氫燃料電池及汽車全面解析

2017-12-01 17:23:28 電子發(fā)燒友　點(diǎn)擊量：評(píng)論 (0)

　氫燃料電池是使用氫這種化學(xué)元素，制造成儲(chǔ)存能量的電池。其基本原理是電解水的逆反應(yīng)，把氫和氧分別供給陽(yáng)極和陰極，氫通過陽(yáng)極向外擴(kuò)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。　　和普通電池

　氫燃料電池是使用氫這種化學(xué)元素，制造成儲(chǔ)存能量的電池。其基本原理是電解水的逆反應(yīng)，把氫和氧分別供給陽(yáng)極和陰極，氫通過陽(yáng)極向外擴(kuò)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。

　　和普通電池一樣，燃料電池由陽(yáng)極、陰極和電解質(zhì)組成。大部分燃料電池汽車使用聚合物交換膜燃料電池（PEMFC）。氫燃料電池的基本工作原理是將氫氣送到燃料電池的陽(yáng)極板（負(fù)極），經(jīng)過催化劑——鉑的作用，氫原子中的一個(gè)電子被分離出來(lái)，失去電子的氫離子（質(zhì)子）穿過質(zhì)子交換膜，到達(dá)燃料電池陰極板（正極），與氧原子和氫離子重新結(jié)合為水，如圖所示。

　　由于供應(yīng)給陰極板的氧，是從空氣中獲得的，因此只要不斷地給陽(yáng)極板供應(yīng)氫，給陰極板供應(yīng)空氣，并及時(shí)把水（蒸氣）帶走，就可以不斷地提供電能。由于氫燃料電池不儲(chǔ)能，確切地講應(yīng)該稱為氫發(fā)電裝置。

　　氫燃料電池與其他電池的區(qū)別

　　干電池、蓄電池是一種儲(chǔ)能裝置，是把電能貯存起來(lái)，需要時(shí)再釋放出來(lái)；而氫燃料電池嚴(yán)格地說(shuō)是一種發(fā)電裝置，像發(fā)電廠一樣，是把化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)發(fā)電裝置。另外，氫燃料電池的電極用特制多孔性材料制成，這是氫燃料電池的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，它不僅要為氣體和電解質(zhì)提供較大的接觸面，還要對(duì)電池的化學(xué)反應(yīng)起催化作用。

　　豐田汽車公司已推出氫燃料電池汽車，并將在2015年上半年上市。2014年1月6日知名汽車廠商日本豐田宣布，面向其他廠商無(wú)償提供5，680項(xiàng)燃料電池相關(guān)的技術(shù)專利授權(quán)，包括燃料電池、儲(chǔ)氫罐、電池控制系統(tǒng)等方面的技術(shù)專利，豐田此舉是為推動(dòng)以氫為主要燃料的電動(dòng)車推廣和普及。氫燃料電池技術(shù)是未來(lái)改變?nèi)祟惿畹氖笮录夹g(shù)之一，將成為解決石油危機(jī)的新途徑。

　　燃料電池汽車

　　其實(shí)氫燃料電池已不是什么全新的技術(shù)，20世紀(jì)60年代，氫燃料電池就已經(jīng)成功地應(yīng)用于航天領(lǐng)域。往返于太空和地球之間的“阿波羅”飛船就安裝了這種體積小、容量大的裝置。

　　進(jìn)入70年代以后，隨著人們不斷地掌握多種先進(jìn)的制氫技術(shù)，很快，氫燃料電池就被運(yùn)用于發(fā)電和汽車。波音公司于2008年4月3日成功試飛氫燃料電池為動(dòng)力源的一架小型飛機(jī)。

　　全球范圍內(nèi)已經(jīng)掀起諸多關(guān)于氫燃料電池汽車和電動(dòng)汽車孰是孰非的熱議，國(guó)內(nèi)輿論也不乏對(duì)中國(guó)以純電驅(qū)動(dòng)為新能源汽車戰(zhàn)略取向的質(zhì)疑。

　　氫燃料電池汽車是終極環(huán)保汽車。氫燃料電池汽車零排放，且一次加氫續(xù)駛里程長(zhǎng)，加氫時(shí)間短，相當(dāng)于汽油車，一直以來(lái)被作為新能源汽車技術(shù)路線之一。

　　氫燃料電池汽車的缺點(diǎn)

　　1、氫氣的來(lái)源問題。

　　氫氣不像氮?dú)夂脱鯕馐强諝庵械淖钪饕M成因素，想得到氫氣可以通過電解水，但這可是個(gè)不太經(jīng)濟(jì)的方法，能量損失極大！你想，先從電解水開始，耗費(fèi)電能，產(chǎn)生氫氣，氫氣再發(fā)電過程中還會(huì)有能量損失；電解水的電現(xiàn)在也是以煤電為主發(fā)出來(lái)的吧，燒煤發(fā)電也會(huì)有能量損失。

　　2、金屬鉑的稀缺。

　　在氫燃料電池發(fā)電的過程中會(huì)用到金屬鉑作為催化劑。這種金屬就是咱結(jié)婚買戒指那個(gè)比24K金更貴的那個(gè)鉑，它少啊，它貴啊，那么大規(guī)模生產(chǎn)氫燃料電池，這個(gè)鉑就是瓶頸，完全沒有規(guī)模化后成本減少的效應(yīng)，反而需求越多越貴，這可怎么辦好？

　　3、氫氣的安全性。

　　有人說(shuō)帶著氫氣瓶就像帶個(gè)氫彈，到底這個(gè)氫氣瓶會(huì)不會(huì)爆炸啊？氫氣是最輕的氣體，它的擴(kuò)散性極強(qiáng)，氫的擴(kuò)散系數(shù)比空氣大3.8倍，比汽油大7.5倍，由此可以證明氫比汽油安全是有根據(jù)的。所以少量的氫氣泄漏，可以在空氣中很快被稀釋成安全的混合氣。氫氣的比重小，易向上逃逸，這使得事故時(shí)氫氣的影響范圍要小得多。

　　4、制造和使用綠色氫氣的費(fèi)用更高。

　　燃料電池汽車的主要問題是，制造驅(qū)動(dòng)它們的氫氣燃料要消耗比普通電動(dòng)汽車更多的能源。污染也是個(gè)很嚴(yán)重的問題。除了甲烷轉(zhuǎn)化，獲得綠色氫氣的唯一可行的方式是通過電解。但坦白講，這一過程中消耗的電可以更好地用在普通電動(dòng)汽車上。

　　氫燃料電池汽車中國(guó)還沒有準(zhǔn)備好

　　國(guó)內(nèi)氫燃料電池汽車研究開發(fā)已有15年左右歷史。在國(guó)家《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012—2020年）》中明確：氫燃料電池汽車與國(guó)際同步發(fā)展。但是，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)氫燃料電池汽車發(fā)展水平與先進(jìn)國(guó)家比差距加大，主要體現(xiàn)在：氫燃料電池總體上處于工程化開發(fā)階段，功率特性、冷啟動(dòng)、可靠性等主要技術(shù)性能指標(biāo)與世界標(biāo)桿產(chǎn)品比還有很大差距，關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域所擁有的專利數(shù)目不多，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)未形成體系，成本居高不下，產(chǎn)品基本不具備商業(yè)化條件。

　　差距加大的主要原因是相比電動(dòng)汽車，氫燃料電池汽車技術(shù)門檻高，需要巨額投入，而我們技術(shù)和產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)薄弱，資金和技術(shù)力量投入嚴(yán)重不足，技術(shù)鏈不完善，產(chǎn)業(yè)化能力較弱，除上汽外，大多數(shù)整車企業(yè)在氫燃料電池汽車方面沒有開展實(shí)質(zhì)性研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化準(zhǔn)備。催化劑、雙極板等關(guān)鍵材料領(lǐng)域和高壓儲(chǔ)氫罐、空壓機(jī)、氫循環(huán)泵等關(guān)鍵零部件基本不具備產(chǎn)業(yè)化能力，產(chǎn)業(yè)鏈尚未形成。

　　盡管如此，氫燃料電池汽車也已經(jīng)量產(chǎn)，并已開始售賣。豐田氫燃料電池車Mirai在海外的起價(jià)為57500美元（約合人民幣35.7萬(wàn)元），但是在聯(lián)邦和州政府刺激之下降至45000美元（約合人民幣27.9萬(wàn)元）以下。在美國(guó)可以采用分期付款的形式每月499美元36個(gè)月付清。除此之外，豐田和本田還將向買家免費(fèi)提供三年氫氣。各大汽車公司還計(jì)劃逐步增加氫氣燃料站數(shù)目。

　　相對(duì)于環(huán)保省錢的電動(dòng)汽車，氫氣燃料電池汽車或許現(xiàn)在還無(wú)可比擬。但在消費(fèi)者的心中，實(shí)用也很重要的：燃料電池汽車加滿燃料的時(shí)間更短，行駛的距離更遠(yuǎn)。而且，氫氣燃料電池汽車還處于早期階段，充電式電動(dòng)汽車在10年前也存在許多看似無(wú)法克服的問題，而現(xiàn)在各國(guó)境內(nèi)都已經(jīng)有很多電動(dòng)汽車。所以，我們對(duì)氫燃料汽車的未來(lái)充滿信心。

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