燃料电池汽车

燃料电池汽车也可以算作电动汽车，但你可以在五分钟内给电池灌满燃料，而不是等上几个小时来充满电。燃料电池汽车也是电动汽车，只不过“电池”是氢氧混合燃料电池。和普通化学电池相比，燃料电池可以补充燃料，通常是补充氢气。一些燃料电池能使用甲烷和汽油作为燃料，但通常是限制在电厂和叉车等工业领域使用。

中文名：燃料电池汽车

外文名：Fuelcellvehicles(FCV)

采用材料：甲醇、天然气、汽油等

别称：绿色的新型环保汽车

技术优点：近似零排放、减少了水污染等

发展方向：超微型汽车、纯电动汽车等

1、基本简介

燃料电池汽车

燃料电池汽车(FCV)是一种用车载燃料电池装置产生的电力作为动力的汽车。车载燃料电池装置所使用的燃料为高纯度氢气或含氢燃料经重整所得到的高含氢重整气。与通常的电动汽车比较,其动力方面的不同在于FCV用的电力来自车载燃料电池装置,电动汽车所用的电力来*电网充电的蓄电池。因此,FCV的关键是燃料电池。

燃料电池是一种不燃烧燃料而直接以电化学反应方式将燃料的化学能转变为电能的高效发电装置。发电的基本原理是:电池的阳极(燃料极)输入氢气(燃料),氢分子(H2)在阳极催化剂作用下被离解成为氢离子(H+)和电子(e-),H+穿过燃料电池的电解质层向阴极(氧化极)方向运动,e-因通不过电解质层而由一个外部电路流向阴极;在电池阴极输入氧气(O2),氧气在阴极催化剂作用下离解成为氧原子(O),与通过外部电路流向阴极的e-和燃料穿过电解质的H+结合生成稳定结构的水(H2O),完成电化学反应放出热量。这种电化学反应与氢气在氧气中发生的剧烈燃烧反应是完全不同的,只要阳极不断输入氢气,阴极不断输入氧气,电化学反应就会连续不断地进行下去,e-就会不断通过外部电路流动形成电流,从而连续不断地向汽车提供电力。与传统的导电体切割磁力线的回转机械发电原理也完全不同,这种电化学反应属于一种没有物体运动就获得电力的静态发电方式。因而,燃料电池具有效率高、噪音低、无污染物排出等优点,这确保了FCV成为真正意义上的高效、清洁汽车。

为满足汽车的使用要求,车用燃料电池还必须具有高比能量、低工作温度、起动快、无泄漏等特性,在众多类型的燃料电池中,质子交换膜燃料电池(PEMFC)完全具备这些特性,所以FCV所使用的燃料电池都是PEMFC。

2、工作原理

工作原理

燃料电池汽车的工作原理是，作为燃料的氢在汽车搭载的燃料电池中，与大气中的氧气发生氧化还原化学反应，产生出电能来带动电动机工作，由电动机带动汽车中的机械传动结构，进而带动汽车的前桥(或后桥)等行走机械结构工作，从而驱动电动汽车前进。

7核心部件燃料电池。燃料电池的反应结果会产生极少的二氧化碳和氮氧化物，副产品主要产生水，因此被称为绿色新型环保汽车。燃料电池汽车是电动汽车的一种，其核心部件燃料电池。通过氢气和氧气的化学作用，而不是经过燃烧，直接变成电能动力。

燃料电池汽车的氢燃料能通过几种途径得到。有些车辆直接携带着纯氢燃料，另外一些车辆有可能装有燃料重整器，能将烃类燃料转化为富氢气体。单个的燃料电池必须结合成燃料电池组，以便获得必需的动力，满足车辆使用的要求。图2为燃料电池汽车的燃料电池本体示意图。

特点

与传统汽车相比，燃料电池汽车与传统的内燃机驱动汽车在构造及动力传输等方面的不同,为汽车的整体设计提出了新的要求。传统内燃机汽车的发动机----变速器动力总成在燃料电池汽车中不复存在,取而代之的是燃料电池反应堆、蓄电池、氢气罐、电动机、DC/DC转化器等设备。而制动系统和悬架也相应变化。因此,根据燃料电池汽车自身特点,在设计时,应作相应的变化和改进。燃料电池汽车具有以下优点：

1、零排放或近似零排放。

2、减少了机油泄漏带来的水污染。

3、降低了温室气体的排放。

4、提高了燃油经济性。

5、提高了发动机燃烧效率。

6、运行平稳、无噪声。

燃料电池汽车的特点表现在以下方面：

3、底盘布置

燃料电池动力总成包括:氢气罐总成、蓄电池总成、燃料电池堆总成、动力输出系统总成等。其中,储氢罐一般放置于底盘的中部,或后排座椅的下方空间(传统内燃机轿车的油箱位置),将氢气罐分散存储。除了燃料电池动力总成外,对汽车制动总成、前后悬架总成及轮胎等方面也应作相应的调整和测试。特别是随着轮毂电机技术的发展,使燃料电池汽车在电动机的放置有了新的选择,增大了汽车内部空间。而各电动轮的驱动力也可直接控制,提高恶劣路面条件下汽车的行使性能。底盘布置应把绝大多数的负载均匀分配在底盘的前后端,降低车辆的总体重心,使轿车具有良好的操控性能,并改善车辆的整体安全性。

4、管理系统

燃料电池汽车的动力系统一般由质子交换膜燃料电池、蓄电池、电机和系统控制设备组成。燃料电池所生成的电能经过DC/DC转换器、DC/AC逆变器等的变换,带动电机的运转,将电能转变为机械能,为汽车提供动力。在一些关键部件,如质子交换膜燃料电池和蓄电池等,其热特性及传热性质与传统汽车有着很大的不同,为燃料电池汽车的水、热管理提出了新的目标和要求。

5、电子控制

燃料电池汽车

与传统汽车相同,电子控制在燃料电池汽车的发展中也将起着越来越重要的作用。汽车的各种操纵系统都会向着电子化和电动化的方向发展,实现“线操控”,即用导线代替机械传动机构,如“导线制动”、“导线转向”等;现有的12V动力电源已满足不了汽车上所有电气系统的需要,42V汽车电气系统新标准的实施,将会使汽车电器零

部件的设计和结构发生重大的变革,机械式继电器、熔丝式保护电路也将随之淘汰。同时,燃料电池的特性有其自身的特点:

a.电压低,电流大;

b.输出电流会随温度的升高而升高,输出电压会随输出电流的增大而下降;

c.从开始输出电压、电流到逐渐进入稳定状态,停留在过渡带范围内的动态反应时间较长。正是由于以上特点,大多数电器和电机难以适应其电压特性,所以必须和DC/DC变换器和DC/AC逆变器配合使用,需要对燃料电池系统进行大量的功率调节以保证电压的稳定。

(1)当燃料电池的输出功率大于汽车的需要时,多余的功率可对蓄电池进行充电,在动力系统起动时蓄电池可以给辅助系统提供电源;

(2)当燃料电池的功率不能满足汽车加速、爬坡时,蓄电池可提供附加功率,配合燃料电池共同使用。

所以,车辆可采用42V的辅助电源独立地为各种电子、电气设备提供电能。由于燃料电池汽车较之传统内燃机汽车在驱动方式上有着本质的区别,所以在底盘布置、水热管理、电子控制等诸多方面的设计也有着很大的不同。

关键技术

电动汽车的关键能源动力技术包括电池技术、电机技术、控制器技术。电池技术、电机技术和控制器技术是电动汽车所特有的技术，这3项技术也是一直制约电动汽车大规模进入市场的关键因素。

电池技术

电池是电动汽车的动力源泉，也是一直制约电动汽车发展的关键因素。电动汽车用电池的主要性能指标是比能量(E)、能量密度(Ed)、比功率(P)、循环寿命(L)和成本(C)等。要使电动汽车能与燃油汽车相竞争，关键就是要开发出比能量高、比功率大、使用寿命长的高效电池。

电动汽车用电池经过了3代的发展，已经取得了突破性进展。

第1代是铅酸电池，目前主要是阀控铅酸电池(VRLA)，由于其比能量较高、价格低和能高倍率放电，因此是目前惟一能大批量生产的电动汽车用电池。

第2代是碱性电池，主要有镍镉、镍氢、钠硫、锂离子和锂聚合物等多种电池，其比能量和比功率都比铅酸电池高，因此大大提高了电动汽车的动力性能和续驶里程，但其价格却比铅酸电池高。

第3代是以燃料电池为主的电池，燃料电池直接将燃料的化学能转变为电能，能量转变效率高，比能量和比功率都高，并且可以控制反应过程，能量转化过程可以连续进行，因此是理想的汽车用电池还处于研制阶段，一些关键技术还有待突破。

广泛应用于电动汽车的燃料电池是一种称为质子交换膜的燃料电池(PEMFC)，它以纯氢为燃料，以空气为氧化剂，不经历热机过程，不受热力循环限制，因此能量的转换效率高，是普通内燃机热效率的2～3倍。同时，它还具有噪音低、无污染、寿命长、启动迅速、比功率大和输出功率可随时调整等特性，使得PEMFC非常适合用作交通工具的动力源。

电机技术

电动汽车驱动电机是所有电动汽车必不可少的关键部件。使用较多的有直流有刷、永磁无刷、交流感应和开关磁阻4种电机。

直流有刷电机结构简单，技术成熟，具有交流电机所不可比拟的优良电磁转矩控制特性，所以直到20世纪80年代中期，仍是国内外电动汽车用电机的主要研发对象。但是，由于直流电机价格高，体积和质量大，因此在电动汽车上的应用受到了限制。

永磁无刷电机可以分为由方波驱动的无刷直流电机系统(BLD—CM)和由正弦波驱动的无刷直流电机系统(PMSM)，它们都具有较高的功率密度，其控制方式与感应电机基本相同，其主要优点是效率可以比交流感应电机高6个百分点，因此在电动汽车上得到了广泛的应用，是当前电动汽车用电动机的研发热点。这类电机具有较高的能量密度和效率，其体积小、惯性低、响应快，非常适应于电动汽车的驱动系统，有极好的应用前景。但价格较贵，永磁材料一般仅耐热12c=0I以下。目前，由日本研制的电动汽车主要采用这种电机。

交流感应电机也是较早用于电动汽车驱动的一种电机，它的调速控制技术比较成熟，具有结构简单、体积小、质量小、成本低、运行可靠、转矩脉动小、噪声低、转速极限高和不用位置传感器等优点，但因转速控制范围小、转矩特性不理想，因此不适合频繁启动、频繁加减速的电动汽车。美国以及欧洲研制的电动汽车多采用这种电机。

开关磁阻电机(SRM)具有简单可靠、可在较宽转速和转矩范围内高效运行，控制灵活、4象限运行、响应速度快和成本较低等优点。但实际应用发现，SRM存在着转矩波动大、噪声大、需要位置检测器等缺点，所以应用受到了限制。

4种电机各有优缺点，但是对于电动汽车而言，由于电能是由各类电池提供的，价格昂贵而弥足珍贵，所以使用相对效率最高的永磁无刷电机是较为合理的，它已被广泛应用于功率小于100kW的现代电动汽车上。

在国外已有越来越多的电动汽车采用性能先进的电动轮(又称轮毂电机)，它用电机(多为永磁无刷式)直接驱动车轮，因此无传统汽车的变速器、传动轴、驱动桥等复杂的机械传动部件，汽车结构大大简化。但是它要求电机在低转速下有很大的扭矩，特别是对于军用越野车，要求电机基点转速：最高转速=1：10。近几年，美、英、法、德等国纷纷将电动轮技术应用于军用越野车和轻型坦克上，并取得了重大成果。

6、控制器技术

控制器技术的变速和方向变换是靠电动机调速控制装置来完成的，其原理是通过控制电动机的电压和电流来实现电动机的驱动转矩和旋转方向的控制。目前电动汽车上应用较广泛的是晶闸管斩波调速，通过均匀改变电机的端电压，控制电机的电流，来实现电机的无级调速。在电子电力技术的不断发展中，它也逐渐被其他电力晶体管(如GTO、MOSFET、BTR及IGBT等)斩波调速装置所取代。从技术的发展来看，伴随着新型驱动电机的应用，电动汽车的调速控制转变为直流逆变技术的应用将成为必然的趋势。

在驱动电机的旋向变换控制中，直流电机依靠接触器改变电枢或磁场的电流方向，实现电机的旋向变换，这使得控制电路复杂、可靠性降低。当采用交流异步电机驱动时，电机转向的改变只需变换磁场三相电流的相序即可，可使控制电路简化。此外，采用交流电机及其变频调速控制技术，使电动汽车的制动能量回收控制更加方便，控制电路更加简单。

二十一世纪以来，由感应电动机驱动的电动汽车几乎都采用矢量控制和直接转矩控制。矢量控制又有最大效率控制和无速度传感器矢量控制，前者是使励磁电流随着电动机参数和负载条件的变化，从而使电动机的损耗最小、效率最大;后者是利用电机电压、电流和电机参数来估算出速度，不用速度传感器，从而达到简化系统、降低成本、提高可靠性的目的。直接转矩控制克服了矢量控制中解耦的问题，把转子磁通定向变换为定子磁通定向，通过控制定子磁链的幅值以及该矢量相对于转子磁链的夹角，从而达到控制转矩的目的。由于直接转矩的控制手段直接、结构简单、控制性能优良和动态响应迅速，因此非常适合电动汽车的控制。

随着电机及驱动系统的发展，控制系统趋于智能化和数字化。变结构控制、模糊控制、神经网络、自适应控制、专家系统、遗传算法等非线性智能控制技术，都将各自或结合应用于电动汽车的电机控制系统。它们的应用将使系统结构简单，响应迅速，抗干扰能力强，参数变化具有鲁棒性，可大大提高整个系统的综合性能。

7、国内外研究现状

燃料电池汽车

随着环境问题和能源问题的日益突出，新能源汽车成为了世界各大汽车厂商及研发机构的研究热点，而在其中，燃料电池汽车(fuel-cellvehicle，FCV)以其高效率和近零排放被普遍认为具有广阔的发展前景。美国、欧盟、日本和韩国都投入了大量资金和人力进行燃料电池车辆的研究，通用、福特、克莱斯勒、丰田、本田、奔驰等大公司都已经开发出燃料电池车型并已经在公路上运行，普遍状况良好。近年来，我国在燃料电池方面的投入也不断加大，北京奥运会、上海世博会期间都有燃料电池轿车和大客车进行了示范运行。燃料电池汽车将在新能源汽车中占据重要地位已经是不争的事实。

北美

美国和加拿大是燃料电池研发和示范的主要区域，在美国能源部(DOE)、交通部(DOT)和环保局(EPA)等*部门的支持下，燃料电池技术取得了很大的进步，通用汽车、福特汽车、丰田、戴姆勒奔驰、日产、现代等整车企业均在美国加州参加燃料电池汽车的技术示范运行，并培育了美国的UTC(联合技术公司)、加拿大的巴拉德(Ballad)等国际知名的燃料电池研发和制造企业美国通用汽车公司2007年秋季启动的ProjectDriveway计划，将100辆雪佛兰Equinox燃料电池汽车投放到消费者手中，2009年总行驶里程达到了160万km。同年，通用汽车宣布开发全新的一代氢燃料电池系统，新系统与雪佛兰Equinox燃料电池车上的燃料电池系统相比，新一代氢燃料电池体积缩小了一半，质量减轻了100kg，铂金用量仅为原来的1/3。通用汽车新一代燃料电池汽车的铂金用量已经下降到30g，按照目前国际市场价格，铂金为300~400元/g，100kW燃料电池的铂金成本约为1万元人民币，燃料电池的成本大幅度下降。预计到2017年，100kW燃料电池发动机的铂金用量将下降到10~15g，达到传统汽油机三效催化器的铂金用量水平。

美国在2006年专门启动了国家燃料电池公共汽车计划(NationalFuelCellCityBusProgram，NFCBP)，进行了广泛的车辆研发和示范工作，2011年美国燃料电池混合动力公共汽车实际道路示范运行单车寿命超过1.1万h。美国在燃料电池混合动力叉车方面也进行了大规模示范，截至2011年，全美大约有3000台燃料电池叉车，寿命达到了1.25万h的水平。燃料电池叉车在室内空间使用，具有噪音低、零排放的优点。

欧洲

欧洲的燃料电池客车示范计划，完成了第6框架计划(FrameworkProgram，2002—2006)和第7框架计划(2007—2012)，目的是突破燃料电池和氢能发展的一些关键性技术难点，在CUTE(CleanUrbanTransportforEurope,欧洲清洁都市交通)及欧盟其他相关项目支持下，各个城市开展燃料电池公共汽车示范运行，今年新的计划CHIC(CleanHydrogeninEuropeanCities,欧洲清洁都市交通)开始实施，包括阿姆斯特丹、巴塞罗那、汉堡、伦敦、卢森堡、马德里、波尔图、斯德哥尔摩、斯图加特、冰岛以及澳大利亚珀斯，即澳大利亚STEP项目(SustainableTransportEnergyProgram，可持续交通能源计划)等，欧洲在燃料电池汽车的可靠性和成本控制等方面取得了长足的进步。

在德国，2012年6月，主要的汽车和能源公司与*一起承诺，建立广泛的全国氢燃料加注网络，支持发展激励计划，即到2015年，全国建成50个加氢站，为全国5000辆燃料电池汽车提供加氢服务。戴姆勒奔驰于2011年开展燃料电池汽车的全球巡回展示，验证了燃料电池轿车性能已经达到了传统轿车的性能，具备了产业化推广的能力。戴姆勒集团参与“HyFLEET：CUTE(2003-2009)”项目。36辆梅赛德斯-奔驰Citaro燃料电池客车已由20个交通运营商进行运营使用，运营时间超过14万h、行驶里程超过220万km。但是第一代纯燃料电池的客车，寿命只有2000h，经济性较差。戴姆勒集团与2009年开始推出第二代轮边电机驱动的燃料电池客车，主要性能达到了国际先进水平，其经济性大幅度改善，燃料电池耐久性达到1.2万h。

德国西门子公司研发的燃料电池，已经成功地应用于德国的214型潜艇上(氢氧型)。2007年德国戴姆勒奔驰公司，美国福特汽车公司和加拿大Ballard公司合作，成立AFCC公司(AutomotiveFuelCellCooperation，车用燃料电池公司)，以研发和推广车用燃料电池。2013年年初，宝马公司决定与燃料电池技术排名第一的企业——丰田汽车公司合作，由丰田公司向宝马公司提供燃料电池技术。

日韩

从全球范围看，日本和韩国的燃料电池研发水平处于全球领先，尤其是丰田、日产和现代汽车公司，在燃料电池汽车的耐久性，寿命和成本方面逐步超越了美国和欧洲。丰田公司的2008版FCHV-Adv在实际测试中，实现了在-37℃顺利启动，一次加氢行驶里程达到了830km，单位里程耗氢量0.7kg/(100km)，相当于汽油3L/(100km)，如图3所示。2013年11月，丰田在“第43届东京车展2013”上，展出了计划在2015年投放市场的燃料电池概念车，作为技术核心的燃料电池组目前实现了当时公开的全球最高的3kW/L功率密度。该燃料电池组去掉了加湿模块，不但降低了成本、车质量和体积，还减少了燃料电池的热容量，有利于燃料电池在低温条件下迅速冷启动。如图5所示为丰田公司的FCHV-Adv。

目前丰田汽车公司在扩大混合动力汽车的同时，重点针对燃料电池汽车的产业化进行准备，拟在2015年投放新一代燃料电池轿车，进行批量生产;2016年生产(与日野合作)新一代燃料电池客车。和丰田汽车公司类似，日产汽车也投入巨资开展燃料电池电堆和轿车的研发，2011年日产的燃料电池电堆，功率90kW，质量仅43kg，2012年，日产汽车公司研发的电堆功率密度达到了2.5kW/L，这在当时是国际最高水平。另外，本田公司新开发的FCXClarity燃料电池汽车，能够在-30℃顺利启动，续驶里程达到620km，2014年，本田宣布的新一代燃料电池堆功率密度也达到3kW/L。韩国现代从2002开始研发燃料电池汽车，2005年采用巴拉德的电堆组装了32辆运动型多功能车(sportsutilityvehicle，SUV)，2006年推出了自主研发的第一代电堆，组装了30台SUV，4辆大客车，并进行了示范运行;2009—2012年间，开发了第2代电堆，装配100台SUV，开始在国内进行示范和测试，并对电堆性能进行改进;2012年，推出了第3代燃料电池SUV和客车，开始全球示范;2013年，韩国现代宣布将提前2年开展千辆级别的燃料电池SUV(现代ix35)生产，在全球率先进入燃料电池千辆级别的小规模生产阶段。该SUV采用了100kW燃料电池，24kW锂离子电池，100kW电机，70MPa的氢瓶可以储存5.6kg氢气，新欧洲行驶循环(NewEuropeanDriveCycle，NEDC)循环工况续驶里程588km，最高车速160km/h。

中国

在中国国家“八六三”高技术项目、“十五规划”的电动汽车重大科技专项与“十一五规划”节能与新能源汽车重大项目的支持下，通过产学研联合研发团队的刻苦攻关，中国的燃料电池汽车技术研发取得重大进展，初步掌握了整车、动力系统与核心部件的核心技术，基本建立了具有自主知识产权的燃料电池轿车与燃料电池城市客车动力系统技术平台，也初步形成了燃料电池发动机、动力电池、DC/DC变换器、驱动电机、供氢系统等关键零部件的配套研发体系，实现了百辆级动力系统与整车的生产能力。中国燃料电池汽车正处于商业化示范运行考核与应用的阶段，已在北京奥运燃料电池汽车规模示范、上海世博燃料电池汽车规模示范、UNDP(UnitedNationsDevelopmentProgramme，联合国开发计划)燃料电池城市客车示范以及“十城千辆”、广州亚运会、

深圳大运会等示范应用中取得了良好的社会效益中国燃料电池轿车采用独具特色的“电—电混合”动力系统平台技术方案，具有“动力系统平台整车适配、电—电混合能源动力控制、车载高压储氢系统、工业副产氢气纯化利用”的技术特征。在“十五规划”研发的基础上，“十一五规划”新一代燃料电池轿车动力系统结合整车平台的改变，采用扁平化的动力系统布置方式，燃料电池发动机氢气子系统、空气子系统与冷却系统采用模块化分散布置的模式，增加了动力系统与整车适配的柔性，明显提升整车的人机工程性能。同时，优化集成DC/DC变换器、DC/AC控制器以及电动空调和低压变换器等功率元器件的动力系统控制单元，在提升模块化的同时方便集中处理电磁兼容、系统冷却以及电安全等问题，体现了电动

汽车动力系统集成设计的方向。与“十五规划”燃料电池轿车动力系统相比，新一代动力系统的性能得到进一步优化与提高。主要表现在：燃料电池发动机功率从40kW提高到55kW;动力蓄电池容量从48kWh减小到26kWh;电机功率从60kW提高到90kW;电机控制器(DC/AC)功率提高35%，体积比功率增加12.5%。同时，动力系统继续保持燃料经济性的技术优势，在车辆整备质量增加近250公斤的前提下整车动力性明显提高，燃料经济性则

仍然保持在1.2kg/(100km)的原有水平。中国国家“八六三”高技术项目持续支持燃料电池汽车的技术研发工作，“十二五规划”期间为保持中国电动汽车技术制高点，继续保持了对燃料电池汽车的支持力度。从产业界来看，即使在“十五、十一五规划”燃料电池汽车全球产业化热潮期间，中国汽车工业界并没有在燃料电池汽车方面有明显投入，进入“十二五规划”后，在燃料电池汽车产业化趋于理性化的大背景下，上汽集团制定了燃料电池汽车发展的五年规划，以新源动力为燃料电池电堆供应商，开始投入大量资金研发燃料电池汽车，目前正进行第3代燃料电池轿车FCV的开发，在2011年必比登比赛中，上汽开发的FCV在燃料电池轿车组别中，名列第3。

同济大学已开展多轮燃料电池轿车的研发工作，研制的燃料电池轿车已在奥运会、世博会进行大规模示范运行。在“十二五规划”期间，同济大学将为中国第一汽车集团公司、东风汽车公司、奇瑞汽车股份有限公司和中国长安汽车集团股份有限公司集成燃料电池轿车。