隨著2019年7月在博鰲舉行的全球新能源汽車峰會，汽車基礎知識氫燃料電池汽車及相關技術再次引起了業界的高度關注。今天，我們來詳細談談氫燃料電池。

　　什么是氫燃料電池

　　燃料電池是一種能量轉化裝置，它將燃料的電化學能量轉化為電能。它也是一種類似電池的電化學發電裝置，因此被稱為燃料電池。相應的使用氫氣作為燃料的燃料電池是氫燃料電池。可以理解為水電解成氫氣和氧氣的逆反應。所以反應過程干凈高效。因為它不受熱效率的限制，大約42%的傳統發動機使用卡諾循環氫燃料電池的效率可以輕松達到60%以上。

　　氫燃料電池汽車示意圖

　　氫燃料電池不像火箭那樣通過氫氧燃燒的劇烈反應產生動能，而是通過催化裝置釋放氫中的吉布斯自由能。比如石墨和DIA都是碳的存在狀態。但是DIA的形成需要高溫高壓。因此，這種形式的轉化代表不同的吉布斯自由能。

　　吉布斯自由能是包含熵和焓理論的電化學能。你覺得很深刻很難理解嗎？直接看動畫吧。

　　氫燃料電池的工作原理

　　氫燃料電池的工作原理是氫被燃料電池陽極的催化劑(鉑)分解成電子和氫離子(質子)。其中質子通過質子交換膜到達陰極，與氧反應生成水和熱。相應的電子通過外部電路從陽極流向陰極，產生電能。

　　氫燃料電池的關鍵技術是什么

　　氫燃料電池的關鍵部件

　　對于氫燃料電池的商業化，最大的挑戰之一是成本控制。目前，燃料電池汽車的成本是普通汽車的5倍左右。它的核心部件叫做質子交換膜。它可以將氫中的電子分離成質子，然后將它們從陽極交換到陰極，與氧反應生成水和熱。因此，質子交換膜的核心是鉑催化劑。鉑是一種貴金屬，通常是結婚戒指的材料。為了促進大規模的商業應用，一方面需要減少催化劑的用量，另一方面需要尋求低成本的替代材料。

　　氫燃料電池汽車的系統組成

　　氫燃料電池汽車系統的組成(來自豐田)

　　汽車基礎知識說到氫燃料電池汽車，質子交換膜燃料電池(PEMFC)技術是目前的主流技術。其系統通常由燃料電池堆、儲氫罐、動力電池、燃料電池DC升壓轉換器、動力控制單元和動力馬達組成。目前領先的燃料電池堆功率密度可達3.1kW/L，最大輸出功率可達114kW。由于每個燃料電池單元的輸出電壓僅為0.6~0.7V，因此需要與DC升壓轉換器和動力電池一起使用。所以電壓可以適應650V的高電壓來驅動動力電機。同時，類似的動力電池需要電池管理系統BMS，燃料電池也需要精確的監控管理系統FCMS，可以通過放電狀態快速調整反應相關參數。為了儲存氫氣，通常使用70兆帕的高壓液氫罐。

　　氫燃料電池汽車的市場應用是什么

　　1.豐田集團氫燃料電池汽車案

　　豐田純電動汽車和氫燃料電池汽車的發展路線

　　目前，世界上許多汽車公司都推出了燃料電池車型，如寶馬， 奔馳， 現代， 本田和豐田，其中豐田的發展更為系統和大規模。如豐田發展路線圖所述，豐田主要在中低里程應用中推廣純電動汽車，并與中國比亞迪和寧德進行了廣泛合作。另一方面，對于遠程應用，豐田專注于氫燃料電池汽車的開發。通過長期投資，豐田，氫燃料電池汽車Mirai未來組合的價格已降至40萬英鎊左右。雖然還是很貴，但已經是行業標桿了。

　　豐田氫燃料電池汽車Mirai未來組合

　　2019年上海車展，豐田專門在豐田設立展臺宣傳氫燃料電池汽車Mirai未來組合從豐田氫燃料電池汽車Mirai未來組合的側面展示可以看出，燃料電池堆放置在車身中部的駕駛員座椅下方。儲氫罐位于傳統油罐內。像大多數豐田混合動力車型一樣，行李箱配備了支持動力電池，動力馬達和動力控制單元位于前艙。

　　豐田氫燃料電池汽車Mirai未來組合側面展示

　　除了乘用車，豐田早在日本世博會，愛知就將日野氫燃料電池公交車商業化。最近，豐田展示了新一代氫燃料電池公交車SORA的技術細節。從SORA的截面示意圖可以看出，在客車前部上方放置了多個儲氫罐。同時，燃料電池堆和動力馬達電池等部件位于總線后面。其中，燃料電池乘用車Mirai未來組合的大量技術甚至零部件被重復使用。

　　豐田氫燃料電池客車SORA外形示意圖

　　2.上汽集團氫燃料電池汽車案

　　上汽大同氫燃料電池商用車G20FC外形展示

　　與豐田集團相比，依靠中國同濟大學對氫燃料電池的長期研究，上汽集團處于市場的前沿。在2019年上海車展上，上汽蔡斯展示了帶氫燃料電池的G20FC商用車。只需一次5分鐘的氫氣注入，就可以行駛550公里。70兆帕高壓液態氫儲罐位于車輛后部下方，儲存容量為6.5千克.位于車身前部的燃料電池堆和動力電機可以輸出115千瓦的功率。

　　汽車基礎知識綜上所述，氫燃料電池汽車因其清潔高效的特點而受到廣泛關注。但仍有許多挑戰亟待解決。一方面，關鍵部件質子交換膜的成本降低。另一方面是氫加氣站的普及。讓我們拭目以待。