氢燃料电池原理(一文读懂氢燃料电池的工作原理)

“加氢几分钟,畅行数百公里。”这是上海车展期间,汽车零部件供应商博世氢燃料电池所打出的标语。

目前,大部分主机厂认为,未来汽车的能源方式并不会像如今的石油一样单一。氢燃料电池、三元锂电池等等,都可能依托于独有的优势,共生共存。

那么氢燃料电池到底是如何工作的呢?

氢燃料电池原理(一文读懂氢燃料电池的工作原理)

氢燃料电池的工作原理

首先要知道,氢燃料电池的电动车其驱动方式还是电机,氢只是用来反应发电的能源,最后与氧气反应产生电能,驱动车辆行驶。

一般氢燃料电池驱动总成主要包含五个子系统,分别是:“氢气子系统、热管理子系统、电机驱动子系统、空气子系统和电堆。”

氢燃料电池原理(一文读懂氢燃料电池的工作原理)

其中氢气子系统的作用是负责车辆氢能源的储存与供给。氢气一般被压缩成液态氢储存在储氢罐,相当于燃油车的油箱,电动车的电池。

氢燃料电池原理(一文读懂氢燃料电池的工作原理)

在使用过程中,氢气子系统需要向电堆供应适量的氢气。在供应氢气的管路上安装有高压传感器,检测压力,这方面和燃油车供油系统的上的压力传感器一样。

经过高压管道的氢气最终抵达氢气喷射阀(标识5),在ECU的控制下,氢气阀门通过背后的电磁阀开度,将需要量的氢气喷射到电堆。

氢燃料电池原理(一文读懂氢燃料电池的工作原理)

在整个氢气子系统的末端还有一个叫阳极循环泵(标识7)的回收装置。阳极循环泵其实就是将多余的氢气压缩后回收,类似于缸内直喷燃油车上的低压回油阀。

最后经过储存,输送,压力检测,电磁阀喷射、阳极循环泵回收多个环节,组成了一个高效的氢气供给系统。

与氢气反应的是氧气,而氧气的主要来源是大气。

但大气气压太低,为了给电堆提供足量的氧气,在供氧系统上增加有电子机械增压器,和燃油车上常见的机械增压系统的原理大致相同。不同的是,燃油车机械增压器采用油浮式转子,转子轴承上的润滑油会受热蒸发,导致进气混有适量的机油气体。

氢燃料电池原理(一文读懂氢燃料电池的工作原理)

电堆有大量的催化剂,蒸发机油气体可能会导致催化剂中毒。因此,供气系统必须保证吸入足量且纯洁的空气,所以氢燃料电池上的机械增压器转子也经过了特殊的设计,不再是传统的油浮式,还可以承受更高的转速。

经过过滤、压缩后的空气呈现高密度,高温状态,不能直接导入电堆,因此在增压器后的进气道上还设有一个中冷器,这个和燃油车上的中冷器是一致的。

同样,在这套进气系统上也设置有低压传感器(增压前)、高压传感器(增压后)、空气流量传感器(流量监测)、空气温度传感器(中冷器监测),电磁阀(将适量的空气喷射入电堆)等等,形成了一个高效的进气系统。

最后经过过滤,增压,降温的空气通过喷射电磁阀,被送到电堆阴极。

电堆:电堆是氢气和氧气进行化学反应的地方:2H2+O2=2H2O

其基本原理是电解水的逆反应,阳极是氢气,阴极是氧气。氢通过阳极向外扩散和电解质发生反应后,放出电子通过外部的负载到达阴极。

以上只是最简单的理论,要大规模普及氢燃料汽车仍有巨大的难度。

首先是催化剂中毒。氧气中带有的杂质可能会导致催化剂中毒,降低电堆效率。

第二是存氢难。储氢罐有很高的压力(上汽荣威950,采用了70兆帕储氢系统)、还有防止火烧爆炸,高密度等等都是储氢气存在的难题。因此、目前氢燃料电池主要适用于商用车。

除此之外,现场博世的工作人员向《高工车评》介绍,喷射阀门的噪音抑制也是一大难题。由于电磁阀是高压喷射,所以NVH的噪音很大。目前博世采用的喷射阀还有低压回流阀体积不到日系车型的三分之一,而且NVH的抑制也非常好,这是传统零部件厂商的优势。

从行业角度看,氢燃料电池占据有独特的优势:

在过去的十年,由于锂电池技术和产业的突飞猛进,氢燃料电池被过度轻视。而最近一两年锂电池行业遇到了一些瓶颈,氢燃料电池又重新引了主机厂的关注。

第一,锂电池技术突破难。虽然目前大多数电动车的续航都能达到600KM左右,但电池能量密度还是处于170KWH/KG的行业水平,长续航只是增加了了更多的电池,这会导致车辆交通浪费在运送电池本身上,既不经济也不合理。

而且锂电池在过去十年能量密度已经提高了2.5倍,已经达到物理化学极限,再提高就是安全极限的突破。因此,想要再提高能量密度是很困难的。如果一辆纯电动车想要NEDC突破800KM,势必需要依赖下一代电池技术的突破。

第二,充电慢。充电技术突破需要整个国家供电体系的优化。目前纯电动汽车充电时间远大于燃油车加油时间。

在这样一个背景之下,氢燃料电池依托于独有的优势,再次出现在大众的视野。而且在很多个方面,氢燃料电池都能避免纯电动汽车的短板。具有长期投资的优势。

第一、氢气的能量密度可以比电池更大。氢气释放电能其实就是一个氧化还原反应。如果储氢系统的压力足够大,小体积的液态氢可以达到很高的续航。

第二、加氢快。加注一罐氢气只需要三到五分钟,比充电更快,而且不用到处找充电桩。

除此之外,氢气也是最洁净的能源,氢燃料电池的反应产物只有水。

但是,氢燃料电池也存在很多困难。

第一、车载储氢技术。同样的质量,氢气的能量密度不低,但汽油,柴油在自然环境下就是液态,氢气需要压缩才能变成液态,还要保证安全。

目前70兆帕的储气系统每一升氢气的能量密度只有800WH,如果储氢系统想要达到80KW的能量,就需要100L的储气系统,体积相当庞大了。

第二、燃料电池技术。主要是电堆的膜电极和空气压缩技术,虽然都有所突破,但寿命还是太短了,国内只能做到几千小时的耐用,但丰田已经可以达到上万小时。

第三、供应链不成熟。氢燃料电池的大多数技术还不够成熟,目前推动氢燃料电池需要大量的进口元器件,价格高昂,很难控制整车成本,更无法普及。

第四、基础建设投资大。目前加氢站太少,而且加氢气站建设费用巨高(一个上500万左右)。纯电动汽车面临着充电不便的问题,氢燃料车也再所难免。氢燃料汽车需要加氢站,而且还不能像电动车在家里慢慢充,在某些条件下,还不如纯电动汽车方便。

总体上看,氢燃料电池汽车在理论上全面优于石油和锂电池,被誉为车用能源的“终极形式”。实际上,氢燃料电池的产业进化一直很慢。所以普遍认为氢燃料电池车应该先应用在商用车上,因为商用车的路线比较规律,对加氢站数量的需求就比较小。

未来,氢燃料电池汽车和纯电动汽车也应该会有各自的应用市场,共生共存。

视频、图文:李创权

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