氢燃料电池的原理是什么

河南南阳“水氢发动机”事件的发酵，让人们再次关注到了氢能源。所谓的“氢能车”究竟是什么？它与燃油车、电动车有什么不同呢？

目前，所谓“氢能车”指的就是氢燃料电池车。但与锂离子电池不同，氢燃料电池实际上是一种氢与氧的化学反应而产生电能的装置。这一化学反应的最终产物只有水，不会像燃油车等排放碳氧化物、氮氧化物和硫氧化物等物质，因此氢气被认为是可以实现“零排放”的能源。

中科院大连化学物理研究所研究员、中国工程院院士衣宝廉曾提到，氢燃料电池车和普通燃油车的结构非常相似，只是把燃油车的油箱换为储氢罐，把燃油车的内燃机换为燃料电池的电动机。可以把氢燃料电池车看作是自带氢燃料发电机的电动车。

与电动车充电不同，氢燃料电池车的加氢过程与燃油车的加油过程相似，一般需要3-5分钟，氢燃料电池车的续航里程与燃油车也类似，大约在400-600公里左右。

燃油车是通过汽油的燃烧释放化学能，转化为车子的动能。与燃油车不同，氢燃料电池中发生的并不是燃烧反应，而是氧化还原反应过程中，电子发生了迁移。在燃料电池中，阴阳极被电解质分开，导电离子在将阴阳极分开的电解质内迁移，电子则在外电路移动形成电流。在这一过程中，化学能被转化为了电能。

在这一化学反应过程中，催化剂亦是重要的一环。目前氢燃料电池车主要使用的催化剂为铂金，价格较为昂贵。以率先实现氢燃料电池车量产的丰田Mirai为例，到2017年末一辆车的用铂量在20克左右。

另一方面，被誉为“氢能车之父”的丰田汽车公司专业合伙人、日本九州大学国际碳中性能源研究所客座教授广濑雄彦也曾表示，广义的“电动车”包括纯电动汽车，插电式混合动力汽车，也包括氢燃料电池车。

这是因为，氢气的化学能转化为电能后，氢燃料电池车就和人们熟知的电动车一样，电能通过电动机转化为机械能，从而让车子动了起来。

氢燃料电池车发展现状

比起纯电动汽车和混动车，目前实现量产的氢燃料电池车并不多，全球首款大批量生产的氢燃料电池车是日本丰田汽车公司的Mirai（中文意为“未来”）。2014年11月，该车于美国洛杉矶上市。当年12月，Mirai便在日本境内贩售，当时售价为723.6万日元（约37.5万人民币），扣除日本政府的补贴后，消费者实际负担的金额在520万日元左右（约26.9万人民币）。

根据丰田官网的介绍，Mirai主要的部件构成包括了两个高压储氢罐、储能电池、燃料电池堆、电机、动力控制装置等，电机最大输出功率为113kW，最大扭矩为335牛米。电池堆由370个重量为102克，厚度为1.34毫米的电芯堆叠而成；还有两个碳纤维制的氢气瓶，最大容积为122.4升，在70MPa的存储压力下可以存储5千克氢气。

在氢能的布局方面，日本也走在世界的前列。实际上，丰田早在1992年，就开始研究氢燃料电池汽车，当时起名为FCHV。而日本则于1993年启动了以氢能为核心的世界能源网项目，是最早系统指定氢能发展规划的国家；21世纪初，美国和欧洲先后跟上。

相比之下，中国的氢能产业发展起步较晚，2014年，中国国务院办公厅印发《能源发展战略行动计划(2014-2020年)》，将氢能与燃料电池列入“20个重点创新方向之一”。2018年5月，中国国务院总理李克强参观了位于日本北海道的丰田汽车工厂，并考察了氢燃料电池车Mirai。2019年，《政府工作报告》中提到“推进充电、加氢等设施建设”。这是氢能首次被写入《政府工作报告》。

在国内市场上，氢燃料电池车亦有所成长，但主要集中在商用车领域。2018年中国氢燃料电池汽车产量为1619辆，其中专用车产量909辆，客车产量710辆。