[讲堂]燃料电池用什么燃料?为什么未来汽车动力的第二选择是它?(二)

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导读

上一期讲堂中介绍了燃料电池单体的内部结构与反应原理,但是光是一个单体,并不足以承担汽车动力源的重任。那该怎么做?单打独斗不行那就抱团啊。

进入主题之前,先来回答上一期燃料电池[讲堂]留言中提到的一些问题,也欢迎读者在评论中提出疑问,共同讨论。

1King’s Kiss:燃料电池车需要充电吗?

A:燃料电池相对于锂电池最大的优势就在于它不需要充电,它不是储能装置,而是发电装置,为它补充能源和加油一样,给车上的氢罐加氢即可,燃料再填充的速度可以接近并达到当前加油的水平。

2老千克星弓长老:甲烷能不能做燃料电池的能量载体?

A:可以,参见上一期燃料电池分类的表格,天然气、沼气、甲烷都可以作为燃料电池的燃料,其发电的根本在于氧化还原反应的得失电子过程。

但是,不说不如氢气环保的问题,能采用天然气、甲烷作为燃料的燃料电池工作条件要求高,目前的技术下并不适合车用。因此,车用燃料电池仍然以氢气为主流。

3你说:有杂质的氢气燃烧会不会爆炸?

A:并不会,燃料电池的发电过程中发生的是氧化还原反应,是电化学反应转化能量,并不是通过燃烧转化能量,有杂质可能会污染催化剂,减少寿命,燃料电池电堆也有一套严格的热管理系统控制电堆的散热,在整个反应过程中,氢气都不会燃烧也不会爆炸。需要燃烧氢气的是氢气发动机,宝马曾经研究过,和现在的汽油机类似,只是燃料从汽油换成了氢气。

堆叠:为了更高的电压

之前介绍了燃料电池在使用时需要首尾相连,组成电堆,想像一下,这个场景和使用5号干电池时将其首尾相连获得1.5V*2=3V电压的意义完全相同。

就像5号干电池的电压只有1.5V(镍铬镍氢充电电池的标称电压只有1.2V),一节燃料电池单体的电压也是有上限的,不高,理论值为1.229V(25℃,1atm下),但正常使用过程中,这个值更低,一般在0.6-0.8V左右。

理论值根据能斯特方程计算,与反应温度和反应气体(氢气、氧气)压力有关

这么低的电压很难驱动用电器,我们知道,现在的电动车普遍的工作电压在300-400V左右,很多车企已经在研究700V-800V的高压供电系统。这是为了在同等功率需求下降低电流从而降低损耗,和家用电在入户前需要高压传输一样。

因此,为了实现高电压输出,必须将几百片燃料电池的单体串联,组合成电堆,才能正常驱动车辆。特斯拉不也是把好多好多18650电池串联(提高电压)再并联(提高电量)组成电池组吗?燃料电池的电堆也是如此。能斯特电压与电池的电流无关,只与温度和进气压力有关。

但是,都说了理论值,实际上我们使用的燃料电池不可能达到这一电压,就像普通干电池有内阻一样,燃料电池也存在着损耗,有三种:活化损失、欧姆损失和浓差损失,也可以被称为活化极化(过电压)、欧姆极化(过电压)和浓差极化(过电压)。

活化极化是指在电化学反应中维持反应正常进行,驱动电子/质子定向运动而消耗的能量,它的大小与电流相关,电流越大,活化损失越大。欧姆极化则相当于燃料电池的内阻,同样与电流成正相关。浓差极化主要发生在大电流工作状态下,此状态下,电化学反应速度极快,电极处反应物迅速消耗,氢气氧气得不到及时补充,压力下降,即反应物出现浓度差,因此被称为浓差损失。这三种损失均可以通过电压降的形式表示,实际燃料电池的工作电压为:

燃料电池的三种损失都与电流密度(电流÷反应面积)相关,在低电流密度阶段活化极化是主要影响因素,中电流密度时,欧姆极化占主流,此时燃料电池的i-V曲线基本成一直线,而高电流密度时,主要的影响因素又变成了浓差极化。

可以看到,低电流密度和高电流密度时,输出电压变化较大,且不线性,因此正常使用时,应尽量使用中间线性段。而此时的燃料电池电压为多少呢?0.6-0.8V左右。

由于这样的特性,燃料电池的功率密度随着工作电流密度的增加,先上升,在某一电流密度处达到最大值,之后在高电流密度处呈下降趋势。燃料电池的电流密度直接与消耗的燃料成正比,在一定的电流密度下,电压下降越多,电功率下降越多,单位燃料所发出的功率越小,效率也就越小。

前边提到了电流密度,电流÷反应面积很容易理解,因为燃料电池的发电特性,氢气和氧气在双极板上发生反应,一个氢分子可以产生两个电子通过外电路,自然,在反应物浓度一定(对于气体而言就是压力一定)时,双极板面积越大,就有越多的氢气和氧气参与反应。也就是说,燃料电池能够输出多大的电流,不仅仅和反应气的压力有关,与其尺寸同样相关。

打个比方,双极板的面积就好比内燃机的气缸容积,而反应气的浓度则可以类比看成喷油量和进气量。那么自然,气缸容积大的内燃机在输出上天生有优势。但是单纯的输出能不能够反应发动机的技术程度高低呢?

并不能,一台新款的2.0T对比老旧的V8可能输出没那么高,可技术水平则并不能简单的评价。因此,我们用升功率来评价内燃机,类比功率密度(电流密度×电压=功率÷反应面积)评价燃料电池。

关键缺陷:慢

经过之前的分析,我们可以看到,燃料电池的输出受限于众多内在因素,体现在宏观外在的表现就是,燃料电池的输出特性很软,它无法应对剧烈的功率需求变化。

比如驾驶员踩死油门,ECU指挥气泵加大氢气输出量,压力提高,电流密度逐渐提高,同时电压却在下降,不仅响应慢,变化的电压也影响了整个电系统的效率。就像一台涡轮迟滞非常明显的早期涡轮增压发动机,甚至更差。而且,频繁的功率变化也会让燃料电池的寿命加速衰减。蔚蓝网

图为一台额定功率55kW燃料电池电堆从0到满功率的输出仿真曲线,需要差不多25s燃料电池才能达到额定功率

因为这样的特性,燃料电池很难像电池或者发动机那样作为车辆的单一能量源,在实际设计中,一般燃料电池会与蓄电池或者超级电容组成电-电混合动力系统。

依靠输出更稳定,响应更快的蓄电池来满足高频的动力需求,而让燃料电池尽量平稳输出。从这个角度来看,燃料电池相当适合作为增程器来使用。就像现在的增程式电动车一样,只不过把用汽油发电的发动机改成燃料电池发电。

有了电堆也不是终点,就像发动机,不可能只有一个本体,还有燃油供给、空气供给、冷却、润滑等等众多辅助装置。分别对应了燃料电池的氢气/空气供应系统、热管理系统、水管理系统等。因此,完整的可以安装在车上,包括电堆以及整套辅助装置的燃料电池系统也被称为[燃料电池发动机]。

燃料电池的优势在于其在稳定工作状态时,能够达到高于内燃机的效率,因此,如何利用这一特点,分配燃料电池/蓄电池组成的混合动力系统之间的功率分配,也既能量管理策略是当前的研究重点。增程式是一个较为简单的解决方案。上一篇<>中作为引子的爱驰亿维RG Nathalie概念车便采用了这种方案。那么除了增程式,燃料电池汽车是否能够像油电混动车那样有强混、弱混、或者插电什么的其他方案吗?下一期讲堂就讨论[燃料电池发动机]装到车上之后又会发生什么。

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撰文丨陆思灏

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