什么是氢燃料电池，氢燃料电池技术解析
来源：宝鄂实业
2019-04-03 12:20
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在今年的洛杉矶车展上，大众集团首次对外发布了旗下最新的三款新能源车型，与常见的纯电动、混合动力车型不同，它们全部采用了氢燃料电池技术，除了大众以外，丰田也同时发布了首款燃料电池车型-Mirai，氢燃料电池技术的密集发布是否也意味着这种技术将会是未来新能源车的发展方向？今天我们以大众集团的氢燃料电池车型入手，一起来分析以下这种新兴的汽车技术。
燃料电池（Fuel Cell），顾名思义，是通过燃料的化学反应来产生电能的一种发电装置，简单地说就是燃料和空气分别送进被燃料电池，经过一系列的化学反应，最终产生电能。它从外表上看有正负极和电解质等，更像是一个蓄电池，但实质上它并没有储存电能的能力，只能够产生电能，因此叫燃料电池。
◆燃料电池汽车
燃料电池汽车，给人的第一种感觉很像是使用新型的燃料替代汽油/柴油注入内燃机从而进行做功运动，其实则不然，我们所谓的燃料电池汽车其实本质就是一台电动汽车，不过这种汽车不同于普通的电动汽车需要背负沉重的电池组来提供电能，而是像普通的汽车一样加注燃料，通过燃料电池产生电能，然后再来驱动电动机，进而驱动车辆行驶。
实现零排放 大众集团燃料电池技术解析
燃料电池的类型有很多种，目前燃料电池汽车大部分都采用了质子交换膜燃料电池技术，而采用的燃料就是我们熟知的氢气，氢气被充进车辆上的高压气管，然后再需要的时候与空气一起送进燃料电池内部，通过质子交换膜，氢气与空气中的氧气在催化剂的作用下产生电化学反应，产生电流的同时只生成水，电流用来给电动机提供动力，而产生的水就直接排放出来，理论上讲，从排气管拍出来的水为纯净水，甚至可以直接拿来饮用。
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在行驶特性上，燃料电池汽车与普通的电动汽车完全一样，并且缺少了沉重庞大的电池组，底盘设计的灵活性也可以得到保障，车内的空间也并不会受到太大影响。
● 氢燃料电池汽车与氢动力汽车有什么不同？
◆氢内燃机式汽车
由于氢气是全世界公认的环保燃料，不含有碳元素使其在燃烧后完全不会有二氧化碳和一氧化碳的排放，因此在许多年以前不少汽车厂商就开始在做关于氢燃料方面的开发，并且也取得了一些进展，比如宝马在之前就推出过燃油和液态氢双燃料的7系轿车。
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氢燃料汽车的原理其实与我们常见的CNG（天然气）汽车原理大同小异，其采用了氢内燃机，就是将液态氢代替燃油喷入汽缸，发动机的运转还是与普通的燃油发动机基本一致，因此在行驶特性上也与普通汽车差别不大，但是在排放上可以几乎实现无污染物排放。
但是，要想将氢作为汽车的驱动力来源，那么首先就需要将氢气液化，然后装在重达160公斤的液氢罐中，而现在能做到的也只是一次存储8公斤的液态氢，连续行驶200公里左右。同时由于氢的挥发性，在补氢后长时间不用还会有泄漏。再加上氢动汽车的生存需要有与之配套的设施，如加氢站、维修网络等等，而这些都需要直接的市场利益驱动才能建立起来，加之随着电动汽车技术的普及和不断的完善，越来越多的厂商开始意识到电动车才是未来发展的方向，所以这种氢内燃机的设计也逐步淡出人们的视线。
◆大众集团氢燃料电池汽车
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大众帕萨特HyMotion与丰田Mirai都采用的是氢燃料电池技术
虽然给汽车加注的燃料都为氢气，但是氢燃料电池汽车与前面所说的氢内燃机汽车在原理上截然不同，此次大众集团推出的三款车型采用的就是氢燃料电池技术。前者虽然采用的是清洁环保的氢气作为能源，但是其仍然属于内燃机车，而氢燃料电池的车型则归类于电动车，氢气经过化学反应产生电能和水，再将电能传输给电动机驱动汽车。
●大众集团氢燃料电池技术解析
实现零排放 大众集团氢燃料电池技术解析
在此次的洛杉矶车展上，大众集团一口气带来了三款氢燃料电池汽车，他们是奥迪A7 Sportback h-tron quattro以及大众旗下的高尔夫和帕萨特Hy-motion，这三款车都是基于大众集团现有的车型平台打造而来，并且采用的燃料电池技术也完全相同，都采用了大众集团自主研发的第四代的100千瓦低温质子交换薄膜技术（PEM）的燃料电池堆栈，接下来我们就对这套系统的原理和特点进行详细的解析。
◆氢燃料电池技术研发早在2002年就已经开始
2002年，通过对一辆使用燃料电池的borahy .power和一辆使用太阳能为燃料的boratdi，在瑞士和意大利交界处海拨2005多米的辛普朗(simplon)隘口的测试，大众汽车公司的一种新型氢燃料电池动力传动系统测试成功。这种燃料电池可以将化学能量在氧化过程中直接转化为电能且成本较低，该项目是由大众汽车公司与在瑞士苏黎士的paulscherrer研究所一起开发的。
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2008年奥运会的氢燃料电池大众帕萨特领域
其实，氢燃料电池汽车离中国的消费者也并不遥远，在2008年奥运会期间，由上海大众汽车提供的20辆PASSAT领驭氢燃料电池轿车早在7月份就开始了“绿色车队”的奥运之行。它们除了参与奥运期间的马拉松比赛，还作为运输局的出租保点监察用车，每天在8个主要奥运比赛场馆附近运行，为贵宾、媒体记者和奥组委官员等提供用车服务。
实现零排放 大众集团氢燃料电池技术解析
实现零排放 大众集团氢燃料电池技术解析
事实上，大众在美国投入氢燃料汽车实测已经有一段时间了，此间搬上洛杉矶车展，足见其测试顺利。由此可见，氢燃料电池技术车型的集体亮相并不是大众集团的空穴来风，而是在经过了多年技术经验积累之后，完全能够达到量产条件之后的一次汇报演出。
◆大众集团氢燃料电池汽车构造
大众一直致力于节省成本的平台化开发策略，此次的燃料电池车型也是同样基于大众现有的技术平台，比如大众用了MQB平台和奥迪用了MLB平台只是对动力系统和燃料系统进行了重新改造，因此在设计方面的成本和今后普及的难度方面都比较低。并且这种思路可以为大众集团在今后实现同一辆车在同一个生产线上能够生产处汽油型、柴油型、天然气型、插电式混合动力型、纯电动型以及最新的燃料电池型号。
实现零排放 大众集团燃料电池技术解析
在原理上，这三款车除了驱动方式以外采用的动力单元结构都是基本一致的，所以我们选取其中一款车作为主要解析对象。
◆ 关于燃料电池
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实际上大众的燃料电池并不只是一整块电池，而是由300片相互独立的“电池”一个挨着一个组成的堆栈，其与特斯拉的那块由众多电池组成的整套供电系统类似，每一片电池都 能产生0.6~0.8V的电压，整个电池堆栈就能一共输出约230~360V的电压。除了基本的结构之外，燃料电池堆栈还需要一个涡轮增压器来强制输送空气进入电池中、一个用来循环多余氢气以提高利用效率的风扇和一个冷却用的泵。这些组建都由电力驱动并且直接从燃料电池堆栈中取电。
◆ 底盘结构与普通汽车有很大不同
实现零排放 大众集团燃料电池技术解析
大众（奥迪）氢燃料电池车的底盘与普通版本的车型有很大的不同，由于需要氢气来为燃料电池提供燃料，因此普通车型扁扁的油箱被高压氢罐所代替，为了保证续航里程，氢罐的数量为四个，可以储存接近5kg的氢气。而普通车辆发动机舱的位置则被燃料电池堆栈和电动机所代替，根据车型的不同，帕萨特和高尔夫旅行版在前轴上布置有电动机，而奥迪A7为四轮驱动，前后轴均有电动机分布。
燃料电池组外部还有一个额外的冷却循环系统，用来冷却燃料电池。一个热交换器和一个自动调节的电加热器用来充当暖风系统。燃料电池工作温度在80摄氏度，对冷却系统 要求比内燃机严格一些，但是能量利用效率却高达60%，是内燃机的两倍！冷启动性能也不错，可以保证在零下28摄氏度正常工作。
实现零排放 大众集团燃料电池技术解析
值得一提的是，由于燃料电池并不具备电能储存的能力，因此大众燃料电池汽在车辆的后部还加入了动力电池（8.8千瓦时的锂电池组），这块电池可以储存一部分电能，并且这部分电能足以让车辆持续形式五十公里左右，此时燃料电池并不需要介入，而在车辆急加速的时候，燃料电池提供的电能和这块动力电池提供的电能可以同时作用在电动机上，为车辆提供充足的扭矩。另外，这块电池还可以通过动能回收和外部充电补充电能，进一步提升了续航里程。
◆ 关于续航里程
续航里程是新能源车面临的最具挑战性的一个问题，特斯拉能取得如此大的成功，很大的一个原因要归功于其超过300km的超长续航里程。在这个方面，燃料电池汽车相比传统的电动汽车还是拥有不小的优势。大众集团此次发布的三款车型全部都配备了四个储氢罐，这四个罐内压力超过700个大气压的储氢罐一共可以储存大约5kg的氢气，在全燃料电池模式下，车辆行驶100公里大约需要1公斤的氢气，因此理论上讲，大众集团的这三款氢燃料电池汽车的续航里程都可以达到500公里左右。
◆ 性能水平并不差
奥迪A7 Sportback h-tron quattro的前后轴各布置了一个电动机，形成了前后双电机的类似特斯拉P85D的“四驱”结构。每个电机都有85千瓦的功率和270牛米的峰值扭矩，这样的组合搭配一共可提供170千瓦的功率输出，并且由于双电机无需机械传动的结构优 势，quattro成了e-quattro，扭矩输出控制电子无极调节，是传统机械结构根本无法实现的。这台A7 Sportback h-tron quattro只需7.9秒就能够完成静止到100公里/小时的加速，最高车速180公里/小时。
实现零排放 大众集团氢燃料电池技术解析
高尔夫和大众帕萨特HyMotion只是在在驱动形式上与A7有些不太相同，但是驱动原理与前者完全一致。高尔夫SportWagen HyMotion采用了一台最大输出功率100kw，峰值扭矩达到270N·m的一台电动机驱动，其0-100km/h的加速时间仅为10秒，最高时速达到了160km/h，这样的数据基本上与普通的汽油版本没有太大差别。
◆ 轻量化设计有优势
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排气管路及氢气输送管路都可以采用塑料材质
燃料电池工 作的唯一“废气”是纯净水蒸气，因此底盘的排气管也不用考虑耐高温或者耐腐蚀，直接用轻量化塑料管路就可以实现，减重不少。另外，由于没有像普通电动汽车沉重的电池组，燃料电池汽车的整备质量相比前者也有不少的优势。同时，为了让重量分布更为均匀，大众和奥迪在底盘的储氢罐的分布上也做了文章，其采用了四个储氢罐，两两分布在后轴的前后部分。
◆ 加注氢气方便快捷，但基础设施并不完善
大众推出的这三款氢燃料电池车型在加注氢气的时候非常方便，在专业的加氢站只需要3分钟便可将四个储气罐加满，相比于那些动辄三四个小时，七八个小时才可以充满电的电动汽车来说，氢燃料电池在能源补充方面无疑非常高效。
