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    寶鄂百科

    實用性最接近燃油車的新能源汽車,電池工作特性還與內燃機相似

    來源:寶鄂實業    2019-03-08 11:22    點擊量:
    氫氣是一種可再生的能量載體。氫燃料電池系統和內燃機一樣,都是能量轉換裝置。豐田、本田、現代和奔馳先后推出了量產的氫燃料電池汽車?;ㄙM3-5分鐘加滿氫氣之后,綜合續航里程500-600公里。本文通過結構原理的類比,進一步介紹這種新能源動力系統。
     
     
    背景知識:單個燃料電池的基本原理
     
    一個燃料電池單體由質子交換膜(全氟磺酸膜)、鉑-碳(Pt-C)催化劑、氣體擴散層和氣體導流層組成。氫氣由導流層進入擴散層,在陽極催化劑(Pt-C)中失去電子。隨著氫離子H+離子的聚集,中間的質子交換膜作為酸性電解質開始遷移氫離子,然后在陰極催化劑(Pt-C)里和氧氣反應,最后產生水和熱量,電子在外圍電路形成電流。
     
    一個電池單體的電壓通常只有0.6~0.9V,因此需要幾百個單體串聯,例如豐田使用了370片。
     
     
    工作特性類比:氫燃料電池系統與內燃機
     
     
    要維持電池系統的運行,除了核心的電池組,還需要冷卻系統、空氣供給系統、氫氣供給系統和電氣系統等。這些系統需要被整合,做成一個非常緊湊的氫燃料電池系統,相當于內燃機動力總成。
     
    氫燃料電池的工作溫度為80°C左右,所以和內燃機類似,燃料電池也有冷啟動的概念,也要求低溫適應性,目前能做到零下30°C冷啟動。而且燃料電池運行后會持續產生熱量,所以其內部也有獨立的冷卻水循環系統,和內燃機類似。
     
    氫氣儲存壓力的國際標準是70MPa,約是691個標準大氣壓。氫氣需要經過減壓閥和穩流閥后變成0.16MPa輸入電池組。相應地,空氣過濾后需要通過壓縮機加壓到相同壓力??諝鈮嚎s機會消耗電池輸出功率的20%-30%,因此就必須保持氫氣較高的反應速率,否則就像汽車的怠速,輸出的功率大多消耗在氣門、油泵和內摩擦上,整體效率非常低。
     
     
     
     
    電池工作的時候會在陰極催化劑上生成水,如果水來不及排出去,過多的水會堵塞氣體擴散層的毛細孔,以多孔碳黑為基體的鉑催化劑會被淹沒,這都會阻礙電池的正常工作。另一方面,質子交換膜作為傳遞氫離子的酸性電解質,需要保持濕潤來維持導電性和離子濃度。
     
    所以,氫燃料電池既要用加濕器使進氣濕潤,又要及時排水。這就和內燃機的機油類似,既要維持運動部件接觸面的潤滑,同時也要及時回流。否則潤滑不良會造成磨損,氣缸壁機油過多就會燒機油。
     
     
    氫氣從哪里來
     
    1、現場制氫:電解水生產氫氣
     
    豐田、本田和日產等公司組建了一個加氫站建設運營公司,它們的加氫站采用太陽能發電,然后電解水產生氫氣。但是太陽能發電制氫的單日產量不穩定,產量也不高。因此有的方案使用電網的電源制氫,在用電需求低、電價低的波谷制氫,起到調峰作用。
     
    2、工業制氫:工業副產物
     
    氫氣是鋼鐵行業、煤炭焦化行業、合成氨、氯堿等化工行業的副產物,產量非常巨大,且價格低廉。例如,每生產一噸甲醇,就要產生大約550立方米的氫氣。這些工業副產氣體,經過提純和加壓之后被運送到加氫站。
     
    再或者,專門使用水蒸氣重整、自動供熱重整或部分氧化重整制氫。這些方法能夠把碳氫化合物(CH)原料轉化為氫氣,是專門的工業制氫方法。之所以提這個,是因為有的方案將這些技術小型化,直接安裝在加氫站里,用工業方法現場制氫。
     
    氫燃料電池系統核心技術
     
    1、質子交換膜以及催化劑
     
    質子交換膜需要有一定的強度,不破損、耐高溫、耐久性好,從而使電池的壽命長,輸出功率穩定,提高能量轉換效率。
     
    催化劑要求有很高的催化效率,特別是陰極的效率,還要求成本低。為了達成高效率、低成本的目標,目前的貴金屬鉑(Pt)已經制造到納米級的尺寸。為了進一步降低成本,豐田成功開發了先進的鉑-鈷(Pt-Co)催化劑?,F在外國先進系統的用量是0.4g/kW。
     
     
    2、空氣壓縮機
     
    作為外圍設備,空氣壓縮機成為核心技術,不是因為結構原理有多復雜。而是,壓縮機是耗能大戶、噪聲的主要來源,也是電池系統成本的大頭(約20%)。要求它能耗低、可靠性高、噪聲小、結構緊湊、控制系統足夠先進。
     
     
    3、70兆帕(MPa)儲氫罐
     
    耐高壓罐頭也是核心技術。前面已經提及,70MPa約是691個標準大氣壓。要求有極高的機械強度,耐撞、耐高壓、耐氫脆、耐刺穿等······
     
    豐田、本田和現代的儲氫罐,中間的加強材料是碳纖維。儲存壓力越高,儲存的氫氣就越多,關系到續航里程。目前國內加氫站和商用車的燃料電池,儲存壓力主要是35MPa。
     
     
    目前氫燃料電池汽車的補貼非??捎^,國家財政對每輛乘用車最高補貼20萬,輕型商用車30萬,重型商用車50萬。然后北京、上海和深圳等城市,還會以1:1的比例對每輛車追加補貼。比如上汽大通V80燃料電池版,指導價130萬,國家+地方補貼100萬,零售價30萬。在這種支持力度下,業內的動態很多,只排放水的氫燃料電池汽車將逐漸投放市場。

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