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科普|透过我国首台氢燃料电池机车,深入浅出看氢燃料电池的本质

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央广网成都1月30日消息(记者韩民权),由西南交大与中车大同联合研制的我国首台氢燃料电池混合动力机车,在中车大同电力机车有限公司成功下线,标志着我国氢能轨道交通技术取得关键突破。

据介绍,该车设计时速每小时80公里,满载氢气可单机连续运行24.5小时,平直道最大牵引载重超过5000吨,在不用改变任何铁路基础线路条件下,可在各类机务段、车辆段、编组站以及大型工厂、矿山、港口等场所执行运转、调车、救援等多用途任务。

该车采用西南交通大学陈维荣教授团队研发的轨道交通大功率燃料电池发电系统,突破了燃料电池混合动力系统集成、系统优化控制以及能量管理等核心技术,电堆采用国际领先、可低温启动的日本丰田金属电堆,这也是燃料电池金属电堆在轨道交通领域的首次应用。

科普|透过我国首台氢燃料电池机车,深入浅出看氢燃料电池的本质

据了解,陈维荣教授团队自2008年起,在我国率先开展氢燃料电池在轨道交通中的应用研究,开拓了氢能轨道交通研究方向。历时十余年的技术攻关,团队突破了大功率燃料电池优化控制、混合动力系统能量管理、故障诊断与寿命预测等关键技术,于2013年成功研制我国首辆燃料电池电动机车,并于2016年与中车唐山公司联合研制成功世界首列燃料电池混合动力有轨电车,引领了我国氢能轨道交通技术发展。

三种传统的驱动方案

通过上面的新闻大家很清楚的知道了我国第一台氢燃料电池机车生产出来了。氢燃料电池是个神奇的东西,它很有可能代表了电池的未来。小编在网上看到过很多氢燃料电池的科普,大部分都是直接复制粘贴的百度文库、文献中的内容,直接搬过来并没有加以解读,一些关键的名词解释都不给,让人看的云里雾里的。小编今天借着我国首台氢燃料电池机车下线这一重大热点新闻,把氢燃料电池的基本知识和原理都掰开、揉碎了将给大家听,不需要有很丰富的知识储备就可以听明白,为大家作一个实实在在的科普。

要搞明白氢燃料电池,首先要搞明白三种传统的驱动方案。

内燃机

第一种叫内燃机,就是普通汽车。不管是往复活塞式内燃机、旋转活塞式发动机还是自由活塞式发动机,都是通过汽油混合空气点火燃烧,产生高温高压气体推动气缸运动。再通过曲柄连杆机构把这个能量传递输出,驱动从动机械工作。比如说乘用车上的汽油机,和商用车上的柴油机,本质就是通过将柴油或者汽油烧起来之后,产生的这个内能转化为机械能,相信通过下图大家能看的更明白,产生的火焰推动了活塞运动。

知识点:内能就是分子之间相互作用的能量包括动能、势能、化学能、电离能和原子核内部的核能等一系列能量。燃烧是一种化学反应,会产生化学能。机械能就比较好理解了,就是一根杆子它动起来就是机械能。

总结一下:内燃机就是将内能转换为机械能,驱动机械做功。

纯电驱动

第二种叫纯电驱动,就是用锂电池的电能驱动马达转动,在以前用的是铅酸电池,不过现在随着技术的进步用的都是锂电池了。它的原理呢也很简单,就是依据电磁感应原理实现电能转换,它的主要作用是产生旋转远动,作为用电设备或各种机械的动力源。

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知识点:导体在磁场里做切割磁感线的运动时,导体中就会产生电流,这种现象叫电磁感应。通俗的讲就是说用一根铁棒在磁场中来回运动,会产生电流。最常见的就是咱们的各种风力、水力发电了,比如说水力发电就是利用水从高向下流动,推动导体切割磁感线,就产生电流了。

总结一下:纯电驱动就是将电能转换为机械能,驱动机械做功。

内燃发电机

第三种是内燃发电机,本质上还是电机带动车子走,但是它的电能是依靠内燃机来发电,比如说传统的电力火车和一些大型船只,用的就是这种方案。在大多数通信局(站)、医院、学校中作为备用电源,当市电中断时,启动内燃机带动同步交流发电机供电,以保证交流供电不致长期中断。它的原理就是电磁感应,上面讲过了,这里就不赘述了。

总结一下:内燃发电机就是将内能转换为电能再转换为机械能,驱动机械做功。

氢燃料电池驱动方案

氢燃料电池差不多是介乎于纯电和内燃机发电之间,要搞明白氢燃料电池的本质,首先就要明白三个关键词:燃料电池。有人说你这不是在逗我么,氢燃料电池一共就这几个字全是关键词啊,先不要激动,听我慢慢道来。

第一个关键词:电池

首先它是一个电池,通过产生电能带动马达转动,所以从动力上来说氢燃料电池机车是一台电车。

第二个关键词:燃料

你不要看到燃料就以为它是依靠氢和氧的燃烧功能的,氢燃料电池它不燃,依靠的是氢的氧化还原反应,否则如果烧起来了这就是个火箭发动机,就不是氢燃料电池了。

知识点:火箭发动机就是,自带推进剂和氧气、不依赖外界空气的喷气发动机。火箭发动机是喷气发动机的一种,将推进剂贮箱或运载工具内的反应物(推进剂)变成高速射流,由于牛顿第三运动定律而产生推力。

氢燃料电池的工作原理是这样的:氢燃料电池是把液氢放到负极,然后负极连着催化剂。

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这个催化剂会把氢原子的电子拔出来,让氢原子形成离子态。

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然后中间在经过电解质(电解质只让带正电的氢原子核通过),这些带正电的氢原子核通过电解质。

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再经过一个催化剂区域跟正极的液氧接触。

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这时候用一根导线,连接着正极和负极,催化剂就会让之前氢原子被拔出来的电子、氢原子的原子核与液氧结合,发生氧化反应,生成水。在这个过程中,连着的导线中通过了电流,就可以发电了,发的电就可以带动马达转动。

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所以从工作原理上讲,氢燃料电池它不燃。但是跟液氧结合发生化学反应的时候时,还是会放热,工作温度大概在80℃左右,但是80℃是烧不起来的,所以跟内燃机比起来,氢燃料电池的效率很高。虽然内燃机点火燃烧,温度在7、800℃左右,但是大量的能量浪费在了热耗散上。效率只有20%~30%,但是氢燃料电池可以达到60%以上

第三个关键词:氢

就是氢燃料电池产生的废物只有水,是纯粹的清洁能源,并且放出来的热量再进一步结合刹车能回收的话效率能达到80%,是效率特别高的清洁能源。

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知识点:刹车能回收也叫制动能量回收系统(Braking Energy Recovery System)是指一种应用于汽车或者轨道交通上的,能够将制动时产生的热能转换成机械能,并将其存储在电容器内,在使用时可迅速将能力释放的系统。怎么把转换的机械能储存在电容器中呢?用的还是上文讲到的电磁感应原理。

结语

其实氢燃料电池的概念19世纪就有了,20世纪30年代就有商用案例,但是要大规模应用在乘用车上,估计还要一段时间,因为液氢和液氧的储备是个问题,成本较高。

虽然全宇宙70%以上的物质是都是氢,但是在地球上单独的氢很少,大多是氢的化合物,例如水和各种氢化合物,要把它提取出来也是要费不少的事,并且液氧和液氢在运输过程中有一定的风险,不是那么安全所以要大规模普及估计还要一段时间。但是现在氢燃料电池在商用车上的应用却不少,因为商用车本来就需要背个大罐子来储油,现在只是把油换成了氢。

经过小编上述的讲解,你听明白了吗?

专用车时代原创内容,作者:yison,该文章不代表专汽通立场。转载请注明出处:https://www.spvtime.com/118707/

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