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2023-07-16 18:15:21
氢燃料电池汽车能量控制策略（氢燃料电池车Fuelcell）
本篇主要来阐述氢燃料电池汽车（Fuel cell vehicle-FCEV），了解什么是氢能源汽车以及它的工作原理，氢能源对于碳排放有什么影响，以及氢能源汽车有哪些发展瓶颈。
氢能源汽车（FCEV）基本介绍
氢燃料电池车(Fuel cell vehicle-FCEV)是使氢或含氢物质与空气中的氧在燃料电池中反应产生电力推动电动机，由电动机推动车辆，广泛使用氢燃料作为交通能源是氢经济的一个关键因素。
氢能源汽车，使用氢为能源的最大好处是它跟空气中的氧反应，仅产生水蒸气排出，可以实现0排放，有效减少了传统汽油车造成的空气污染问题，这也是氢能源汽车区别于纯电动/混动汽车的显著特征，但目前它们并不像纯电动汽车、混合动力汽车以及插电式混合动力汽车那样普及。
丰田2022款 Mirai氢能源汽车（图片来源Toyaota网址）
电动和混合动力汽车越来越受欢迎，一部分原因是它们有助于降低排放到大气中的碳排放量，另一方面电动汽车充电要比氢能源汽车加氢更容易。但它们不是更环保驾驶的唯一选择，氢燃料电池电动汽车听起来像是科幻小说中的东西，但这些汽车的存在时间可能比你想象的要长。
氢能源汽车主要架构和组件
氢能源汽车架构和组件（图片来源afdc.energy.gov)
什么是燃料电池？
燃料电池的工作示意图（图片来源戴姆勒公司）
燃料电池是氢和氧之间发生电化学反应的装置，燃料电池的主要部件包括阳极、阴极和电解质。在电解质存在下，燃料离子（即氢离子）与氧离子反应以产生电、水蒸气和热。此外，该反应仅在800℃的温度下进行。因此，该反应的另一个名称是“冷燃烧”，这样产生的电力驱动电动机，电动机又旋转车辆的车轮。
单个燃料电池的厚度约为2毫米，但是，它只能产生1伏的电势差。因此，燃料电池电动汽车使用数百个燃料电池阵列，称为“燃料电池堆”。
氢燃料电池的工作原理
氢能源汽车是一种电动汽车，它使用燃料电池为电动机提供动力，而不是主要依靠锂离子电池组。
氢能源汽车也不像汽油车那样燃烧燃料，与电动汽车一样，氢能源汽车不会产生有害排放物，唯一的副产品是水蒸气，可以实现0排放。因为它们是电动汽车，所以你也会听到它们也被称为燃料电池电动汽车（FCEV）。
Mirai通过将氢与来自外部空气的氧结合来发电（图片来源Toyaota网址）
燃料电池在设计上类似于锂离子电池：它们有一个阳极、一个阴极和一个催化剂，触发电子和质子从泵入的氢气中分离。像电动汽车电池中的锂离子电池一样，氢能源汽车有多个燃料电池同时工作来发电，这种电池的集合称为氢燃料电池堆。
来自汽车车载燃料箱的氢气与燃料电池堆中的氧气结合，通过一种称为反向电解的过程发电。电子从氢气中移除，通过电路为电机提供动力，并与电路另一侧的氧气结合形成水蒸气，水蒸气通过汽车排气排出。
氢罐、电池和电机共同为FCEV提供动力（图片来源BMW）
根据情况，氢燃料电池产生的电力可以采取两种途径。这些能量要么直接为电动机提供动力，要么为一个小型锂离子电池充电，该电池有助于为电动机提供电力，并可以储存能量供以后使用。
该电池还可以从车辆的再生制动系统获取电力，以供以后使用，并在低能量驾驶期间存储来自燃料电池堆的多余电力。如果对发动机的要求更高，电池将起到帮助作用。
加氢与里程之间的关系
丰田Mirai燃料电池车的估计行驶里程为402英里（照片来源Toyota网址）
燃料电池电动汽车的氢燃料箱加氢的速度大约和汽油车加油一样快，这是氢燃料汽车比电池电动汽车具有的一个重要优势。你只要把车停到加油站，连接软管，大约五分钟后油箱就满了。
氢能源汽车相对于电池电动汽车的另一个优势是其行驶里程更长，根据相关数据显示，FCEV加满一次氢后可以行驶300到400英里（482km ~ 644km）。另一方面，所有电池电动汽车的平均行驶里程约为250英里（402km）。
FCEV可在车上安装多个氢气罐，但是如果处理不当，氢气可能会易燃，因此这些氢气罐壁厚和抗压性能必须经过严格的测试，以确保碰撞安全。车辆中还内置了故障保护装置，以确保在燃料电池被移除或过热的情况下，氢被分散和释放。
在高速碰撞中，传感器被设计成阻止氢的流动，任何泄漏的氢都会迅速安全地逃逸回大气（照片来源Toyota网址）
氢能源汽车面临的挑战和瓶颈是什么？
快速加氢，电力，以及唯一的副产品是水，这听起来像是完美的绿色交通工具，但是氢能源汽车有它的欠缺的地方。
2021，本田Clarity燃料电池的EPA续航里程额定值为360英里，装满氢（图片来源Honda）
第一点，氢能源车辆成本高。
虽然氢能源汽车的续航里程比电动汽车更长，但氢能源车辆的加氢成本更高，部分原因是氢的生产成本太高。氢虽然是地球上最丰富的元素，但将其提炼成一种可以为车辆提供动力的形式需要付出努力，而这种努力反映在每辆车储氢罐的成本中。
戴姆勒不久前宣布终止氢燃料电池乘用车研发计划，这意味着自2013年以来与福特和日产合作开发的项目已经停止，戴姆勒放弃燃料电池项目的核心原因是制造氢燃料电池乘用车的成本太高。
作为直接面向消费者的产品，氢能源汽车的价格是其购买的重要原因。一些组织对氢燃料电池汽车的成本进行了初步统计，FCEV的价格是BEV的1.5至2倍，是燃油汽车的3至4倍。如果氢燃料电池乘用车的成本居高不下，未来将很难有市场。
本田汽车安装储氢罐（图片来源网络）
丰田汽车的储氢罐（图片来源网络）
第二点，FCEV加氢基础设施目前也严重缺乏。
基础设施是FCEV的第二大障碍，如果未来加氢站布局不足，FCEV的市场会存在很大的挑战，截至目前，中国有59座加氢站在运营，53座在建，20座在规划，而且发展很慢。
全世界只有不到400个FCEV加氢站，尽管正在努力建设更多的加氢站。美国的目标是到2030年实现1000个在线加氢站，不过这比电动汽车充电站要少得多，截至2021电动汽车充电港在美国的数量约为11万个。
加氢站（图片来源网络）
加氢站（图片来源网络）
第三点，氢燃料的制造过程中存在大量排放。
氢能源汽车面临的另一个挑战是氢气的制造，尽管氢燃料电池汽车可以自己无排放运行，但制造氢燃料的工厂通常通过燃烧化石燃料，这一过程称为蒸汽重整。如果这种情况继续下去，FCEV将无法尽可能多地保护环境，也不能真正被称为零排放汽车。
图片来源Ifri
目前正在探索氢气制造的替代工艺，包括水电解，它使用太阳能等可再生能源发电，可用于将氢与水分离，如果这一技术的突破，将会对氢能源汽车市场的发展有很大的刺激作用。
第四点，技术问题不容忽视。
同济大学汽车学院副教授马天才表示，从产业链角度看，中国氢燃料电池发展在车辆水平和系统水平上与国外差距不大，虽然水平差距不大，但关键材料却很弱。
例如，电堆占氢燃料电池系统总成本的25%以上，其核心材料几乎全部依赖国外制造商，在催化剂领域，国内消费量是国外企业的3-5倍，主要来自国外企业，只有少数国内企业能够小批量生产。此外，质子交换膜、膜电极等主要由国外企业供应。
氢燃料电池堆工作原理（图片来源网络）
氢燃料电池堆工作原理（图片来源网络）
氢燃料电池汽车能否可以突破发展的瓶颈，迈向一个新阶段？
氢燃料电池汽车能否突破瓶颈，可以从以下四点进行探讨：
第一点是基础建设的发展，中石化、中石油以及国外能源巨头（比如壳牌）等能源终端企业进入氢能行业，开始进行大规模的基础设施建设。
第二点是产品开发，从产品端看，主流汽车公司和零部件公司需要进行长远的产品规划。
第三点是氢能供应链，从应用场景端来看，需要越来越多的氢能商业化公司，打造完善的氢能供应链。
第四点是氢能战略规划和发展，这一战略需要来自政府政策和支持计划。
从目前的市场发展可以看出，中国氢燃料电池乘用车的发展状况正在改善，在2020年新能源汽车补贴政策中，燃料电池汽车将以“以奖代补”的方式授予示范城市。如《广州市氢能产业发展规划（2019-2030年）》所述，广州市燃料电池乘用车将主要用于出租车、租赁等公共出行领域，预计2022年燃料电池乘客车数量将达到100辆左右。
在不久的将来，氢燃料电池乘用车的示范运营，或以租赁形式推广，将是一个合理的选择。从长远来看，随着示范运营规模逐步扩大，成本进一步下降，氢燃料电池乘用车走向普通消费者只是时间问题。
但是这些问题的解决，不会来得那么快。换而言之，氢燃料电池汽车在新能源汽车市场需要一段时间，根据相关专业人士预测，氢燃料电池乘用车达到一定规模需要大约5年时间，也就是说，消费者小规模购买至少需要五年时间。
氢燃料电池乘用车行业已经迎来春天
上海重塑能源科技有限公司董事长兼首席执行官林将燃料电池汽车的全球发展大致分为三个阶段：
第一阶段是燃料电池乘用车发展阶段，包括丰田、本田、奔驰等乘用车企业主导的燃料电池技术发展，为燃料电池技术的发展奠定了良好基础，实现了许多技术问题的突破。
第二阶段是燃料电池商用车的开发，在过去三四年中，燃料电池商用车在全球市场，特别是在中国保持了快速增长。无论是整车企业还是零部件企业，我们都逐渐将目光转向长期、高负荷商用车。
第三阶段，即从2020年开始，是燃料电池汽车新征程的开始。世界氢能应用的发展趋势逐渐清晰，商业化场景已逐步实现，并处于不断发展的过程中。
氢能源汽车在中国市场商业化
2018年9月28日，武汉首批氢燃料电池动力公交车在中国光谷武汉东湖新技术开发区359路公交线路试运行，武汉首座加氢站同步启用，标志着武汉市氢燃料电池动力公交车全面进入商业化示范运行新阶段。
全国首批氢燃料电池通勤客车在武汉开发区交付
全国首批氢燃料电池通勤客车在武汉开发区交付
2021年12月，上海将陆续上线31辆氢燃料公交车，覆盖嘉定、奉贤、金山、临港4个区域，目前已配套八座加氢站。
氢能源公交：2021/10/17 临港7路、临港7路B线正式投入运营(图片来源网络）
氢能源公交：2021/10/17 临港7路、临港7路B线正式投入运营(图片来源网络）
2022年2月，北京 2022 年冬奥会和冬残奥会开幕，根据北京冬奥组委公布的数据，北京冬奥会将示范运行超 1000 辆氢能源汽车，配备 30 多个加氢站，是全球最大的一次燃料电池汽车示范。包括来自丰田汽车、北汽集团、宇通客车、福田汽车等等一众车企的氢燃料电池汽车均将投入到北京冬奥会之中。
北京首座冬奥会配套加氢站顺利投运（图片来源网络）
延庆赛区北京公交氢能源公交车服务冬奥（图片来源网络）
结语
2020年，中国正式宣布力争2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和。此外，还包括二氧化碳、甲烷、氢氟化碳等，即涵盖了二氧化碳到非二氧化碳的全部温室气体。
减少二氧化碳排放量的手段，一是碳封存，二是碳抵消。一旦彻底消除二氧化碳排放，就能进入净零碳社会。
希望随着科技的发展，可以优化提氢能的工艺，使得制造过程更加的环保和低碳，进一步降低储氢的成本，可以大幅度刺激氢能市场的发展，为碳中和目标贡献一份份额。
2030年实现碳达峰目标（图片来源网络）
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