燃料電池電動汽車關(guān)鍵技術(shù)分析

摘要：燃料電池是動力電池行業(yè)未來發(fā)展的重要方向，尤其是氫燃料電池采用清潔能源，發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)后生成水，實(shí)現(xiàn)真正意義上的零排放，且燃料電池能量轉(zhuǎn)化率高于傳統(tǒng)的燃油，具有在電動汽車中應(yīng)用的巨大優(yōu)勢。因此，各大汽車生產(chǎn)制造企業(yè)積極研發(fā)燃料電池電動汽車技術(shù)，以加快燃料電池電動汽車商業(yè)化進(jìn)程。基于此，本文首先分析燃料電池電動汽車的技術(shù)特點(diǎn)，提出發(fā)展面臨的成本高與基礎(chǔ)設(shè)施不健全的現(xiàn)實(shí)問題，并重點(diǎn)分析燃料電池電動汽車的各項關(guān)鍵技術(shù)，以供參考。

關(guān)鍵詞：燃料電池；電動汽車；技術(shù)

DOI：10.12433/zgkjtz.20231932

燃料電池電動汽車運(yùn)用當(dāng)下主流的汽車電子技術(shù)、新能源、新材料，技術(shù)集成度高，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，目前還有許多問題有待解決，例如，燃料電池的制造與制氫成本高、氫氣存儲還存在安全性的問題以及加氫站基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不夠完善等，成為燃料電池電動汽車技術(shù)發(fā)展的阻礙。通過燃料電池電動汽車關(guān)鍵技術(shù)的分析，確定技術(shù)特點(diǎn)及技術(shù)發(fā)展面臨的現(xiàn)實(shí)問題，以關(guān)鍵技術(shù)的提升、改進(jìn)、創(chuàng)新，突破燃料電池電動汽車技術(shù)發(fā)展的局限。

一、燃料電池電動汽車技術(shù)特點(diǎn)

（一）燃料電池能量效率高

燃料電池的實(shí)質(zhì)是一個化學(xué)裝置，將石油燃料或有機(jī)燃料直接轉(zhuǎn)化為電能，能量轉(zhuǎn)換過程為電化學(xué)反應(yīng)過程，不涉及內(nèi)燃機(jī)的燃燒與熱機(jī)做功環(huán)節(jié)，理論能量轉(zhuǎn)換效率在85%～90%之間，而普通內(nèi)燃機(jī)理論能量轉(zhuǎn)換效率只有其一半左右。燃料電池在電動汽車實(shí)際的應(yīng)用中，能量轉(zhuǎn)換效率在60%～70%之間，與普通柴油發(fā)動機(jī)或汽油發(fā)動機(jī)的汽車相比，燃料電池系統(tǒng)的效率更高。內(nèi)燃機(jī)汽車在實(shí)際的使用中，常處于低負(fù)荷狀態(tài)，發(fā)動機(jī)低水平運(yùn)行，燃油效率較低，燃料電池在負(fù)荷較低的運(yùn)行條件下，仍可維持較高的能量轉(zhuǎn)換效率，在電動汽車上得到了更加廣泛的應(yīng)用。

（二）綠色環(huán)保

從燃料電池燃料上看，主要包括石油燃料、有機(jī)燃料、再生燃料、含氫元素的燃料等，燃料可選擇范圍廣，其中以氫為燃料的電池，在能量轉(zhuǎn)換化學(xué)反應(yīng)過程中生成水，不會污染空氣環(huán)境。其他類型燃料的電池在電動汽車運(yùn)行過程中，排放的污染物也少于內(nèi)燃機(jī)汽車，可以有效降低汽車碳排放量，在綠色環(huán)保方面表現(xiàn)良好，因而在“雙碳”背景下，燃料電池電動汽車具有良好的發(fā)展前景。

（三）噪音小且續(xù)航時間長

在駕駛體驗方面，燃料電池電動汽車的燃料電池運(yùn)行噪音較低。電動汽車的燃料電池基本組成有電極、電解質(zhì)、燃料和氧化劑，為靜態(tài)能量轉(zhuǎn)換裝置，在運(yùn)行過程中，噪音主要由壓縮機(jī)和冷卻系統(tǒng)發(fā)出，噪音小、運(yùn)行安全可靠且無振動。燃料電池只要保障燃料與氧化劑的持續(xù)供應(yīng)，電池就可持續(xù)運(yùn)行，持續(xù)供應(yīng)電能，現(xiàn)代氫燃料電池汽車?yán)m(xù)航里程高達(dá)2000km，實(shí)現(xiàn)了電動汽車長途行駛，與內(nèi)燃機(jī)汽車動力性能差距較小，可以解決純電動汽車無法長途行駛的難題。

（四）設(shè)計可操作空間大

現(xiàn)代汽車使用線控技術(shù)取代傳統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，對汽車進(jìn)行電子線控包括線控油門、線控轉(zhuǎn)向、線控?fù)Q擋、線控制動等，汽車系統(tǒng)的集成化較高。在燃料電池電動汽車設(shè)計階段，以線控技術(shù)為主線，進(jìn)行電動汽車空間、重量等配置，設(shè)計具有良好的操作性。線控技術(shù)減少了汽車機(jī)械組合零部件，直接減輕汽車整體的重量，節(jié)約空間的同時，間接降低機(jī)械零部件維修的概率。線控技術(shù)在燃料電池電動汽車中的應(yīng)用，集成傳感器、中央處理器、數(shù)據(jù)總線及執(zhí)行機(jī)構(gòu)等，完成汽車各種動作的電子線控制，消減了傳統(tǒng)汽車機(jī)械連接環(huán)節(jié)，增強(qiáng)設(shè)計的靈活性、經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性。

二、燃料電池電動汽車技術(shù)發(fā)展面臨的現(xiàn)實(shí)問題

（一）電池使用成本高

從燃料電池的市場上看，燃料電池工業(yè)化不足，導(dǎo)致燃料電池的價格居高不下，例如，質(zhì)子交換膜燃料電池價格大約是500美元/kW，電動汽車如果采用50kW該電池，只是燃料電池本身的成本2.5萬美元，對于汽車消費(fèi)者而言不夠友好。從市場消費(fèi)者的角度看，只有將燃料電池降至100美元/kW，電動汽車與燃油汽車的價格才能基本持平，消費(fèi)者才更接受燃料電池電動汽車價格。汽車制造商為了有效控制燃料電池的成本，通過提高訂單量從供應(yīng)商處爭取相對低廉的電池采購價格，一般是大型汽車制造商能獲取這一優(yōu)惠，即使如此，也難以改變?nèi)剂想姵厥褂贸杀靖叩默F(xiàn)狀。

（二）純氫制備與存儲成本高

純氫是燃料電池的理想燃料，燃料使用無任何污染，轉(zhuǎn)換能量的效率較高。但純氫為人工提煉，生產(chǎn)工藝繁瑣，制備的成本較高，形成對氫燃料電池電動汽車發(fā)展的掣肘。氫燃料電池電動汽車每次加氫＞5kg，續(xù)航里程大于500km，才能滿足消費(fèi)者駕駛汽車的需求。純氫以液化的方式存儲在電動汽車的高壓容器中，汽車?yán)m(xù)航里程越大，加氫量就越多，容器的體積就越大，占用一定的汽車空間。同時，在純氫液化處理過程中，會消耗一定的能量，大約是液化氫氣能量的60%，會增加純氫燃料的使用成本。

（三）加氫站數(shù)量不足

氫燃料電池電動汽車與燃油汽車在運(yùn)行過程中均要消耗燃料，只是消耗燃料的類型不同。但由于燃油汽車使用的時間長、車輛基數(shù)大，加油站基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)較完善，燃油汽車可以輕易地找到加油站。而氫燃料電動汽車目前的普及率不夠高，相配套的加氫站建設(shè)不夠完善，會影響氫燃料電池電動汽車的商品化進(jìn)程。燃料電池電動汽車補(bǔ)充燃料僅需幾分鐘，但由于加氫站基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)滯后，未能形成全面覆蓋的加氫站網(wǎng)絡(luò)，再加上燃料電池電動汽車價格高昂，導(dǎo)致燃油汽車仍是消費(fèi)者的首選。

三、燃料電池電動汽車的關(guān)鍵技術(shù)

（一）燃料電池基本結(jié)構(gòu)

現(xiàn)代燃料電池電動汽車主要是車載氫氧混合燃料電池，該電池通過補(bǔ)充氫氣，可實(shí)現(xiàn)長時間的續(xù)航。一種是純?nèi)剂想姵仳?qū)動的電動汽車，汽車只有電池一個動力源，對于燃料電池的高比能量、低工作溫度、啟動速度等有著嚴(yán)格要求，燃料電池系統(tǒng)要具備高可靠性與高安全性，但能量無法回收。另一種是“燃料電池+蓄電池組”混合驅(qū)動，整個混合動力系統(tǒng)由“氫氣源+燃料電池+逆變器+蓄電池組+電動機(jī)”組成，電動汽車有兩個動力源，汽車在配置燃料電池的基礎(chǔ)上，又設(shè)計了蓄電池組，該蓄電池組具有回收與儲存能量的作用，能量主要用于電池堆加熱、為氫氧加濕以及啟動驅(qū)動附件等，進(jìn)一步保障了燃料電池系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性與安全性，降低電動汽車對燃料電池動態(tài)性的需求，減少燃料電池電動汽車的制造成本，但蓄電池組的應(yīng)用增加了燃料電池系統(tǒng)的體積與重量，提高了燃料電池系統(tǒng)后期的維護(hù)成本。

（二）燃料電池運(yùn)行基本原理

燃料電池是燃料電池電動汽車的動力來源，但不是通過燃燒氫氣產(chǎn)生動力，而是采用電化學(xué)反應(yīng)將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，在電池的陽極輸入氫氣，陽極充分發(fā)揮催化作用，將氫分子離解為氫離子（H+）與電子（e－），然后氫離子經(jīng)過電解質(zhì)層，電子通過外部電路到達(dá)燃料電池的陰極，同時在電池的陰極輸入氧氣，經(jīng)過催化作用后，氧氣被離解為氧原子，氧原子與氫離子、電子發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，生成水并釋放出熱量。只要在燃料電池的陽極持續(xù)輸入氫氣，陰極不間斷輸入氧氣，燃料電池一直進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)，最終源源不斷地產(chǎn)生電子，電子在外部電路上流動形成電流，完成化學(xué)能至電能轉(zhuǎn)換的整個過程。在燃料電池電化學(xué)反應(yīng)中，以氫氣為燃料，以氧氣為氧化劑，電化學(xué)反應(yīng)方程式如下：陽極2H2→4H++4e－；陰極O2+4e－+4H+→2H2O；總反應(yīng)2H2+O2→2H2O+電流。在整個反應(yīng)過程中，維持燃料與氧化劑的持續(xù)供應(yīng)，可以確保電能的持續(xù)輸出。基于燃料電池電動汽車使用的角度看，較理想的燃料電池耐久性要＞5000h，啟動停止4萬～6萬次，具有高能量比、低工作溫度、高功率密度等性能，才可滿足消費(fèi)者對汽車的使用需求。

（三）燃料電池系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

1.系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

燃料電池電動汽車主要由動力源燃料電池發(fā)動機(jī)、蓄電池組、電流變換器、動力控制單元、動力總成及氫氣系統(tǒng)等組成，配備的系統(tǒng)有燃料電池堆、進(jìn)氣系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、燃料與氧化劑供應(yīng)系統(tǒng)、電堆控制單元、電能調(diào)整系統(tǒng)、再生制動系統(tǒng)等。燃料電池系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，受到水流量、溫度、壓力、濕度以及氫氣燃料、氧化劑供應(yīng)等的影響，易引起電池內(nèi)部的不平衡，需協(xié)調(diào)好電池各個系統(tǒng)之間的關(guān)系，并綜合考慮燃料電池在電動汽車上的布置情況、汽車本身對動力的要求等，設(shè)計輸出電壓升壓系統(tǒng)，保障汽車各個系統(tǒng)之間的相互匹配與適應(yīng)，提升燃料電池運(yùn)行的穩(wěn)定性、持續(xù)性與可靠性。

2.供應(yīng)系統(tǒng)控制技術(shù)

供應(yīng)系統(tǒng)主要將氫氣與氧氣輸入至燃料電池，供氧系統(tǒng)的核心是壓氣機(jī)，將空氣凈化后進(jìn)行輸入。供氫系統(tǒng)是燃料電池電動汽車的關(guān)鍵技術(shù)之一，主要涉及儲運(yùn)與供應(yīng)兩個環(huán)節(jié)，供應(yīng)方式包括：第一，直接供應(yīng)氫氣燃料，按存儲方式可劃分為高壓氣體、低壓氣體、金屬氧化物等。第二，以甲醇、汽油等為燃料，使用車載裝置將燃料轉(zhuǎn)化為濃度較高的氫氣后，采用壓氣機(jī)將氣體輸入至燃料電池的陽極側(cè)。

3.水熱管理控制技術(shù)

燃料電池在正常運(yùn)行的狀態(tài)下，反應(yīng)氣中要含有適量的水分，還要在電化學(xué)反應(yīng)過程中及時排除生成的水分，以上工作由水管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)。電動汽車采用燃料電池組的質(zhì)子交換膜在傳導(dǎo)質(zhì)子過程中，需要適量的水分輔助，水管理系統(tǒng)采用加濕的方式，維持交換膜良好的濕潤狀態(tài)，既要保持濕潤，又要防止淹滯問題，較常用的加濕方式是反應(yīng)氣預(yù)增濕或交換膜自增濕。熱管理系統(tǒng)由冷卻系統(tǒng)、風(fēng)扇組成，在電池組反應(yīng)釋放熱量時，冷卻系統(tǒng)水循環(huán)排熱，同時風(fēng)扇冷卻，及時排出熱量，維持電池的良好運(yùn)行狀態(tài)。

4.電能調(diào)整控制技術(shù)

燃料電池通過電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能后，在電能輸出環(huán)節(jié)設(shè)置電能調(diào)整系統(tǒng)，在電池的輸出側(cè)安裝直流升壓穩(wěn)壓器，負(fù)責(zé)調(diào)壓穩(wěn)壓、過載保護(hù)，將直流電調(diào)整至汽車運(yùn)動要求的電壓范圍內(nèi)，再將電能供應(yīng)給汽車運(yùn)動系統(tǒng)，如果汽車配置的是交流電機(jī)，還需配置電流變換器，進(jìn)行直交流的變換。為了進(jìn)一步保障燃料電池運(yùn)行的可靠性，可以增加一個蓄電池組回收燃料電池的剩余電能，作為電動汽車輔助動力源，在特殊工況下發(fā)揮動力作用，例如，電機(jī)啟動、其他附件啟動等。

5.自動控制技術(shù)

燃料電池自動控制系統(tǒng)在電池運(yùn)行過程中，實(shí)時監(jiān)測、優(yōu)化調(diào)整供應(yīng)系統(tǒng)、水熱管理系統(tǒng)、電能調(diào)整系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。自動控制系統(tǒng)的傳感元件內(nèi)嵌至各個系統(tǒng)中，實(shí)時采集系統(tǒng)運(yùn)行的技術(shù)參數(shù)，反饋給系統(tǒng)的控制單元，電控單元根據(jù)監(jiān)測獲取的數(shù)據(jù)結(jié)果，通過數(shù)據(jù)分析處理，下達(dá)調(diào)整或控制指令，執(zhí)行元件負(fù)責(zé)具體執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)電動汽車運(yùn)行故障的自動診斷及處理，從而實(shí)現(xiàn)多種控制功能。

6.再生制動技術(shù)

再生制動系統(tǒng)的主要作用是回收能量，在電動汽車減速及制動時，再生制動系統(tǒng)提供制動力，促進(jìn)發(fā)動機(jī)運(yùn)行，將汽車的動能轉(zhuǎn)化為電能，傳輸至蓄電池組儲存。再生制動技術(shù)在燃料電池電動汽車中的應(yīng)用為燃料電池儲備電能，幫助汽車制動，影響汽車運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，保障汽車行駛的可靠性。

四、燃料電池電動汽車制氫及安全技術(shù)

（一）制氫技術(shù)

現(xiàn)階段，燃料電池電動汽車采用的燃料主要是氫，氫氣制備技術(shù)水平對燃料電池電動汽車的發(fā)展具有重要影響，通過有效控制制氫成本，可以提高燃料電池電動汽車運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。較常用的工業(yè)制氫技術(shù)包括三種類型：第一，紅熱焦炭與水蒸氣反應(yīng)，C與H2O在高溫的條件下生成CO與H2，或在天然氣與石油加工中，高溫條件下CH4+2H2O=CO2+4H2，以及在隔絕空氣的條件下高溫分解甲烷，產(chǎn)生C與H2。雖然可以產(chǎn)出氫，但在生產(chǎn)過程中消耗大量的能量會污染環(huán)境，無法體現(xiàn)氫燃料電池電動汽車的綠色環(huán)保特點(diǎn)。第二，太陽能分解水，利用太陽光將水分子分解成H2與O2，細(xì)菌分解農(nóng)作物秸稈也會產(chǎn)生氫氣，氫氣制取過程無污染，實(shí)現(xiàn)自然物質(zhì)的循環(huán)利用，具有較好的發(fā)展前景。第三，電解水制氫技術(shù)屬于綠色生產(chǎn)技術(shù)，將水通過電解分解成H2與O2，可生產(chǎn)出純度較高的氫氣。

（二）氫安全技術(shù)

氫氣本身具有易燃易爆的特點(diǎn)，而燃料電池電動汽車以氫為燃料，在車上配置了儲氫容器，形成一定的安全隱患。因此，在燃料電池電動汽車上要使用氫安全技術(shù)，例如，采用氫安全監(jiān)測系統(tǒng)與氫報警處理系統(tǒng)，在燃料電池組、發(fā)動機(jī)、水箱、儲氫容器、駕駛及乘客艙等位置專門安裝傳感器監(jiān)測氫濃度，當(dāng)氫氣濃度超過4%、10%、30%時，氫報警處理系統(tǒng)的聲報警、光報警、信息提示等會發(fā)出不同等級的警報，以此提醒司機(jī)及時處理。為了確保氫安全，還要采取防靜電措施，避免發(fā)生氫氣爆炸事故。

五、結(jié)語

綜上所述，燃料電池在電動汽車領(lǐng)域的應(yīng)用，以發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)為汽車提供動力，只要維持燃料的可持續(xù)供應(yīng)，就可實(shí)現(xiàn)汽車長途行駛，突破純電動汽車短途行駛的技術(shù)難題。但燃料電池技術(shù)發(fā)展還不夠成熟，實(shí)踐應(yīng)用還面臨一些問題，需要燃料電池電動汽車領(lǐng)域針對其關(guān)鍵技術(shù)積極進(jìn)行創(chuàng)新研究，不斷提高燃料電池電動汽車的技術(shù)水平，推動電動汽車領(lǐng)域的綠色環(huán)保發(fā)展。

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作者簡介：鐘德華（1984），男，廣東省廣州市人，本科，高級工程師（機(jī)械副高級），主要研究方向為新能源汽車動力電池。