燃料电池汽车技术的主要结构（技术特点和发展情况的详细资料概述）

随着世界经济和人口的快速增长，人们对石油和其他资源的需求不断增加。传统的化石燃料面临枯竭的危险，同时石油等资源的利用必然带来环境污染。为了给子孙后代创造一个可持续发展的环境，我们迫切需要开发一种全新的“清洁”汽车。燃料电池汽车作为传统汽车的理想替代品，有其固有的优势。本文将以典型的燃料电池汽车为例，阐述燃料电池汽车的主要结构和技术特点。将概述燃料电池汽车的发展。

一.燃料电池概述：

燃料电池是通过氧化还原反应将燃料(氢气)转化为电能的装置。它是由英国物理学家威廉格罗夫爵士首先发明的。燃料电池因其质量和能量密度高、能量输出稳定、可靠性高、无有害排放物(一般只有水)和使用成本低等优点，获得了快速发展。

工作原理：

图1-1

从图1-1可以看出，燃料(氢气)进入气体通道到达阳极，在铂催化剂的作用下发生阳极反应：

然后氢离子穿过电解质膜到达阴极。同时，氧化剂(氧气)通过气体通道到达阴极，在催化剂的作用下与通过电解质膜到达阴极的H反应：

当反应过程结束时，产生电能和副产物水。

图1-2

2)特点

燃料电池的优点使其在汽车上有着广阔的应用前景。燃料电池有许多优点：

1.该燃料电池具有高能量转换效率。

由于燃料电池采用电化学反应，不同于内燃机的气体膨胀工作方式。燃料电池的能量转换过程不涉及燃烧，理论转换效率高达100%(但由于电化学反应不可避免的产生热量，实际效率一般为60%~80%)，使用效率可达普通内燃机的2-3倍。

2.真正干净无污染

从燃料电池的工作方式来看，燃料电池对环境没有污染。燃料电池通过电化学反应输出能量，而不是燃烧(化石燃料)或储能(蓄电池)。燃烧会释放出CO2、NO2、SO2等温室气体和有害气体以及粉尘等污染物。相对来说，燃料电池正常工作时，只产生水和热(发热量很小)。如果用可再生能源生产氢气，可以真正做到清洁无污染。

虽然电池的工作过程中没有环境污染，但是电池的制造过程一般会对环境产生较大的负面影响。比如目前市场上应用最广泛的聚合物锂离子电池、镍氢电池等充电电池，使用的都是镍、锂等难以提炼的金属，镍、锂矿的开采和镍、锂(锂是一种极其活泼的元素)的提取都需要巨大的资源，间接造成了环境污染。

3.安静无声

燃料电池运行安静，没有机械运动部件，噪音只有55dB左右，仅相当于正常通话的水平。

4.高能量密度和稳定的功率输出。

通过改变燃料电池的反应条件，输出功率甚至可以瞬间提高到额定功率的200%。

5.方便的燃油补充：

氢气、甲醇、天然气等可以作为资源，可以方便地利用现有的加油站系统改造燃料电池汽车所需的氢气站和加油站。

3)存在的问题：

虽然燃料电池系统有许多优点，但仍有许多缺点。

主要问题是成本高。因为燃料电池需要昂贵的铂催化剂，所以燃料电池的成本一直很高。虽然近年来国际社会加大了燃料电池的开发力度，成本有所降低，但高昂的成本仍然是燃料电池技术大范围普及的最大障碍。

其次，燃料电池中燃料氢的储存和制备技术还不成熟。氢的大规模生产仍然是个问题。

4)与普通电池的区别

1.燃料电池是将燃料的化学能转化为电能的装置(严格来说，燃料电池不是电池，而是一种能量产生装置)。然而，当燃料电池发电时，参与电化学反应的燃料在反应后被不断消耗，并产生不能重复使用的反应物。因此，燃料电池需要不断输入燃料。燃料电池的技术性能确定后，只要持续供给燃料，就能持续产生电能，其放电特性是连续的，但燃料电池无法充电。

2.普通蓄电池是储能装置，只储存电能，不产生电能。电池的活性物质随着电池的充放电反复发生可逆的化学变化，活性物质一般不会被消耗。普通蓄电池的技术性能确定后，必须先充电，电能才能储存在电池中，才能在工作时输出。而且电能消耗完之后，要反复充电才能重新使用。其放电特性是循环的，使用寿命一般比燃料电池短。

2.燃料电池汽车的结构和特点

燃料电池汽车可分为：

1、以纯氢为燃料的燃料电池汽车；2、一种燃料电池车辆，其使用通过对诸如天然气和汽油的富含氢原子的碳氢化合物进行改性而产生的氢作为燃料。

根据供电系统的配置，可分为：

1.燃料电池直接驱动型；2.燃料电池和蓄电池混合供电型；3.燃料电池和超级电容器混合供电型；4.燃料电池、蓄电池和超级电容器的多电源类型。第一种很少用，因为效率低。现在主流的燃料电池汽车一般采用第二、三、四种供能方式。本文将以本田FCX Clarity为例(使用燃料电池和辅助电池作为车辆能源)简单介绍燃油电动汽车的结构。

2007年，本田发布了首款面向市场的氢氧燃料电池汽车——本田FCX Clarity，真正体现了绿色、节能、环保。2010年，本田发布了其新一代FCX Clarity，但考虑到高昂的价格和燃料供应，FCX现在只在日本国内和美国的少数地区租赁和销售。在FCX的租期内，租金包括维修费和保险费将是每月600美元，为期三年。

2010年，本田推出了新一代FCX Clarity，对燃料电池技术和整车细节设计进行了大幅改进。

图1-1-1:2010款本田FCX清晰

FCX Clarity使用氢气作为汽车燃料电池的能源。从图2-1可以看出，本田FCX

Clarity可以通过加氢站为车辆添加燃料。根据本田官方数据，本田FCX Clarity在加满油的情况下可以连续行驶570Km，最高时速为160Km/h。【2】普通电池电动车远非普通电动车可比，受电池本身结构的限制，严重限制了电动车的续航里程。现在市面上典型的纯电动汽车，如2011年10月26日在深圳正式上市的名为e6 Pioneer(图1-3)的比亚迪纯电动汽车，售价36.98万元，充满电后才能使用。最高时速只能达到140 km/h，仅从技术指标来看，燃料电池汽车具有普通电动车无法比拟的优势。

图2-2

图2-3比亚迪e6

(1)车辆概况

图2-4本田FCX Clarity技术规格

本田FCX Clarity的动力系统结构主要由五部分组成：动力控制单元、储氢罐、电动机、燃料电池堆和高功率电池。

图2-5本田FCX Clarity的横截面图

(2)小型轻型燃料电池堆“V流燃料电池堆”

本田FCX Clarity采用了本田最新研发的新一代小型轻量化燃料电池堆“V Flow FC Stack”，采用金属冲压垫片结构，彻底改变了以往用螺母固定碳垫片的复杂结构，使用的零件数量减少到原来的一半，但功率密度提高了两倍以上，达到了世界一流的高性能水平[3]。同时，由于新开发的芳香族电解质膜，电池系统的可靠性和耐用性大大提高。本田还采用了本田独创的氢气和空气垂直流动的“V流电池结构”，采用了氢气和空气波浪式流动的“波纹分离器”。与上一代产品相比，性能大幅提升，实现了轻量化和小型化。新燃料电池堆的最大功率增加到100千瓦。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%。低温启动性能的提高，使燃料电池能在零下30摄氏度正常工作。

全新的电池堆结构

本田FCX Clarity采用全新的氢气和废水垂直流动的堆栈结构，使V型平台堆栈的形状更加紧凑。与传统的水平放置的电堆结构(氢气和氧气随废水水平流动)相比，可以有效降低车辆的整体高度，有利于车辆的紧凑化和小型化。

2.五流动单元结构

图2-6本田FCX Clarity的燃料电池堆

V流单元的结构显示了本田革命性的设计。通过氢气和氧气的纵向流动，产生的水在重力的作用下可以稳定顺畅地排出，从而可以防止产生的水停留在发电水平，保证发电的持续稳定。此外，纵向气体流动通道可以使氢气和氧气的流动更加顺畅，从而使流动通道的深度减少17%，使电池的电池结构更薄，电池堆更小。

3.波道隔离板

本田创新的波浪隔板(图2-7)使氢气和空气的流动通道呈波浪状，冷却介质沿横向流动。与过去采用直通道设计的电池组相比，采用波形隔板设计的气流通道长度延长了近一米[4]，可以改变氢气和氧气的流向，提高空气和氢气的扩散性。同时，可以扩展冷却介质的横向布置。

图2-7波道隔离板

与上一代本田FCX Clarity相比，氢气和空气的通过最终提高了10%的发电能力。此外，冷却介质的横向流动也保持了良好的冷却效果，避免了以往电池电芯之间必要的冷却层，大大减轻了电池的重量(减轻了近30%，堆叠长度缩短了30%) [5]，达到了极佳的小型化效果。

(3)新型永磁电机

FCX Clarity采用全新的永磁同步电机，功率为100kW(图2-8)。与上一代相比，整个功率单元的重量功率密度提高了一倍，体积功率密度提高了1.2倍，实现了轻量化、小型化和高功率的高度统一。另外节能提升20%，续航里程提升30%。

图2-8本田FCX Clarity永磁同步电机

永磁电机的结构特点

本田FCX使用的电机是永磁同步电机。与普通电机相比，永磁同步电机装有旋转永磁体位置检测器，检测磁极位置，控制电枢电流，达到驱动控制永磁同步电机的目的。

与其他电机相比，永磁同步电机的优势主要表现在：由于永磁体代替了绕组，结构更简单、更可靠；因为电机速度与电源频率保持同步，所以可以通过控制电源来控制电机速度。再加上体积小、重量轻、结构坚固、成本相对较低的特点，永磁同步电机非常适合电动汽车。

同时，永磁电机不需要电流励磁，转子没有损耗，

当反电动势和供电电流的波形为正弦波时，称为永磁同步电机(PMSM)，其内部电磁关系与电励磁同步电机相似。当反电动势和供电电流的波形为矩形波时，称为矩形波永磁同步电机，其内部电磁过程与DC电机相似，故又称为无刷DC电机(BLDC)。

图2-9 [6]永磁同步电机和异步电机的性能比较

从图2-9的分析可以得出，在相同的功率下，永磁同步电机的效率明显高于异步电机，润滑脂的用量也比异步电机少。

(4)高性能锂离子电池

本田FCX Clarity氢氧燃料电池汽车采用高性能聚合物锂离子电池作为汽车的辅助能源(工作电压为288V的锂离子电池)。本田FCX Clarity采用插电式设计，在车辆不使用时，可以通过普通家用电源为锂离子电池充电。

本田FCX Clarity允许车辆仅依靠锂离子电池低速行驶，锂离子电池可以通过制动能量回收系统(可以将制动过程中损失的部分动能转化为电能)进行充电。同时，锂离子电池还可以为车载电子系统提供电源。

(5)燃料储存装置

HondaFCX Clarity使用高压氢气作为车辆燃料。由于需要储存大量的氢气来满足长途行驶的燃料需求，HondaFCX Clarity采用了容积为171L的高压气罐作为燃料储存装置。高压储气罐能承受的最大压力是350ATM，所以它能在有限的容积内储存尽可能多的氢气。

综上所述，一般的燃料电池汽车主要由电机系统、燃料电池系统、储油装置和传统的机械结构组成，其中燃料电池系统、储油系统和电机系统是汽车的核心。电机为车辆提供动力，燃料电池可以为车辆提供动力，储气罐为燃料电池提供能量，蓄电池或超级电容作为电机和燃料电池之间的能量缓冲装置，更有利于提高车辆的能量利用效率。

毫无疑问，燃料电池汽车比传统汽车、混合动力汽车、纯电动汽车有很多优势。

1.干净无污染。燃料电池汽车完全不排放污染物，只产生水，是完全意义上的“清洁汽车”。

2.加油方便快捷，续航能力远超普通纯电动车。纯电动汽车充电时间较长，完成一次充电需要7~8小时，且充满电后续航里程较短，往往不足300km。燃料电池汽车可以像传统汽油车一样方便地补充燃料，加满燃料后的一般续航里程可以达到400km以上，甚至超过很多传统汽油车。

3.效率高。燃料电池汽车具有高能效。由于燃料电池技术是一种高效的能源产生装置，加上车辆的合理设计(如再生制动系统的使用和辅助电池的应用)，燃料电池汽车具有非常高的能源利用效率。

4.出色的动态性能。燃料电池可以持续稳定地输出电能，高性能电机的应用使得燃料电池汽车具有优异的动力性能。以奔驰B级紧凑型车的F-Cell燃料电池型为例，同步电机最大输出功率可达100 kW，峰值扭矩可达290 Nm。动力系统性能远超普通2.0L自然吸气汽油机，燃油经济性好，百公里油耗仅相当于3.3升(价格上)。最高时速可达170km/h，仅比自然吸气奔驰B200低26km/h。

三。燃料电池汽车的发展

日本经济产业省几年前就制定了燃料电池汽车的研发和推广时间表。其战略目标是：到2010年，日本使用的燃料电池汽车达到5万辆；2020年500万辆；到2030年，要全面普及燃料电池汽车。最近，日本计划在5年内花费2090亿日元开发基于天然气的液体合成燃料技术、车用电池和氢燃料电池技术[7]。

2009年，美国政府正式宣布停止支持燃料电池电动汽车的研发。

2008年，欧盟决定斥资10亿欧元用于燃料电池和氢能的研发。

中国政府大力支持燃料电池汽车和纯电动汽车的研发和营销。2010年上海世博会期间，196辆燃料电池公交车在世博园区投入使用，取得了良好的运营效果。

(1)主要汽车制造商的参与

虽然各国政府对燃料电池汽车的热情各不相同，但世界各大汽车制造商都以极大的热情开展了燃料电池汽车的研究，很多都开发出了实用的燃料电池汽车。其中戴姆勒-奔驰、福特、通用、本田、雷诺、日产、丰田都曾走在世界前列。

1.德国戴姆勒-奔驰公司——奔驰B级F-Cell

奔驰B级F-CELL基于奔驰B级车打造，搭载氢燃料电池驱动系统。只需要加满氢燃料，燃料就可以通过车内的燃料电池装置快速转化为电能。加满氢燃料的过程只需要3分钟。设计师将其氢燃料箱和燃料电池设计成独特的夹层结构，可以大大提高车辆的可用空间。这款车加满油后的续航里程为400公里。

2.丰田——Mark X Zio氢燃料电池汽车

丰田已经宣布与SRNL(萨凡纳河国家实验室)和NREL(国家可再生能源实验室)共同实施燃料电池汽车“汉兰达FCHV-adv”的道路实验。实验结果表明，该车续航里程可达693km。该车满油可行驶780公里，燃油效率是传统汽油车的3倍。其最高时速可达160公里，百公里加速7秒。计划2015年上市。

3.本田——本田FCX清晰燃料电池车

最早商业化的燃料电池汽车FCX Clarity。新一代燃料电池汽车FCX Clarity基于本田独创的燃料电池堆“V Flow FC Stack”技术。同时在外观上实现了燃料电池车独特的吸睛设计和划时代的外观线条。和非凡的控制感。不仅实现了车辆的清洁，还赋予了燃料电池汽车独特的新价值和魅力。

4.马自达——氢燃料混合马自达RX-8氢RE

马自达一直在实施一项燃料电池发展计划。最近，马自达开发了一种使用氢气作为燃料的内燃机，绕过了高成本的燃料电池，实现了零排放的最终目标。然而，续驶里程短和氢成本高的阴影仍然笼罩着氢发动机汽车。然而，这种类型的汽车通过混合氢燃料和汽油可以行驶大约600公里。

5.大众——帕萨特领跑氢燃料电池车。

该车采用氢燃料电池发动机，能量转换效率高达80%，是普通内燃机的3倍。

6.GM ——凯迪拉克Provoq概念车

这款车配备了最新的e-flex氢燃料电池驱动系统。该车续航里程483公里，百公里加速仅8.5秒。

(2)燃料电池汽车推广中存在的问题。

燃料电池汽车虽然比传统汽油车、混合动力车、纯电动车有技术优势，但由于种种原因一时难以普及。

1.燃料电池的成本太高。燃料电池的高成本是燃料电池汽车发展的最大障碍。早期，由于使用了贵重的铂催化剂，燃料电池的成本居高不下。虽然近年来，通过世界各国研究人员的不懈努力，开发出了一种新型的无铂催化剂，显著降低了燃料电池的成本，但还没有下降到可以广泛推广的地步。以奔驰B级燃料电池车为例。奔驰B级燃料电池车的价格为5万美元，约合33万人民币，而同期奔驰B级车的价格仅为22万人民币左右(以上均参考美国价格)。燃料电池车型贵了近11万人民币。此外，计划于2015年上市的丰田Mark X Zio燃料电池车的价格预计为980万日元(约合80万人民币)。远远高于普通汽油车的价格。成本高已经成为制约燃料电池汽车发展的一大难题。

2.配套设施建设成本比较高。目前最便捷的加氢站建设方案是在传统加油站的基础上进行改造。以美国为例，如果把美国所有的加油站都改造成加氢站，至少要花费15亿美元(约合人民币95亿元)，这个数目可不小。

3.制氢是困难的。目前还无法低成本大量生产氢气。现在氢气主要是煤和水、天然气重整和电解水反应产生的。这些方法都有成本高的缺点。

四。结论

燃料电池汽车凭借其独特的技术优势。在不久的将来，它很有可能取代传统的内燃机汽车、混合动力汽车甚至纯电动汽车，成为我们日常生活中不可或缺的一部分。但从目前的情况来看，燃料电池汽车要想在产业发展上有所突破，还需要重点解决辅助设施建设和成本高的问题。首先，在配套设施建设上，要加快燃料电池汽车加气站的建设。同时，改进制氢工艺，尽量降低制氢、运输和储存成本。另一方面。燃料电池极高的成本极大地限制了燃料电池汽车的发展和应用。能否降低燃料电池的生产成本将极大地影响燃料电池汽车和燃料电池技术的推广。但我相信，在全世界科研人员的努力下，燃料电池成本高的技术难关一定会被攻克。