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干货 | 同样烧氢气,氢燃料电池和氢内燃机差异在哪?

2022-12-08 19:55:48

近几年,在国内利好政策的助力下,新能源卡车势头非常强劲,其中氢能产业的快速发展更是在行业内掀起了新一轮热潮。不过谈起氢能源卡车,相信大多数卡友想到的还是氢燃料电池技术,而另一种最近关注度极高的氢内燃机技术路线,已悄然成为了各大车企未来主要发展方向之一。


那么氢燃料电池和氢内燃机这两种技术路线有何区别?各自优势又在哪?为何近期氢内燃机会受到各大车企的青睐?



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政策推动 氢能产业进入加速阶段







首先来说说为何要大力发展氢能,从政策层面来看,在碳达峰及碳中和目标大背景下,同时也作为我国“十四五”规划的重要内容,氢能产业可以说进入了快车道。


根据国家发展改革委近日发布的氢能产业发展中长期规划来看,明确“十四五”时期燃料电池车辆保有量将达到约5万辆,到2030年,形成较为完备的氢能产业体系,到2035年,氢能在终端能源消费中的比例明显提升。据悉,目前已有10多个省、50多个城市陆续发布了氢能产业专项规划。长三角、珠三角、环渤海等地区已初步形成氢能产业集群。



从商用车运营层面来看,目前我国新能源车型的主流技术路线还是以纯电动为主,在轻微卡车型、城市配送领域应用较为成熟。虽然纯电动线路在中重卡以及牵引车上也有大规模应用,但受限于锂电池的续航里程、充电时间以及重量等原因,很难满足中长距离的物流所需,因此这类纯电动产品主要还是在工程自卸、煤炭以及港口、倒短等特定工况场景下运营。





现阶段来看,纯电技术线路在长途运输上仍然存在较多瓶颈,技术方面也很难实现“跨越”式突破,而氢能的出现正好解决了这一难题。相比之下,氢气卡车的续航里程可与柴油、天然气相媲美,并且在氢气加注时间上也控制在10分钟左右,并且几乎没有碳排放。


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都是用氢燃料 两者有何区别?








氢燃料电池和氢内燃机都是使用氢能作为燃料,那么这两者的区别到底在哪里?首先来看氢燃料电池车型,其底盘结构和常见的电动卡车比较接近,同样配置有电机、电控以及电池三电系统等部件,不过在这基础上,氢燃料电池卡车还增加了燃料电池和储氢罐等部件。





目前,氢燃料电池卡车现主要采用质子交换膜燃料电池技术,其中燃料电池相当于是一种能量转化装置,依靠氢燃料电池电堆中的氢气与氧气产生电化学反应,产生电能驱动。简单来讲,氢能源卡车就是通过氢气和氧气在燃料电池中产生电力来给电动机供电,从而推动卡车在路上行驶,有着比较高的能量转换效率。





可以简单地将氢燃料电池可以理解为“化学能发电机”!氢燃料电池是一种能量转化装置,它能够将氢燃料通过化学反应转化为电能,类似于电化学发电装置,因此被称为燃料电池。


其发出来的电能经控制器、逆变器等多组电器部件后,可直接驱动电机,为车辆提供行驶的动能。由于分解后的氢气需要经过质子交换膜来不断地产生电能,氢离子和电子到达阴极板之后并不会凭空消失,而是与氧原子重新结合为水,其化学式为H20,也就说,几乎是零排放,零污染。



虽然氢燃料电池是目前主流的氢能技术路线之一,但其制造成本高昂,需要整体更新驱动系统。就拿氢燃料牵引车来说,动辄100-200万的价格对于普通用户而言,基本上是可望而不可求。因此,现阶段氢燃料重卡只适用于部分特定场景,短时间内很难在商用车上实现全面普及。



其实氢能并非燃料电池的专属,在内燃机领域早已开始将氢能作为燃料进行研发及应用。目前国内的一汽解放、潍柴、玉柴等企业已经上线了各自的氢内燃机产品,在满足几乎零碳排放标准的同时,还能实现更低的能耗,这种技术线路也是目前商用车向氢能化发展的主要方向之一。



氢内燃机车型底盘布局与传统燃油车更为接近,只不过是对发动机与燃料喷射系统等部件进行了重新改造和匹配,把燃油变为了氢气。


由于氢内燃机的主体结构与柴油机相差不大,因此两者之间的零部件通用性极高。就以康明斯近期推出的燃料不限定(fuel-agnostic)平台为例,氢内燃机与柴油机之间有高达80%的部件可以通用,更换发动机气缸盖以及燃料喷射系统以及发动机电脑板等部件,即可由柴油转氢气。


因此,氢内燃机技术线路不太会影响到企业的生产链条,可以有效降低制造成本。并且氢内燃机的技术与柴油机也比较接近,主流厂商都有足够的技术积累的研发条件,能够相对较快地进行普及和推广。而对于用户和车队来说,用更加经济的价格就能买到氢燃料卡车,可以在相对较短地运营里程内快速收回成本。


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氢内燃机和氢发动机 各自优势在哪?





很明显,氢内燃机采用的是传统燃烧反应,而氢燃料电池采用的则是电化学反应,两者有着本质上的区别。氢内燃机的优势在于与市场上保有量较大的柴油车有着较高的零部件通用性,可以在原有的内燃机工业体系上进行开发,其技术难度和成本都要比氢燃料电池更有优势,同时还继承了柴油发动机可靠耐用的出色表现,有着良好的燃料适应能力。


并且在后期维修保养方面,也有更加成熟的服务技术体系来保障用户正常运营,同时还具备满足更高排放法规的潜力,有利于相关政策环保要求。在新能源趋势下,传统车企、发动机企业想要实现快速转型,除了在纯电动方面大做文章之外,氢内燃机无疑成为了当下最忧选择。


而氢燃料电池技术线路由于需要更新整套驱动系统,并且在燃料电池堆中需要贵金属催化剂,因此整车无论是技术门槛还是制造成本,都要比氢内燃机更难、更贵。不过氢燃料电池的整体能量利用率比氢内燃机更加高效,如果用户是长途干线运输场景的话,且具备足够高的出勤率,那么长期运营成本仍然会比氢内燃机更低。


那么这两种技术路线到底该怎么选?谁才是未来主流趋势呢?我们在今年汉诺威车展上和康明斯工作人员进行了交流。他们认为,氢内燃机和氢燃料电池目前都有各自对应的运用场景和目标市场,康明斯在这两个方向都做了大量的研发投入,并认为这两条技术线路能够形成互补。无论是制氢、储氢、运氢以及配套基础设施建设再到最后用氢,实际两者上所需要的支持都比较接近,因此康明斯两手都在抓。


目前来看,无论是氢燃料电池还是氢内燃机技术路线,想要实现全面普及和商业化推广,现阶段面临大的难题还是在制氢、储氢、运氢以及建设加氢站等配套基础设施上,一个是安全问题,另一个则是高昂的建造费用。只有建设好完善的基础设施,才有可能降低氢能产业链各环节里的费用成本,从而让氢能商用车实现进一步跨越。



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