燃料電池電動汽車技術詳解(一)

◆文/山東 焦建剛

燃料電池電動汽車技術詳解(一)

◆文/山東 焦建剛

焦建剛

(本刊編委會委員)

現任濟南魯鷹豐田汽車銷售服務有限公司總工程師，山東交通學院客座教授；曾任博世山東培訓基地主任。對當代汽車故障診斷以及電子控制系統波形有較深入的研究，著有《現代汽車電子控制系統波形分析》一書。

一、燃料電池電動汽車類型

燃料電池電動汽車(FCEV)按燃料特點可分為直接燃料電池電動汽車和重整燃料電池電動汽車(圖1燃料電池電動汽車分類)。

圖1 燃料電池電動汽車分類

直接燃料電池電動汽車的燃料主要是氫氣；重整燃料電池電動汽車的燃料主要有汽油、天然氣、甲醇、甲烷、液化石油氣等。氫燃料電池電動汽車排放無污染，被認為是最理想的汽車。

FCEV按氫燃料的存儲方式可分為壓縮氫燃料電池電動汽車、液氫燃料電池電動汽車和合金(碳納米管)吸附氫燃料電池電動汽車。

FCEV按“多電源”的配置不同，可分為純燃料電池驅動(PFC)的FCEV、燃料電池與輔助蓄電池聯合驅動(FC+B)的FCEV、燃料電池與超級電容聯合驅動(FC+C)的FCEV以及燃料電池與輔助蓄電池和超級電容聯合驅動(FC+B+C)的FCEV。其中，采用燃料電池與輔助蓄電池聯合驅動的FCEV(圖2)使用較為廣泛。

二、燃料電池電動汽車基本組成與原理

燃料電池電動汽車主要由燃料電池、高壓儲氫罐、輔助動力源、DC/DC轉換器、驅動電機和整車控制器等組成。

礦體與頂底板圍巖界線清楚[13]，產狀與圍巖一致。礦石具明顯的條紋、條帶狀構造顯示出受變質的沉積巖的特征。

圖2 燃料電池與輔助蓄電池聯合驅動的FCEV

圖3 所示為豐田Mirai(未來)氫燃料電動汽車，其組成包括燃料電池、儲氫罐、儲能電池、升壓轉換器、電動機、動力控制單元等。

圖3 豐田氫燃料汽車結構及部件圖

1.燃料電池

燃料電池是燃料電池汽車的主要動力源，它是一種不燃燒燃料而直接以電化學反應方式將燃料的化學能轉變為電能的高效發電裝置。

如圖4所示，豐田Mirai的燃料電池內部有370枚燃料電池原件存儲，燃料電池堆棧中每片電池發電的電壓大約在0.6～0.8V之間。表1為豐田兩代燃料電池參數對比。

燃料電池發電的基本原理是：電池的陽極(燃料極)輸入氫氣(燃料)，氫分子(H2)在陽極催化劑作用下被離解成為氫離子(H+)和電子(e-)，氫離子(H+)穿過燃料電池的電解質層向陰極(氧化極)方向運動，電子(e-)因通不過電解質層而由一個外部電路流向陰極；在電池陰極輸入氧氣，氧氣在陰極催化劑作用下離解成為氧原子(O)，與通過外部電路流向陰極的電子(e-)和燃料穿過電解質的氫離子(H+)結合生成穩定結構的水(H2O)，完成電化學反應，放出熱量。這種電化學反應與氫氣在氧氣中發生的劇烈燃燒反應是完全不同的，只要陽極不斷輸入氫氣，陰極不斷輸入氧氣，電化學反應就會連續不斷地進行下去，電子(e-)就會不斷通過外部電路流動形成電流，從而連續不斷地向汽車提供電力。

圖4 豐田Mirai燃料電池圖

表1 豐田兩代燃料電池堆參數對比

催化劑是一種化學物質，可以提高反應速度且不被消耗；在反應之后，它可以從反應混合物中恢復，化學性質不變。催化劑可以降低活化能所需能量，允許更快地或在較低的溫度進行反應。在燃料電池中催化劑催進氧化劑和燃料的反應。燃料電池中的催化劑通常是由薄鉑粉涂到碳紙或布上，催化劑是粗糙和多孔狀，因此鉑的最大表面面積可以接觸到氫或氧。催化劑的鉑鍍在面朝在燃料電池中的膜上。

燃料電池反應堆是一個化學“發電廠”，利用電解水的逆反應過程從氫氣和氧氣化學反應過程中電荷轉移得到電能(圖5燃料電池工作原理圖)。

負極：H2→ 2H+ + 2e-

正極：?O2+ 2H+ + 2e- → H2O

圖5 燃料電池工作原理圖

2.儲氫罐

儲氫罐是氣態氫的儲存裝置，用于給燃料電池提供氫氣。為了保證燃料電池電動汽車一次充氣有足夠的續駛里程，就需要多個高壓儲氣罐來儲存氣態氫氣。一般轎車需要2～4個高壓儲氣罐，大客車需要5～10個高壓儲氣罐。

圖6為豐田Mirai氫燃料電動汽車的儲氣罐圖，其由兩個儲氣罐組成，容積分別為60L和62.4L，最大可以儲存5kg氫燃料，儲氣壓力可達70MPa。罐體采用碳纖維加凱夫拉復合材質，其強度可以抵擋輕型槍械的攻擊。加滿兩個儲氣罐大約需要3～5min。

圖6 儲氫罐

3.輔助動力源

因FCEV的設計方案不同，其所采用的輔助動力源也有所不同，可以用蓄電池組、飛輪儲能器或超大容量電容器等共同組成雙電源系統。

豐田Mirai的輔助動力源采用的是鎳錳蓄電池，如圖7所示。

圖7 鎳錳蓄電池

4.DC/DC轉換器

FCEV的燃料電池需要裝置單向DC/DC轉換器，蓄電池和超級電容器需要裝置雙向DC/DC轉換器。DC/DC轉換器的主要功能有調節燃料電池的輸出電壓，能夠升壓到650V；調節整車能量分配；穩定整車直流母線電壓。

豐田燃料電池電動汽車采用的DC/DC升壓器可以將燃料電池產生的222～296V之間的電壓升壓到650V，以便更好的驅動電機(圖8為豐田燃料電池升壓器示意圖)。

圖8 豐田燃料電池升壓器

5.驅動電機

燃料電池電動汽車使用的驅動電機主要有直流電機、交流電機、永磁同步電機和開關磁阻電機等。

豐田Mirai作為一款氫燃料電池車，前后軸各配備了一臺最大輸出功率114kW，最大扭矩335Nm的電動機(圖9豐田氫燃料電池電動汽車驅動電機)。

圖9 豐田氫燃料電池電動汽車驅動電機

6.整車控制器

整車控制系統是燃料電池汽車的控制核心，由燃料電池管理系統、電池管理系統、驅動電機控制器等組成，它一方面接收來自駕駛員的需求信息(如點火開關、加速踏板、制動踏板、擋位位置信號等)實現整車工況控制；另一方面基于反饋的實際工況(車速、制動、電機轉速等)以及動力系統的狀況(燃料電池及動力蓄電池的電壓、電流等)，根據預先設定好的多能源控制策略進行能量分配調節控制(圖10為豐田Mirai燃料電池電動汽車工作原理)。

圖10 豐田Mirai工作原理

(未完待續)