燃料电池电动汽车的研究

王盛 王宝琦 李晓磊 汪作霖 杨宇轩

摘 要：随着人类环保意识的不断提升，汽车行业同样与时俱进，不断研发最新型的节能环保车，其中包括燃料电池电动汽车。燃料电池电动汽车实质上是电动汽车的一种，在车身、动力传动系统、控制系统等方面，燃料电池电动汽车与普通电动汽车基本相同，主要区别在于动力电池的工作原理不同。本文从燃料电池电动汽车的结构原理方面进行了详细的分析。

关键词：汽车行业；燃料电池电动汽车；结构原理

采用燃料电池作电源的电动汽车称为燃料电池电动汽车（Fuel Cell Electric Vehicle，FCEV）。FCEV一般以质子交换膜燃料电池（PEMFC）作为车载能量源。

1 燃料电池电动汽车的分类

⑴FCEV按主要燃料种类可分为：（1）以纯氢气为燃料的FCEV；（2）经过重整后产生的氢气为燃料的FCEV。

⑵FCEV按“多电源”的配置不同，可分为：（1）纯燃料电池驱动（PFC）的FCEV；（2）燃料电池与辅助蓄电池联合驱动（FC+B）的FCEV；（3）燃料电池与超级电容联合驱动（FC+C）的FCEV；（4）燃料电池与辅助蓄电池和超级电容联合驱动（FC+B+C）的FCEV。

2 燃料电池电动汽车的结构原理

纯燃料电池电动汽车只有燃料电池一个动力源，汽车的所有功率负荷都由燃料电池承担。燃料电池系统将氢气与氧气反应产生的电能通过总线传给驱动电动机，驱动电动机将电能转化为机械能再传给传动系，从而驱动汽车前进。

优点：（1）结构简单，便于实现系统控制和整体布置；（2）系统部件少，有利于整车的轻量化；（3）较少的部件使得整体的能量传递效率高，从而提高整车的燃料经济性。

缺点：（1）燃料电池功率大、成本高；（2）对燃料电池系统的动态性能和可靠性提出了很高的要求；（3）不能进行制动能量回收。

为了有效地解决上述问题，必须使用辅助能量存储系统作为燃料电池系统的辅助动力源，和燃料电池联合工作，组成混合驱动系统共同驱动汽车。从本质上来讲，这种结构的燃料电池电动汽车采用的是混合动力结构。它与传统意义上的混合动力结构的差别仅在于发动机是燃料电池而不是内燃机。在燃料电池混合动力结构汽车中，燃料电池和辅助能量存储装置共同向电动机提供电能，通过变速机构来驱动汽车行驶。

优点：（1）由于增加了比功率价格相对低廉得多的蓄电池组，系统对燃料电池的功率要求较纯燃料电池结构形式有很大的降低，从而大大地降低了整车成本；（2）燃料电池可以在比较好的设定的工作条件下工作，工作时燃料电池的效率较高；（3）系统对燃料电池的动态响应性能要求较低；（4）汽车的冷启动性能较好；（5）制动能量回馈的采用可以回收汽车制动时的部分动能，该措施可能会增加整车的能量效率。

缺点：（1）蓄电池的使用使得整车的质量增加，动力性和经济型受到影响，这一点在能量复合型混合动力汽车上表现更为明显；（2）蓄电池充放电过程会有能量损耗；（3）系统变得复杂，系统控制和整体布置难度增加。

目前燃料电池电动汽车绝大多数采用的是混合式燃料电池驱动系统，将燃料电池与辅助动力源相结合，燃料电池可以只满足持续功率需求，借助辅助动力源提供加速、爬坡等所需的峰值功率，而且在制动时可以将回馈的能量存储在辅助动力源中。混合式燃料电池驱动系统有并联式和串联式两种。

在FCEV所采用的燃料电池发动机中，为保证PEMFC组的正常工作，除以PEMFC组为核心外，还装有氢气供给系统、氧气供给系统、气体加湿系统、反应生成物的处理系统、冷却系统和电能转换系统等。只有这些辅助系统匹配恰当和正常运转，才能保证燃料电池发动机正常运转。

（1）氢气供应、管理和回收系统。气态氢的储存装置通常用高压储气瓶来装载。液态氢气虽然比能量高于气态氢，由于液态氢气是处于高压状态，不但需要用高压储气瓶储存，还要用低温保温装置来保持低温，低温的保温装置是一套复杂的系统。

（2）氧气供应和管理系统。氧气的来源有从空气中获取氧气或从氧气罐中获取氧气，空气需要用压缩机来提高压力，以增加燃料电池反应的速度。

（3）水循环系统。燃料电池发动机在反应过程中将产生水和热量，在水循环系统中用冷凝器、气水分离器和水泵等对反应生成的水和热量进行处理，其中一部分水可以用于空气的加湿。

（4）电力管理系统。燃料电池所产生的是直流电，需要经过DC/DC变换器進行调压，在采用交流电动机的驱动系统中，还需要用逆变器将直流电转换为三相交流电。