燃料电池是汽车能源的终极解决方案?

来源：宝鄂实业 2019-05-02 11:30 点击量：次

我们日常接触到的主要储能单元都是以化学能的方式保存的，通过氧化还原反应将化学能转化为热能、电能、机械能等等。无论是煤炭、汽油、天然气的燃烧，或是电池中电子从负极出发经过负载到达正极，本质上都是氧化还原反应。

既然能量转化的是以电子移动做功的形式产生的，那么理论上同等重量或体积的物质拥有的可移动电子越多越适合做为储能载体。而采用能量密度高的载体则汽车可以以最小的载重获得更久的续航里程。

因此我们会为质量轻、有可移动电子、且非惰性的元素设计一套“可控的”、“氧化还原反应”机制成为我们的能源解决方案。

查看元素周期表我们初步可以发现，在元素周期表前几行的轻原子比较符合要求，去掉惰性元素、有毒有害、以及氧化剂（氧元素），则剩下氢（H）、碳（C）、锂（Li）、钠（Na）等。

在实际生活中我们采用的大多数能量载体也正如分析结果所示，如煤炭、汽油、天然气等都是碳氢化合物。汽油的能量密度约12.8 kwh/kg（46 MJ/Kg），煤炭约8.05 kwh/kg（29 MJ/Kg）。而虽然锂元素能量密度可达12 kwh/kg，但锂电池能量密度仅有0.2 kwh/kg（原因稍后分析），由此可见碳氢化合物已经是自然界中能源载体的较优解了。（注：氢气的能量密度约38.8 kwh/kg）

既然汽油、柴油已经是能源方案中比较适合的选项了，为什么还需要寻找新能源替代呢？我觉得主要有三个原因，前两个不用说大家想必也了解，化石燃料的不可再生属性和碳排放引起的环境问题。

第三个我觉得是能源利用效率问题。内燃机燃烧做工时的效率往往只有30%，原因在燃烧过程中的电子移动是无序的，多数能量以产热而非做工的形式消耗。而电池在进行氧化还原反应过程中的电子移动是有序的并形成电流，因此能量利率可达90%以上。但也正因为电池需要保持电子移动的有序性，需要构建一套反应机制和环境（如电池中需要有正负极材料、电解液、隔膜等其他辅助材料）则导致了能量密度极大程度的降低。

因此锂电池作为汽车能量载体虽然解决了资源问题、环境问题、能量效率问题，但目前锂电池能量密度低的问题始终限制着电动汽车完全替代传统汽车。

燃料电池汽车所需的氢气属于二次资源不必有枯竭的担忧，同时氢气和氧气反应产生水实现了动力的零排放，并且能源利用效率达到了65%以上，更为重要的是有着非常高的能量密度和快速补给能力（3分钟即可完成燃料加注），以上四个方面都较为理想的解决了现有储能原料存在的不足，因此有观点认为燃料电池技术将是汽车能源的终极解决方案。

1.燃料电池原理及系统架构

燃料电池技术原理如下图所示：氢气与空气中的氧气在催化剂（Pt）的作用下进行氧化还原反应反应从而产生电流。为确保电堆的有效工作燃料电池系统需要构建一整套能量循环系统，主要包括：空气循环、氢气循环、冷却循环、以及电路循环。

氢气喷射器：根据输出电流调节氢气压力；

氢气循环泵：调节不同电流下的氢气回流量；

空气过滤器：过滤空气中的粉尘，花粉，细菌等;

空压机：压缩空气体积，增加气体压力；

增湿器：增加氢气和过滤后空气的湿度；

燃料电池电堆：整个系统的核心部件，根据功率大小，由多片单池串联而成一个电堆；

冷却系统：通过水泵将电堆反应产生的热带出，通过散热风扇散热；

DC/DC：将燃料电池的输出电压调整到需要的电压值；

同时为了测量系统的物理量需要安装不同的传感器：空气的流量传感器和压力传感器；氢气的压力传感器；空压机的电流、电压传感器；冷却系统的压力和温度传感器；电堆的电流和电压传感器。将燃料电池动力系统应用在交通工具上时，需要辅助的电力存储设备用来防止燃料电池电压突跳和制动能量回收。

因此锂离子动力电池配合燃料电池的混动方案可能是未来的趋势之一，在不便于补充氢气时可通过充电补充能量，在需要长距离行驶时加注氢气可实现远距离出行的要求。