氢燃料电池车更像是一种增程式电动汽车。也许有些人会认为氢燃料电池车是以燃烧氢原料作为动力的,其实不然,氢燃料电池指的是氢通过与氧的化学反应而产生电能的装置(单纯依靠燃烧氢来驱动的“氢内燃机车”也曾出现过,比如宝马的氢能7系)。氢燃料电池车的驱动力来自于车上的电动机,就像纯电动汽车一样,因此,氢燃料电池车可以理解为辆“自带氢燃料发电机的电动汽车”,其理念与增程式电动汽车相类似,只不过电能的来源由一台内燃机变成了氢燃料动力单元。
1.氢燃料电池车及其基本结构。
到目前为止,各个车企的氢燃料电池车的基本原理较为一致,只是细节设计上有所区别。笔者仅以丰田汽车公司刚刚发布的氢燃料电池车 Mirai为例来说明氢燃料电池车的结构和工作原理。
如图2-31所示,Mri氢燃料电池车主要由高压储氢罐、氢燃料电池堆栈、燃料电池升压器动力蓄电池组、驱动电动机和动力控制单元等组成。高压储氢罐内存储燃料用氢气,压力大约为70MPa;氢燃料电池堆栈为丰田汽车公司第一个量产的燃料电池,体积能量密度为3.1kW/L,输出功率为114kW;燃料电池采用紧凑高效的大容量升压器,能够将电压升高到650V;动力蓄电池组采用镍锰蓄电池,用以回收制动能量,在加速时辅助燃料电池供电;驱动电动机由燃料电池和动力蓄电池组供电,最大功率为113kW,最大转矩为335N·m;
动力控制单元用于在不同的行驶工况下分别控制动力蓄电池组的充放电策略。
Mirai车的动力系统被称作TFSC,即丰田燃料电池堆栈,是以燃料电池堆栈为核心组件的混合动力系统。TFSC没有传统的汽油发动机,也没有变速器,发动机舱内部是电动机和电动机的控制单元。在驾驶舱底部布置着的燃料电池堆栈是整套系统的核心;在车身后桥部分放置着一个镍氢动力电池组和前后2个高压储氢罐,没有油箱和大面积的锂离子电池,Mirai车唯一需要消耗的“燃料”就是氢气,不用加油也不用充电,加满5kg氢气可行驶640km。
直接驱动 Mirai车车轮的电动机功率为113kW,峰值转矩为335N·m,基本相当于辆2.0L自然吸气发动机的动力水平。除燃料电池堆栈发电之外, Mirai车后轴上方布置了个1.6kW·h的镍氢电池组,充当动力电池十储能电池的作用。该电池组基本上与凯美瑞混合动力车的电池一样,在整车负载低时可单独用其供电驱动车辆前进,与此同时燃料电池堆栈发出来的电可以给电池组充电,用镍氢电池充当一个“缓存”。当车辆有更大的动力需求时,镍氢电池组的电会很快耗光,此时燃料电池堆栈就直接向电动机输电,与镍氢电池组实现双重供电以满足车辆需求;当车辆减速行驶时,电动机转化为发电机来回收动能,电量直接输送到镍氢电池组内储存起来。 Mirai氢燃料电池车的工作原理如图2-32所示。
2.燃料电池堆栈的构成和工作原理。
丰田 Mirai车搭载的燃料电池堆栈(图2-33)是由370片薄片燃料电池组成的,因此被称为“堆栈”共可以输出114kW的发电功率。虽然氢燃料电池名字里面有“燃料”字样,同时氢气也能够与氧气在一起剧烈燃烧,但氢燃料电池却不是利用燃烧来获取能量的,而是利用氢气与氧气化学反应过程中的电荷转移来形成电流的,这一过程最关键的技术就是利用特殊的“质子交换薄膜”将氢气拆分,质子交换薄膜也是燃料电池领域最难被攻克的技术壁垒。如图2-34所示,在燃料电池堆栈里,进行着氢与氧相结合的反应,其过程中存在电荷转移,从而产生电流。与此同时,氢与氧发生化学反应后生成水。
燃料电池堆栈作为一个化学反应池,其最为关键的技术核心在于“质子交换薄膜”。在这层薄膜的两侧紧贴着催化剂层,将氢气分解为带电离子状态,因为氢分子体积小,携带电子的氢分子可以透过薄膜的微小孔洞游离到对面去,但是在这个过程中,电子被从分子上剥离,只留下带正电的氢质子通过薄膜到达另一端。氢质子被吸引到薄膜另一侧的电极与氧分子结合。薄膜两侧的电极板将氢气拆分成氢离子(正电)和电子,将氧分子拆分成氧原子以捕获电子变为氧离子(负电),电子在电极板之间形成电流,2个氢离子和1个氧离子结合成水,水成为了该反应过程中的唯一“废料”。从本质来讲,整个运行过程就是发电过程随着氧化反应的进行,电子不断发生转移,就形成了驱动汽车所需的电流。如果说,氢燃料电池车的技术突破是在发明一种汽车,倒不如说是在发明一种全新的“发电机”,然后整合进一辆车里。在燃料电池堆栈中,排布了诸多薄膜,可以产生大量的电子转移,形成供车辆行驶所需的电流。因此Mimi车是纯电动汽车,燃料电池堆栈代替的就是厚重且充电效率低下的锂离子电池组。一般情况下,燃料电池堆栈所产生的整体电压为300V左右,不足以带动一台车用大功率电动机,因此, Mirai氢燃料电池车还装备了燃料电池升压器,将电压升至600V以上,从而顺利驱动电动机。
丰田的燃料电池堆栈经历了10多年的技术优化,形成了自己的特色结构。丰田汽车公司2008年采用的燃料电池技术如图2-35所示,由于通路宽度过大,氢和氧发生化学反应产生的副产品水会在通路内堆积,阻碍氧向催化剂层扩散,降低发电效率。 Mirai氢燃料电池车采用新型高性能燃料电池(图2-36),阴极采用了3D立体精微流道技术,氢和氧发生化学反应产生的水可以通过3D立体精微流道迅速排出,防止堆积的水对氧气的进一步进入产生阻碍,使空气可以充分通过微流道流动并与催化剂层(采用铂钴合金催化剂,活性提升1.8倍)接触;正极的质子交换薄膜被做得更薄(厚度减小1/3,导电性提高3倍),气体在扩散层(采用低密度材料)的扩散性得到提升,催化剂层处于“超激活”状态,显著提升了电极的响应性能,有效地改善了发电效率,因此,整个燃料电池堆栈的发电效率达到了3.1kW/L,是2008年丰田燃料电池技术的2.2倍(图2-37)。
3.高压储气罐。
了解氢气物理特性的人都知道,氢气和汽油不同,常温下氢气是气体,密度非常低,并且非常难液化,常温下更是无法液化,因此氢气要安全储藏和运输并不容易,所以,氢气无法像汽油那样直接注入普通油箱里。丰田汽车公司设计了一大一小2个储氢罐,通过高压的方式尽可能多地充入氢气。以目前的主流储存技术,丰田汽车公司选用了70MPa的高压储氢罐(图2-38)。2个储氢罐总的容量是122.4L,采用70MPa的压力,也只能容纳约5kg的氢气,因此实际上燃料的质量并不大,反而储氢罐特别笨重。
为了在承受70MPa的前提下仍旧保持行驶安全性,所以储氢罐被设计成4层结构,铝合金的罐体内部衬有塑料密封内衬,外面包裹一层碳纤维强化塑料(CFRP)抗压层,抗压层外侧再增加一层玻璃纤维强化塑料外壳,起到减振保护作用,并实现外壳的轻量化,并且每一层的纤维纹路都根据所处罐身位置不同而做了额外的优化,使纤维顺着压力分布的方向,提升保护层的效果。多重纤维材料的组合应用及不同的纤维编制形式,能够有效发挥各种纤维的物理特性,适应不同的罐体区域的受力情况,可以减少40%的纤维用量。
4.丰田燃料电池车的驱动模式。
丰田汽车公司的氢燃料电池汽车 Mirai在2017年进行了量产。 Mirai意为“未来”,丰田汽车公司对于未来的探索在该车型上得以实现。从开始研发到最终上市,丰田汽车公司耗费20余年的时间,该车的核心组件包括动力控制单元、燃料电池堆、驱动用电池、电动机升压转换器以及高压储氢罐,具备低重心化、空气动力性能好、优化的重量分配以及高强度车身等特点。下面就其驱动模式进行简介。
燃料电池车行驶工况分为以下四种:启动、一般行驶、加速行驶以及减速行驶,驱动模拟图如图2-39所示。
(1)启动工况 车辆启动时,由车载蓄电池进行供电,此时,来自镍锰蓄电池的电源直接提供给驱动电动机,使电动机工作,驱动车轮转动,此时,燃料电池不参与工作,如图2-40所示。
(2)一般行驶工况 一般行驶工况下,来自高压储氢罐的氢气经高压管路提供给燃料电池,同时,来自空气压缩机的氧气也提供给燃料电池,经质子交换膜内部产生电化学反应,产生大约300V的电压,然后经DC/DC转换器进行升压,转变为650V的直流电,经动力控制单元转换为交流电提供给驱动电动机,驱动电动机运转,带动车轮转动,如图2-41所示。
(3)加速行驶工况 加速时,除了燃料电池正常工作外,需要由车载蓄电池参与工作,以提供额外的电力供驱动电动机使用,此时车辆处于大负荷工况下,如图2-42所示。
(4)减速行驶工况 减速时,车辆在惯性作用下行驶,此时燃料电池不再工作,由车辆减速所产生的惯性能量由驱动电动机转换为发电机进行发电,经动力控制单元将其转换为直流电后,反馈回车载蓄电池进行电能的回收,如图2-43所示。
5.氢燃料电池优势。
(1)消除“里程忧虑”一般情况下,氢燃料电池车每行驶100km大约需要消耗1kg氢气,而像丰田 Mirai、奥迪A7 Sporback h- tron quattro等车型,可储存约5kg的压缩氢气理论上,在加满氢气的状态下续航里程可达500km。
(2)燃料补充时间与燃油车相当氢燃料电池车加注氢气的过程非常快速且便捷,专用的加氢气设备仅需3min即可充满氢原料,相对于纯电动汽车较长的充电等待时间(目前充电最快的特斯拉 Model s车的超级充电站也需要1.25h才能充满电量)而言,优势极其明显。
(3)性能媲美燃油车像奥迪A7 Sporback h- tron quattro这款氢燃料电池车,前后轴各配备了一台最大输出功率为85kW、最大转矩为270N·m的电动机,总功率达170kW,可提供高达540N·m的转矩,该车0~100km/h加速时间仅7.9s。
