实用性最接近燃油车的新能源汽车电池工作特性了解

氢气是一种可再生的能量载体。氢燃料电池系统和内燃机一样，都是能量转换装置。丰田、本田、现代和奔驰先后推出了量产的氢燃料电池汽车。花费3-5分钟加满氢气之后，综合续航里程500-600公里。本文通过结构原理的类比，进一步介绍这种新能源动力系统。

背景知识：单个燃料电池的基本原理

一个燃料电池单体由质子交换膜（全氟磺酸膜）、铂-碳（Pt-C）催化剂、气体扩散层和气体导流层组成。氢气由导流层进入扩散层，在阳极催化剂（Pt-C）中失去电子。随着氢离子H+离子的聚集，中间的质子交换膜作为酸性电解质开始迁移氢离子，然后在阴极催化剂（Pt-C）里和氧气反应，最后产生水和热量，电子在外围电路形成电流。

一个电池单体的电压通常只有0.6~0.9V，因此需要几百个单体串联，例如丰田使用了370片。

工作特性类比：氢燃料电池系统与内燃机

要维持电池系统的运行，除了核心的电池组，还需要冷却系统、空气供给系统、氢气供给系统和电气系统等。这些系统需要被整合，做成一个非常紧凑的氢燃料电池系统，相当于内燃机动力总成。

氢燃料电池的工作温度为80°C左右，所以和内燃机类似，燃料电池也有冷启动的概念，也要求低温适应性，目前能做到零下30°C冷启动。而且燃料电池运行后会持续产生热量，所以其内部也有独立的冷却水循环系统，和内燃机类似。

氢气储存压力的国际标准是70MPa，约是691个标准大气压。氢气需要经过减压阀和稳流阀后变成0.16MPa输入电池组。相应地，空气过滤后需要通过压缩机加压到相同压力。空气压缩机会消耗电池输出功率的20%-30%，因此就必须保持氢气较高的反应速率，否则就像汽车的怠速，输出的功率大多消耗在气门、油泵和内摩擦上，整体效率非常低。

电池工作的时候会在阴极催化剂上生成水，如果水来不及排出去，过多的水会堵塞气体扩散层的毛细孔，以多孔碳黑为基体的铂催化剂会被淹没，这都会阻碍电池的正常工作。另一方面，质子交换膜作为传递氢离子的酸性电解质，需要保持湿润来维持导电性和离子浓度。

所以，氢燃料电池既要用加湿器使进气湿润，又要及时排水。这就和内燃机的机油类似，既要维持运动部件接触面的润滑，同时也要及时回流。否则润滑不良会造成磨损，气缸壁机油过多就会烧机油。

氢气从哪里来

1、现场制氢：电解水生产氢气

丰田、本田和日产等公司组建了一个加氢站建设运营公司，它们的加氢站采用太阳能发电，然后电解水产生氢气。但是太阳能发电制氢的单日产量不稳定，产量也不高。因此有的方案使用电网的电源制氢，在用电需求低、电价低的波谷制氢，起到调峰作用。

2、工业制氢：工业副产物

氢气是钢铁行业、煤炭焦化行业、合成氨、氯碱等化工行业的副产物，产量非常巨大，且价格低廉。例如，每生产一吨甲醇，就要产生大约550立方米的氢气。这些工业副产气体，经过提纯和加压之后被运送到加氢站。

再或者，专门使用水蒸气重整、自动供热重整或部分氧化重整制氢。这些方法能够把碳氢化合物（CH）原料转化为氢气，是专门的工业制氢方法。之所以提这个，是因为有的方案将这些技术小型化，直接安装在加氢站里，用工业方法现场制氢。

氢燃料电池系统核心技术

1、质子交换膜以及催化剂

质子交换膜需要有一定的强度，不破损、耐高温、耐久性好，从而使电池的寿命长，输出功率稳定，提高能量转换效率。

催化剂要求有很高的催化效率，特别是阴极的效率，还要求成本低。为了达成高效率、低成本的目标，目前的贵金属铂（Pt）已经制造到纳米级的尺寸。为了进一步降低成本，丰田成功开发了先进的铂-钴（Pt-Co）催化剂。现在外国先进系统的用量是0.4g/kW。

2、空气压缩机

作为外围设备，空气压缩机成为核心技术，不是因为结构原理有多复杂。而是，压缩机是耗能大户、噪声的主要来源，也是电池系统成本的大头（约20%）。要求它能耗低、可靠性高、噪声小、结构紧凑、控制系统足够先进。

3、70兆帕（MPa）储氢罐

耐高压罐头也是核心技术。前面已经提及，70MPa约是691个标准大气压。要求有极高的机械强度，耐撞、耐高压、耐氢脆、耐刺穿等······

丰田、本田和现代的储氢罐，中间的加强材料是碳纤维。储存压力越高，储存的氢气就越多，关系到续航里程。目前国内加氢站和商用车的燃料电池，储存压力主要是35MPa。

目前氢燃料电池汽车的补贴非常可观，国家财政对每辆乘用车最高补贴20万，轻型商用车30万，重型商用车50万。然后北京、上海和深圳等城市，还会以1:1的比例对每辆车追加补贴。比如上汽大通V80燃料电池版，指导价130万，国家+地方补贴100万，零售价30万。在这种支持力度下，业内的动态很多，只排放水的氢燃料电池汽车将逐渐投放市场。