漲知識(shí)｜正兒八經(jīng)的氫能車(chē)是怎樣的？氫燃料電池的原理是什么
時(shí)間:2019-05-28 09:27來(lái)源:澎湃新聞 作者:徐路易 李九畹
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河南南陽(yáng)“水氫發(fā)動(dòng)機(jī)”事件的發(fā)酵，讓人們?cè)俅侮P(guān)注到了氫能源。所謂的“氫能車(chē)”究竟是什么？它與燃油車(chē)、電動(dòng)車(chē)有什么不同呢？
目前，所謂“氫能車(chē)”指的就是氫燃料電池車(chē)。但與鋰離子電池不同，氫燃料電池實(shí)際上是一種氫與氧的化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生電能的裝置。這一化學(xué)反應(yīng)的最終產(chǎn)物只有水，不會(huì)像燃油車(chē)等排放碳氧化物、氮氧化物和硫氧化物等物質(zhì)，因此氫氣被認(rèn)為是可以實(shí)現(xiàn)“零排放”的能源。
中科院大連化學(xué)物理研究所研究員、中國(guó)工程院院士衣寶廉曾提到，氫燃料電池車(chē)和普通燃油車(chē)的結(jié)構(gòu)非常相似，只是把燃油車(chē)的油箱換為儲(chǔ)氫罐，把燃油車(chē)的內(nèi)燃機(jī)換為燃料電池的電動(dòng)機(jī)。可以把氫燃料電池車(chē)看作是自帶氫燃料發(fā)電機(jī)的電動(dòng)車(chē)。
與電動(dòng)車(chē)充電不同，氫燃料電池車(chē)的加氫過(guò)程與燃油車(chē)的加油過(guò)程相似，一般需要3-5分鐘，氫燃料電池車(chē)的續(xù)航里程與燃油車(chē)也類(lèi)似，大約在400-600公里左右。
燃油車(chē)是通過(guò)汽油的燃燒釋放化學(xué)能，轉(zhuǎn)化為車(chē)子的動(dòng)能。與燃油車(chē)不同，氫燃料電池中發(fā)生的并不是燃燒反應(yīng)，而是氧化還原反應(yīng)過(guò)程中，電子發(fā)生了遷移。在燃料電池中，陰陽(yáng)極被電解質(zhì)分開(kāi)，導(dǎo)電離子在將陰陽(yáng)極分開(kāi)的電解質(zhì)內(nèi)遷移，電子則在外電路移動(dòng)形成電流。在這一過(guò)程中，化學(xué)能被轉(zhuǎn)化為了電能。
在這一化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中，催化劑亦是重要的一環(huán)。目前氫燃料電池車(chē)主要使用的催化劑為鉑金，價(jià)格較為昂貴。以率先實(shí)現(xiàn)氫燃料電池車(chē)量產(chǎn)的豐田Mirai為例，到2017年末一輛車(chē)的用鉑量在20克左右。
另一方面，被譽(yù)為“氫能車(chē)之父”的豐田汽車(chē)公司專(zhuān)業(yè)合伙人、日本九州大學(xué)國(guó)際碳中性能源研究所客座教授廣瀨雄彥也曾表示，廣義的“電動(dòng)車(chē)”包括純電動(dòng)汽車(chē)，插電式混合動(dòng)力汽車(chē)，也包括氫燃料電池車(chē)。
這是因?yàn)椋瑲錃獾幕瘜W(xué)能轉(zhuǎn)化為電能后，氫燃料電池車(chē)就和人們熟知的電動(dòng)車(chē)一樣，電能通過(guò)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，從而讓車(chē)子動(dòng)了起來(lái)。
氫燃料電池車(chē)發(fā)展現(xiàn)狀
比起純電動(dòng)汽車(chē)和混動(dòng)車(chē)，目前實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的氫燃料電池車(chē)并不多，全球首款大批量生產(chǎn)的氫燃料電池車(chē)是日本豐田汽車(chē)公司的Mirai（中文意為“未來(lái)”）。2014年11月，該車(chē)于美國(guó)洛杉磯上市。當(dāng)年12月，Mirai便在日本境內(nèi)販?zhǔn)郏?dāng)時(shí)售價(jià)為723.6萬(wàn)日元（約37.5萬(wàn)人民幣），扣除日本政府的補(bǔ)貼后，消費(fèi)者實(shí)際負(fù)擔(dān)的金額在520萬(wàn)日元左右（約26.9萬(wàn)人民幣）。
豐田Mirai內(nèi)部系統(tǒng)展示 圖來(lái)自：豐田官網(wǎng)
根據(jù)豐田官網(wǎng)的介紹，Mirai主要的部件構(gòu)成包括了兩個(gè)高壓儲(chǔ)氫罐、儲(chǔ)能電池、燃料電池堆、電機(jī)、動(dòng)力控制裝置等，電機(jī)最大輸出功率為113kW，最大扭矩為335牛米。電池堆由370個(gè)重量為102克，厚度為1.34毫米的電芯堆疊而成；還有兩個(gè)碳纖維制的氫氣瓶，最大容積為122.4升，在70MPa的存儲(chǔ)壓力下可以存儲(chǔ)5千克氫氣。
在氫能的布局方面，日本也走在世界的前列。實(shí)際上，豐田早在1992年，就開(kāi)始研究氫燃料電池汽車(chē)，當(dāng)時(shí)起名為FCHV。而日本則于1993年啟動(dòng)了以氫能為核心的世界能源網(wǎng)項(xiàng)目，是最早系統(tǒng)指定氫能發(fā)展規(guī)劃的國(guó)家；21世紀(jì)初，美國(guó)和歐洲先后跟上。
相比之下，中國(guó)的氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展起步較晚，2014年，中國(guó)國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃(2014-2020年)》，將氫能與燃料電池列入“20個(gè)重點(diǎn)創(chuàng)新方向之一”。2018年5月，中國(guó)國(guó)務(wù)院總理李克強(qiáng)參觀了位于日本北海道的豐田汽車(chē)工廠，并考察了氫燃料電池車(chē)Mirai。2019年，《政府工作報(bào)告》中提到“推進(jìn)充電、加氫等設(shè)施建設(shè)”。這是氫能首次被寫(xiě)入《政府工作報(bào)告》。
在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上，氫燃料電池車(chē)亦有所成長(zhǎng)，但主要集中在商用車(chē)領(lǐng)域。2018年中國(guó)氫燃料電池汽車(chē)產(chǎn)量為1619輛，其中專(zhuān)用車(chē)產(chǎn)量909輛，客車(chē)產(chǎn)量710輛。
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