氫燃料電池汽車其實(shí)并不神秘 看完你就知道它的工作原理了
來(lái)源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-03-27 12:02
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隨著環(huán)保法規(guī)的升級(jí)，新能源車受到了各家車企的追捧，除了眼前的電動(dòng)車盡享風(fēng)光外，充滿未來(lái)感的氫燃料汽車也是部分車企攻關(guān)的重點(diǎn)。在氫燃料汽車全面到來(lái)之前，我們不妨對(duì)氫燃料汽車提前多些了解。
氫燃料汽車不管帶有多少黑科技，但終究是一臺(tái)“車”，所以除動(dòng)力系統(tǒng)外，與現(xiàn)在成熟度相對(duì)較高的電動(dòng)車沒太多實(shí)質(zhì)性差別，也就是說(shuō)氫燃料汽車的獨(dú)特之處是在于氫燃料電池，和與之相匹配的是氫燃料的儲(chǔ)存。我們就看看氫燃料電池是如何工作和氫燃料如何實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)運(yùn)的。
● 原理是氫氧結(jié)合生成水 真正實(shí)現(xiàn)零排放
目前質(zhì)子交換膜燃料電池是受眾最廣的技術(shù)路線，因?yàn)槠湓诠ぷ鬟^(guò)程中不涉及氫氧燃燒，能量轉(zhuǎn)化率高、工作過(guò)程無(wú)污染、可模塊化發(fā)電，可靠性高、工作無(wú)噪音等優(yōu)點(diǎn)。
質(zhì)子交換膜燃料電池的工作原理如下：
電池工作時(shí)，向氫電極供應(yīng)氫氣，同時(shí)向氧電極供應(yīng)氧氣。氫、氧氣在電極上的催化劑作用下，通過(guò)電解質(zhì)生成水。這時(shí)在氫電極上有多余的電子而帶負(fù)電，在氧電極上由于缺少電子而帶正電。接通電路后，反應(yīng)過(guò)程就能連續(xù)進(jìn)行。
工作時(shí)向負(fù)極供給燃料（氫），向正極供給氧化劑（氧氣）。氫在負(fù)極上的催化劑的作用下分解成正氫離子和電子。氫離子進(jìn)入電解液中，而電子則沿外部電路移向正極。用電的負(fù)載就接在外部電路中。在正極上，氧氣同電解液中的氫離子吸收抵達(dá)正極上的電子形成水。這正是水的電解反應(yīng)的逆過(guò)程。
氫燃料以何種形態(tài)裝載汽車上是個(gè)大問題，安全性能、能源密度等都是評(píng)價(jià)其性能的重要指標(biāo)。目前，氫燃料的儲(chǔ)存方法大體可以分為三種，即高壓儲(chǔ)氫法、液態(tài)儲(chǔ)氫法和固體儲(chǔ)氫法。
液態(tài)儲(chǔ)氫法是在20.28K（-252.77攝氏度）的超低溫下將氫氣液化，然后儲(chǔ)存在低溫容器內(nèi)。優(yōu)點(diǎn)是儲(chǔ)氫密度最大，缺點(diǎn)是成本高，附屬系統(tǒng)龐大，故不適合做車載容器。
固體儲(chǔ)氫法，是利用固體對(duì)氫氣的物理吸附或化學(xué)反應(yīng)等作用，將氫儲(chǔ)存于固體材料中。固態(tài)儲(chǔ)存一般可以做到安全、高效、高密度，是氣態(tài)儲(chǔ)存和液態(tài)儲(chǔ)存之后，最有前途的研究發(fā)現(xiàn)。目前常見固體儲(chǔ)氫方式有合金儲(chǔ)氫、納米儲(chǔ)氫等。優(yōu)點(diǎn)是安全穩(wěn)定，缺點(diǎn)是成本過(guò)高。
目前，氫的制取、儲(chǔ)存和攜帶成本高、基建設(shè)施投資大等問題困擾著氫燃料汽車的前進(jìn)之路，近來(lái)豐田、現(xiàn)代等車企發(fā)布了燃料電池汽車可以說(shuō)在新能源的路上取得了階段性進(jìn)步。不過(guò)，從大范圍來(lái)說(shuō)，燃料電池汽車還處于探索階段，要使其形成規(guī)模，還有許多技術(shù)難題需要解決。
但與日本和美國(guó)等已經(jīng)接近百座的加氫站數(shù)量相比，仍有差距。除基礎(chǔ)設(shè)施外，低價(jià)制氫和運(yùn)輸也是氫燃料電池汽車進(jìn)一步普及和推廣的掣肘?；诖?，近段時(shí)間，一款能利用來(lái)源更廣泛的燃料 ——甲醇在車內(nèi)制氫并供給燃料電池使用的甲醇重整氫燃料電池汽車受到業(yè)界關(guān)注。
華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院教授、湖北省汽車工程學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)蔣炎坤在接受《中國(guó)汽車報(bào)》記者采訪時(shí)表示，甲醇重整氫燃料電池汽車是現(xiàn)階段環(huán)境和條件下更接地氣的一種技術(shù)路線，不僅能解決氫氣的制取和運(yùn)輸問題，且甲醇加注站的建設(shè)成本也更低。
優(yōu)勢(shì)： 成本低、來(lái)源廣、存儲(chǔ)方便
廣東合即得能源科技有限公司總經(jīng)理黃平將甲醇重整氫燃料電池汽車稱為“綜合了甲醇汽車和燃料電池汽 車特點(diǎn)的新型綠色能源動(dòng)力汽車”。
據(jù)悉，甲醇重整氫燃料電池汽車的基本工作原理與純氫燃料電池汽車類似，只不過(guò)甲醇重整器替代了儲(chǔ)氫罐。在重整器內(nèi)，甲醇和水的混合液被轉(zhuǎn)化為富氫重整氣，重整氣進(jìn)入高溫質(zhì)子膜電堆進(jìn)行發(fā)電，并向外部（即汽車）供應(yīng)電力。
與傳統(tǒng)燃油汽車相比，甲醇重整氫燃料電池汽車具有明顯的節(jié)能減排效果，其使用成本和購(gòu)置成本相對(duì)純氫燃料電池汽車也更低。
一位不愿具名的汽車企業(yè)負(fù)責(zé)人透露，從運(yùn)營(yíng)成本來(lái) 看，目前純氫燃料電池汽車的制氫成本大約為2元/kWh，如采用電解制氫方式成本將更高，這其中還不包括氫氣儲(chǔ)存、運(yùn)輸和加氫站的投資及運(yùn)營(yíng)費(fèi)用等。對(duì)于甲醇燃料電池客車來(lái)說(shuō)，采用的甲醇混合液成本約為1~1.5元/L，折合為0.9~1.3元/kWh，燃料成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于氫燃料電池，接近純電動(dòng)客車的電費(fèi)成本（1.2~1.6元/kWh）。“在氫氣制取、加注、儲(chǔ)運(yùn)等成本沒有重大突破前，甲醇燃料電池客車在運(yùn)營(yíng)成本方面具有較大優(yōu)勢(shì)。”該人士如是說(shuō)。
以甲醇為動(dòng)力能源，可以有效解決我國(guó)能源對(duì)外依存度較高的問題。蔣炎坤指出，首先，在燃料來(lái)源方面，我國(guó)是甲醇生產(chǎn)最多的國(guó)家，最主要的來(lái)源為煤制甲醇。煤制甲醇可有效解決煤 炭直接燃燒污染大氣的問題；其次，用 天然氣也可制甲醇；第三，還可通過(guò)回收溫室氣體二氧化碳，與氫氣一起合成制作。此外，氫氣在常態(tài)下是氣態(tài)，需要在特殊的溫度和氣壓下方可轉(zhuǎn)化為液態(tài)予以貯存、運(yùn)輸，存在一定的安全隱患。相比之下，甲醇在正常氣溫和氣壓下均為液態(tài)，更易于運(yùn)輸和儲(chǔ)存。
劣勢(shì)： 技術(shù)成熟度低 碳排放仍存在
事實(shí)上，在工業(yè)領(lǐng)域，甲醇重整制氫技術(shù)較成熟，也被廣泛應(yīng)用。但在交通領(lǐng)域，車載甲醇重整制氫技術(shù)還處于研究階段，尚有系統(tǒng)復(fù)雜、啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)、系統(tǒng)功率小、產(chǎn)品成熟度低、存在碳排放等問題需要突破。
一位長(zhǎng)期從事氫燃料電池汽車開發(fā)工作的技術(shù)人員告訴記者，為了滿足高溫甲醇重整器與高溫電堆的匹配和工作穩(wěn)定性，甲醇重整制氫燃料電池的核心部件和控制系統(tǒng)更加復(fù)雜。
據(jù)介紹，甲醇重整制氫器的工作溫度需達(dá)到200℃ 以上，光是借助外部電加熱使燃燒室的溫度升高至這一標(biāo)準(zhǔn)就需約半小時(shí)，因此啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)、響應(yīng)速度慢，且需要與超級(jí)電容或鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)并聯(lián)使用來(lái)滿足產(chǎn)品對(duì)電能的動(dòng)態(tài)需求。
此外，雖然與傳統(tǒng)燃油汽車相比，甲醇重整氫燃料電池汽車無(wú)二氧化硫和碳氧化物排放，且能源轉(zhuǎn)換率高，但在運(yùn)行過(guò)程中仍存在一定量的二氧化碳排放，沒有真正實(shí)現(xiàn)“零排放”。
據(jù)了解，目前國(guó)內(nèi)外甲醇重整氫燃料電池的主要生產(chǎn)企業(yè)包括丹麥Serenergy、廣東合即得和博氫集團(tuán)等，大部分還處于系統(tǒng)方案集成優(yōu)化及樣車試制階段。
“目前，國(guó)內(nèi)外尚未建立比較完善的 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系和評(píng)價(jià)體系。”上述技術(shù)人員表示“，甲醇重整氫燃料電池汽車距離產(chǎn)業(yè)化還早。”
傳統(tǒng)車企不“感冒” 新勢(shì)力更感興趣
10月25日，全球首款搭載甲醇重整氫燃料電池的輕型卡車在昆山舉行正式投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)發(fā)布儀式，該車由東風(fēng)特汽和蘇州氫潔電源科技有限公司聯(lián)合生產(chǎn)。但記者在采訪過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，整車企業(yè)對(duì)甲醇 重整氫燃料電池汽車這一技術(shù)路線并不太 “感冒”。
一位汽車企業(yè)研究院的相關(guān)負(fù)責(zé)人認(rèn)為，目前氫燃料電池汽車的儲(chǔ)氫罐技術(shù)更為成熟，而且包括槍擊、穿刺、燃料等一系列試驗(yàn)均已證明了儲(chǔ)氫罐的安全可靠 性。相較而言，甲醇重整氫燃料電池汽車， 尤其是較為復(fù)雜的甲醇重整器的安全可靠性還需要開展更多驗(yàn)證工作。
有意思的是，造車新勢(shì)力反而更愿 “押寶”這一技術(shù)路線。11月13日，電咖汽車發(fā)布了新品牌天際和首款豪華SUV產(chǎn)品天際ME7，電咖汽車董事長(zhǎng)兼首席執(zhí)行官?gòu)埡Ａ帘硎?，在商用車所采用的燃料電池?dòng)力上，電咖汽車沒有像豐田Mirai或者現(xiàn)代NEXO一樣直接采用外部加氫的完整氫燃料電池動(dòng)力方案，而是將采用甲醇 重整制氫方案，來(lái)為氫燃料反應(yīng)堆提供動(dòng)力源。無(wú)獨(dú)有偶，在今年的廣州車展上，愛馳汽車旗下的RG Nathalie登臺(tái)亮相，采用的動(dòng)力系統(tǒng)同樣是甲醇重整制氫燃料電池，資料顯示其百公里加速破2.5秒，最高時(shí)速300km，最大續(xù)駛里程能達(dá)到1200 公里。不過(guò)，這兩家企業(yè)的甲醇重整氫燃料電池汽車產(chǎn)品均未實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。
有業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，甲醇重整氫燃料電池汽車是一種在氫燃料電池車運(yùn)營(yíng)成本大幅下降前降低碳排放的補(bǔ)充方案，但蔣炎坤并不完全贊同這種說(shuō)法，結(jié)合國(guó)內(nèi)目前甲醇的生產(chǎn)總體情況以及已經(jīng)存在的甲醇加注站數(shù)量遠(yuǎn)多于加氫站的現(xiàn)象，他認(rèn)為這是更接地氣的技術(shù)路線，也是 “具有中國(guó) 特色的甲醇燃料車用方案之一”。
延伸閱讀
醇?xì)淦嚰夹g(shù)路線更接地氣
燃料電池技術(shù)路線正呈現(xiàn)多元化趨勢(shì)。華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院教授、湖北省汽車工程學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)蔣炎坤告訴記者，相比甲醇重整氫燃料電池汽車，與傳統(tǒng)燃油汽車更為接近的醇?xì)淦囈彩侵档猛茝V的技術(shù)路線之一。
據(jù)介紹，醇?xì)淦嚨墓ぷ髟頌椋杭状冀?jīng)過(guò)管道輸送至裂解器中，在催化劑作用下，被裂解為氫氣和一氧化碳，再經(jīng)管道送至發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)，與汽油一起燃燒做功，驅(qū)動(dòng)車輛。
經(jīng)國(guó)家汽車檢測(cè)中心檢測(cè)，與傳統(tǒng)燃油汽車相比，醇?xì)淦嚨挠秃钠骄捣^(guò)10% ，最大降幅可達(dá)到18.5%，熱效率可提高3.1%，在污染排放方面，碳?xì)浠衔锱欧帕肯陆?2% ，一氧化碳排放量下降11%。
