一、燃料電池汽車簡介

　　燃料電池汽車（FCV）是一種用車載燃料電池裝置產(chǎn)生的電力作為動力的汽車。車載燃料電池裝置所使用的燃料為高純度氫氣或含氫燃料經(jīng)重整所得到的高含氫重整氣。與通常的電動汽車比較，其動力方面的不同在于FCV用的電力來自車載燃料電池裝置，電動汽車所用的電力來自由電網(wǎng)充電的蓄電池。因此，F(xiàn)CV的關鍵是燃料電池。

　　燃料電池是一種不燃燒燃料而直接以電化學反應方式將燃料的化學能轉變?yōu)殡娔艿母咝Оl(fā)電裝置。發(fā)電的基本原理是：電池的陽極（燃料極）輸入氫氣（燃料），氫分子（H2）在陽極催化劑作用下被離解成為氫離子（H+）和電子（e-），H+穿過燃料電池的電解質(zhì)層向陰極（氧化極）方向運動，e-因通不過電解質(zhì)層而由一個外部電路流向陰極;在電池陰極輸入氧氣（O2），氧氣在陰極催化劑作用下離解成為氧原子（O），與通過外部電路流向陰極的e-和燃料穿過電解質(zhì)的H+結合生成穩(wěn)定結構的水（H2O），完成電化學反應放出熱量。這種電化學反應與氫氣在氧氣中發(fā)生的劇烈燃燒反應是完全不同的，只要陽極不斷輸入氫氣，陰極不斷輸入氧氣，電化學反應就會連續(xù)不斷地進行下去，e-就會不斷通過外部電路流動形成電流，從而連續(xù)不斷地向汽車提供電力。與傳統(tǒng)的導電體切割磁力線的回轉機械發(fā)電原理也完全不同，這種電化學反應屬于一種沒有物體運動就獲得電力的靜態(tài)發(fā)電方式。因而，燃料電池具有效率高、噪音低、無污染物排出等優(yōu)點，這確保了FCV成為真正意義上的高效、清潔汽車。

　　二、燃料電池汽車工作原理

　　為滿足汽車的使用要求，車用燃料電池還必須具有高比能量、低工作溫度、起動快、無泄漏等特性，在眾多類型的燃料電池中，質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）完全具備這些特性，所以FCV所使用的燃料電池都是PEMFC。

　　燃料電池汽車的工作原理是，作為燃料的氫在汽車搭載的燃料電池中，與大氣中的氧氣發(fā)生氧化還原化學反應，產(chǎn)生出電能來帶動電動機工作，由電動機帶動汽車中的機械傳動結構，進而帶動汽車的前橋（或后橋）等行走機械結構工作，從而驅動電動汽車前進。

　　7核心部件燃料電池。燃料電池的反應結果會產(chǎn)生極少的二氧化碳和氮氧化物，副產(chǎn)品主要產(chǎn)生水，因此被稱為綠色新型環(huán)保汽車。燃料電池汽車是電動汽車的一種，其核心部件燃料電池。通過氫氣和氧氣的化學作用，而不是經(jīng)過燃燒，直接變成電能動力。

　　燃料電池汽車的氫燃料能通過幾種途徑得到。有些車輛直接攜帶著純氫燃料，另外一些車輛有可能裝有燃料重整器，能將烴類燃料轉化為富氫氣體。單個的燃料電池必須結合成燃料電池組，以便獲得必需的動力，滿足車輛使用的要求。下圖為燃料電池汽車的燃料電池本體示意圖。

　　三、燃料電池汽車特點

　　與傳統(tǒng)汽車相比，燃料電池汽車與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機驅動汽車在構造及動力傳輸?shù)确矫娴牟煌?，為汽車的整體設計提出了新的要求。傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車的發(fā)動機----變速器動力總成在燃料電池汽車中不復存在，取而代之的是燃料電池反應堆、蓄電池、氫氣罐、電動機、DC/DC轉化器等設備。而制動系統(tǒng)和懸架也相應變化。因此，根據(jù)燃料電池汽車自身特點，在設計時，應作相應的變化和改進。燃料電池汽車具有以下優(yōu)點：

　　1、零排放或近似零排放。

　　2、減少了機油泄漏帶來的水污染。

　　3、降低了溫室氣體的排放。

　　4、提高了燃油經(jīng)濟性。

　　5、提高了發(fā)動機燃燒效率。

　　6、運行平穩(wěn)、無噪聲。

　　燃料電池汽車的特點表現(xiàn)在以下方面：

　　燃料電池汽車底盤布置

　　燃料電池動力總成包括：氫氣罐總成、蓄電池總成、燃料電池堆總成、動力輸出系統(tǒng)總成等。其中，儲氫罐一般放置于底盤的中部，或后排座椅的下方空間（傳統(tǒng)內(nèi)燃機轎車的油箱位置），將氫氣罐分散存儲。除了燃料電池動力總成外，對汽車制動總成、前后懸架總成及輪胎等方面也應作相應的調(diào)整和測試。特別是隨著輪轂電機技術的發(fā)展，使燃料電池汽車在電動機的放置有了新的選擇，增大了汽車內(nèi)部空間。而各電動輪的驅動力也可直接控制，提高惡劣路面條件下汽車的行使性能。底盤布置應把絕大多數(shù)的負載均勻分配在底盤的前后端，降低車輛的總體重心，使轎車具有良好的操控性能，并改善車輛的整體安全性。

　　燃料電池汽車管理系統(tǒng)

　　燃料電池汽車的動力系統(tǒng)一般由質(zhì)子交換膜燃料電池、蓄電池、電機和系統(tǒng)控制設備組成。燃料電池所生成的電能經(jīng)過DC/DC轉換器、DC/AC逆變器等的變換，帶動電機的運轉，將電能轉變?yōu)闄C械能，為汽車提供動力。在一些關鍵部件，如質(zhì)子交換膜燃料電池和蓄電池等，其熱特性及傳熱性質(zhì)與傳統(tǒng)汽車有著很大的不同，為燃料電池汽車的水、熱管理提出了新的目標和要求。

　　燃料電池汽車電子控制

　　與傳統(tǒng)汽車相同，電子控制在燃料電池汽車的發(fā)展中也將起著越來越重要的作用。汽車的各種操縱系統(tǒng)都會向著電子化和電動化的方向發(fā)展，實現(xiàn)“線操控”，即用導線代替機械傳動機構，如“導線制動”、“導線轉向”等;現(xiàn)有的12V動力電源已滿足不了汽車上所有電氣系統(tǒng)的需要，42V汽車電氣系統(tǒng)新標準的實施，將會使汽車電器零

　　部件的設計和結構發(fā)生重大的變革，機械式繼電器、熔絲式保護電路也將隨之淘汰。同時，燃料電池的特性有其自身的特點：

　　a.電壓低，電流大;

　　b.輸出電流會隨溫度的升高而升高，輸出電壓會隨輸出電流的增大而下降;

　　c.從開始輸出電壓、電流到逐漸進入穩(wěn)定狀態(tài)，停留在過渡帶范圍內(nèi)的動態(tài)反應時間較長。正是由于以上特點，大多數(shù)電器和電機難以適應其電壓特性，所以必須和DC/DC變換器和DC/AC逆變器配合使用，需要對燃料電池系統(tǒng)進行大量的功率調(diào)節(jié)以保證電壓的穩(wěn)定。

　?。?）當燃料電池的輸出功率大于汽車的需要時，多余的功率可對蓄電池進行充電，在動力系統(tǒng)起動時蓄電池可以給輔助系統(tǒng)提供電源;

　?。?）當燃料電池的功率不能滿足汽車加速、爬坡時，蓄電池可提供附加功率，配合燃料電池共同使用。

　　所以，車輛可采用42V的輔助電源獨立地為各種電子、電氣設備提供電能。由于燃料電池汽車較之傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車在驅動方式上有著本質(zhì)的區(qū)別，所以在底盤布置、水熱管理、電子控制等諸多方面的設計也有著很大的不同。

　　燃料電池車是電動車的一種，其電池的能量是通過氫氣和氧氣的化學作用，而不是經(jīng)過燃燒，直接變成電能的。燃料電池的化學反應過程不會產(chǎn)生有害產(chǎn)物，因此燃料電池車輛是無污染汽車，燃料電池的能量轉換效率比內(nèi)燃機要高2～3倍，因此從能源的利用和環(huán)境保護方面，燃料電池汽車是一種理想的車輛。

　　四、燃料電池電動汽車的優(yōu)點

　　與傳統(tǒng)汽車、純電動汽車技術相比，燃料電池電動汽車具有以下優(yōu)點。

　?、倭闩欧呕蚪屏闩欧牛G色環(huán)保。燃料電池電動汽車在本質(zhì)上是一種零排放汽車，燃料電池沒有燃燒過程，若以純氫作燃料，通過電化學的方法，將氫和氧結合，生成物是清潔的水；采用其他富氫有機化合物用車載重整器制氫作為燃料電池的燃料，生成物除水之外還可能有少量的C02，但其排放量比內(nèi)燃機要少得多，且沒有其他污染排放（如氧化氮、氧化硫、碳氫化物或微粒）問題，接近零排放。與傳統(tǒng)汽車相比既減少了機油泄漏帶來的水污染，又降低了溫室氣體的排放。

　　②能量轉換效率高，節(jié)約能源。燃料電池的能量轉換效率極高。燃料電池沒有活塞或渦輪等機械部件及中間環(huán)節(jié)，不經(jīng)歷熱機過程，不受熱力循環(huán)（卡諾循環(huán)）限制，故能量轉換效率高，燃料電池的化學能轉換效率在理論上可達100%，實際效率已達60%～80%，是普通內(nèi)燃機熱效率的2～3倍（汽油機和柴油機汽車整車效率分別為16%-18%和22%～24%）。因此，從節(jié)約能源的角度來看，燃料電池汽車明顯優(yōu)于使用內(nèi)燃機的普通汽車。

　　③燃料多樣化，優(yōu)化了能源消耗結構。燃料電池所使用的氫燃料來源廣泛，自然界中，氫能大量存儲在水中，可采用水分解制氫，也可以從可再生能源獲得，可取自天然氣、丙烷、甲醇、汽油、柴油、煤以及再生能源。燃料來源的多樣化有利于能源供應安全和利用現(xiàn)有的交通基礎設施（如加油站等）。燃料電池不依賴石油燃料，各種可再生能源可以轉化為氫能加以有效利用，減少了對石油資源的依賴，優(yōu)化了交通能源的構成。

　　④續(xù)駛里程長，性能優(yōu)于其他電池的電動汽車。采用燃料電池發(fā)電系統(tǒng)作為能量源，克服了純電動汽車續(xù)駛里程短的缺點，其長途行駛能力及動力性已經(jīng)接近于傳統(tǒng)汽車。燃料電池汽車可以車載發(fā)電，只要帶上足夠的燃料，它可以把我們送到任何想去的地方。燃料電池電動汽車在成本和整體性能上（特別是行程和補充燃料時間上）明顯優(yōu)于其他電池的電動汽車。

　?、葸^載能力強。燃料電池除了在較寬的工作范周內(nèi)具有較高的工作效率外，其短時過載能力可達額定功率的200%或更大，更適合于汽車的加速、爬坡等工況．燃料電池的短時過載能力可達200%的額定功率。

　　⑥運行平穩(wěn)、低噪聲燃料電池屬于靜態(tài)能量轉換裝置，除了空氣壓縮機和冷卻系統(tǒng)以外無其他運動部件，因此與內(nèi)燃機汽車相比，擺脫了馬達的轟鳴，運行過程中噪聲和振動都較小。

　　五、燃料電池電動汽車的缺點

　?、偃剂想姵仄嚨闹圃斐杀竞褪褂贸杀具^高。制約燃料電池汽車推廣應用的最大因素之一是燃料電池的生產(chǎn)成本一直居高不下。如何降低燃料電池的生產(chǎn)成本成為燃料電池汽車實用化的關鍵。據(jù)美國能源部測算，目前燃料電池的生產(chǎn)成本已降為500美元／kN。專家估計，只有當燃料電池的生產(chǎn)成本降至50美元／kW的水平才能為消費者所接受．也就是說．當一臺80kW的汽車用燃料電池的成本降到目前汽油發(fā)動機的3500美元的價格時，才能創(chuàng)造巨大的市場效益。從市場經(jīng)濟學角度講，高成本很難完成市場化推廣，而無法實現(xiàn)市場化就不可能大規(guī)模批量生產(chǎn)，進而成本就無法降下來，最終導致成本與銷售的惡性循環(huán)。

　　另一方面，燃料電池汽車的使用成本過也高，氫氣的售價并不廉價，因此燃料電池車的運行成本并不令人樂觀。目前由燃料電池發(fā)電系統(tǒng)提供lkW·h電能的成本遠高于各種動力電池，這從一個側面反映了作為汽車動力源，燃料電池還有相當遠的距離。

　?、趩訒r間長，系統(tǒng)抗震能力還需提高。采用氫氣為燃料的FCEV啟動時間一般需要超過3min，而采用甲醇或者汽油重整技術的FCEV則長達lOmin，比起內(nèi)燃機汽車啟動的時間長得多，影響其機動性能。此外，當FCEV受到振動或者沖擊時，各種管道的連接和密封的可靠性需要進一步的提高，以防止泄漏，降低效率，嚴重時引發(fā)安全事故。

　　③經(jīng)濟且無污染地獲取純氫燃料還存在技術難點。通過重整或改質(zhì)技術轉化傳統(tǒng)的化石燃料獲取純氫天然氣，不僅要消耗大量的能量，而且并沒有從根本上擺脫對化石能的依賴，也沒有從根本上消除對環(huán)境的污染。自然界中，氫能大量存儲在水中，雖然取之不盡，但直接使用熱分解或是電解的辦法從水中制氫顯然不劃算。因此多數(shù)科學家都將目光轉向了利用太陽能，但是還存在許多技術障礙。目前，他們正在進行太陽能分解水制氫、太陽能發(fā)電電解水制氫、陽光催化光解水制氫、太陽能生物制氫等方面的研究。只有到了能以再生性能源廉價地生產(chǎn)出氫燃料，氫燃料電池民用汽車的燃料問題才算獲得了根本性解決。

　?、軞淙剂想姵仄嚾剂系墓€有大量的技術問題有待解決。通常氫能以三種狀態(tài)存儲和運輸：高壓氣態(tài)、液態(tài)和氫化物形態(tài)。用常用的壓縮氣體罐儲存的氫，只能供燃料電池汽車行駛150km，續(xù)駛里程太短，還不如蓄電池驅動的汽車。由于氫氣是最小的分子，很容易造成泄漏。哪怕是微量的泄漏，都有可能造成極度可怕的后果。而在-253℃的條件下儲存液氫的深度制冷技術目前還很不成熟．就全球來說，目前能夠加液氫的加氫站也沒有幾家。值得欣慰的是，儲氫材料的開發(fā)已取得了一定的進展。

　?、莨剂陷o助設備復雜，且質(zhì)量和體積較大在以甲醇或者汽油為燃料的FCEV中，經(jīng)重整器出來的“粗氫氣”含有使催化劑“中毒”失效的少量有害氣體，必須采用相應的凈化裝置進行處理，增加了結構和工藝的復雜性，并使系統(tǒng)變得笨重。目前普遍采用氫氣燃料的FCEV，因需要高壓、低溫和防護的特種儲存罐，導致體積龐大，也給FCEV的使用帶來了許多不便。

　?、尴∮薪饘巽K金Pt被大量應用也制約著燃料電池電動汽車的推廣應用。稀有金屬鉑金作為燃料電池必不可少的反應催化劑，按照現(xiàn)有燃料電池對鉑金的消耗量，地球上所有的鉑金儲量都用來制作車用燃料電池，也只能滿足幾百萬輛車的需求。

　?、呒託湔镜然A網(wǎng)絡設施建設幾乎為零，目前全球范圍內(nèi)投入使用的加氫站僅有100多家，且大部分是用于實驗用途的。如果說技術和成本是科研機構和企業(yè)通過努力可以自行解決的問題，那么相應的配套設施建設則不是舉一人之力可以完成的，需要國家政策、產(chǎn)業(yè)鏈條、基礎設施建設等多方面的準備，并及時制定完善的行業(yè)標準和規(guī)范加氫站等基礎設施建設，既涉及城市規(guī)劃、交通、電力等問題，又要解決投資和經(jīng)營者的獲利問題，同時還要有效解決加氫的核心技術和統(tǒng)一標準等問題。對于有一定行駛區(qū)間的公交車而言，這個問題可能容易解決，但是對于私家車而言要解決這些問題就任重而道遠了。

　　六、汽車燃料電池的幾種常見類型

　　堿性燃料電池

　　在堿性燃料電池（AFC）中，氫氧化鉀（KOH）水溶液作為電解液。與其他一些酸性電解液的燃料電池相比，堿性電解液具有與酸性電解液一樣好的性能，而且還能大大減少對電極的腐蝕。堿性燃料電池在實際應用上已經(jīng)有很長一段時間。其發(fā)電效率高達60%。堿性燃料電池需要純氫作為燃料并且還要在低溫（約80℃）條件下工作，因而適合在汽車上應用。電池產(chǎn)生的余熱可用于加熱，但由于其溫度不夠高，而不能產(chǎn)生蒸汽，因此不能進行熱電聯(lián)產(chǎn)。

　　質(zhì)子交換膜燃料電池

　　質(zhì)子交換膜（PEM）燃料電池使用固態(tài)電解質(zhì)并在低溫（約80℃）條件下工作。Nafion膜是-種固態(tài)聚合物電解質(zhì)的典型例子，因此這種燃料電池也被稱為固體聚合物膜燃料電池。質(zhì)子交換膜燃料電池的發(fā)電效率低于堿性電池（大約40%）。但是其堅固耐用和結構簡單的特點使該類型的燃料電池非常適合汽車使用。質(zhì)子交換膜燃料電池和堿性燃料電池是目前在汽車應用中所考慮的兩個類型。質(zhì)子交換膜燃料電池的優(yōu)點在于它們所需的燃料氫氣純度沒有堿性燃料電池所需的氫氣純度高。

　　直接甲醇燃料電池

　　直接甲醇燃料電池（DMFC）是研究車用甲醇燃料和改進燃料電池供氫方式的共同成果。直接甲醇燃料電池工作原理和質(zhì)子交換膜燃料電池一樣，不同的是其工作溫度范圍提高到90～120℃，在此溫度范圍，甲醇能從其內(nèi)部轉換成氫。直接甲酵燃料電池的發(fā)電效率相當?shù)?，?0%左右。目前正在尋找更好的電催化劑，以改善甲醇的發(fā)電效率并減少發(fā)電所需的氧氣量，因此該類型的燃料電池仍處于設計研發(fā)階段。

　　磷酸燃料電池

　　磷酸燃料電池（PAFC）是最早的燃料電池類型，其原型可追溯到燃料電池概念的提出階段。該類電池的電解液是磷酸，工作溫度約為200℃，這使其能夠進行一定程度的熱電聯(lián)產(chǎn)，起發(fā)電效率比較理想，在40%左右，這種類型的電池由于其體積過于笨重而不適用于道路運輸車輛的應用，但其較高的發(fā)電效率可應用于固定式發(fā)電設備。

　　熔融碳酸鹽燃料電池

　　熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC），最初是直接從600℃的煤炭中研發(fā)得到的，在陰極上需要供應CO或C02，陽極上需要供應氫。這種燃料電池使用碳酸鹽作為電解液，其發(fā)電效率可高達50%，并且多余的熱量可用于熱電聯(lián)產(chǎn)，以提高發(fā)電效率。由于工作在高溫條件下，熔融碳酸鹽燃料電池不太適合車輛應用，但可以用于固定發(fā)電。

　　固體氧化物燃料電池

　　固體氧化物燃料電池（SOFC，ITSOFC）使用固體離子導體作為電解質(zhì)，而不是使用溶液或者聚合物，這樣可減少腐蝕問題。然而要使陶瓷中離子具有足夠的導電性，系統(tǒng)必須工作在非常高的溫度條件下。在最初設計時，使用氧化穩(wěn)定釔氧化作為電解液，工作溫度高達1000℃。在尋找適用于較低溫度下電解液材料的過程中，發(fā)現(xiàn)了“中溫固體氧化物燃料電池”。這種燃料電池發(fā)電效率高達50%~60%，余熱也可用于熱電聯(lián)產(chǎn)。盡管目前該種燃料電池并不適合在汽車上應用，但它是固定式發(fā)電應用的最佳選擇。

　　七、燃料電池汽車有哪些

　　下面我們就來盤點哪些企業(yè)在做電池燃料車。

　　1.金龍汽車產(chǎn)品：一代氫燃料電池城市客車

　　公司主營汽車產(chǎn)品及零配件，其大中型客車的市場占有率高。同時公司一直致力于新能源客車的研發(fā)，09年初，公司研制的新一代氫燃料電池城市客車在蘇州下線，此舉標志著國家“863計劃十一五攻關項目：節(jié)能與新能源汽車”--氫燃料城市客車研發(fā)項目取得新突破。

　　2.上汽集團產(chǎn)品：榮威950插電式燃料電池車

　　在2015上海車展前，上汽集團與媒體進行了前瞻技術分享會，提前對即將在車展展示的兩款“未來汽車”進行了預熱。除了造勢多時的智能汽車，上汽集團還拋出了另外一枚重磅炸彈——第四代榮威950插電式燃料電池車。該車可實現(xiàn)400多公里的續(xù)航里程，160公里的最高時速。

　　3.現(xiàn)代汽車產(chǎn)品：ix35氫燃料電池車

　　現(xiàn)代汽車2014年2月份開始在韓國投產(chǎn)ix35氫燃料電池車，成為全球首家推出量產(chǎn)版氫燃料電池車的車企，該車型在歐洲等市場以ix35的名稱進行銷售。

　　現(xiàn)代選擇ix35這款車衍生出燃料電池車并量產(chǎn)，部分原因是因為該車的傳統(tǒng)車型頗受歡迎。在燃料電池版ix35中，工程師確保燃料電池堆、儲氫罐、電池和動力總成的關鍵系統(tǒng)不會對車輛的可用性造成影響。

　　車中采用了功率為100千瓦的燃料電池堆為一臺功率為100千瓦的電動機提供能量，電機可提供的峰值扭矩達到300牛米，約合221磅英尺，0-62英里/時加速時間為12.5秒，最高時速可達100英里/時，其行駛里程則為369英里，約合594公里。儲氫罐中可存放5.6千克氫氣，也就是每千克氫燃料可支持汽車行駛106公里。經(jīng)計算，一千克氫燃料約相當于3.7升汽油的能量含量，那么，該車的燃效約為28.6（106/3.7=28.6）千克/升。

　　4.豐田產(chǎn)品：豐田Mirai燃料電池車，F(xiàn)CVPlus概念車

　　Mirai燃料電池車

　　FCVPlus概念車

　　豐田作為油電混動領域的領導者此次帶來了采用氫燃料電池作為動力能源的車型。與其他清潔能源不同，用氫氣轉化為電能驅動的汽車尾氣近為對環(huán)境無害的水蒸氣。該車將在2014年底接受預定，并于2015年正式發(fā)售。

　　不同于特斯拉旗下的電動車，豐田該款汽車采用的不是插電式充電，取而代之的是加氫的方式。液氫加入儲罐中，與空氣發(fā)生反應產(chǎn)生水的同時產(chǎn)生電能，電能被輸送給車輛的電動機，從而驅動汽車。

　　5.本田產(chǎn)品：本田Clarity氫燃料電池車

　　本田Clarity氫燃料電池轎車日前在東京車展上發(fā)布，該車是現(xiàn)款FCXClarity車型的升級版。本田公司表示，該車將于2016年3月份在日本上市，同時也將在美國上市。美版將在今年的洛杉磯車展上發(fā)布。

　　6.通用產(chǎn)品：雪佛蘭Equinox第四代氫燃料電池車

　　雪佛蘭Equinox的燃料電池組由440塊串聯(lián)電池組成，電力輸出可達93千瓦，在車載73千瓦（100馬力）同步電動機的共同驅動下，0－100公里/小時的加速只要12秒，而這款前驅車型的最高時速可達每小時160公里。