燃料电池汽车技术及其发展概况

一：燃料电池概述：

燃料电池（Fuel cell），是一种通过氧化还原反应将燃料（氢气）转换成电力的装置，最早由英国物理学家威廉·格鲁夫爵士发明，由于燃料电池具有质量能量密度高、能量输出稳定、可靠性高、不产生有害排放物（一般只生成水）、使用成本低廉等优点，燃料电池获得了较快的发展。

1. 工作原理：

图1-1

由图1-1可知：燃料（氢气）进入气体通道到达阳极（Anode），在铂催化剂的作用下，发生阳极反应：

然后氢离子通过电解质薄膜（Electrolyte Membrane）到达阴极（Cathode）。同时，氧化剂（氧气）通过气体通道到达阴极，与通过电解质薄膜到达阴极的H+在催化剂作用下发生阴极反应：

反应过程结束，产生电能以及副产物水。

图1-2

2）特点

燃料电池的诸多优点使得其在汽车上有广泛的应用前景，燃料电池有很多的优点：

1.燃料电池的能量转换效率高。

由于燃料电池采用电化学反应，与内燃机的气体膨胀做功方式不同。燃料电池的能量转换过程中不涉及燃烧，理论转换效率高达100%（但由于电化学反应也不可避免的要生成热量，实际效率一般为60%~80%），使用效率更可达普通内燃机的2－3倍。

2.真正清洁无污染

由燃料电池的工作方式看，燃料电池对环境无污染。燃料电池是通过电化学反应,而不是采用燃烧（化石燃料）或储能(蓄电池)方式输出能量。燃烧会释放如CO2、NO2、SO2等温室与有害气体以及粉尘等污染物。相对而言，燃料电池正常工作时只产生水和热（产热很小）。如果氢是通过可再生能源产生的，那么就可以做到真正的清洁无污染。

虽然蓄电池工作过程中也不产生环境污染，但是蓄电池的制造过程一般会对环境造成较大的负面，例如市面上采用最为广泛的聚合物锂离子电池、镍氢蓄电池等可充电电池，在生产时要用到镍、锂等难炼制金属，而且镍、锂矿的开采以及镍、锂（锂是极活泼元素）的提取需要耗费巨大的资源，间接造成了环境的污染。　

3.安静无噪声　  

燃料电池运行安静,没有机械运动部件，噪声大约只有55dB,仅仅相当于人们正常交谈的水平。

4．能量密度高，功率输出平稳

通过改变燃料电池的反应条件，甚至可以瞬时将输出功率提高到额定功率的200%。

5.燃料补充方便：

可以以氢气、甲醇、天然气等作为资源，可以方便的利用现成的加油站系统改造燃料电池汽车所需的加氢站，加气站。

3）存在的问题：

虽然燃料电池系统有很多的优点，仍然存在不少不足。

最主要的问题就是过高的成本，由于燃料电池需要用昂贵的铂催化剂，造成燃料电池的成本一直居高不下，虽然最近几年随着国际社会加大了对燃料电池的开发力度，使得成本有所下降，但是较高的成本依然是燃料电池技术广泛普及的最大障碍。

其次，燃料电池的燃料-氢气的储藏与制备技术仍不成熟。大规模的制造氢气仍然一定的问题。

4）与普通蓄电池的区别

1.燃料电池是将燃料的化学能转变为电能的装置（严格意义上讲燃料电池不是电池，只是一个能量生成装置）。但燃料电池在产生电能时，参加电化学反应的燃料在经过反应后，被不断地消耗且生成不可重新利用的反应物。因此，燃料电池需要不断地输入燃料。燃料电池的技术性能确定后，只要源源不绝地供给燃料，就可以源源不绝地产生电能，其放电特性是连续进行的，但是燃料电池不可以充电。

2.普通蓄电池是一种能量储存装置，只存储电能，不产生电能。蓄电池的活性物质随蓄电池的充电和放电反复进行可逆性化学变化，活性物质一般不会产生消耗。普通蓄电池的技术性能确定后，必须先充电，将电能储存到电池中，才能在工作时输出电能，而且在电能消耗完后，必须在重复充电后才可能重复使用，其放电特性是循环进行的，而且使用寿命一般与燃料电池相比较短。　

二.燃料电池汽车结构与特点

燃料电池汽车按燃料种类可分为：

1、以纯氢气为燃料的燃料电池汽车；2、以天然气，汽油等富含氢原子的烃类物质经改质后产生的氢气为燃料的燃料电池汽车。

按电源系统的配置不同可分为：

1.燃料电池直接驱动型；2.燃料电池与蓄电池混合电源型；3.燃料电池与超级电容器混合电源型；4.燃料电池与蓄电池及超级电容多电源型。第一种由于效率较低，一般很少使用。现在的主流燃料电池汽车一般均使用第2，3，4三种能量供应方式。本文下面将以Honda FCX Clarity为例（采用燃料电池与辅助电池作为车辆能源）简要介绍燃料电动汽车结构。

2007年，本田（Honda）发布了其旗下的首款市场化的氢氧燃料电池汽车-Honda FCX Clarity, 一款真正体现了绿色、节能与环保的汽车。2010年本田发布了其旗下的新一代FCX Clarity，但考虑到昂贵的价格以及燃料供应的问题，FCX现在只在日本以及美国的少数地区租赁销售。FCX在租赁期间，包括保养费及保险费在内的租金将是三年每月600美元。

2010年本田推出了新一代的FCX Clarity,在燃料电池技术，以及整车的细节设计上都有了较大的改进。

图1-1：2010 Honda FCX Clarity

FCX Clarity采用氢气作为车辆燃料电池的能源，从图2-1可以看到，Honda FCX

Clarity可以通过加氢站向车辆添加燃料，具Honda官方数据，Honda FCX Clarity在一次加满燃料时，可以连续行驶570Km，最高时速更是达到了160Km/h。【2】远非一般的电动汽车可比，普通的蓄电池电动汽车由于受制于电池本身结构的限制，存储的能量有限，严重限制了电动汽车的续航里程，现在市售的典型纯电动汽车，如2011年10月26日，在深圳正式上市的定名为e6先行者（图1-3）的比亚迪纯电动车，售价达36.98万，一次充满电后最多仅可以一次行驶300多公里。最高时速也仅仅可以达到140Km/h.仅仅从技术指标来看，燃料电池汽车具有一般电动汽车无法比拟的优势。

图2-2

图2-3比亚迪e6

（1）车辆概况

图2-4 Honda FCX Clarity技术规格

Honda FCX Clarity动力系统结构主要由动力控制单元（Power Control Unit），燃料储气罐（Hydrogen Storage Tank），电动机（Electric Motor）,燃料电池堆（Fuel Cell Stack ），高功率的电池（High-Output Battery）等五部分组成。

图2-5 Honda FCX Clarity的剖视图

（2）小型轻量化燃料电池堆 “V Flow FC Stack”

Honda FCX Clarity采用了Honda新开发的新一代的小型轻量化燃料电池堆“V Flow FC Stack”，采用金属冲压隔片构造，一概以往的用螺母固定碳素分隔片的复杂结构，将所用的部件数量减少为原来的1/2，功率密度却提高了两倍以上，达到了世界一流的高性能水平【3】。同时，由于采用了新开发的芳香型电解质膜，大大提高了电池系统的可靠性与耐用度。Honda同时采用了Honda独创的氢气和空气竖直流动的“V Flow电池单元构造”，并且采用使氢气和空气波状流动的“波状隔板”，和上一代产品相比相比，性能有了飞跃性提高，并实现了轻质化和小型化。新型燃料电池堆的最高功率提升至100kW，与上一代燃料电池堆相比，体积功率密度提高50%，重量功率密度提高67%。低温启动性能的提升使得燃料电池可以在零下30摄氏度的环境下正常工作。

图2-6 Honda FCX Clarity的燃料电池组

V Flow单元结构展现了Honda革命性的设计，它通过是氢气与氧气纵向流动，使得生成的水可以在重力的作用下稳定而且顺畅的排出，并由此可以防止生成的水停留在发电层面上，以确保发电的持续稳定性。另外，纵向的气体流动通道可以使得氢气与氧气的流通更加顺畅，从而是流动通道深度减少17%，使电池的单元结构更薄,电池堆体积更小。

图2-7 Wave通道隔离板

氢气与空气的通道，最终使得发电能力比以上一代的Honda FCX Clarity 提高了10%。另外，冷却介质的横向流动还保持了良好的冷却效果，避免了以往电池单元之间所必须的冷却层，大大减轻了电池的重量（可减轻近30%，积层长度缩短30%）【5】，达到了极佳的小型化效果。

（3）新型永磁电机

   FCX Clarity采用全新的功率达100kW的新型永磁同步电机（图2-8），与上一代相比，整体动力单元的重量功率密度提高1倍，体积功率密度提高1.2倍，实现了轻质小型化和高功率的高度统一。此外，节能性提高20%，续航里程提高30%。

永磁电机结构特点

本田FCX所使用的电动机是一款永磁同步电动机，其与普通的电动机相比，永磁同步电动机装有转自永磁体位置检测器，用来检测磁极位置，并以此对电枢电流进行控制，达到对永磁同步电动机驱动控制的目的。

永磁同步电机相比于其它电动机的优势则主要表现在因为永磁体取代了绕组，所以结构更加简单且可靠；因为电机转速与电源频率保持同步关系，所以通过控制电源就可以控制电动机转速。再加上体积小、质量小并且结构坚固等特点，以及相对而言较低的成本，使得永磁同步电机十分适合在电动汽车上应用。

同时，永磁电机由于永磁体无需电流励磁，转子没有损耗，提高了电机效率；同时因取消了滑环和电刷，简化了转子结构，提高了电机的可靠性。但电机必须由变频器供电加上转子位置检测闭环控制系统才能运行。

当反电势和供电电流的波形都是正弦波时，称为永磁同步电动机(PMSM)，它与电励磁同步电动机有相似的内部电磁关系。当反电势和供电电流的波形都是矩形波时，称为矩形波永磁同步电动机，其内部的电磁过程和直流电动机类似，因此又称为无刷直流电动机（BLDC）。