鉅大LARGE | 點擊量：2718次 | 2019年05月10日
氫燃料電池到底是如何工作的呢？
“加氫幾分鐘，暢行數(shù)百公里。”這是上海車展期間，汽車零部件供應(yīng)商博世氫燃料電池所打出的標(biāo)語。
目前，大部分主機廠認(rèn)為，未來汽車的能源方式并不會像如今的石油一樣單一。氫燃料電池、三元鋰電池等等，都可能依托于獨有的優(yōu)勢，共生共存。
那么氫燃料電池到底是如何工作的呢？
首先要知道，氫燃料電池的電動車其驅(qū)動方式還是電機，氫只是用來反應(yīng)發(fā)電的能源，最后與氧氣反應(yīng)產(chǎn)生電能，驅(qū)動車輛行駛。
一般氫燃料電池驅(qū)動總成主要包含五個子系統(tǒng)，分別是：“氫氣子系統(tǒng)、熱管理子系統(tǒng)、電機驅(qū)動子系統(tǒng)、空氣子系統(tǒng)和電堆。”
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
其中氫氣子系統(tǒng)的作用是負(fù)責(zé)車輛氫能源的儲存與供給。氫氣一般被壓縮成液態(tài)氫儲存在儲氫罐，相當(dāng)于燃油車的油箱，電動車的電池。
在使用過程中，氫氣子系統(tǒng)需要向電堆供應(yīng)適量的氫氣。在供應(yīng)氫氣的管路上安裝有高壓傳感器，檢測壓力，這方面和燃油車供油系統(tǒng)的上的壓力傳感器一樣。
經(jīng)過高壓管道的氫氣最終抵達(dá)氫氣噴射閥（標(biāo)識5），在ECU的控制下，氫氣閥門通過背后的電磁閥開度，將需要量的氫氣噴射到電堆。
在整個氫氣子系統(tǒng)的末端還有一個叫陽極循環(huán)泵（標(biāo)識7）的回收裝置。陽極循環(huán)泵其實就是將多余的氫氣壓縮后回收，類似于缸內(nèi)直噴燃油車上的低壓回油閥。
最后經(jīng)過儲存，輸送，壓力檢測，電磁閥噴射、陽極循環(huán)泵回收多個環(huán)節(jié)，組成了一個高效的氫氣供給系統(tǒng)。
與氫氣反應(yīng)的是氧氣，而氧氣的主要來源是大氣。
但大氣氣壓太低，為了給電堆提供足量的氧氣，在供氧系統(tǒng)上增加有電子機械增壓器，和燃油車上常見的機械增壓系統(tǒng)的原理大致相同。不同的是，燃油車機械增壓器采用油浮式轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子軸承上的潤滑油會受熱蒸發(fā)，導(dǎo)致進氣混有適量的機油氣體。
電堆有大量的催化劑，蒸發(fā)機油氣體可能會導(dǎo)致催化劑中毒。因此，供氣系統(tǒng)必須保證吸入足量且純潔的空氣，所以氫燃料電池上的機械增壓器轉(zhuǎn)子也經(jīng)過了特殊的設(shè)計，不再是傳統(tǒng)的油浮式，還可以承受更高的轉(zhuǎn)速。
經(jīng)過過濾、壓縮后的空氣呈現(xiàn)高密度，高溫狀態(tài)，不能直接導(dǎo)入電堆，因此在增壓器后的進氣道上還設(shè)有一個中冷器，這個和燃油車上的中冷器是一致的。
同樣，在這套進氣系統(tǒng)上也設(shè)置有低壓傳感器（增壓前）、高壓傳感器（增壓后）、空氣流量傳感器（流量監(jiān)測）、空氣溫度傳感器（中冷器監(jiān)測），電磁閥（將適量的空氣噴射入電堆）等等，形成了一個高效的進氣系統(tǒng)。
最后經(jīng)過過濾，增壓，降溫的空氣通過噴射電磁閥，被送到電堆陰極。
電堆：電堆是氫氣和氧氣進行化學(xué)反應(yīng)的地方：2H2+O2=2H2O
其基本原理是電解水的逆反應(yīng)，陽極是氫氣，陰極是氧氣。氫通過陽極向外擴散和電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)后，放出電子通過外部的負(fù)載到達(dá)陰極。
以上只是最簡單的理論，要大規(guī)模普及氫燃料汽車仍有巨大的難度。
首先是催化劑中毒。氧氣中帶有的雜質(zhì)可能會導(dǎo)致催化劑中毒，降低電堆效率。
第二是存氫難。儲氫罐有很高的壓力（上汽榮威950，采用了70兆帕儲氫系統(tǒng)）、還有防止火燒爆炸，高密度等等都是儲氫氣存在的難題。因此、目前氫燃料電池主要適用于商用車。
除此之外，現(xiàn)場博世的工作人員向《高工車評》介紹，噴射閥門的噪音抑制也是一大難題。由于電磁閥是高壓噴射，所以NVH的噪音很大。目前博世采用的噴射閥還有低壓回流閥體積不到日系車型的三分之一，而且NVH的抑制也非常好，這是傳統(tǒng)零部件廠商的優(yōu)勢。
從行業(yè)角度看，氫燃料電池占據(jù)有獨特的優(yōu)勢：
在過去的十年，由于鋰電池技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的突飛猛進，氫燃料電池被過度輕視。而最近一兩年鋰電池行業(yè)遇到了一些瓶頸，氫燃料電池又重新引了主機廠的關(guān)注。
第一，鋰電池技術(shù)突破難。雖然目前大多數(shù)電動車的續(xù)航都能達(dá)到600KM左右，但電池能量密度還是處于170KWH/KG的行業(yè)水平，長續(xù)航只是增加了了更多的電池，這會導(dǎo)致車輛交通浪費在運送電池本身上，既不經(jīng)濟也不合理。
而且鋰電池在過去十年能量密度已經(jīng)提高了2.5倍，已經(jīng)達(dá)到物理化學(xué)極限，再提高就是安全極限的突破。因此，想要再提高能量密度是很困難的。如果一輛純電動車想要NEDC突破800KM，勢必需要依賴下一代電池技術(shù)的突破。
第二，充電慢。充電技術(shù)突破需要整個國家供電體系的優(yōu)化。目前純電動汽車充電時間遠(yuǎn)大于燃油車加油時間。
在這樣一個背景之下，氫燃料電池依托于獨有的優(yōu)勢，再次出現(xiàn)在大眾的視野。而且在很多個方面，氫燃料電池都能避免純電動汽車的短板。具有長期投資的優(yōu)勢。
第一、氫氣的能量密度可以比電池更大。氫氣釋放電能其實就是一個氧化還原反應(yīng)。如果儲氫系統(tǒng)的壓力足夠大，小體積的液態(tài)氫可以達(dá)到很高的續(xù)航。
第二、加氫快。加注一罐氫氣只需要三到五分鐘，比充電更快，而且不用到處找充電樁。
除此之外，氫氣也是最潔凈的能源，氫燃料電池的反應(yīng)產(chǎn)物只有水。
但是，氫燃料電池也存在很多困難。
第一、車載儲氫技術(shù)。同樣的質(zhì)量，氫氣的能量密度不低，但汽油，柴油在自然環(huán)境下就是液態(tài)，氫氣需要壓縮才能變成液態(tài)，還要保證安全。
目前70兆帕的儲氣系統(tǒng)每一升氫氣的能量密度只有800WH，如果儲氫系統(tǒng)想要達(dá)到80KW的能量，就需要100L的儲氣系統(tǒng)，體積相當(dāng)龐大了。
第二、燃料電池技術(shù)。主要是電堆的膜電極和空氣壓縮技術(shù)，雖然都有所突破，但壽命還是太短了，國內(nèi)只能做到幾千小時的耐用，但豐田已經(jīng)可以達(dá)到上萬小時。
第三、供應(yīng)鏈不成熟。氫燃料電池的大多數(shù)技術(shù)還不夠成熟，目前推動氫燃料電池需要大量的進口元器件，價格高昂，很難控制整車成本，更無法普及。
第四、基礎(chǔ)建設(shè)投資大。目前加氫站太少，而且加氫氣站建設(shè)費用巨高（一個上500萬左右）。純電動汽車面臨著充電不便的問題，氫燃料車也再所難免。氫燃料汽車需要加氫站，而且還不能像電動車在家里慢慢充，在某些條件下，還不如純電動汽車方便。
總體上看，氫燃料電池汽車在理論上全面優(yōu)于石油和鋰電池，被譽為車用能源的“終極形式”。實際上，氫燃料電池的產(chǎn)業(yè)進化一直很慢。所以普遍認(rèn)為氫燃料電池車應(yīng)該先應(yīng)用在商用車上，因為商用車的路線比較規(guī)律，對加氫站數(shù)量的需求就比較小。
未來，氫燃料電池汽車和純電動汽車也應(yīng)該會有各自的應(yīng)用市場，共生共存。
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