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科普:氫燃料電池汽車不神秘

2017-11-20 作者:涵玉 來源:中國客車網
  2017年,科技部部長萬鋼為中國氫燃料電池汽車,尤其是氫燃料電池客車的發展指出方向。與此同時,越來越多的業內人士逐漸統一認識,氫燃料電池汽車是下一步的發展趨勢。但廣大用戶卻分成兩類,一類是滿懷期待在等待,一類是敬而畏之有擔憂。其實,氫燃料電池汽車的原理并不神秘,其安全性也經過驗證,完全不必顧慮。

pp电子翻阅笔 www.ilsmx.icu   中國客車網為了向廣大公交客運用戶科普關于氫燃料電池汽車的研發原理和應用經驗,特意聯絡到了北京億華通副總經理戴威,請他結合理論和實踐,為廣大用戶讀者做氫燃料電池汽車的基礎知識介紹:

  中學都學過電解水的逆反應

  正如電動車的出現先于內燃機(詳見電動車的前世今生),氫燃料電池其實出現的也很早,英國人Grove早在1839年就發明了燃料電池。我們中學物理化學課上都學過電解水的實驗,兩根鉑電極插入水中,通上電,一邊生成氫氣,一邊生成氧氣。燃料電池就相當于是電解水的逆反應,即氧氣和氫氣發生電化學反應,生成水、電和熱。這是一個電化學反應過程而不是燃燒。

  說起來簡單,其實現代氫燃料電池的研發技術含量非常高,并不是一個簡單的放電或者充電的一個過程。燃料電池是一個多相多尺度動態復雜系統,涉及到氣相、液相、固相,多尺度從催化劑的納米尺度,到擴散層的微米尺度,到雙極板的宏觀尺度,燃料電池中溫度、濕度、壓力、流量、電流等各因素始終處于一個動態的平衡,各因素之間又相互關聯,牽一發而動全身,是非常復雜的系統。

  以質子交換膜燃料電池為例,一個燃料電池單電池最中間的是質子交換膜,質子交換膜外觀類似保鮮膜差不多,是非常透明非常薄的有機膜。貴金屬催化劑是納米級的小顆粒,附著在載體上,看起來像黑色的料漿。催化劑涂在膜的兩邊就叫CCM(Catalyst Coated Membrane),CCM兩邊加上碳紙,碳紙是碳纖維制成的多孔介質材料。把擴散層加到CCM兩邊組合成膜電極,膜電極四周有加強邊,起到增強密封的作用。兩塊雙極板夾膜電極形成一個三明治結構的單電池,很多單電池疊起來叫電堆。

  據中國客車網了解,質子交換膜燃料電池電堆通常用空氣冷卻(簡稱空冷)或者液體冷卻(水冷)??綻淶綞芽掌韉籃蕓?,空氣既作為燃料的供應又作為冷卻介質,因此空冷電堆體積相對較大??綻淶牡綞巖蛭ü掌牧鞫迪稚⑷?,所以通常功率不可能做到很高。從經驗上來說,五千瓦是空冷電堆的上限,一般超過上限時就要用水冷電堆。

  燃料電池汽車是汽車工業發展的必然趨勢

  提高效率是任何技術發展的必然方向,實際上從內燃機到混合動力到純電動到燃料電池,走的正是提高效率的過程。

  因為汽車內燃機的效率受到熱機卡諾循環的極限限制,約為40%左右,這是物理極限,要想突破這個物理極限只能采用別的模式,例如像純電動汽車,或者燃料電池汽車。

  (作者注:此圖油井效率有誤,不是100%)

  根據上圖Toyota(豐田)提供的計算數據,比較了不同技術從油井到車輪的綜合效率。

  通常在汽油開采的環節效率是比較高的,但由于內燃機在車上的轉換效率較低,所以綜合效率相對比較低。電動車的在車上的轉化效率較高大概為85%左右,但發電過程中發電廠的效率較低,綜合效率跟混合動力相差不大。真正的效率突破是燃料電池。氫燃料電池在制氫環節可以達到67%的效率,而且在車上其能量利用效率也比較高,因為這是電化學反應,不是燃燒反應,所以效率可以達到55%,整體效率超過其他技術。這也就是為什么汽車的電動化和燃料電池汽車的發展一定是會是世界汽車工業發展的方向。

  燃料電池與動力電池的互補關系

  燃料電池和動力電池是有著本質區別的:與發動機很類似,燃料電池是一個發電機,是一個能量轉換裝置;動力電池是一個能量儲存裝置,是一個蓄電池。這種本質上的技術差異,就造成他們在應用領域有不同的優缺點。

  如上圖所見,根據各自的技術特色,在實際應用當中,氫燃料電池汽車和電動車是一種優勢互補關系。

  在短途輕載的應用領域,電動車應用于城市內日常外出時,充電和里程都完全可以滿足客戶的一般需求。但是在長途和中重載的領域,氫燃料電池汽車有非常明顯的優勢。首先,氫燃料電池汽加注的時間短,小車加注3到5分鐘,大車加注10到15分鐘,另外它的續駛里程長,一次加注小車可以行駛500公里,大車行駛300公里。由于氫燃料電池本身是發熱量較大,可以給車內供暖,沒有電動車冬天體驗比較差的問題。

  從燃料消耗成本上來看,電動車比燃油和氫燃料都便宜,當氫燃料成本降到35塊錢/公斤左右時,才有可能與目前柴油車的燃料成本持平,如果能低于這個價格,燃料電池汽車跟柴油車相比就有了運營成本的優勢,更能支持燃料電池汽車可持續推廣,,這也是氫燃料電池汽車推廣過程中不可回避的一個問題。

  電動車還有一個潛在的問題在于充電速度和續駛里程間的矛盾,客戶的基本需求是充電快跑得遠,由于電池是一個能量儲存裝置,唯一的解決方案是超大功率充電,單個充電樁可達數百千瓦。當電動汽車大批量應用,例如10萬輛汽車同時快速充電的時候,現有的電網難以負荷,可能需要重建。這是動力電池作為能量儲存裝置的天性所決定它會遇到天花板的問題,這也是電動汽車發展未來可能遇到的瓶頸問題。

  國外氫燃料汽車應用情況

  目前國外氫燃料電池汽車日本走的比較靠前。從氫燃料電池發動機的技術路線來看,以本田為代表的燃料電池乘用車的發動機注重追求高功率密度。因為轎車空間有限,必須用金屬板、高壓力才能夠有足夠的空間放置發動機,美國DOE的壽命指標是5000小時。

  相形之下,以美國US Hybrid公司為代表的客車燃料電池發動機功率密度較低,因為商用車空間足夠大,對體積功率密度、重量功率密度要求比較低,可以用石墨板和低壓,壽命相對比較長,美國DOE對燃料電池客車的壽命目標是兩萬五千小時。

  多人對燃料電池技術是否成熟還有顧慮,從技術上來說,燃料電池技術在公交車的應用已經得到驗證,下圖是美國目前正在示范運行的燃料電池客車的情況。



  據中國客車網了解,業界用來衡量車輛可靠性的一個重要指標叫平均故障里程。從美國燃料電池客車實際運營的情況來看,燃料電池客車的平均故障里程的指標已經非常接近DOE終極指標,其可靠性也高于整車的可靠性。

  中國氫燃料汽車商業化的前景

  目前電動汽車用戶的的最大痛點是充電時間長、里程焦慮和冬季車內空調問題,而燃料電池汽車恰恰能解決這三個客戶痛點。

  從全球來看,中國才是最適合發展燃料電池的汽車市場,首先,中國的霧霾之痛已經影響到了每一個人,而汽車尾氣排放是造成霧霾問題的主要因素之一,零排放汽車是必然的發展方向。其次,中國新能源汽車是一個政策驅動的市場,政府補貼的強勢驅動能緩解燃料電池汽車在早期推廣時高額成本的問題;第三,燃料電池汽車的發展站在中國全球電動汽車第一這個巨人肩膀上的,大大節省了電動車零部件開發的成本。

  據中國客車網了解,我國的棄風、棄光、棄水現象比較嚴重,工業副產品氫氣特別豐富,利用廢棄的可再生能源制氫或者工業副產品氫氣提純,足以能夠滿足燃料電池汽車大規模的使用。我國跟國外比起來,低成本的氫氣來源有非常大的優勢,而我們的氫燃料汽車的市場容量和需求也非常廣闊,這些都是我國獨特的氫燃料電池汽車市場化發展的基石和優勢,也是中國氫燃料電池汽車未來發展的強有力保障。

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