氢燃料电池原理

燃料电池工作原理

电动汽车时代发表于2014-11-2706:52责编:王艳

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燃料电池工作原理

虽然燃料电池名字里面有“燃料”字样，同时氢气也能够跟氧气在一起剧烈燃烧，但在燃料电池却不是利用燃烧来获取能量，而是利用氢气跟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“电解质薄膜”将氢气拆分，整个过程可以理解成蚊子无法穿过纱窗，但是更小的灰尘却可以……电解质薄膜也是燃料电池领域最难被攻克的技术壁垒。

燃料电池堆栈外部细节及主要参数燃料电池堆栈外部细节及主要参数因为氢分子体积小，可以透过薄膜的微小孔洞游离到对面去，但是在穿越孔洞的过程中，电子被从分子上剥离，只留下带正电的氢质子通过，氢质子被吸引到薄膜另一侧的电极与氧分子结合。电解质薄膜两侧的电极板将氢气拆分成氢离子（正电）和电子、将氧气拆分成氧离子（负电）和电子，电子在电极板之间形成电流，两个氢离子和一个氧离子结合成为纯水，是反应的废物。所以本质来讲，整个运行过程就是发电过程。因此Mirai是纯电动车，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。

丰田2008年燃料电池

丰田Mirai的燃料电池创新

丰田Mirai搭载的燃料电池堆栈是由370片薄片燃料电池组成的，因此被称为“堆栈”，一共可以输出114千瓦的发电功率。此前我们也分析了大众集团的燃料电池技术，结构基本类似。丰田的燃料电池堆栈经历了十几年的技术优化，形成了自己的特色结构，比如3D 立体微流道技术，通过更好地排出副产物水，让更多空气流入，有效改善了发电效率。所以整个堆栈的发电效率达到了世界先进水平，达到了3.1千瓦/升，比2008年丰田的技术整整提升了2.2倍。

Mirai燃料电池堆栈技术迭代

由于燃料电池堆栈中每片电池发电的电压大约在0.6V-0.8V之间，整体也不会超过300V电压，所以为了更好驱动电动机，还需要安装一个升压器，将电压提升到650V。

燃料电池迭代

700个大气压下储存氢气

了解氢气物理特性的人都清楚，氢气跟汽油不同，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，所以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。丰田设计了一大一小两个储氢罐，通过高压的方式尽可能多充入一些氢气。以目前的主流储存技术，丰田选用了700Mpa也就是700个大气压的高压储气罐，类似我们常见的“煤气罐”，只不过罐体更厚重。两个储氢罐一共的容量是122.4升，采用700个大气压储存，也只能容纳约5公斤的氢气。所以实际上燃料的重量并不大，反而储氢罐特别笨重。

氢气储存性能

为了在承受700个大气压的前提下仍旧保持行驶安全性，我们可都不希望坐在两个炸弹上面开车吧？所以储氢罐被设计成四层结构，铝合金的罐体内部衬有塑料内胆，外面包裹一层碳纤维强化塑料的保护层，保护层外侧再增加一层玻璃纤维材料的减震保护层，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。