氫燃料電池在輕型乘用車上的應(yīng)用

高文日

摘 要：隨著社會(huì)技術(shù)的不斷進(jìn)步、石油資源緊張以及環(huán)境污染問題日益突出，一定程度上推動(dòng)氫燃料技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，有利于解決目前遇到的一系列問題，也是推動(dòng)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的有效途徑。本文主要通過對(duì)現(xiàn)有氫燃料電池的工作原理、氫燃料汽車的特點(diǎn)以及氫燃料電池在輕型乘用車方面的運(yùn)用進(jìn)行針對(duì)性分析與研究，把氫燃料電池廣泛運(yùn)用到汽車領(lǐng)域具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)方面意義，也是進(jìn)一步推動(dòng)氫燃料電池汽車成為社會(huì)發(fā)展趨勢(shì)的有效方式。

關(guān)鍵詞：氫燃料電池;應(yīng)用現(xiàn)狀;發(fā)展趨勢(shì)

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，氫燃料電池的發(fā)展成為各國(guó)關(guān)注的熱點(diǎn)話題。氫能產(chǎn)業(yè)鏈包括上游制氫、儲(chǔ)氫和運(yùn)輸、中游燃料電池系統(tǒng)和零部件制造，以及下游氫燃料電池應(yīng)用和氫站運(yùn)營(yíng)。隨著技術(shù)的飛速發(fā)展，新能源汽車成為社會(huì)發(fā)展的方向，呈現(xiàn)出多元化的技術(shù)路線。其中，基于電動(dòng)汽車的新能源汽車越來越成熟，擁有量也在不斷增加。截至2017年底，全國(guó)新能源汽車市場(chǎng)已超過170萬輛。燃料電池汽車通常使用氫作為汽車的能源。其原理是電解水的反作用：氫被輸入燃料電池，氫原子的電子被質(zhì)子交換膜阻擋，通過外部電路從負(fù)電極傳導(dǎo)到正電極，成為一種能量驅(qū)動(dòng)電機(jī)。氫燃料電池作為車輛的動(dòng)力來源，質(zhì)子可以通過質(zhì)子交換膜排出，氧化成純水霧，同時(shí)實(shí)現(xiàn)“零排放”，見圖1。

1 氫燃料電池工作原理

氫燃料電池重要利用氫氣和氧氣兩者之間憑借電發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)來完成電能轉(zhuǎn)換的目標(biāo)，其 單體結(jié)構(gòu)包括陽(yáng)極、陰極、質(zhì)子交換膜以及雙極板，氫電極為陽(yáng)極，陰極為氧電極，兩電極間是電解質(zhì)。氫燃料電池的工作原理見圖2。

2 氫燃料電池汽車的特點(diǎn)

氫燃料電池汽車的工作原理如下圖3。

2.1 氫燃料電池的優(yōu)勢(shì)

（1）高能量效率轉(zhuǎn)換速度快，綠色循環(huán);燃料電池主要利用電完成一系列的化學(xué)反應(yīng)，不會(huì)涉及到其他能源的使用，具有環(huán)保的特色。

（2）氫燃料電池振動(dòng)幅度小，沒有產(chǎn)生噪音，使用時(shí)間長(zhǎng);通過對(duì)氫燃料電池進(jìn)行深入分析可以對(duì)電池的工作原理具有系統(tǒng)化的認(rèn)識(shí)，也可以了解到燃料的來源的廣泛性;燃料電池輸出的電能無窮無盡，其使用時(shí)間較長(zhǎng)。由于沒有機(jī)械部件往復(fù)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，燃料電池運(yùn)行非常安靜，只有55分貝的噪音，相當(dāng)于正常水平的對(duì)話標(biāo)準(zhǔn)。另一方面，由于沒有噪聲和機(jī)械振動(dòng)在整個(gè)工作過程中，有利于減少機(jī)械設(shè)備的磨損，延長(zhǎng)使用其壽命。

（3）制氫原料多種多樣的，能源補(bǔ)充速度快：燃料電池涉及到的氫燃料范圍廣，天然氫在水中大量?jī)?chǔ)存，可以利用水分解制氫。可再生資源是原料的主要來源，可以利用現(xiàn)代化的技術(shù)實(shí)現(xiàn)從不同種類資源中提取豐富的原料來源。氫燃料電池的主要原料是氫氣，與純電動(dòng)汽車相比，氫燃料電池可以在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)充電工作，也是進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離行駛的有效途徑。

2.2 氫燃料電池發(fā)展局限

燃料類型方面比較單一，氫氣生產(chǎn)和儲(chǔ)氫技術(shù)復(fù)雜程度較高，價(jià)格昂貴：氫氣是燃料電池的最為主要的燃料，氫氣的生成，儲(chǔ)存等一系列環(huán)節(jié)是復(fù)雜的，成本方面以及安全系數(shù)方面要求比較高，也是造成氫燃料電池造價(jià)方面比價(jià)高的主要因素。嚴(yán)格的密封要求：由于氫是一種非常小的分子，很容易造成泄漏。一旦泄漏，將導(dǎo)致不可估量的后果，因此需要非常嚴(yán)格的密封。這種嚴(yán)格的要求使燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的制造過程復(fù)雜化并且給使用和維護(hù)帶來許多困難。需要輔助電池系統(tǒng)用于電動(dòng)車輛：燃料電池可以連續(xù)發(fā)電，但不能充電和恢復(fù)燃料電池電動(dòng)車輛的再生制動(dòng)的反饋能量。為此，通常將輔助電池或超級(jí)電容器添加到燃料電池車輛以存儲(chǔ)燃料電池的豐富能量并且在燃料電池車輛減速時(shí)接收由再生制動(dòng)產(chǎn)生的能量。

3 氫燃料電池在輕型乘用車上的應(yīng)用

3.1 經(jīng)濟(jì)價(jià)值

能量密度高、能量轉(zhuǎn)換效率，更有效;電池使用壽命很長(zhǎng)，超過20年，沒有衰減;小型電池，高安全;長(zhǎng)期，充滿一個(gè)圓柱體的射程超過600公里，一致的灌裝速度和燃料車輛只有3-5分鐘;相同功率的氫燃料電池重量不到一半的化學(xué)電池，可以大大降低移動(dòng)設(shè)備的負(fù)擔(dān)，從城市的供電負(fù)荷的角度，大力發(fā)展電動(dòng)汽車，城市供電系統(tǒng)完全將帶來很大的負(fù)擔(dān)，但是氫燃料電池汽車是分布式能源的應(yīng)用程序，不會(huì)帶來不利影響原始能源供應(yīng)系統(tǒng)。

3.2 環(huán)保價(jià)值

高能量密度，高能量轉(zhuǎn)換效率，更節(jié)能;環(huán)保優(yōu)勢(shì)，只排放水，對(duì)空氣無污染;運(yùn)行噪音低;里程長(zhǎng)，充滿氣瓶可以實(shí)現(xiàn)600多公里;結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，用電方便，集成方便。H智能系統(tǒng);安全性高，燃油不易泄漏;燃油價(jià)格優(yōu)勢(shì)小;車輛維修簡(jiǎn)單，維修成本低。

4 幾種氫燃料電池在乘用車上的應(yīng)用

4.1 豐田氫燃料電池汽車

豐田不僅將氫燃料電池技術(shù)用于小型汽車，而且也廣泛應(yīng)用于大型巴士、家庭用氫燃料電池等各種各樣的產(chǎn)品和領(lǐng)域中。除了氫燃料電池車“MIRAI”以外，與日野汽車公司（株）共同研發(fā)中的氫燃料電池巴士也計(jì)劃在2016年投入市場(chǎng)，與豐田自動(dòng)織機(jī)公司（株）共同開發(fā)叉車用的氫燃料電池系統(tǒng)、與愛信精機(jī)公司共同研發(fā)的家庭用氫燃料電池集中供熱系統(tǒng)已經(jīng)從2012年開始銷售。

4.2 現(xiàn)代氫燃料電池汽車

現(xiàn)代Nexo氫燃料電池SUV獲得了IIHS（美國(guó)公路安全保險(xiǎn)協(xié)會(huì)）頒發(fā)的最高安全獎(jiǎng)。

在駕駛員側(cè)前方的小重疊區(qū)域，乘客側(cè)前側(cè)的小重疊區(qū)域，中間重疊的前側(cè)，側(cè)面，車頂強(qiáng)度和頭枕碰撞測(cè)試中，對(duì)車輛進(jìn)行了良好的評(píng)估。前防撞系統(tǒng)和前大燈進(jìn)行了很好的評(píng)估。也獲得了很高的評(píng)價(jià)。該車在2018年國(guó)際消費(fèi)電子展上首次亮相，這是第一款獲得IIHS最高安全等級(jí)的燃料電池汽車，也是IIHS測(cè)試過的第一款燃料電池汽車，該汽車在歐洲實(shí)現(xiàn)了最高的安全性評(píng)分。

5 結(jié)語

燃料汽車面臨的政策更為嚴(yán)格，市場(chǎng)表現(xiàn)相當(dāng)疲弱。為了開拓市場(chǎng)，汽車公司開始在新能源汽車上開拓市場(chǎng)，插電式混合動(dòng)力汽車，純電動(dòng)汽車和燃料電池汽車等新能源汽車開始出現(xiàn)。作為實(shí)際應(yīng)用中零排放的清潔能源，氫燃料電池汽車有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，綠色環(huán)保，加氫時(shí)間短，續(xù)航里程長(zhǎng)的燃料電池汽車得到了強(qiáng)有力的政策支持。國(guó)家對(duì)氫燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的資金支持逐年增加，越來越多的省市也大力支持當(dāng)?shù)貧淠苋剂想姵仄嚠a(chǎn)業(yè)的發(fā)展。自2018年以來，包括北京，上海，廣東，武漢，重慶，西安，蘇州，河南，海南和寧波在內(nèi)的省市已對(duì)氫燃料電池汽車實(shí)行了地方補(bǔ)貼。在國(guó)家政策和財(cái)政的支持下，通過政策和技術(shù)推動(dòng)消除瓶頸，規(guī)模效應(yīng)，降低成本，促進(jìn)燃料電池汽車的商業(yè)化，氫燃料電池有望實(shí)現(xiàn)廣泛的推廣和應(yīng)用。氫燃料電池汽車領(lǐng)域成為中國(guó)的新未來以及能源汽車戰(zhàn)略的重要組成部分。

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