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氢燃料电池车的工作原理是什么?

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导读:氢燃料电池车区别于普通汽车的地方,主要在其动力系统上。普通汽车以汽油等燃料在内燃机中燃烧做的功为动力;而氢燃料电池车是以氢燃料电池产生的电能为电动机供电,以电动机做的功作为动力的。

如上图所示,氢燃料电池车的动力系统主要由以下几部分构成:

(1)燃料口:氢气燃料的加注口,直接连在氢气储罐上。

(2)蓄电池:减速时帮助制动,并将部分机械能转化为电能储存起来;加速时释放储存的电能帮助加速。

(3)高压氢气储罐:内部充满高压氢气作为汽车的燃料。其内部压力一般为35MPa,少部分车辆可达到70MPa。

(4)安全装置:当汽车发生碰撞或者氢气泄露时,切断燃料电池的氢气供给。

(5)PEMFC(质子交换膜燃料电池)电堆:氢燃料电池车最核心部件,为电动发动机供电,保证汽车平稳行驶。

(6)发动机(电动):汽车的直接动力源。

(7)驾驶系统:连接驾驶室,控制车辆运行状态。

其中,PEMFC电堆作为车辆的核心部件,其单电池的原理图如下:

图中,左侧为电池阳极(负极),氢气作为燃料进入此极;右侧为电池阴极(正极),空气中的氧气作为氧化剂进入此极。

电池在正常工作时,在阳极侧,氢气在金属铂的催化以及电路的作用下失去电子,变成氢离子(H+,质子),并通过只对氢离子有选择性的PEM到达阴极侧,而电子只能通过外电路到达阴极,从而产生可利用的电流。在阴极侧,空气中的氧气在金属铂的催化以及电路的作用下得到电子,变成氧负离子(O2-)。随后,从阳极侧进入阴极侧的氢离子与氧负离子结合生成水,从阴极流出。

氢燃料电池车在经由燃料口充氢后,方可正常启动运行。当司机打开控制系统,将汽车发动后,燃料电池堆开始工作,消耗氢气,产生电能,带动电动发动机工作,汽车开始行驶。

相比于普通汽车,氢燃料电池车的排放物只有纯净的水而没有其他污染物,且只需要少量氢气(2.5公斤)即可续航400公里左右,燃料的成本要大大低于汽油、柴油等内燃机燃料。而相比于纯电动汽车,氢燃料电池车以PEMFC电池堆替代锂电池,作为电动发动机的能量来源,使得汽车拥有了更远的续航里程;同时,充能(充气)时间从电动车的1-2小时变为了氢燃料电池车的3-5分钟,大大节约了时间。

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