正儿八经的氢能车是怎么样的?氢燃料动力电池的原理是什么

2020-03-25      1239 次浏览

河南南阳水氢发动机事件的发酵,让人们再次关注到了氢能源。所谓的氢能车究竟是什么?它与燃油车、电动汽车有什么不同呢?


目前,所谓氢能车指的就是氢燃料动力电池车。但与锂离子电池不同,氢燃料动力电池实际上是一种氢与氧的化学反应而出现电能的装置。这一化学反应的最终产物只有水,不会像燃油车等排放碳氧化物、氮氧化物和硫氧化物等物质,因此氢气被认为是可以实现零排放的能源。


中科院大连化学物理研究所研究员、我国工程院院士衣宝廉曾提到,氢燃料动力电池车和普通燃油车的结构非常相似,只是把燃油车的油箱换为储氢罐,把燃油车的内燃机换为燃料动力电池的电动机。可以把氢燃料动力电池车看作是自带氢燃料发电机的电动汽车。


与电动汽车充电不同,氢燃料动力电池车的加氢过程与燃油车的加油过程相似,一般要3-5分钟,氢燃料动力电池车的续航里程与燃油车也类似,大约在400-600公里左右。


燃油车是通过汽油的燃烧释放化学能,转化为车子的动能。与燃油车不同,氢燃料动力电池中发生的并不是燃烧反应,而是氧化还原反应过程中,电子发生了迁移。在燃料动力电池中,阴阳极被电解质分开,导电离子在将阴阳极分开的电解质内迁移,电子则在外电路移动形成电流。在这一过程中,化学能被转化为了电能。


在这一化学反应过程中,催化剂亦是重要的一环。目前氢燃料动力电池车重要使用的催化剂为铂金,价格较为昂贵。以率先实现氢燃料动力电池车量产的丰田Mirai为例,到2017年末一辆车的用铂量在20克左右。


另一方面,被誉为氢能车之父的丰田汽车公司专业合伙人、日本九州大学国际碳中性能源研究所客座教授广濑雄彦也曾表示,广义的电动汽车包括纯电动汽车,插电式混合动力汽车,也包括氢燃料动力电池车。


这是因为,氢气的化学能转化为电能后,氢燃料动力电池车就和人们熟知的电动汽车相同,电能通过电动机转化为机械能,从而让车子动了起来。


氢燃料动力电池车发展现状


比起纯电动汽车和混动车,目前实现量产的氢燃料动力电池车并不多,全球首款大批量生产的氢燃料动力电池车是日本丰田汽车公司的Mirai(中文意为未来)。2014年十一月,该车于美国洛杉矶上市。当年十二月,Mirai便在日本境内贩售,当时售价为723.6万日元(约37.5万人民币),扣除日本政府的补贴后,消费者实际负担的金额在520万日元左右(约26.9万人民币)。


丰田Mirai内部系统展示图来自:丰田官网


根据丰田官网的介绍,Mirai重要的部件构成包括了两个高压储氢罐、储能电池、燃料动力电池堆、电机、动力控制装置等,电机最大输出功率为113kW,最大扭矩为335牛米。电池堆由370个重量为102克,厚度为1.34毫米的电芯堆叠而成;还有两个碳纤维制的氢气瓶,最大容积为122.4升,在70MPa的存储压力下可以存储5千克氢气。


在氢能的布局方面,日本也走在世界的前列。实际上,丰田早在1992年,就开始研究氢燃料动力电池汽车,当时起名为FCHV。而日本则于1993年启动了以氢能为核心的世界能源网项目,是最早系统指定氢能发展规划的国家;21世纪初,美国和欧洲先后跟上。


相比之下,我国的氢能产业发展起步较晚,2014年,我国国务院办公厅印发《能源发展战略行动计划(2014-2020年)》,将氢能与燃料动力电池列入20个重点创新方向之一。2018年五月,我国国务院总理李克强参观了位于日本北海道的丰田汽车厂,并考察了氢燃料动力电池车Mirai。2019年,《政府工作报告》中提到推进充电、加氢等设施建设。这是氢能首次被写入《政府工作报告》。


在国内市场上,氢燃料动力电池车亦有所成长,但重要集中在商用车领域。2018年我国氢燃料动力电池汽车产量为1619辆,其中专用车产量909辆,客车产量710辆。


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