一、燃料电池汽车简介

　　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自由电网充电的蓄电池。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。

　　二、燃料电池汽车工作原理

　　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。

　　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。下图为燃料电池汽车的燃料电池本体示意图。

　　三、燃料电池汽车特点

　　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：

　　燃料电池汽车底盘布置

　　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。

　　燃料电池汽车管理系统

　　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。

　　燃料电池汽车电子控制

　　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。

　　燃料电池车是电动车的一种，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，因此燃料电池车辆是无污染汽车，燃料电池的能量转换效率比内燃机要高2～3倍，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。

　　四、燃料电池电动汽车的优点

　　与传统汽车、纯电动汽车技术相比，燃料电池电动汽车具有以下优点。

　　①零排放或近似零排放，绿色环保。燃料电池电动汽车在本质上是一种零排放汽车，燃料电池没有燃烧过程，若以纯氢作燃料，通过电化学的方法，将氢和氧结合，生成物是清洁的水；采用其他富氢有机化合物用车载重整器制氢作为燃料电池的燃料，生成物除水之外还可能有少量的C02，但其排放量比内燃机要少得多，且没有其他污染排放（如氧化氮、氧化硫、碳氢化物或微粒）问题，接近零排放。与传统汽车相比既减少了机油泄漏带来的水污染，又降低了温室气体的排放。

　　②能量转换效率高，节约能源。燃料电池的能量转换效率极高。燃料电池没有活塞或涡轮等机械部件及中间环节，不经历热机过程，不受热力循环（卡诺循环）限制，故能量转换效率高，燃料电池的化学能转换效率在理论上可达100%，实际效率已达60%～80%，是普通内燃机热效率的2～3倍（汽油机和柴油机汽车整车效率分别为16%-18%和22%～24%）。因此，从节约能源的角度来看，燃料电池汽车明显优于使用内燃机的普通汽车。

　　③燃料多样化，优化了能源消耗结构。燃料电池所使用的氢燃料来源广泛，自然界中，氢能大量存储在水中，可采用水分解制氢，也可以从可再生能源获得，可取自天然气、丙烷、甲醇、汽油、柴油、煤以及再生能源。燃料来源的多样化有利于能源供应安全和利用现有的交通基础设施（如加油站等）。燃料电池不依赖石油燃料，各种可再生能源可以转化为氢能加以有效利用，减少了对石油资源的依赖，优化了交通能源的构成。

　　④续驶里程长，性能优于其他电池的电动汽车。采用燃料电池发电系统作为能量源，克服了纯电动汽车续驶里程短的缺点，其长途行驶能力及动力性已经接近于传统汽车。燃料电池汽车可以车载发电，只要带上足够的燃料，它可以把我们送到任何想去的地方。燃料电池电动汽车在成本和整体性能上（特别是行程和补充燃料时间上）明显优于其他电池的电动汽车。

　　⑤过载能力强。燃料电池除了在较宽的工作范周内具有较高的工作效率外，其短时过载能力可达额定功率的200%或更大，更适合于汽车的加速、爬坡等工况．燃料电池的短时过载能力可达200%的额定功率。

　　⑥运行平稳、低噪声燃料电池属于静态能量转换装置，除了空气压缩机和冷却系统以外无其他运动部件，因此与内燃机汽车相比，摆脱了马达的轰鸣，运行过程中噪声和振动都较小。

　　五、燃料电池电动汽车的缺点

　　①燃料电池汽车的制造成本和使用成本过高。制约燃料电池汽车推广应用的最大因素之一是燃料电池的生产成本一直居高不下。如何降低燃料电池的生产成本成为燃料电池汽车实用化的关键。据美国能源部测算，目前燃料电池的生产成本已降为500美元／kN。专家估计，只有当燃料电池的生产成本降至50美元／kW的水平才能为消费者所接受．也就是说．当一台80kW的汽车用燃料电池的成本降到目前汽油发动机的3500美元的价格时，才能创造巨大的市场效益。从市场经济学角度讲，高成本很难完成市场化推广，而无法实现市场化就不可能大规模批量生产，进而成本就无法降下来，最终导致成本与销售的恶性循环。

　　另一方面，燃料电池汽车的使用成本过也高，氢气的售价并不廉价，因此燃料电池车的运行成本并不令人乐观。目前由燃料电池发电系统提供lkW·h电能的成本远高于各种动力电池，这从一个侧面反映了作为汽车动力源，燃料电池还有相当远的距离。

　　②启动时间长，系统抗震能力还需提高。采用氢气为燃料的FCEV启动时间一般需要超过3min，而采用甲醇或者汽油重整技术的FCEV则长达lOmin，比起内燃机汽车启动的时间长得多，影响其机动性能。此外，当FCEV受到振动或者冲击时，各种管道的连接和密封的可靠性需要进一步的提高，以防止泄漏，降低效率，严重时引发安全事故。

　　③经济且无污染地获取纯氢燃料还存在技术难点。通过重整或改质技术转化传统的化石燃料获取纯氢天然气，不仅要消耗大量的能量，而且并没有从根本上摆脱对化石能的依赖，也没有从根本上消除对环境的污染。自然界中，氢能大量存储在水中，虽然取之不尽，但直接使用热分解或是电解的办法从水中制氢显然不划算。因此多数科学家都将目光转向了利用太阳能，但是还存在许多技术障碍。目前，他们正在进行太阳能分解水制氢、太阳能发电电解水制氢、阳光催化光解水制氢、太阳能生物制氢等方面的研究。只有到了能以再生性能源廉价地生产出氢燃料，氢燃料电池民用汽车的燃料问题才算获得了根本性解决。

　　④氢燃料电池汽车燃料的供应还有大量的技术问题有待解决。通常氢能以三种状态存储和运输：高压气态、液态和氢化物形态。用常用的压缩气体罐储存的氢，只能供燃料电池汽车行驶150km，续驶里程太短，还不如蓄电池驱动的汽车。由于氢气是最小的分子，很容易造成泄漏。哪怕是微量的泄漏，都有可能造成极度可怕的后果。而在-253℃的条件下储存液氢的深度制冷技术目前还很不成熟．就全球来说，目前能够加液氢的加氢站也没有几家。值得欣慰的是，储氢材料的开发已取得了一定的进展。

　　⑤供应燃料辅助设备复杂，且质量和体积较大在以甲醇或者汽油为燃料的FCEV中，经重整器出来的“粗氢气”含有使催化剂“中毒”失效的少量有害气体，必须采用相应的净化装置进行处理，增加了结构和工艺的复杂性，并使系统变得笨重。目前普遍采用氢气燃料的FCEV，因需要高压、低温和防护的特种储存罐，导致体积庞大，也给FCEV的使用带来了许多不便。

　　⑥稀有金属铂金Pt被大量应用也制约着燃料电池电动汽车的推广应用。稀有金属铂金作为燃料电池必不可少的反应催化剂，按照现有燃料电池对铂金的消耗量，地球上所有的铂金储量都用来制作车用燃料电池，也只能满足几百万辆车的需求。

　　⑦加氢站等基础网络设施建设几乎为零，目前全球范围内投入使用的加氢站仅有100多家，且大部分是用于实验用途的。如果说技术和成本是科研机构和企业通过努力可以自行解决的问题，那么相应的配套设施建设则不是举一人之力可以完成的，需要国家政策、产业链条、基础设施建设等多方面的准备，并及时制定完善的行业标准和规范加氢站等基础设施建设，既涉及城市规划、交通、电力等问题，又要解决投资和经营者的获利问题，同时还要有效解决加氢的核心技术和统一标准等问题。对于有一定行驶区间的公交车而言，这个问题可能容易解决，但是对于私家车而言要解决这些问题就任重而道远了。

　　六、汽车燃料电池的几种常见类型

　　碱性燃料电池

　　在碱性燃料电池（AFC）中，氢氧化钾（KOH）水溶液作为电解液。与其他一些酸性电解液的燃料电池相比，碱性电解液具有与酸性电解液一样好的性能，而且还能大大减少对电极的腐蚀。碱性燃料电池在实际应用上已经有很长一段时间。其发电效率高达60%。碱性燃料电池需要纯氢作为燃料并且还要在低温（约80℃）条件下工作，因而适合在汽车上应用。电池产生的余热可用于加热，但由于其温度不够高，而不能产生蒸汽，因此不能进行热电联产。

　　质子交换膜燃料电池

　　质子交换膜（PEM）燃料电池使用固态电解质并在低温（约80℃）条件下工作。Nafion膜是-种固态聚合物电解质的典型例子，因此这种燃料电池也被称为固体聚合物膜燃料电池。质子交换膜燃料电池的发电效率低于碱性电池（大约40%）。但是其坚固耐用和结构简单的特点使该类型的燃料电池非常适合汽车使用。质子交换膜燃料电池和碱性燃料电池是目前在汽车应用中所考虑的两个类型。质子交换膜燃料电池的优点在于它们所需的燃料氢气纯度没有碱性燃料电池所需的氢气纯度高。

　　直接甲醇燃料电池

　　直接甲醇燃料电池（DMFC）是研究车用甲醇燃料和改进燃料电池供氢方式的共同成果。直接甲醇燃料电池工作原理和质子交换膜燃料电池一样，不同的是其工作温度范围提高到90～120℃，在此温度范围，甲醇能从其内部转换成氢。直接甲酵燃料电池的发电效率相当低，在30%左右。目前正在寻找更好的电催化剂，以改善甲醇的发电效率并减少发电所需的氧气量，因此该类型的燃料电池仍处于设计研发阶段。

　　磷酸燃料电池

　　磷酸燃料电池（PAFC）是最早的燃料电池类型，其原型可追溯到燃料电池概念的提出阶段。该类电池的电解液是磷酸，工作温度约为200℃，这使其能够进行一定程度的热电联产，起发电效率比较理想，在40%左右，这种类型的电池由于其体积过于笨重而不适用于道路运输车辆的应用，但其较高的发电效率可应用于固定式发电设备。

　　熔融碳酸盐燃料电池

　　熔融碳酸盐燃料电池（MCFC），最初是直接从600℃的煤炭中研发得到的，在阴极上需要供应CO或C02，阳极上需要供应氢。这种燃料电池使用碳酸盐作为电解液，其发电效率可高达50%，并且多余的热量可用于热电联产，以提高发电效率。由于工作在高温条件下，熔融碳酸盐燃料电池不太适合车辆应用，但可以用于固定发电。

　　固体氧化物燃料电池

　　固体氧化物燃料电池（SOFC，ITSOFC）使用固体离子导体作为电解质，而不是使用溶液或者聚合物，这样可减少腐蚀问题。然而要使陶瓷中离子具有足够的导电性，系统必须工作在非常高的温度条件下。在最初设计时，使用氧化稳定钇氧化作为电解液，工作温度高达1000℃。在寻找适用于较低温度下电解液材料的过程中，发现了“中温固体氧化物燃料电池”。这种燃料电池发电效率高达50%~60%，余热也可用于热电联产。尽管目前该种燃料电池并不适合在汽车上应用，但它是固定式发电应用的最佳选择。

　　七、燃料电池汽车有哪些

　　下面我们就来盘点哪些企业在做电池燃料车。

　　1.金龙汽车产品：一代氢燃料电池城市客车

　　公司主营汽车产品及零配件，其大中型客车的市场占有率高。同时公司一直致力于新能源客车的研发，09年初，公司研制的新一代氢燃料电池城市客车在苏州下线，此举标志着国家“863计划十一五攻关项目：节能与新能源汽车”--氢燃料城市客车研发项目取得新突破。

　　2.上汽集团产品：荣威950插电式燃料电池车

　　在2015上海车展前，上汽集团与媒体进行了前瞻技术分享会，提前对即将在车展展示的两款“未来汽车”进行了预热。除了造势多时的智能汽车，上汽集团还抛出了另外一枚重磅炸弹——第四代荣威950插电式燃料电池车。该车可实现400多公里的续航里程，160公里的最高时速。

　　3.现代汽车产品：ix35氢燃料电池车

　　现代汽车2014年2月份开始在韩国投产ix35氢燃料电池车，成为全球首家推出量产版氢燃料电池车的车企，该车型在欧洲等市场以ix35的名称进行销售。

　　现代选择ix35这款车衍生出燃料电池车并量产，部分原因是因为该车的传统车型颇受欢迎。在燃料电池版ix35中，工程师确保燃料电池堆、储氢罐、电池和动力总成的关键系统不会对车辆的可用性造成影响。

　　车中采用了功率为100千瓦的燃料电池堆为一台功率为100千瓦的电动机提供能量，电机可提供的峰值扭矩达到300牛米，约合221磅英尺，0-62英里/时加速时间为12.5秒，最高时速可达100英里/时，其行驶里程则为369英里，约合594公里。储氢罐中可存放5.6千克氢气，也就是每千克氢燃料可支持汽车行驶106公里。经计算，一千克氢燃料约相当于3.7升汽油的能量含量，那么，该车的燃效约为28.6（106/3.7=28.6）千克/升。

　　4.丰田产品：丰田Mirai燃料电池车，FCVPlus概念车

　　Mirai燃料电池车

　　FCVPlus概念车

　　丰田作为油电混动领域的领导者此次带来了采用氢燃料电池作为动力能源的车型。与其他清洁能源不同，用氢气转化为电能驱动的汽车尾气近为对环境无害的水蒸气。该车将在2014年底接受预定，并于2015年正式发售。

　　不同于特斯拉旗下的电动车，丰田该款汽车采用的不是插电式充电，取而代之的是加氢的方式。液氢加入储罐中，与空气发生反应产生水的同时产生电能，电能被输送给车辆的电动机，从而驱动汽车。

　　5.本田产品：本田Clarity氢燃料电池车

　　本田Clarity氢燃料电池轿车日前在东京车展上发布，该车是现款FCXClarity车型的升级版。本田公司表示，该车将于2016年3月份在日本上市，同时也将在美国上市。美版将在今年的洛杉矶车展上发布。

　　6.通用产品：雪佛兰Equinox第四代氢燃料电池车

　　雪佛兰Equinox的燃料电池组由440块串联电池组成，电力输出可达93千瓦，在车载73千瓦（100马力）同步电动机的共同驱动下，0－100公里/小时的加速只要12秒，而这款前驱车型的最高时速可达每小时160公里。