隨著2019年7月在博鰲舉行的全球新能源汽車峰會，汽車基礎(chǔ)知識氫燃料電池汽車及相關(guān)技術(shù)再次引起了業(yè)界的高度關(guān)注。今天，我們來詳細(xì)談?wù)剼淙剂想姵亍?/p>

　　什么是氫燃料電池

　　燃料電池是一種能量轉(zhuǎn)化裝置，它將燃料的電化學(xué)能量轉(zhuǎn)化為電能。它也是一種類似電池的電化學(xué)發(fā)電裝置，因此被稱為燃料電池。相應(yīng)的使用氫氣作為燃料的燃料電池是氫燃料電池?？梢岳斫鉃樗娊獬蓺錃夂脱鯕獾哪娣磻?yīng)。所以反應(yīng)過程干凈高效。因為它不受熱效率的限制，大約42%的傳統(tǒng)發(fā)動機使用卡諾循環(huán)氫燃料電池的效率可以輕松達(dá)到60%以上。

　　氫燃料電池汽車示意圖

　　氫燃料電池不像火箭那樣通過氫氧燃燒的劇烈反應(yīng)產(chǎn)生動能，而是通過催化裝置釋放氫中的吉布斯自由能。比如石墨和DIA都是碳的存在狀態(tài)。但是DIA的形成需要高溫高壓。因此，這種形式的轉(zhuǎn)化代表不同的吉布斯自由能。

　　吉布斯自由能是包含熵和焓理論的電化學(xué)能。你覺得很深刻很難理解嗎？直接看動畫吧。

　　氫燃料電池的工作原理

　　氫燃料電池的工作原理是氫被燃料電池陽極的催化劑(鉑)分解成電子和氫離子(質(zhì)子)。其中質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極，與氧反應(yīng)生成水和熱。相應(yīng)的電子通過外部電路從陽極流向陰極，產(chǎn)生電能。

　　氫燃料電池的關(guān)鍵技術(shù)是什么

　　氫燃料電池的關(guān)鍵部件

　　對于氫燃料電池的商業(yè)化，最大的挑戰(zhàn)之一是成本控制。目前，燃料電池汽車的成本是普通汽車的5倍左右。它的核心部件叫做質(zhì)子交換膜。它可以將氫中的電子分離成質(zhì)子，然后將它們從陽極交換到陰極，與氧反應(yīng)生成水和熱。因此，質(zhì)子交換膜的核心是鉑催化劑。鉑是一種貴金屬，通常是結(jié)婚戒指的材料。為了促進(jìn)大規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用，一方面需要減少催化劑的用量，另一方面需要尋求低成本的替代材料。

　　氫燃料電池汽車的系統(tǒng)組成

　　氫燃料電池汽車系統(tǒng)的組成(來自豐田)

　　汽車基礎(chǔ)知識說到氫燃料電池汽車，質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)技術(shù)是目前的主流技術(shù)。其系統(tǒng)通常由燃料電池堆、儲氫罐、動力電池、燃料電池DC升壓轉(zhuǎn)換器、動力控制單元和動力馬達(dá)組成。目前領(lǐng)先的燃料電池堆功率密度可達(dá)3.1kW/L，最大輸出功率可達(dá)114kW。由于每個燃料電池單元的輸出電壓僅為0.6~0.7V，因此需要與DC升壓轉(zhuǎn)換器和動力電池一起使用。所以電壓可以適應(yīng)650V的高電壓來驅(qū)動動力電機。同時，類似的動力電池需要電池管理系統(tǒng)BMS，燃料電池也需要精確的監(jiān)控管理系統(tǒng)FCMS，可以通過放電狀態(tài)快速調(diào)整反應(yīng)相關(guān)參數(shù)。為了儲存氫氣，通常使用70兆帕的高壓液氫罐。

　　氫燃料電池汽車的市場應(yīng)用是什么

　　1.豐田集團氫燃料電池汽車案

　　豐田純電動汽車和氫燃料電池汽車的發(fā)展路線

　　目前，世界上許多汽車公司都推出了燃料電池車型，如寶馬， 奔馳， 現(xiàn)代， 本田和豐田，其中豐田的發(fā)展更為系統(tǒng)和大規(guī)模。如豐田發(fā)展路線圖所述，豐田主要在中低里程應(yīng)用中推廣純電動汽車，并與中國比亞迪和寧德進(jìn)行了廣泛合作。另一方面，對于遠(yuǎn)程應(yīng)用，豐田專注于氫燃料電池汽車的開發(fā)。通過長期投資，豐田，氫燃料電池汽車Mirai未來組合的價格已降至40萬英鎊左右。雖然還是很貴，但已經(jīng)是行業(yè)標(biāo)桿了。

　　豐田氫燃料電池汽車Mirai未來組合

　　2019年上海車展，豐田專門在豐田設(shè)立展臺宣傳氫燃料電池汽車Mirai未來組合從豐田氫燃料電池汽車Mirai未來組合的側(cè)面展示可以看出，燃料電池堆放置在車身中部的駕駛員座椅下方。儲氫罐位于傳統(tǒng)油罐內(nèi)。像大多數(shù)豐田混合動力車型一樣，行李箱配備了支持動力電池，動力馬達(dá)和動力控制單元位于前艙。

　　豐田氫燃料電池汽車Mirai未來組合側(cè)面展示

　　除了乘用車，豐田早在日本世博會，愛知就將日野氫燃料電池公交車商業(yè)化。最近，豐田展示了新一代氫燃料電池公交車SORA的技術(shù)細(xì)節(jié)。從SORA的截面示意圖可以看出，在客車前部上方放置了多個儲氫罐。同時，燃料電池堆和動力馬達(dá)電池等部件位于總線后面。其中，燃料電池乘用車Mirai未來組合的大量技術(shù)甚至零部件被重復(fù)使用。

　　豐田氫燃料電池客車SORA外形示意圖

　　2.上汽集團氫燃料電池汽車案

　　上汽大同氫燃料電池商用車G20FC外形展示

　　與豐田集團相比，依靠中國同濟大學(xué)對氫燃料電池的長期研究，上汽集團處于市場的前沿。在2019年上海車展上，上汽蔡斯展示了帶氫燃料電池的G20FC商用車。只需一次5分鐘的氫氣注入，就可以行駛550公里。70兆帕高壓液態(tài)氫儲罐位于車輛后部下方，儲存容量為6.5千克.位于車身前部的燃料電池堆和動力電機可以輸出115千瓦的功率。

　　汽車基礎(chǔ)知識綜上所述，氫燃料電池汽車因其清潔高效的特點而受到廣泛關(guān)注。但仍有許多挑戰(zhàn)亟待解決。一方面，關(guān)鍵部件質(zhì)子交換膜的成本降低。另一方面是氫加氣站的普及。讓我們拭目以待。