燃料电池综述

燃料电池汽车综述

摘要：随着能源供应的制约及环境压力不断显现，对人类未来主导能源的争论和研究不断深入。氢经济不但在能源和环境方面带来革命性改变，也对传统的汽车基本构造和技术打开了新的思路。

燃料电池汽车采用氢气作为燃料，利用氢气和氧气的化学反应产生电能作动力，因而被誉为“绿色汽车”。燃料电池的广泛应用有助于节约燃料以及减少大气污染，被称为是未来汽车发展的方向。

本文围绕现代汽车面临的能源危机、环境危机等问题对氢动力燃料电池汽车的产业背景、发展状况、工业影响进行了全面的分析，以及对其基本知识进行了论述。主要对以氢作为汽车燃料的动力性、经济性进行了讨论；对氢的相关知识进行了解说以及对氢燃料电池的构造原理以及优缺点进行了论述；对燃料电池汽车的构造原理、关键技术、安全系统等进行了概述，并综合分析了氢燃料电池汽车的产业前景和国内外发展状况；最后，对氢燃料电池汽车的发展进行了总结和展望。

关键词：燃料电池汽车；燃料电池；应用

1简介

汽车是石油资源的主要消耗源，也是造成城市空气污染的主要原因。化石燃料总有一天会枯竭，只有开发替代能源汽车是唯一的出路，目前正在发展中的新能源汽车主要有纯电动车、油一电混合动力汽车、替代燃料内燃发动机汽车、氢燃料电池电动车几类。纯电动车采用动力蓄电池作为汽车动力源，动力蓄电池主要有铅酸电池、锂离子电池、镍氢电池等几类。油一电混合动力汽车是内燃机汽车向电动汽车过渡中的一个合理选择，此过渡过程经预测可能需要20年以上。替代燃料内燃发动机汽车使用的天然气、柴油(包括液化柴油和煤液化柴油)、甲醇、二甲醚等替代燃料，仍属于不可再生的化石能源，无法彻底解决内燃发动机

排放污染的问题。

2燃料电池汽车

燃料电池汽车(Fuel Cell Vehicle，简称FCV)是指以氢气、甲醇等为燃料，通过化学反应产生电流，依靠电机驱动的汽车。其电池的能量是通过氢气和氧气的化学作用，而不是经过燃烧，直接变成电能或的。燃料电池的化学反应过程不会产生有害产物，因此燃料电池车辆其最大特点是能量转换效率高，可达到60 ％以上；另外，它还具有燃料多样性、排气清洁、噪声低、对环境污染小、可靠性及维修性好等优点。因此从能源的利用和环境保护方面，燃料电池汽车是一种理想的车辆。与传统汽车相比，燃料电池汽车具有的优点：

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。

2.1 构造

燃料电池汽车整体上基本与普通内燃机汽车相同，主要不同之处为：用氢气储存器储存的氢气，或用甲醇、汽油等燃料经重整转换为氢气的氢气燃料系统，替代内燃机的汽油燃料系统或柴油燃料系统；用燃料电池产生的电力替代内燃机产生的机械传动系统。

2.2 原理及特点

它是一种将储存在燃料（氢）和氧化剂（氧）中的化学能通过电化学反应直接转化为电能的装置，其过程不涉及燃烧，无机械损耗，能量转化率可高达80％，产物仅为电、热和水蒸气；而且FC运行平稳，无振动和噪音，所以被认为是21世纪的绿色能源。此技术在汽车上的应用给汽车产业发展带来了革命性的突破，同时也推动了自身的发展。FC可以用作汽车的（辅助）动力电源，也可以用作辅助电源（APU）。它不同于传统汽车，其动力来自FC，而不是内燃机，可以减少燃料消耗，产生更少的污染物排放，当以氢作燃料时，能真正实现汽车的“零排放”，因此更符合人们的经济环保观念。此外，在能量耗尽后，FCEV不像传统的蓄电池电动汽车（BEV）那样需要长时间充电，而只需补充燃料即可继续工

作，这一点对汽车驾驶者来说尤为方便。当FC用作APU时，汽车使用内燃机驱动，部分燃料通过FC更有效地转化为电能，它可以为汽车辅助设备提供足够的功率，使汽车变得更舒适、更环保、更安全。

2.3 燃料电池车的动力系统

氢燃料电池车是利用燃料电池发出的电力驱动电动机，带动汽车行驶，所以，它是一种电动汽车。一次加氢后，燃料电池车能跑的里程取决于车上所携带的氢气的数量，而燃料电池车的动力特性，如能跑多快、能爬多陡的坡，则主要取决于燃料电池动力系统的功率及匹配。燃料电池车的动力系统可分为以下三种情况：

1)全燃料电池，即汽车的动力全部来自燃料电池；

2)燃料电池和电池(或超级电容器，或飞轮等储能设备)的混合系统；

3)燃料电池和内燃机组成混合系统。

燃料电池车的基本设计思想是尽量采用小功率燃料电池，并添置辅助动力源，既降低车的成本，又改进车的加速、爬坡等性能。采用燃料电池发动机作为汽车的动力之后，汽车结构会发生重大变化，没有了常规的发动机、离合器、传动轴、万向轴等，汽车的机械零件将被大大简化。化学工业和电子工业在汽车制造中将扮演重要角色。所以有人认为燃料电池汽车是汽车工业的第二篇章。燃料电池车与其他替代燃料车相比，具有明显的优越性：洁净无污染，SO 、NO 和颗粒物接近零排放，也不产生CO ，唯一的排放物是水。图1给出使用各种不同燃的汽车的排放比较，显然，燃料电池车是最环保的，其排放接近零。燃料电池发动机的噪声低，有资料指出柴油公共汽车在48km／h时噪声达80分贝，而P3燃料电池发动机在48km／h时的噪声仅72分贝，可见燃料电池发动机的噪声要比普通的内燃机小得多。

3 燃料电池汽车开发中的关键技术

燃料电池电动汽车是汽车、电力拖动、功率电子、自动控制、化学电源、计算机、新能源及新材料等工程技术中最新成果的集成产物。因此，燃料电池电动汽车的开发和产业化需要解决诸多关键技术，如：燃料电池、电动机控制、车身

和底盘设计、电控动机、测试技术及系统优化等。

3.1 驱动电机技术

为了使车辆一次加够燃料(氢)后行驶更多里程，以及最大限度地利用氢能源以及尽可能减小车辆改装后的整备重量。这就要求电力驱动系统有高的效率和功率重比。驱动电机应向着大功率、高转速、高效率和小型化方向发展。当前驱动电机主要有感应电动机(IM)和永磁无刷电动机(PMBLM)，特别是永磁无刷电动机具有较高的功率密度和效率、体积小、惯性低和响应快等优点，在电动汽车方面有着广阔地应用前景。在设计和选择驱动电机时应保证电机的转矩，转速特性与整车负载特性匹配良好，电机转矩的动态性能好，以及恒速、恒功率和变工况都应有较高的效率。

3.2 车身和底盘设计技术

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。由于燃料电池电动汽车具有通过电线传递动力、动力生成装置结构变化多样和各总成部件布置不受机械装置限制等特点，因此给其车身和底盘设计留有更大的空间，以减小整车的行驶阻力系数，提供舒适的乘座空间和较好的主(被)动安全性能。

3.3 电子控制技术

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：

1）电低压，电大流；