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科普:氢燃料电池汽车不神秘

2017-11-20 作者:涵玉 来源:客车文明网
  2017年,科技部部长万钢为中国氢燃料电池汽车,尤其是氢燃料电池客车的发展指出方向。与此同时,越来越多的业内人士逐渐统一认识,氢燃料电池汽车是下一步的发展趋势。但广大用户却分成两类,一类是满怀期待在等待,一类是敬而畏之有担忧。其实,氢燃料电池汽车的原理并不神秘,其安全性也经过验证,完全不必顾虑。

  客车文明网为了向广大公交客运用户科普关于氢燃料电池汽车的研发原理和应用经验,特意联络到了北京亿华通副总经理戴威,请他结合理论和实践,为广大用户读者做氢燃料电池汽车的基础知识介绍:

  中学都学过电解水的逆反应

  正如电动车的出现先于内燃机(详见电动车的前世今生),氢燃料电池其实出现的也很早,英国人Grove早在1839年就发明了燃料电池。我们中学物理化学课上都学过电解水的实验,两根铂电极插入水中,通上电,一边生成氢气,一边生成氧气。燃料电池就相当于是电解水的逆反应,即氧气和氢气发生电化学反应,生成水、电和热。这是一个电化学反应过程而不是燃烧。

  说起来简单,其实现代氢燃料电池的研发技术含量非常高,并不是一个简单的放电或者充电的一个过程。燃料电池是一个多相多尺度动态复杂系统,涉及到气相、液相、固相,多尺度从催化剂的纳米尺度,到扩散层的微米尺度,到双极板的宏观尺度,燃料电池中温度、湿度、压力、流量、电流等各因素始终处于一个动态的平衡,各因素之间又相互关联,牵一发而动全身,是非常复杂的系统。

  以质子交换膜燃料电池为例,一个燃料电池单电池最中间的是质子交换膜,质子交换膜外观类似保鲜膜差不多,是非常透明非常薄的有机膜。贵金属催化剂是纳米级的小颗粒,附着在载体上,看起来像黑色的料浆。催化剂涂在膜的两边就叫CCM(Catalyst Coated Membrane),CCM两边加上碳纸,碳纸是碳纤维制成的多孔介质材料。把扩散层加到CCM两边组合成膜电极,膜电极四周有加强边,起到增强密封的作用。两块双极板夹膜电极形成一个三明治结构的单电池,很多单电池叠起来叫电堆。

  据客车文明网了解,质子交换膜燃料电池电堆通常用空气冷却(简称空冷)或者液体冷却(水冷)。空冷电堆空气流道很宽,空气既作为燃料的供应又作为冷却介质,因此空冷电堆体积相对较大。空冷的电堆因为通过空气的流动实现散热,所以通常功率不可能做到很高。从经验上来说,五千瓦是空冷电堆的上限,一般超过上限时就要用水冷电堆。

  燃料电池汽车是汽车工业发展的必然趋势

  提高效率是任何技术发展的必然方向,实际上从内燃机到混合动力到纯电动到燃料电池,走的正是提高效率的过程。

  因为汽车内燃机的效率受到热机卡诺循环的极限限制,约为40%左右,这是物理极限,要想突破这个物理极限只能采用别的模式,例如像纯电动汽车,或者燃料电池汽车。

  (作者注:此图油井效率有误,不是100%)

  根据上图Toyota(丰田)提供的计算数据,比较了不同技术从油井到车轮的综合效率。

  通常在汽油开采的环节效率是比较高的,但由于内燃机在车上的转换效率较低,所以综合效率相对比较低。电动车的在车上的转化效率较高大概为85%左右,但发电过程中发电厂的效率较低,综合效率跟混合动力相差不大。真正的效率突破是燃料电池。氢燃料电池在制氢环节可以达到67%的效率,而且在车上其能量利用效率也比较高,因为这是电化学反应,不是燃烧反应,所以效率可以达到55%,整体效率超过其他技术。这也就是为什么汽车的电动化和燃料电池汽车的发展一定是会是世界汽车工业发展的方向。

  燃料电池与动力电池的互补关系

  燃料电池和动力电池是有着本质区别的:与发动机很类似,燃料电池是一个发电机,是一个能量转换装置;动力电池是一个能量储存装置,是一个蓄电池。这种本质上的技术差异,就造成他们在应用领域有不同的优缺点。

  如上图所见,根据各自的技术特色,在实际应用当中,氢燃料电池汽车和电动车是一种优势互补关系。

  在短途轻载的应用领域,电动车应用于城市内日常外出时,充电和里程都完全可以满足客户的一般需求。但是在长途和中重载的领域,氢燃料电池汽车有非常明显的优势。首先,氢燃料电池汽加注的时间短,小车加注3到5分钟,大车加注10到15分钟,另外它的续驶里程长,一次加注小车可以行驶500公里,大车行驶300公里。由于氢燃料电池本身是发热量较大,可以给车内供暖,没有电动车冬天体验比较差的问题。

  从燃料消耗成本上来看,电动车比燃油和氢燃料都便宜,当氢燃料成本降到35块钱/公斤左右时,才有可能与目前柴油车的燃料成本持平,如果能低于这个价格,燃料电池汽车跟柴油车相比就有了运营成本的优势,更能支持燃料电池汽车可持续推广,,这也是氢燃料电池汽车推广过程中不可回避的一个问题。

  电动车还有一个潜在的问题在于充电速度和续驶里程间的矛盾,客户的基本需求是充电快跑得远,由于电池是一个能量储存装置,唯一的解决方案是超大功率充电,单个充电桩可达数百千瓦。当电动汽车大批量应用,例如10万辆汽车同时快速充电的时候,现有的电网难以负荷,可能需要重建。这是动力电池作为能量储存装置的天性所决定它会遇到天花板的问题,这也是电动汽车发展未来可能遇到的瓶颈问题。

  国外氢燃料汽车应用情况

  目前国外氢燃料电池汽车日本走的比较靠前。从氢燃料电池发动机的技术路线来看,以本田为代表的燃料电池乘用车的发动机注重追求高功率密度。因为轿车空间有限,必须用金属板、高压力才能够有足够的空间放置发动机,美国DOE的寿命指标是5000小时。

  相形之下,以美国US Hybrid公司为代表的客车燃料电池发动机功率密度较低,因为商用车空间足够大,对体积功率密度、重量功率密度要求比较低,可以用石墨板和低压,寿命相对比较长,美国DOE对燃料电池客车的寿命目标是两万五千小时。

  多人对燃料电池技术是否成熟还有顾虑,从技术上来说,燃料电池技术在公交车的应用已经得到验证,下图是美国目前正在示范运行的燃料电池客车的情况。



  据客车文明网了解,业界用来衡量车辆可靠性的一个重要指标叫平均故障里程。从美国燃料电池客车实际运营的情况来看,燃料电池客车的平均故障里程的指标已经非常接近DOE终极指标,其可靠性也高于整车的可靠性。

  中国氢燃料汽车商业化的前景

  目前电动汽车用户的的最大痛点是充电时间长、里程焦虑和冬季车内空调问题,而燃料电池汽车恰恰能解决这三个客户痛点。

  从全球来看,中国才是最适合发展燃料电池的汽车市场,首先,中国的雾霾之痛已经影响到了每一个人,而汽车尾气排放是造成雾霾问题的主要因素之一,零排放汽车是必然的发展方向。其次,中国新能源汽车是一个政策驱动的市场,政府补贴的强势驱动能缓解燃料电池汽车在早期推广时高额成本的问题;第三,燃料电池汽车的发展站在中国全球电动汽车第一这个巨人肩膀上的,大大节省了电动车零部件开发的成本。

  据客车文明网了解,我国的弃风、弃光、弃水现象比较严重,工业副产品氢气特别丰富,利用废弃的可再生能源制氢或者工业副产品氢气提纯,足以能够满足燃料电池汽车大规模的使用。我国跟国外比起来,低成本的氢气来源有非常大的优势,而我们的氢燃料汽车的市场容量和需求也非常广阔,这些都是我国独特的氢燃料电池汽车市场化发展的基石和优势,也是中国氢燃料电池汽车未来发展的强有力保障。

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