氢燃料电池新能源汽车（氢燃料电池新能源汽车原理）

随着7月在博鳌召开的全球新能源汽车峰会WNEVC 2019，氢燃料电池汽车和相关技术再次引起了业界的高度关注。今天让我们详细聊聊氢燃料电池是怎么回事。

什么是氢燃料电池

燃料电池是一种能量转化装置，它将燃料的电化学能转化成电能。它类似于电池一样也是电化学发电装置，因此被称为燃料电池。对应的采用氢气作为燃料的燃料电池就是氢燃料电池。它可以理解为水电解成氢气和氧气的逆反应。因此反应过程既清洁，又高效。因为它不受传统发动机采用卡诺循环42%左右的热效率限制。氢燃料电池的效率可轻松达到60%以上。

↑氢燃料电池汽车示意图

氢燃料电池并不像火箭那样通过氢气和氧气燃烧的剧烈反应产生动能，而是通过催化装置将氢气中的吉布斯自由能释放出来。打个比方，石墨和钻石都是碳的存在形势。但是形成钻石需要高温和高压。因此这种形态转化就代表不同的吉布斯自由能。

吉布斯自由能是涉及熵和焓等理论的电化学能。是不是觉得很高深难懂？我们直接看动画吧。

↑氢燃料电池工作原理

氢燃料电池工作原理是氢气通过燃料电池的正极当中的催化剂（铂）分解成电子和氢离子（质子）。其中质子通过质子交换膜（Proton Exchange Membrane）到达负极和氧气反应变成水和热量。对应的电子则从正极通过外电路流向负极产生电能。

什么是氢燃料电池的技术关键

↑氢燃料电池关键部件

对于氢燃料电池的商用来说，最大的挑战之一就是成本控制。燃料电池汽车目前的成本是普通汽车的5倍左右。其核心部件被称为质子交换膜。它能够将氢气中的电子分离成为质子，进而从正极交换至负极和氧气进行反应产生水和热。相应的，质子交换膜的核心就是催化剂铂。而铂是一种贵金属，也就是通常婚戒的材料铂金。为了推动大规模商用，一方面必须减少催化剂的用量，另一方面是寻求低成本的替代材料。

氢燃料电池汽车的系统组成

↑氢燃料电池汽车系统组成（来自丰田）

谈到氢燃料电池汽车，目前主流采用的是质子交换膜燃料电池（PEMFC）技术。其系统组成通常为燃料电池堆、氢气储罐、动力电池、燃料电池直流升压转换器、动力控制单元和动力电机组成。目前领先的燃料电池堆的功率密度可达3.1kW/L，最大输出功率可达114kW。由于每个燃料电池单体输出电压只有0.6~0.7V，因此需要配合直流升压转换器和动力电池使用。从而让电压可以适配650V高压，驱动动力电机。同时类似动力电池需要电池管理系统BMS，燃料电池也需要精密的监控管理系统FCMS，通过放电状态快速调整反应相关参数。为了储存氢气，一般采用70MPa高压液氢储罐。

氢燃料电池汽车市场应用如何

1. 丰田集团氢燃料电池汽车案例

↑丰田纯电动汽车和氢燃料电池汽车发展路线

目前全球有多家车企都推出了燃料电池车型，比如宝马、奔驰、现代、本田和丰田。其中丰田的发展更成体系更具规模化。如丰田的发展路线图提到的，丰田对于中低里程的应用主推纯电动汽车，并和国内的比亚迪及宁德时代展开了广泛合作。另一方面，针对长里程应用，丰田专注氢燃料电池汽车的开发。并且通过长期投入，丰田氢燃料电池汽车Mirai的售价已压低至40万量级。虽然仍然很昂贵，但已属业界标杆。

↑丰田氢燃料电池汽车Mirai

2019上海车展丰田特地辟出展位进行丰田氢燃料电池汽车Mirai的宣传。从丰田氢燃料电池汽车Mirai的剖面展示可以看到，燃料电池堆放置在车身中部驾驶座的下方。氢气储罐则在传统油箱的位置。与大部分的丰田混动车型相同，后备箱放置了配套的动力电池，动力电机和功率控制单元位于前舱。

↑丰田氢燃料电池汽车Mirai剖面展示

除了乘用车，丰田早在日本爱知世博会就商用了日野氢燃料电池大巴。最近丰田又展示了新一代氢燃料电池大巴SORA的技术细节。从SORA的剖面示意图可以看到多个氢气储罐被放置在大巴前部上方。同时燃料电池堆和动力电机电池等部件则位于大巴的后方。其中大量技术甚至部件复用自燃料电池乘用车Mirai。

↑丰田氢燃料电池大巴SORA剖面示意图

2. 上汽集团氢燃料电池汽车案例

↑上汽大通氢燃料电池商用车G20FC剖面展示

相比丰田集团，在国内依托同济大学在氢燃料电池方面的长期研究，上汽集团走在了市场的前列。在2019上海车展上，上汽大通展示了氢燃料电池商用车G20FC。单次5分钟的氢气加注就可以行驶550公里。采用70MPa的高压液氢储罐放置在车辆后部下方，储量6.5kg。位于车身前部的燃料电池堆和动力电机可输出115kW的动力。

综上所述，氢燃料电池汽车由于清洁高效的特点正在引起广泛关注。但是诸多挑战仍急需解决。一方面是关键部件质子交换膜的成本降低。另一方面是加氢站的普及。让我们拭目以待吧。