机高不了多少。通过变速箱输出到车轮上还会有损失,最终到车轮上……

燃烧氢气有过吗?

燃烧氢气并不是没有,火箭发动机就是燃烧氢气,因为液氢发动机的比冲值是所有化学能火箭发动机中最高的,没有之一。比冲这个概念嘛,简单说就是把1千克质量的物体在1秒内推动的距离,看谁用的燃料越少,则比冲值越高,单位是米/秒。再说明白一些,同样是把1吨重的卫星送进相同的轨道,液氢发动机消耗的燃料是最少的(不跟电磁推进器比啊)。

另外液氢发动机用另外美苏都有过用氢气驱动喷气式发动机的想法,也是准备用在超音速飞机上,但最后发现一个问题:液氢重量虽然轻,体积还是太大了。用在飞机上,体积意味着阻力大,用在汽车上,占去的空间大……在火箭上也不全用液氢,这个问题也是原因之一。题主提的烧氢的汽车以前就测试过如下图,波音最近还推出的氢动力无人机如下下图,也是燃烧氢气的发动机,主要是因为排放很干净很环保……

液氢能代替液态天然气吗?

相差太远了,天然气沸点是零下161度,而氢的沸点是零下252.78度,已经接近绝对零度啦。因此保存液氢需要极好的隔热条件,而且每天通常要蒸发掉1%以保证低温。火箭上的液氢可以发射前加注,不需要保存很长时间,家用汽车要是加上一箱液氢,放在车库里一周不用的话,就会有损失,而且损失的氢还要及时排出去,否则家里随便一个火星……这样用着实在让人太担心。

另外前面说过液氢太轻了,体积能量密度很低。按重量算热值比液化天然气高一倍多,但是按体积算就只有液化天然气的几分之一了!尽管比现在氢燃料电池汽车上的高压氢能量密度要高,但如果算上隔热容器,就很难说了……火箭上之所以能用液氢,还有个原因是一次装得多,所以比较划算——这个容易理解吧?燃料的量越大,容器的壁厚都差不多,所以容器在整个燃料系统中占得比值就越小……感受一下下图这个大众用在汽车中的储氢罐,目前还不确定装的是体积最小的液氢还是略大一些的高压氢……

结论

一、氢燃料电池的效率比燃烧氢的发动机高很多,所以要用它。多亏燃烧电池效率高,所以很大程度上弥补了氢的体积能量密度很低的弱点,氢燃料电池汽车的续航距离还能做得不错。

二、液氢代替液态天然气有困难,民用产品很难以很低的价格,长时间保存那么低温度的液氢。

三、汽车上空间有限,液氢的体积能量密度低于液化天然气,所以使用起来有麻烦。

四、就淘金客来看,目前气态氢、液氢存在的问题,是导致氢燃料电池汽车难以推广的重要原因,必须想一些其它方法,比如化学储氢技术等等

不用液氢原因是:氢原子非常小,现有材料基本没法储存,压力大到一定程度后氢原子会从材料的原子间隙跑掉。

燃料电池远氢气的原因是:燃料电池的催化剂和电池隔膜对氢气是现有技术最容易实现的。

能量密度高应该只是选择氢气附带的优点。氢气的存储是氢能源最大的障碍。

嗯,一眼看来确实是挺有道理的,不过仔细深究一下,就会发现有几个无法避免的问题限制了这种操作的可行性。

首先,氢更贵。道理很简单,天然气在地球上广泛存在,挖个坑,插根管,天然气就到手了。即便没有现成的,各种化工厂乃至于随便建个沼气池,都能获得天然气。所以,天然气的成本就降下来了。但氢气不同,大家都知道氢气制备最主要的方法就是电解水,在这个过程中需要消耗大量的电能,就这一点就确定了,氢气的成本比天然气的成本要大的多。

其次,直接把天然气换成氢气也是不现实的。天然气在罐内的状态十分稳定,但氢气就不一样了。有一种叫做”氢脆”的现象,通俗地讲,就是氢有可能对罐体造成一种类似腐蚀和使罐体变性的现象。而罐内压力巨大,一点点细小的变化都可能造成严重后果。所以现有的天然气罐用来储氢是不可以的。而氢的储存本身就是一个限制氢成为车辆燃料的重要因素。

最后,氢燃料电池的效率比单纯的烧氢要高的多的多。据说是传统内燃机的二到三倍!这意味着同样的燃料、车重,氢燃料电池能比传统汽车多跑二到三倍的路程!这是一个极大的诱惑。如果氢燃料电池成本大规模下降,这几乎是车辆的必然选择了。所以,除非氢气成本大幅下降、高密度储氢技术获得重大突破而氢燃料电池成本依旧居高不下,否则人类应该是不会制造烧氢气的汽车的。

公交车,大货车这样的大型带巨大碰撞缓冲尺寸的用氢能源我看行,私家车碰撞动不动就被大车挤烂了不适合,

氢气制取建议用多余的不很稳定时多时少的自然能源制作,比如太阳能电池,风能,潮汐能发电制取,还利于能源二次存储,

直接燃烧氢气本身没有技术问题,但在实际使用中“燃料氢气”的存放、运输、加氢站的建设在非常大的安全、技术问题,众所周知氢气是非常容易被引爆的.

目前已开发的氢燃料电池中氢气是附着在某些基质上的,并不以单质的气态或液态方式存在,这种基质对氢气的吸收和释放都相对缓和,从而取得良好的安全性.

比方讲:水在常温、常压下是液态,可以用罐子装着运,假如罐子破了,水流一地就没用了(如果换成氢气就是重大安全隐患),但如果运输中水是被保存在某些大分子吸水材料中(比如尿不湿里用的那种),那就安全多了.

看上面这么多人张嘴直接说为了骗补贴,只能说无知无畏,满脑子都是思维定式。

实际上氢能发动机早有了,本质上还是内燃机,与汽油发动机引擎原理相同。

但氢燃料电池虽然有个燃料二字,其实并不燃烧,只是在催化剂的作用下转化成电能。然后用电能通过电控电机驱动汽车。

第一要说好处最大的就是效率。电机电控效率都在百分之九十以上,氢燃料电池更是接近百分百。而内燃机热效率顶天也就百分之四十。这意味着车上一样放一个同样大小的氢罐,跑的距离翻倍!

第二个好处是排放。表面上烧氢产生水没有污染,但在实际发动机内燃烧,高温高压依然会产生二氧化氮之类的氮氧化合物,同样是污染。而氢燃料电池不存在燃烧所以真正零排放。同时也更安全。

第三个好处是电机转速范围更宽,低速时扭矩更大,不用配多速比变速箱,甚至不用变速箱。

另外电机寿命、nvh等方面遥遥领先发动机。

好处是明显的,但不商用不上市,原因是催化剂成本太高,而且技术专利大多在日本人手里。

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