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涨知识|正儿八经的氢能车是怎样的?氢燃料电池的原理是什么

文字:[大][中][小] 发布时间:2019-5-28  浏览次数:143
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、电动车有什么不同呢?
目前,所谓“氢能车”指的就是氢燃料电池车。但与锂离子电池不同,氢燃料电池实际上是一种氢与氧的化学反应而产生电能的装置。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、中国工程院院士衣宝廉曾提到,氢燃料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电池的电动机。可以把氢燃料电池车看作是自带氢燃料发电机的电动车。
与电动车充电不同,氢燃料电池车的加氢过程与燃油车的加油过程相似,一般需要3-5分钟,氢燃料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。目前氢燃料电池车主要使用的催化剂为铂金,价格较为昂贵。以率先实现氢燃料电池车量产的丰田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向澎湃新闻(www.thepaper.cn)记者表示,广义的“电动车”包括纯电动汽车,插电式混合动力汽车,也包括氢燃料电池车。
这是因为,氢气的化学能转化为电能后,氢燃料电池车就和人们熟知的电动车一样,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电池车并不多,全球首款大批量生产的氢燃料电池车是日本丰田汽车公司的Mirai(中文意为“未来”)。2014年11月,该车于美国洛杉矶上市。当年12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主要的部件构成包括了两个高压储氢罐、储能电池、燃料电池堆、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,中国的氢能产业发展起步较晚,2014年,中国国务院办公厅印发《能源发展战略行动计划(2014-2020年)》,将氢能与燃料电池列入“20个重点创新方向之一”。2018年5月,中国国务院总理李克强参观了位于日本北海道的丰田汽车工厂,并考察了氢燃料电池车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,氢燃料电池车亦有所成长,但主要集中在商用车领域。2018年中国氢燃料电池汽车产量为1619辆,其中专用车产量909辆,客车产量710辆。

来源:新浪新闻