今年可以說(shuō)是電動(dòng)汽車安全元年，過(guò)去無(wú)論是廠商還是購(gòu)買電動(dòng)車的用戶，從來(lái)只關(guān)心性能和續(xù)航里程，沒(méi)人關(guān)心過(guò)電池安全，直到特斯拉曝出自燃事件后大家才開(kāi)始越發(fā)關(guān)注電動(dòng)車的安全問(wèn)題。這也讓很多過(guò)去不為人知、廠商避而不談的、三元鋰電池的性能缺陷逐漸浮出水面，讓人們逐漸意識(shí)到磷酸鐵鋰的好處。
如果拿三元鋰跟磷酸鐵鋰對(duì)比相信很多人很快就能知道磷酸鐵鋰正安全性方面的性能是要優(yōu)于三元鋰電池的，但是如果拿三元鋰與氫燃料電池對(duì)比，誰(shuí)更安全呢？過(guò)去人們總是談氫色變，覺(jué)得氫是一種比汽油還要危險(xiǎn)得多的能量?jī)?chǔ)備方式。事實(shí)果真如此嗎？氫燃料電池的工作原理是怎樣的？它的安全性是怎么設(shè)計(jì)的？與三元鋰相比誰(shuí)更安全？本期來(lái)為大家解讀
■氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)的核心技術(shù)：儲(chǔ)氫罐+燃料電池反應(yīng)堆
正如電動(dòng)車當(dāng)中的電池包一樣，儲(chǔ)氫罐是用來(lái)存儲(chǔ)氫氣的設(shè)備，燃料電池反應(yīng)堆是用來(lái)把氫氣和氧氣轉(zhuǎn)化成電能和水的設(shè)備。這兩者加在一起，就構(gòu)成了相當(dāng)于電動(dòng)汽車的電池包，能夠持續(xù)為電機(jī)和整車電器設(shè)備提供電力。
氫燃料電池的好處顯而易見(jiàn)，電力轉(zhuǎn)換效率極高，而且過(guò)程中十分安靜，也不會(huì)需要大量散熱。這就是為什么豐田Mirai僅僅攜帶 5kg 氫氣就能續(xù)航700公里+的原因。極大的能量密度和極高的能量轉(zhuǎn)換效率，是氫燃料電池最大的特點(diǎn)。燃料電池反應(yīng)堆的核心技術(shù)是質(zhì)子交換膜以及催化劑，這些技術(shù)目前主要被歐美大公司所壟斷，在中國(guó)并沒(méi)有形成太大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化。所以反應(yīng)堆被列為核心技術(shù)就很容易理解了，那么儲(chǔ)氣罐為什么也是核心技術(shù)呢？
■ 密封和耐久性能的好壞，決定了儲(chǔ)氣罐的性能
就如同一個(gè)大國(guó)的裝備制造水平一樣，在工業(yè)和民用領(lǐng)域，密封材料的性能也是衡量一個(gè)大國(guó)制造業(yè)水平的重要依據(jù)。歐美很多國(guó)家對(duì)于高性能密封材料的配方和制造工藝是絕對(duì)保密的。這就是為什么在傳統(tǒng)汽車領(lǐng)域，那些頂級(jí)性能的剎車系統(tǒng)和汽油柴油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油共軌系統(tǒng)都來(lái)自于歐美供應(yīng)商，因?yàn)樗鼈兊暮诵募夹g(shù)就是密封技術(shù)。
▲氫燃料電池儲(chǔ)氣罐的結(jié)構(gòu)
對(duì)于氫燃料電池車也是這樣，要想提高續(xù)航里程就需要多謝帶氫氣，而能夠儲(chǔ)存氫氣的壓力容器對(duì)于壓力的承受力，就是能夠攜帶氫氣多少的關(guān)鍵。正因?yàn)闅錃獾拿芏群苄?，所以必須?jīng)過(guò)壓縮甚至是低溫液化后，儲(chǔ)存在壓力容器當(dāng)中才能獲得足夠的能量密度，容器可承受的壓力越大，單位體積內(nèi)攜帶的氫氣就越多。而容器可承受壓力越大，也意味著對(duì)密封性能和抗壓性能的要求越高。豐田Mirai在氫氣儲(chǔ)存方面的性能是世界領(lǐng)先的，并且車型已經(jīng)量產(chǎn)，即便這樣，攜帶5kg的氫氣仍然需要兩個(gè)很大的儲(chǔ)氣罐，因此占據(jù)了車內(nèi)后部的很多空間，使得整車在造型上有別于傳統(tǒng)電動(dòng)車，車尾高度相對(duì)較高。
▲如此巨大的儲(chǔ)氫罐占用了大量空間，并且僅能儲(chǔ)存5kg氫氣
■ 儲(chǔ)氫罐對(duì)于安全性的設(shè)計(jì)有哪些？與三元鋰電池相比誰(shuí)更安全？
在整個(gè)燃料電池車運(yùn)作的過(guò)程中，燃料電池反應(yīng)堆是一個(gè)化學(xué)反應(yīng)的場(chǎng)所。它只需要源源不斷的供給少量氫氣就可以持續(xù)工作，如果發(fā)生氫氣泄漏或者安全事故，可以迅速切斷供應(yīng)氫氣的路徑來(lái)防止氫氣的燃燒。大家都能想到，最有可能影響燃料電池車安全性的是儲(chǔ)氣罐。
所以在設(shè)計(jì)儲(chǔ)氣罐時(shí)必須充分考慮安全碰撞問(wèn)題：一方面儲(chǔ)氣罐的殼體材料需要夠輕，另一方面需要有足夠的強(qiáng)度用于耐受撞擊。因此，儲(chǔ)氫罐一般都是以成本高昂的碳纖維及其它復(fù)合材料組合而成。但是，我們知道，不管用多么堅(jiān)固的材料制造儲(chǔ)氣罐殼體，也只是在一定的速度條件下，能保障碰撞的安全性。然而實(shí)際道路行駛時(shí)的速度，肯定要遠(yuǎn)高于實(shí)驗(yàn)室做安全碰撞的速度，那么一旦儲(chǔ)氫罐破裂，造成氫氣泄漏與空氣混合在一起是不是就會(huì)馬上發(fā)生爆炸呢？
事實(shí)上，在儲(chǔ)氫的設(shè)計(jì)中都考慮到了這一點(diǎn)。正因?yàn)閮?chǔ)氫罐內(nèi)部的氫氣壓力很大，所以在儲(chǔ)氣罐上設(shè)計(jì)有緊急泄壓閥，一旦發(fā)生氫氣泄漏或著火，緊急泄壓閥會(huì)自動(dòng)打開(kāi)并迅速釋放儲(chǔ)氣罐內(nèi)的氫氣。我們知道氫氣的密度比空氣小得多，并且必須與氧氣結(jié)合才能產(chǎn)生燃燒或者爆炸，被高壓釋放的氫氣在靠近儲(chǔ)氣罐的部分由于壓力高流速極快，沒(méi)有什么機(jī)會(huì)與氧氣接觸，而遠(yuǎn)離儲(chǔ)氣罐的氫氣由于其密度小的特點(diǎn)，又會(huì)迅速的在空氣中上升。即便這個(gè)時(shí)候空氣當(dāng)中有明火能夠滿足引燃條件，那么也僅僅只是在空氣上空形成一個(gè)火球，并不會(huì)對(duì)人員造成傷亡。這種高速釋放氫氣的技術(shù)也同樣被應(yīng)用在加氫站的大型儲(chǔ)氣罐之中。
▲氫燃料電池汽車的核心科技
與三元鋰電池相比，氫氣儲(chǔ)存過(guò)程當(dāng)中的安全性應(yīng)該是更高的，因?yàn)榭梢酝ㄟ^(guò)隔絕氧氣，或者迅速釋放的方式，讓危險(xiǎn)的氫氣迅速逃離人群，某種意義上來(lái)講甚至比液態(tài)的汽油更安全。而三元鋰電池會(huì)隨著時(shí)間的推移電池的老化，有可能在內(nèi)部發(fā)生短路的現(xiàn)象，或者因外力的撞擊導(dǎo)致內(nèi)部的短路自燃。最可怕的是，無(wú)論是由內(nèi)而外引發(fā)的自燃還是由外而內(nèi)導(dǎo)致的燃燒，過(guò)程中都會(huì)釋放大量氧氣，這就意味著即便與空氣隔絕，電池也會(huì)越燒越旺。
■ 氫能源與三元鋰電池的發(fā)展前景
在中國(guó)，三元鋰電池最大的優(yōu)勢(shì)，就是在近幾年國(guó)家政策的傾斜鼓勵(lì)下產(chǎn)能得到了極大的發(fā)展，可以說(shuō)中國(guó)公司是掌握其核心技術(shù)的，并且一躍成為了全球最大的鋰電池生產(chǎn)國(guó)，成本得到了極大的降低，已經(jīng)完全形成了規(guī)模產(chǎn)業(yè)。而氫燃料電池技術(shù)，無(wú)論是反應(yīng)堆催化劑的工藝配方，還是儲(chǔ)氣罐的核心技術(shù)，中國(guó)都沒(méi)有形成規(guī)模產(chǎn)業(yè)，所以成本極高。但是中國(guó)卻又非常具備發(fā)展氫能源的產(chǎn)業(yè)條件，每年國(guó)內(nèi)石化行業(yè)產(chǎn)生的氫氣副產(chǎn)品足夠用于車輛使用，氫氣獲得成本比較低，而且不需要依賴電解水這種高耗能的方式獲得氫氣，這為大規(guī)模發(fā)展燃料電池汽車奠定了良好的基礎(chǔ)。
