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未来科技已驾到!氢燃料电池车技术解析

未来科技已驾到!氢燃料电池车技术解析

氢燃料最近很火。11月18日,丰田汽车在日本正式发布了其量产版氢燃料电池车mirai,并准备在日本上市;而就在11月中旬,本田也发布了其最新的氢燃料电池车fcv sedan,并表示将在明年3月上市;与此同时,大众集团毫不示弱,在洛杉矶车展上展示了旗下包括奥迪a7 sportback h-tron quattro等在内的三款氢燃料电池车。

  车企们如此密集的动作,正在传递着一个清晰的信号:氢燃料电池车已不再是一个“未来传说”,而是即将市场化的最新一代绿色环保汽车技术。作为一个让我们稍感陌生的词语,“氢燃料电池车”究竟是什么?它的工作原理是怎样的?与其它诸如纯电动车等车型相比,它的优势到底在哪?本文将为您进行一一解读。

  氢燃料电池车究竟是一种怎样的车?

  目前,混合动力车与纯电动车在市场上正在被逐渐地接受,成为继普通内燃机车之后,汽车在动力形式上的一大转变。

  混合动力车依靠燃油发动机与电动机协作的方式提供给车辆驱动力。一般而言,混合动力车在起步等低速情况下采用纯电动驱动,在急加速等情况下采用燃油机+电动机的双重动力驱动,以达到增加燃油经济性的效果。(如丰田普锐斯、大众高尔夫gte、福特蒙迪欧混动版等都属于典型的混合动力车)

  还有一类增程式混合动力车,也同时搭载了燃油机与电动机。只不过,其车辆本身是靠着电动机来驱动的,通常燃油机的任务是为车载蓄电池充电,因此燃油机自身不参与车辆驱动过程。(如宝马i3增程版、雪佛兰沃蓝达)

  纯电动车则比较单纯,车辆驱动完全依靠电动机来完成,车内没有装备任何传统的内燃机,而电动机所需的电能来自于车上搭载的蓄电池。(如特斯拉model s、日产聆风、雷诺zoe等都是此类车型)

  现在回到主题:氢燃料电池车。虽然名字很长,但简单地说,它更像是一种增程式电动车。

  也许有些人会认为氢燃料电池车是以燃烧氢原料作为动力的。其实不然,氢燃料电池指的是氢通过与氧的化学反应,从而产生电能的装置。(单纯依靠燃烧氢来驱动的“氢内燃机车”也曾出现过,比如宝马的氢能7系)

  氢燃料电池车的驱动力来自于车上的电动机,就像纯电动车一样。所以可以理解为一辆“自带氢燃料发电机的电动车”。其理念与增程式车型相类似,只不过电能的来源由一台燃油机变成了氢燃料动力单元。

  氢燃料电池车的工作原理到底是怎样的?

  目前,各个车企的氢燃料电池车在基本原理上是较为一致的,只是在细节设计上有所区别。下面小编以丰田刚刚发布的氢燃料电池车mirai为例,来为您解析氢燃料电池车的“秘密”。

  mirai的动力系统被称为tfsc(toyota fc stack),即丰田燃料电池堆栈,是以燃料电池堆栈为核心组件的一套复杂混合动力系统。另外还包括燃料电池升压器、高压储气罐以及驱动电机等部分。燃料电池堆栈位于车身下部,是氢气与氧气进行反应的场所,也是氢燃料电池车的关键。

  在燃料电池堆栈里,将进行氢与氧相结合的反应,其过程中存在电荷转移,从而产生电流。与此同时,氢与氧化学反应后正好生成一氧化二氢,即水。

  燃料电池堆栈作为一个化学反应池,其最为关键的技术核心在于“质子交换薄膜”。

  在这层薄膜的两侧紧贴着催化剂层,将氢气分解为带电离子状态。随后携带电子的氢通过这道薄膜,留下身上的电子,变成正价氢质子,并通过薄膜到达另一端。紧接着,氢质子与氧在薄膜的另一端结合,同时所丢失的电子被“还给”它,产生水。水成为了该反应过程中的唯一“废料”。

  随着氧化反应的进行,电子不断发生转移,就形成了驱动汽车所需的电流。如果说,氢燃料电池车的技术突破是在发明一种汽车,倒不如说是在发明一种全新的“发电机”,然后整合进一部车子里。

  在燃料电池堆栈中,排布了诸多薄膜,可以产生大量的电子转移,形成供车辆行驶所需的电流。一般情况下,这些电流所产生的整体电压为300v左右,不足以带动一台车用大功率电机。因此,像mirai这样的氢燃料电池车还装备了升压变压器,将电压升至600v以上,从而顺利推动电动机。

  除了电能产生的燃料电池堆栈外,氢燃料电池车的动力系统中还包括储氢罐,用来存储产生电能需要的氢原料。由于氢气在一般气压下的密度较低,且为气体状态,想要得到足够的氢气来供应燃料电池堆栈,就需要进行压缩,因此储氢罐的设计与强度也十分重要。丰田mirai拥有三个储氢罐,奥迪a7 sportback h-tron quattro则有四个。

  当然,氢燃料电池车也搭载有一套蓄电池,平时将氢燃料堆栈所产生的多余电能储存起来,在制动时,回收的电能也可储存在里面。

  氢燃料电池车优势何在?

  1零排放

  前面已经提到,氢燃料电池堆栈在产生电能的过程中只产生水,因此它最为耀眼的优势便是真正地实现了“零排放”目标。这听起来似乎不可思议,但事实的确如此。

  2消除“里程忧虑”

  一般情况下,氢燃料电池车每行驶100公里需要大约需要一公斤氢气。而像丰田mirai、奥迪a7 sportback h-tron quattro这样的车型可储存约5公斤左右的压缩氢气。理论上,在加满氢的状态下续航里程达到500公里不成问题。

  3燃料补充时间与燃油车相当

  氢燃料电池车加注氢气的过程非常快速便捷,专用的加氢设备可在几分钟之内加满氢原料。相对于纯电动车较长的充电等待时间,优势极其明显。

  4性能叫板燃油车

  奥迪a7 sportback h-tron quattro作为一款氢燃料电池车,前后轴各配备了一台最大输出功率85kw,最大扭矩270nm的电动机,总功率达170kw,更提供了高达540nm的扭矩。该车0-100km加速7.9秒,最高时速180km/h,可与汽油车媲美。

  结语:

  作为刚刚进入实用化阶段的氢燃料电池技术而言,依旧存在着一些缺点。比如在价格上,丰田mirai的建议售价为723.6万日元,约合38万元人民币,依旧高于普通汽车。而目前加氢站等支持设施也比较稀少,在补充燃料的便利性上还远远不能和燃油车相比。

  然而,随着技术的进步、基础设施建设的跟进以及新产品的逐步上市,兼顾了环保、性能和实用性的氢燃料电池车或将成为新能源汽车的终极解决方案,从而彻底取代传统内燃机车。我们可以试着想象一下,一个不再提及“气缸”、“排量”、“尾气”的世界,将会是什么样子?

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