汽车基础知识-氢燃料电池新能源汽车原理

  随着2019年7月在博鳌举行的全球新能源汽车峰会,汽车基础知识氢燃料电池汽车及相关技术再次引起了业界的高度关注。今天,我们来详细谈谈氢燃料电池。

  什么是氢燃料电池

  燃料电池是一种能量转化装置,它将燃料的电化学能量转化为电能。它也是一种类似电池的电化学发电装置,因此被称为燃料电池。相应的使用氢气作为燃料的燃料电池是氢燃料电池。可以理解为水电解成氢气和氧气的逆反应。所以反应过程干净高效。因为它不受热效率的限制,大约42%的传统发动机使用卡诺循环氢燃料电池的效率可以轻松达到60%以上。

  氢燃料电池汽车示意图

  氢燃料电池不像火箭那样通过氢氧燃烧的剧烈反应产生动能,而是通过催化装置释放氢中的吉布斯自由能。比如石墨和DIA都是碳的存在状态。但是DIA的形成需要高温高压。因此,这种形式的转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论的电化学能。你觉得很深刻很难理解吗?直接看动画吧。

  氢燃料电池的工作原理

  氢燃料电池的工作原理是氢被燃料电池阳极的催化剂(铂)分解成电子和氢离子(质子)。其中质子通过质子交换膜到达阴极,与氧反应生成水和热。相应的电子通过外部电路从阳极流向阴极,产生电能。

  氢燃料电池的关键技术是什么

  氢燃料电池的关键部件

  对于氢燃料电池的商业化,最大的挑战之一是成本控制。目前,燃料电池汽车的成本是普通汽车的5倍左右。它的核心部件叫做质子交换膜。它可以将氢中的电子分离成质子,然后将它们从阳极交换到阴极,与氧反应生成水和热。因此,质子交换膜的核心是铂催化剂。铂是一种贵金属,通常是结婚戒指的材料。为了促进大规模的商业应用,一方面需要减少催化剂的用量,另一方面需要寻求低成本的替代材料。

  氢燃料电池汽车的系统组成

  氢燃料电池汽车系统的组成(来自丰田)

  汽车基础知识说到氢燃料电池汽车,质子交换膜燃料电池(PEMFC)技术是目前的主流技术。其系统通常由燃料电池堆、储氢罐、动力电池、燃料电池DC升压转换器、动力控制单元和动力马达组成。目前领先的燃料电池堆功率密度可达3.1kW/L,最大输出功率可达114kW。由于每个燃料电池单元的输出电压仅为0.6~0.7V,因此需要与DC升压转换器和动力电池一起使用。所以电压可以适应650V的高电压来驱动动力电机。同时,类似的动力电池需要电池管理系统BMS,燃料电池也需要精确的监控管理系统FCMS,可以通过放电状态快速调整反应相关参数。为了储存氢气,通常使用70兆帕的高压液氢罐。

  氢燃料电池汽车的市场应用是什么

  1.丰田集团氢燃料电池汽车案

  丰田纯电动汽车和氢燃料电池汽车的发展路线

  目前,世界上许多汽车公司都推出了燃料电池车型,如宝马, 奔驰, 现代, 本田和丰田,其中丰田的发展更为系统和大规模。如丰田发展路线图所述,丰田主要在中低里程应用中推广纯电动汽车,并与中国比亚迪和宁德进行了广泛合作。另一方面,对于远程应用,丰田专注于氢燃料电池汽车的开发。通过长期投资,丰田,氢燃料电池汽车Mirai未来组合的价格已降至40万英镑左右。虽然还是很贵,但已经是行业标杆了。

  丰田氢燃料电池汽车Mirai未来组合

  2019年上海车展,丰田专门在丰田设立展台宣传氢燃料电池汽车Mirai未来组合从丰田氢燃料电池汽车Mirai未来组合的侧面展示可以看出,燃料电池堆放置在车身中部的驾驶员座椅下方。储氢罐位于传统油罐内。像大多数丰田混合动力车型一样,行李箱配备了支持动力电池,动力马达和动力控制单元位于前舱。

  丰田氢燃料电池汽车Mirai未来组合侧面展示

  除了乘用车,丰田早在日本世博会,爱知就将日野氢燃料电池公交车商业化。最近,丰田展示了新一代氢燃料电池公交车SORA的技术细节。从SORA的截面示意图可以看出,在客车前部上方放置了多个储氢罐。同时,燃料电池堆和动力马达电池等部件位于总线后面。其中,燃料电池乘用车Mirai未来组合的大量技术甚至零部件被重复使用。

  丰田氢燃料电池客车SORA外形示意图

  2.上汽集团氢燃料电池汽车案

  上汽大同氢燃料电池商用车G20FC外形展示

  与丰田集团相比,依靠中国同济大学对氢燃料电池的长期研究,上汽集团处于市场的前沿。在2019年上海车展上,上汽蔡斯展示了带氢燃料电池的G20FC商用车。只需一次5分钟的氢气注入,就可以行驶550公里。70兆帕高压液态氢储罐位于车辆后部下方,储存容量为6.5千克.位于车身前部的燃料电池堆和动力电机可以输出115千瓦的功率。

  汽车基础知识综上所述,氢燃料电池汽车因其清洁高效的特点而受到广泛关注。但仍有许多挑战亟待解决。一方面,关键部件质子交换膜的成本降低。另一方面是氢加气站的普及。让我们拭目以待。




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