氢燃料电池汽车其实并不神秘 看完你就知道它的工作原理了
来源：宝鄂实业
2019-03-27 12:02
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随着环保法规的升级，新能源车受到了各家车企的追捧，除了眼前的电动车尽享风光外，充满未来感的氢燃料汽车也是部分车企攻关的重点。在氢燃料汽车全面到来之前，我们不妨对氢燃料汽车提前多些了解。
氢燃料汽车不管带有多少黑科技，但终究是一台“车”，所以除动力系统外，与现在成熟度相对较高的电动车没太多实质性差别，也就是说氢燃料汽车的独特之处是在于氢燃料电池，和与之相匹配的是氢燃料的储存。我们就看看氢燃料电池是如何工作和氢燃料如何实现储运的。
● 原理是氢氧结合生成水 真正实现零排放
目前质子交换膜燃料电池是受众最广的技术路线，因为其在工作过程中不涉及氢氧燃烧，能量转化率高、工作过程无污染、可模块化发电，可靠性高、工作无噪音等优点。
质子交换膜燃料电池的工作原理如下：
电池工作时，向氢电极供应氢气，同时向氧电极供应氧气。氢、氧气在电极上的催化剂作用下，通过电解质生成水。这时在氢电极上有多余的电子而带负电，在氧电极上由于缺少电子而带正电。接通电路后，反应过程就能连续进行。
工作时向负极供给燃料（氢），向正极供给氧化剂（氧气）。氢在负极上的催化剂的作用下分解成正氢离子和电子。氢离子进入电解液中，而电子则沿外部电路移向正极。用电的负载就接在外部电路中。在正极上，氧气同电解液中的氢离子吸收抵达正极上的电子形成水。这正是水的电解反应的逆过程。
氢燃料以何种形态装载汽车上是个大问题，安全性能、能源密度等都是评价其性能的重要指标。目前，氢燃料的储存方法大体可以分为三种，即高压储氢法、液态储氢法和固体储氢法。
液态储氢法是在20.28K（-252.77摄氏度）的超低温下将氢气液化，然后储存在低温容器内。优点是储氢密度最大，缺点是成本高，附属系统庞大，故不适合做车载容器。
固体储氢法，是利用固体对氢气的物理吸附或化学反应等作用，将氢储存于固体材料中。固态储存一般可以做到安全、高效、高密度，是气态储存和液态储存之后，最有前途的研究发现。目前常见固体储氢方式有合金储氢、纳米储氢等。优点是安全稳定，缺点是成本过高。
目前，氢的制取、储存和携带成本高、基建设施投资大等问题困扰着氢燃料汽车的前进之路，近来丰田、现代等车企发布了燃料电池汽车可以说在新能源的路上取得了阶段性进步。不过，从大范围来说，燃料电池汽车还处于探索阶段，要使其形成规模，还有许多技术难题需要解决。
但与日本和美国等已经接近百座的加氢站数量相比，仍有差距。除基础设施外，低价制氢和运输也是氢燃料电池汽车进一步普及和推广的掣肘。基于此，近段时间，一款能利用来源更广泛的燃料 ——甲醇在车内制氢并供给燃料电池使用的甲醇重整氢燃料电池汽车受到业界关注。
华中科技大学能源与动力工程学院教授、湖北省汽车工程学会副理事长蒋炎坤在接受《中国汽车报》记者采访时表示，甲醇重整氢燃料电池汽车是现阶段环境和条件下更接地气的一种技术路线，不仅能解决氢气的制取和运输问题，且甲醇加注站的建设成本也更低。
优势： 成本低、来源广、存储方便
广东合即得能源科技有限公司总经理黄平将甲醇重整氢燃料电池汽车称为“综合了甲醇汽车和燃料电池汽 车特点的新型绿色能源动力汽车”。
据悉，甲醇重整氢燃料电池汽车的基本工作原理与纯氢燃料电池汽车类似，只不过甲醇重整器替代了储氢罐。在重整器内，甲醇和水的混合液被转化为富氢重整气，重整气进入高温质子膜电堆进行发电，并向外部（即汽车）供应电力。
与传统燃油汽车相比，甲醇重整氢燃料电池汽车具有明显的节能减排效果，其使用成本和购置成本相对纯氢燃料电池汽车也更低。
一位不愿具名的汽车企业负责人透露，从运营成本来 看，目前纯氢燃料电池汽车的制氢成本大约为2元/kWh，如采用电解制氢方式成本将更高，这其中还不包括氢气储存、运输和加氢站的投资及运营费用等。对于甲醇燃料电池客车来说，采用的甲醇混合液成本约为1~1.5元/L，折合为0.9~1.3元/kWh，燃料成本远远低于氢燃料电池，接近纯电动客车的电费成本（1.2~1.6元/kWh）。“在氢气制取、加注、储运等成本没有重大突破前，甲醇燃料电池客车在运营成本方面具有较大优势。”该人士如是说。
以甲醇为动力能源，可以有效解决我国能源对外依存度较高的问题。蒋炎坤指出，首先，在燃料来源方面，我国是甲醇生产最多的国家，最主要的来源为煤制甲醇。煤制甲醇可有效解决煤 炭直接燃烧污染大气的问题；其次，用 天然气也可制甲醇；第三，还可通过回收温室气体二氧化碳，与氢气一起合成制作。此外，氢气在常态下是气态，需要在特殊的温度和气压下方可转化为液态予以贮存、运输，存在一定的安全隐患。相比之下，甲醇在正常气温和气压下均为液态，更易于运输和储存。
劣势： 技术成熟度低 碳排放仍存在
事实上，在工业领域，甲醇重整制氢技术较成熟，也被广泛应用。但在交通领域，车载甲醇重整制氢技术还处于研究阶段，尚有系统复杂、启动时间长、系统功率小、产品成熟度低、存在碳排放等问题需要突破。
一位长期从事氢燃料电池汽车开发工作的技术人员告诉记者，为了满足高温甲醇重整器与高温电堆的匹配和工作稳定性，甲醇重整制氢燃料电池的核心部件和控制系统更加复杂。
据介绍，甲醇重整制氢器的工作温度需达到200℃ 以上，光是借助外部电加热使燃烧室的温度升高至这一标准就需约半小时，因此启动时间长、响应速度慢，且需要与超级电容或锂电池储能系统并联使用来满足产品对电能的动态需求。
此外，虽然与传统燃油汽车相比，甲醇重整氢燃料电池汽车无二氧化硫和碳氧化物排放，且能源转换率高，但在运行过程中仍存在一定量的二氧化碳排放，没有真正实现“零排放”。
据了解，目前国内外甲醇重整氢燃料电池的主要生产企业包括丹麦Serenergy、广东合即得和博氢集团等，大部分还处于系统方案集成优化及样车试制阶段。
“目前，国内外尚未建立比较完善的 技术标准体系和评价体系。”上述技术人员表示“，甲醇重整氢燃料电池汽车距离产业化还早。”
传统车企不“感冒” 新势力更感兴趣
10月25日，全球首款搭载甲醇重整氢燃料电池的轻型卡车在昆山举行正式投入商业运营发布仪式，该车由东风特汽和苏州氢洁电源科技有限公司联合生产。但记者在采访过程中发现，整车企业对甲醇 重整氢燃料电池汽车这一技术路线并不太 “感冒”。
一位汽车企业研究院的相关负责人认为，目前氢燃料电池汽车的储氢罐技术更为成熟，而且包括枪击、穿刺、燃料等一系列试验均已证明了储氢罐的安全可靠 性。相较而言，甲醇重整氢燃料电池汽车， 尤其是较为复杂的甲醇重整器的安全可靠性还需要开展更多验证工作。
有意思的是，造车新势力反而更愿 “押宝”这一技术路线。11月13日，电咖汽车发布了新品牌天际和首款豪华SUV产品天际ME7，电咖汽车董事长兼首席执行官张海亮表示，在商用车所采用的燃料电池动力上，电咖汽车没有像丰田Mirai或者现代NEXO一样直接采用外部加氢的完整氢燃料电池动力方案，而是将采用甲醇 重整制氢方案，来为氢燃料反应堆提供动力源。无独有偶，在今年的广州车展上，爱驰汽车旗下的RG Nathalie登台亮相，采用的动力系统同样是甲醇重整制氢燃料电池，资料显示其百公里加速破2.5秒，最高时速300km，最大续驶里程能达到1200 公里。不过，这两家企业的甲醇重整氢燃料电池汽车产品均未实现量产。
有业内人士认为，甲醇重整氢燃料电池汽车是一种在氢燃料电池车运营成本大幅下降前降低碳排放的补充方案，但蒋炎坤并不完全赞同这种说法，结合国内目前甲醇的生产总体情况以及已经存在的甲醇加注站数量远多于加氢站的现象，他认为这是更接地气的技术路线，也是 “具有中国 特色的甲醇燃料车用方案之一”。
延伸阅读
醇氢汽车技术路线更接地气
燃料电池技术路线正呈现多元化趋势。华中科技大学能源与动力工程学院教授、湖北省汽车工程学会副理事长蒋炎坤告诉记者，相比甲醇重整氢燃料电池汽车，与传统燃油汽车更为接近的醇氢汽车也是值得推广的技术路线之一。
据介绍，醇氢汽车的工作原理为：甲醇经过管道输送至裂解器中，在催化剂作用下，被裂解为氢气和一氧化碳，再经管道送至发动机缸内，与汽油一起燃烧做功，驱动车辆。
经国家汽车检测中心检测，与传统燃油汽车相比，醇氢汽车的油耗平均降幅超过10% ，最大降幅可达到18.5%，热效率可提高3.1%，在污染排放方面，碳氢化合物排放量下降32% ，一氧化碳排放量下降11%。
