加氫3分鐘，續航600公里……近年來(lái)，作為新能源汽車(chē)的主要技術(shù)路徑之一，“氫能汽車(chē)”正帶給人們無(wú)窮的想象空間。

而在今年北京冬奧會(huì )期間，在延慶和張家口賽區，千余輛氫能大巴穿梭在賽場(chǎng)之間，讓氫能汽車(chē)再次走到聚光燈下。

那么，氫能汽車(chē)的工作原理是什么？它與燃油車(chē)、電動(dòng)車(chē)又有什么不同呢？

什么是氫能汽車(chē)

首先我們要了解什么是氫能汽車(chē)，氫能汽車(chē)是以氫作為能源的汽車(chē)。一般的汽車(chē)是以?xún)热紮C燃燒柴油或汽油產(chǎn)生的推力作為動(dòng)力源，而氫能汽車(chē)包括氫內燃機汽車(chē)和氫燃料電池車(chē)，其中前者的動(dòng)力來(lái)源為氫氣在內燃機中燃燒產(chǎn)生的能源、后者則使氫或含氫物質(zhì)與空氣中的氧在燃料電池中反應產(chǎn)生電力推動(dòng)電動(dòng)機，由電動(dòng)機推動(dòng)車(chē)輛。

氫能汽車(chē)的種類(lèi)

氫能汽車(chē)主要分為兩大類(lèi)，氫內燃機和氫燃料電池技術(shù)。

氫內燃機汽車(chē)的工作原理

氫氣發(fā)動(dòng)機的原理與燃油內燃機相同，是一種通過(guò)燃燒釋放反應氣體的化學(xué)能，通過(guò)氣體膨脹做功的動(dòng)力設備。

氫氣內燃機其實(shí)并不是什么新鮮的概念，它的起步很早，可以追溯到19世紀中期。1841年，英國頒發(fā)了第一個(gè)用氫氣氧氣混合氣工作的發(fā)動(dòng)機的專(zhuān)利。

在所有的汽車(chē)品牌中，堅持研發(fā)氫內燃機技術(shù)的要當屬寶馬。1978年寶馬就開(kāi)始研究氫燃料動(dòng)力，他們在1996年的世界氫能會(huì )議上展示了一款氫氣內燃機汽車(chē)，隨后在2000年德國漢諾威世博會(huì )上展示了用自家旗艦7系改造的750HL示范運營(yíng)車(chē)隊。

2007年，寶馬推出了迄今為止氫內燃機汽車(chē)最接近量產(chǎn)的產(chǎn)品——Hydrogen 7。但最終結果我們也看到了，寶馬現在將精力轉到氫燃料電池方向。

而且氫內燃機有個(gè)弊端，那就是氫氣在發(fā)動(dòng)機內燃燒，雖然會(huì )生成水，但是也會(huì )和吸入的空氣，在高溫下產(chǎn)生一定的NOx。而且由于氫內燃機的溫度更高，NOx的排放問(wèn)題比起傳統內燃機更加嚴峻。

氫燃料電池汽車(chē)的工作原理

氫燃料電池技術(shù)是目前各大車(chē)企的主流方向，工作原理就是將氫送到燃料電池的陽(yáng)極，在催化劑的作用下，一個(gè)氫原子被分解成2個(gè)氫離子和2個(gè)電子，氫離子穿過(guò)質(zhì)子交換膜，與氧氣結合生成水，電子無(wú)法穿過(guò)交換膜，只能經(jīng)過(guò)外部電路，被迫產(chǎn)生電流。

理論上來(lái)說(shuō)，只要不斷地給陽(yáng)極輸送氫氣，給陰極輸送氧氣，就可以持續地產(chǎn)生電能。

氫轉換成電能的工作原理

氫燃料電池很好地避免氫內燃的缺點(diǎn)，比如化學(xué)反應不需要高溫，所以能量交換后的產(chǎn)物只有水，能量密度更高，能量轉換效率要比氫內燃機高很多。

氫燃料電池車(chē)的動(dòng)力系統主要由高壓氫氣儲罐、動(dòng)力電池、燃料電池電堆、燃料電池升壓器和驅動(dòng)電等幾部分構成。

氫燃料電池車(chē)的動(dòng)力系統主要組成部分

其中，燃料電池電堆是氫燃料電池車(chē)最核心部件，為電動(dòng)發(fā)動(dòng)機供電；高壓氫氣儲罐則提供燃料，動(dòng)力電池組提供而外的功率，讓車(chē)加速、爬坡和高速運行。此外，在車(chē)輛滑行時(shí)，能量控制單元將驅動(dòng)電機變?yōu)榘l(fā)電機，從而將部分汽車(chē)動(dòng)能變?yōu)殡娔芙o動(dòng)力電池充電。

氫燃料電池汽車(chē)的工作原理

相比于普通汽車(chē)，氫燃料電池車(chē)的排放只有純凈的水，且只需要少量氫氣（2.5公斤）即可續航400公里左右，燃料的成本要大大低于汽油、柴油等內燃機燃料。

而相比于純電動(dòng)汽車(chē)，氫燃料電池車(chē)以PEMFC電池堆替代鋰電池，作為電動(dòng)發(fā)動(dòng)機的能量來(lái)源，使得汽車(chē)擁有了更遠的續航里程；同時(shí)，充能（充氣）時(shí)間從電動(dòng)車(chē)的1-2小時(shí)變?yōu)榱藲淙剂想姵剀?chē)的3-5分鐘，和加油的時(shí)間差不多。

氫氣如何制造

當前氫能的推廣和應用，還存在很多難題，首當其沖的就是氫氣的制造。

目前工業(yè)制氫主要有幾種方法：一是采用化石燃料制取氫氣；二是從化工副產(chǎn)物中提取氫氣；三是采用來(lái)自生物的甲醇甲烷制取氫氣；四是利用太陽(yáng)能、風(fēng)能等自然能量進(jìn)行水的電解。

作為氫燃料電池汽車(chē)的基礎設施，我國累計建成超過(guò)130座加氫站，到2035年全國加氫站數量將超過(guò)5000座。

海馬汽車(chē)光伏制氫及高壓加氫一體站

此外，車(chē)企也開(kāi)始了對加氫站的布局。2021年12月10日，海馬汽車(chē)光伏制氫及高壓加氫一體站在?？谡铰涑?，站內水電解制氫產(chǎn)能為每小時(shí)50標方，每天可生產(chǎn)約107kg“綠氫”。

隨著(zhù)政策推進(jìn)以及車(chē)企發(fā)力加速布局，氫能汽車(chē)“上路”有望提速。