氫燃料電池及汽車全面解析

2017-12-01 17:23:28 電子發燒友　點擊量：評論 (0)

　氫燃料電池是使用氫這種化學元素，制造成儲存能量的電池。其基本原理是電解水的逆反應，把氫和氧分別供給陽極和陰極，氫通過陽極向外擴散和電解質發生反應后，放出電子通過外部的負載到達陰極。　　和普通電池

　氫燃料電池是使用氫這種化學元素，制造成儲存能量的電池。其基本原理是電解水的逆反應，把氫和氧分別供給陽極和陰極，氫通過陽極向外擴散和電解質發生反應后，放出電子通過外部的負載到達陰極。

　　和普通電池一樣，燃料電池由陽極、陰極和電解質組成。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極板（負極），經過催化劑——鉑的作用，氫原子中的一個電子被分離出來，失去電子的氫離子（質子）穿過質子交換膜，到達燃料電池陰極板（正極），與氧原子和氫離子重新結合為水，如圖所示。

　　由于供應給陰極板的氧，是從空氣中獲得的，因此只要不斷地給陽極板供應氫，給陰極板供應空氣，并及時把水（蒸氣）帶走，就可以不斷地提供電能。由于氫燃料電池不儲能，確切地講應該稱為氫發電裝置。

　　氫燃料電池與其他電池的區別

　　干電池、蓄電池是一種儲能裝置，是把電能貯存起來，需要時再釋放出來；而氫燃料電池嚴格地說是一種發電裝置，像發電廠一樣，是把化學能直接轉化為電能的電化學發電裝置。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關鍵技術，它不僅要為氣體和電解質提供較大的接觸面，還要對電池的化學反應起催化作用。

　　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，面向其他廠商無償提供5，680項燃料電池相關的技術專利授權，包括燃料電池、儲氫罐、電池控制系統等方面的技術專利，豐田此舉是為推動以氫為主要燃料的電動車推廣和普及。氫燃料電池技術是未來改變人類生活的十大新技術之一，將成為解決石油危機的新途徑。

　　燃料電池汽車

　　其實氫燃料電池已不是什么全新的技術，20世紀60年代，氫燃料電池就已經成功地應用于航天領域。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。

　　進入70年代以后，隨著人們不斷地掌握多種先進的制氫技術，很快，氫燃料電池就被運用于發電和汽車。波音公司于2008年4月3日成功試飛氫燃料電池為動力源的一架小型飛機。

　　全球范圍內已經掀起諸多關于氫燃料電池汽車和電動汽車孰是孰非的熱議，國內輿論也不乏對中國以純電驅動為新能源汽車戰略取向的質疑。

　　氫燃料電池汽車是終極環保汽車。氫燃料電池汽車零排放，且一次加氫續駛里程長，加氫時間短，相當于汽油車，一直以來被作為新能源汽車技術路線之一。

　　氫燃料電池汽車的缺點

　　1、氫氣的來源問題。

　　氫氣不像氮氣和氧氣是空氣中的最主要組成因素，想得到氫氣可以通過電解水，但這可是個不太經濟的方法，能量損失極大！你想，先從電解水開始，耗費電能，產生氫氣，氫氣再發電過程中還會有能量損失；電解水的電現在也是以煤電為主發出來的吧，燒煤發電也會有能量損失。

　　2、金屬鉑的稀缺。

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

　　3、氫氣的安全性。

　　有人說帶著氫氣瓶就像帶個氫彈，到底這個氫氣瓶會不會爆炸啊？氫氣是最輕的氣體，它的擴散性極強，氫的擴散系數比空氣大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，這使得事故時氫氣的影響范圍要小得多。

　　4、制造和使用綠色氫氣的費用更高。

　　燃料電池汽車的主要問題是，制造驅動它們的氫氣燃料要消耗比普通電動汽車更多的能源。污染也是個很嚴重的問題。除了甲烷轉化，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汽車上。

　　氫燃料電池汽車中國還沒有準備好

　　國內氫燃料電池汽車研究開發已有15年左右歷史。在國家《節能與新能源汽車產業發展規劃（2012—2020年）》中明確：氫燃料電池汽車與國際同步發展。但是，近年來，國內氫燃料電池汽車發展水平與先進國家比差距加大，主要體現在：氫燃料電池總體上處于工程化開發階段，功率特性、冷啟動、可靠性等主要技術性能指標與世界標桿產品比還有很大差距，關鍵技術領域所擁有的專利數目不多，技術標準未形成體系，成本居高不下，產品基本不具備商業化條件。

　　差距加大的主要原因是相比電動汽車，氫燃料電池汽車技術門檻高，需要巨額投入，而我們技術和產業基礎薄弱，資金和技術力量投入嚴重不足，技術鏈不完善，產業化能力較弱，除上汽外，大多數整車企業在氫燃料電池汽車方面沒有開展實質性研發和產業化準備。催化劑、雙極板等關鍵材料領域和高壓儲氫罐、空壓機、氫循環泵等關鍵零部件基本不具備產業化能力，產業鏈尚未形成。

　　盡管如此，氫燃料電池汽車也已經量產，并已開始售賣。豐田氫燃料電池車Mirai在海外的起價為57500美元（約合人民幣35.7萬元），但是在聯邦和州政府刺激之下降至45000美元（約合人民幣27.9萬元）以下。在美國可以采用分期付款的形式每月499美元36個月付清。除此之外，豐田和本田還將向買家免費提供三年氫氣。各大汽車公司還計劃逐步增加氫氣燃料站數目。

　　相對于環保省錢的電動汽車，氫氣燃料電池汽車或許現在還無可比擬。但在消費者的心中，實用也很重要的：燃料電池汽車加滿燃料的時間更短，行駛的距離更遠。而且，氫氣燃料電池汽車還處于早期階段，充電式電動汽車在10年前也存在許多看似無法克服的問題，而現在各國境內都已經有很多電動汽車。所以，我們對氫燃料汽車的未來充滿信心。