Da die Technologie weiterhin Fortschritte macht und internationale Richtlinien den Fortschritt vorantreiben, werden neue Energiefahrzeuge immer beliebter, einschließlich Hybridfahrzeugen, vollelektrischen Fahrzeugen und sogar Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeugen, die zwar noch nicht weit verbreitet sind, aber allmählich an Aufmerksamkeit gewinnen. Wenn Sie mit Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeugen nicht vertraut sind, hilft Ihnen die folgende Einführung, sie besser zu verstehen.
Lassen Sie uns zunächst die grundlegenden Strukturschemata von herkömmlichen Autos, vollelektrischen Autos und Wasserstofffahrzeugen betrachten.
Der Aufbau von Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeugen besteht hauptsächlich aus einem Wasserstoff-Brennstoffzellenstapel, einem Brennstoffzellen-Boost-Wandler, einem Wasserstoffversorgungssystem, einem Energiespeicherpaket, einem Antriebsmotor und einer Leistungskontrolleinheit, unter anderem.
Funktionsprinzip von Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeugen:
1. Elektrochemische Reaktion: Sauerstoff aus der Luft und Wasserstoff aus Hochdruckspeichertanks durchlaufen eine elektrochemische Reaktion im Brennstoffzellenstapel, wobei ein Katalysator elektrische Energie erzeugt.
2. Spannungssteigerung und -verteilung: Die elektrische Energie wird zum DCF (Boost-Wandler) geleitet, um die Spannung zu erhöhen und den Strom zu reduzieren. Die gesteigerte elektrische Energie wird dann an die PDU (Hochspannungsverteilungsbox) übertragen, die die Leistung an den Antriebsmotor verteilt.
3. Fahrzeugantrieb: Der Antriebsmotor wandelt elektrische Energie in mechanische Energie um, um das Fahrzeug voranzutreiben.
4. Energiespeicherung und -umwandlung: Das BMS (Batteriemanagementsystem) speichert Energie im Energiespeicher. Die DC/DC- und DC/AC-Wandler reduzieren die Hochspannung zur Verwendung in verschiedenen Niederspannungs-DC/AC-Energiesystemen im gesamten Fahrzeug.
Nachfolgend eine Erklärung der Funktionsprinzipien der Hauptkomponenten in Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeugen:
Wasserstoff-Brennstoffzelle: Im Brennstoffzellenstapel erfolgt eine chemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff, die zur Übertragung elektrischer Ladung und damit zur Erzeugung eines elektrischen Stroms führt. Gleichzeitig produziert die chemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff Wasser als Nebenprodukt, das dann abgeführt wird. Dies ist einer der Gründe, warum Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeuge als umweltfreundlicher gelten.
Der Brennstoffzellenstapel fungiert als chemische Reaktionskammer, wobei die „Protonenaustauschmembran“ die wichtigste Technologie ist. Auf beiden Seiten dieser Membran befinden sich Katalysatorschichten, in denen Wasserstoff in geladene Ionen zerlegt wird. Da Wasserstoffmoleküle klein sind, kann der elektronentragende Wasserstoff durch die winzigen Poren in der Membran auf die andere Seite gelangen. Während der elektronentragende Wasserstoff jedoch die Poren der Membran durchquert, werden die Elektronen von den Molekülen abgetrennt, sodass nur positiv geladene Wasserstoffprotonen die Membran auf die andere Seite passieren können.
Die Wasserstoffprotonen werden von der gegenüberliegenden Elektrode der Membran angezogen, wo sie sich mit Sauerstoffmolekülen verbinden. Die Elektrodenplatten auf beiden Seiten der Membran zerlegen Wasserstoff in positiv geladene Wasserstoffionen und Elektronen, während Sauerstoff in Sauerstoffatome zerlegt wird, um Elektronen zu erfassen und zu negativ geladenen Sauerstoffionen zu werden.
Der Elektronenfluss zwischen den Elektrodenplatten erzeugt einen elektrischen Strom. Dieser Strom kann verwendet werden, um die Elektromotoren des Fahrzeugs anzutreiben. Unterdessen verbinden sich zwei Wasserstoffionen und ein Sauerstoffion zu Wasser, das das einzige „Abfallprodukt“ dieser Reaktion ist. Im Wesentlichen ist der gesamte Prozess eine Form der Stromerzeugung. Da die Oxidationsreaktion fortgesetzt wird, erzeugt die kontinuierliche Elektronenübertragung den benötigten elektrischen Strom, um das Fahrzeug anzutreiben.
Bord-Wasserstoffversorgungssystem: Das Hochdruck-Wasserstoffversorgungssystem an Bord ist ein System, das dazu entwickelt wurde, Wasserstoff-Brennstoff für Brennstoffzellenfahrzeuge bereitzustellen. Es besteht hauptsächlich aus leichten Hochdruck-Wasserstoffspeicherzylindern, verschiedenen Ventilen, Hochdruckleitungen, einer Wasserstoffbetankungseinrichtung, einem Sicherheitsüberwachungssystem und einem Druck-/Temperatursignalerfassungssystem. Das Prozessablaufdiagramm ist wie folgt:
Sicherheitsvorkehrungen:
Temperaturgefahr: Während des normalen Betriebs kann die Temperatur des Brennstoffzellensystems und des Kühlsystems etwa 80 °C erreichen, während die Temperatur des Luftversorgungssystems bis zu 150 °C erreichen kann. Daher sollten Sie während des Systembetriebs oder kurz nach dem Starten keine Systemkomponenten oder freiliegenden Oberflächen berühren, um Verbrennungen zu vermeiden.
Hochdruck-Wasserstoff: Die Verwendung von Hochdruck-Wasserstoff als Reaktant birgt während des Betriebs ein gewisses Risiko. Bevor Sie irgendwelche Leitungen oder Verbindungen zerlegen, stellen Sie sicher, dass das Hochdruckgas im System auf ein sicheres Niveau entlastet wurde. Darüber hinaus ist Wasserstoff ein farbloses, geruchloses und hochentzündliches Gas. Obwohl es nicht toxisch ist, kann es Sauerstoff in der Luft verdrängen und möglicherweise Erstickung verursachen.
Hochspannungsgefahr: Auch nachdem das Brennstoffzellensystem abgeschaltet wurde, kann die Hochspannungsausgabe für eine gewisse Zeit bestehen bleiben. Während dieser Zeit (mindestens 5 Minuten) besteht das Risiko eines elektrischen Schlags. Reparaturen oder andere damit verbundene Arbeiten sind erst erlaubt, wenn die Hochspannung abgebaut wurde.