燃料电池电动汽车关键技术分析

摘要：燃料电池是动力电池行业未来发展的重要方向，尤其是氢燃料电池采用清洁能源，发生电化学反应后生成水，实现真正意义上的零排放，且燃料电池能量转化率高于传统的燃油，具有在电动汽车中应用的巨大优势。因此，各大汽车生产制造企业积极研发燃料电池电动汽车技术，以加快燃料电池电动汽车商业化进程。基于此，本文首先分析燃料电池电动汽车的技术特点，提出发展面临的成本高与基础设施不健全的现实问题，并重点分析燃料电池电动汽车的各项关键技术，以供参考。

关键词：燃料电池；电动汽车；技术

DOI：10.12433/zgkjtz.20231932

燃料电池电动汽车运用当下主流的汽车电子技术、新能源、新材料，技术集成度高，控制系统结构复杂，目前还有许多问题有待解决，例如，燃料电池的制造与制氢成本高、氢气存储还存在安全性的问题以及加氢站基础设施建设不够完善等，成为燃料电池电动汽车技术发展的阻碍。通过燃料电池电动汽车关键技术的分析，确定技术特点及技术发展面临的现实问题，以关键技术的提升、改进、创新，突破燃料电池电动汽车技术发展的局限。

一、燃料电池电动汽车技术特点

（一）燃料电池能量效率高

燃料电池的实质是一个化学装置，将石油燃料或有机燃料直接转化为电能，能量转换过程为电化学反应过程，不涉及内燃机的燃烧与热机做功环节，理论能量转换效率在85%～90%之间，而普通内燃机理论能量转换效率只有其一半左右。燃料电池在电动汽车实际的应用中，能量转换效率在60%～70%之间，与普通柴油发动机或汽油发动机的汽车相比，燃料电池系统的效率更高。内燃机汽车在实际的使用中，常处于低负荷状态，发动机低水平运行，燃油效率较低，燃料电池在负荷较低的运行条件下，仍可维持较高的能量转换效率，在电动汽车上得到了更加广泛的应用。

（二）绿色环保

从燃料电池燃料上看，主要包括石油燃料、有机燃料、再生燃料、含氢元素的燃料等，燃料可选择范围广，其中以氢为燃料的电池，在能量转换化学反应过程中生成水，不会污染空气环境。其他类型燃料的电池在电动汽车运行过程中，排放的污染物也少于内燃机汽车，可以有效降低汽车碳排放量，在绿色环保方面表现良好，因而在“双碳”背景下，燃料电池电动汽车具有良好的发展前景。

（三）噪音小且续航时间长

在驾驶体验方面，燃料电池电动汽车的燃料电池运行噪音较低。电动汽车的燃料电池基本组成有电极、电解质、燃料和氧化剂，为静态能量转换装置，在运行过程中，噪音主要由压缩机和冷却系统发出，噪音小、运行安全可靠且无振动。燃料电池只要保障燃料与氧化剂的持续供应，电池就可持续运行，持续供应电能，现代氢燃料电池汽车续航里程高达2000km，实现了电动汽车长途行驶，与内燃机汽车动力性能差距较小，可以解决纯电动汽车无法长途行驶的难题。

（四）设计可操作空间大

现代汽车使用线控技术取代传统的机械结构，对汽车进行电子线控包括线控油门、线控转向、线控换挡、线控制动等，汽车系统的集成化较高。在燃料电池电动汽车设计阶段，以线控技术为主线，进行电动汽车空间、重量等配置，设计具有良好的操作性。线控技术减少了汽车机械组合零部件，直接减轻汽车整体的重量，节约空间的同时，间接降低机械零部件维修的概率。线控技术在燃料电池电动汽车中的应用，集成传感器、中央处理器、数据总线及执行机构等，完成汽车各种动作的电子线控制，消减了传统汽车机械连接环节，增强设计的灵活性、经济性与环保性。

二、燃料电池电动汽车技术发展面临的现实问题

（一）电池使用成本高

从燃料电池的市场上看，燃料电池工业化不足，导致燃料电池的价格居高不下，例如，质子交换膜燃料电池价格大约是500美元/kW，电动汽车如果采用50kW该电池，只是燃料电池本身的成本2.5万美元，对于汽车消费者而言不够友好。从市场消费者的角度看，只有将燃料电池降至100美元/kW，电动汽车与燃油汽车的价格才能基本持平，消费者才更接受燃料电池电动汽车价格。汽车制造商为了有效控制燃料电池的成本，通过提高订单量从供应商处争取相对低廉的电池采购价格，一般是大型汽车制造商能获取这一优惠，即使如此，也难以改变燃料电池使用成本高的现状。

（二）纯氢制备与存储成本高

纯氢是燃料电池的理想燃料，燃料使用无任何污染，转换能量的效率较高。但纯氢为人工提炼，生产工艺繁琐，制备的成本较高，形成对氢燃料电池电动汽车发展的掣肘。氢燃料电池电动汽车每次加氢＞5kg，续航里程大于500km，才能满足消费者驾驶汽车的需求。纯氢以液化的方式存储在电动汽车的高压容器中，汽车续航里程越大，加氢量就越多，容器的体积就越大，占用一定的汽车空间。同时，在纯氢液化处理过程中，会消耗一定的能量，大约是液化氢气能量的60%，会增加纯氢燃料的使用成本。

（三）加氢站数量不足

氢燃料电池电动汽车与燃油汽车在运行过程中均要消耗燃料，只是消耗燃料的类型不同。但由于燃油汽车使用的时间长、车辆基数大，加油站基础设施建设较完善，燃油汽车可以轻易地找到加油站。而氢燃料电动汽车目前的普及率不够高，相配套的加氢站建设不够完善，会影响氢燃料电池电动汽车的商品化进程。燃料电池电动汽车补充燃料仅需几分钟，但由于加氢站基础设施建设滞后，未能形成全面覆盖的加氢站网络，再加上燃料电池电动汽车价格高昂，导致燃油汽车仍是消费者的首选。

三、燃料电池电动汽车的关键技术

（一）燃料电池基本结构

现代燃料电池电动汽车主要是车载氢氧混合燃料电池，该电池通过补充氢气，可实现长时间的续航。一种是纯燃料电池驱动的电动汽车，汽车只有电池一个动力源，对于燃料电池的高比能量、低工作温度、启动速度等有着严格要求，燃料电池系统要具备高可靠性与高安全性，但能量无法回收。另一种是“燃料电池+蓄电池组”混合驱动，整个混合动力系统由“氢气源+燃料电池+逆变器+蓄电池组+电动机”组成，电动汽车有两个动力源，汽车在配置燃料电池的基础上，又设计了蓄电池组，该蓄电池组具有回收与储存能量的作用，能量主要用于电池堆加热、为氢氧加湿以及启动驱动附件等，进一步保障了燃料电池系统运行的稳定性与安全性，降低电动汽车对燃料电池动态性的需求，减少燃料电池电动汽车的制造成本，但蓄电池组的应用增加了燃料电池系统的体积与重量，提高了燃料电池系统后期的维护成本。

（二）燃料电池运行基本原理

燃料电池是燃料电池电动汽车的动力来源，但不是通过燃烧氢气产生动力，而是采用电化学反应将燃料的化学能转化为电能，在电池的阳极输入氢气，阳极充分发挥催化作用，将氢分子离解为氢离子（H+）与电子（e－），然后氢离子经过电解质层，电子通过外部电路到达燃料电池的阴极，同时在电池的阴极输入氧气，经过催化作用后，氧气被离解为氧原子，氧原子与氢离子、电子发生电化学反应，生成水并释放出热量。只要在燃料电池的阳极持续输入氢气，阴极不间断输入氧气，燃料电池一直进行电化学反应，最终源源不断地产生电子，电子在外部电路上流动形成电流，完成化学能至电能转换的整个过程。在燃料电池电化学反应中，以氢气为燃料，以氧气为氧化剂，电化学反应方程式如下：阳极2H2→4H++4e－；阴极O2+4e－+4H+→2H2O；总反应2H2+O2→2H2O+电流。在整个反应过程中，维持燃料与氧化剂的持续供应，可以确保电能的持续输出。基于燃料电池电动汽车使用的角度看，较理想的燃料电池耐久性要＞5000h，启动停止4万～6万次，具有高能量比、低工作温度、高功率密度等性能，才可满足消费者对汽车的使用需求。

（三）燃料电池系统关键技术

1.系统基本结构

燃料电池电动汽车主要由动力源燃料电池发动机、蓄电池组、电流变换器、动力控制单元、动力总成及氢气系统等组成，配备的系统有燃料电池堆、进气系统、排水系统、冷却系统、燃料与氧化剂供应系统、电堆控制单元、电能调整系统、再生制动系统等。燃料电池系统在运行过程中，受到水流量、温度、压力、湿度以及氢气燃料、氧化剂供应等的影响，易引起电池内部的不平衡，需协调好电池各个系统之间的关系，并综合考虑燃料电池在电动汽车上的布置情况、汽车本身对动力的要求等，设计输出电压升压系统，保障汽车各个系统之间的相互匹配与适应，提升燃料电池运行的稳定性、持续性与可靠性。

2.供应系统控制技术

供应系统主要将氢气与氧气输入至燃料电池，供氧系统的核心是压气机，将空气净化后进行输入。供氢系统是燃料电池电动汽车的关键技术之一，主要涉及储运与供应两个环节，供应方式包括：第一，直接供应氢气燃料，按存储方式可划分为高压气体、低压气体、金属氧化物等。第二，以甲醇、汽油等为燃料，使用车载装置将燃料转化为浓度较高的氢气后，采用压气机将气体输入至燃料电池的阳极侧。

3.水热管理控制技术

燃料电池在正常运行的状态下，反应气中要含有适量的水分，还要在电化学反应过程中及时排除生成的水分，以上工作由水管理系统负责。电动汽车采用燃料电池组的质子交换膜在传导质子过程中，需要适量的水分辅助，水管理系统采用加湿的方式，维持交换膜良好的湿润状态，既要保持湿润，又要防止淹滞问题，较常用的加湿方式是反应气预增湿或交换膜自增湿。热管理系统由冷却系统、风扇组成，在电池组反应释放热量时，冷却系统水循环排热，同时风扇冷却，及时排出热量，维持电池的良好运行状态。

4.电能调整控制技术

燃料电池通过电化学反应产生电能后，在电能输出环节设置电能调整系统，在电池的输出侧安装直流升压稳压器，负责调压稳压、过载保护，将直流电调整至汽车运动要求的电压范围内，再将电能供应给汽车运动系统，如果汽车配置的是交流电机，还需配置电流变换器，进行直交流的变换。为了进一步保障燃料电池运行的可靠性，可以增加一个蓄电池组回收燃料电池的剩余电能，作为电动汽车辅助动力源，在特殊工况下发挥动力作用，例如，电机启动、其他附件启动等。

5.自动控制技术

燃料电池自动控制系统在电池运行过程中，实时监测、优化调整供应系统、水热管理系统、电能调整系统等关键技术参数。自动控制系统的传感元件内嵌至各个系统中，实时采集系统运行的技术参数，反馈给系统的控制单元，电控单元根据监测获取的数据结果，通过数据分析处理，下达调整或控制指令，执行元件负责具体执行，实现电动汽车运行故障的自动诊断及处理，从而实现多种控制功能。

6.再生制动技术

再生制动系统的主要作用是回收能量，在电动汽车减速及制动时，再生制动系统提供制动力，促进发动机运行，将汽车的动能转化为电能，传输至蓄电池组储存。再生制动技术在燃料电池电动汽车中的应用为燃料电池储备电能，帮助汽车制动，影响汽车运行的经济性，保障汽车行驶的可靠性。

四、燃料电池电动汽车制氢及安全技术

（一）制氢技术

现阶段，燃料电池电动汽车采用的燃料主要是氢，氢气制备技术水平对燃料电池电动汽车的发展具有重要影响，通过有效控制制氢成本，可以提高燃料电池电动汽车运行的经济性。较常用的工业制氢技术包括三种类型：第一，红热焦炭与水蒸气反应，C与H2O在高温的条件下生成CO与H2，或在天然气与石油加工中，高温条件下CH4+2H2O=CO2+4H2，以及在隔绝空气的条件下高温分解甲烷，产生C与H2。虽然可以产出氢，但在生产过程中消耗大量的能量会污染环境，无法体现氢燃料电池电动汽车的绿色环保特点。第二，太阳能分解水，利用太阳光将水分子分解成H2与O2，细菌分解农作物秸秆也会产生氢气，氢气制取过程无污染，实现自然物质的循环利用，具有较好的发展前景。第三，电解水制氢技术属于绿色生产技术，将水通过电解分解成H2与O2，可生产出纯度较高的氢气。

（二）氢安全技术

氢气本身具有易燃易爆的特点，而燃料电池电动汽车以氢为燃料，在车上配置了储氢容器，形成一定的安全隐患。因此，在燃料电池电动汽车上要使用氢安全技术，例如，采用氢安全监测系统与氢报警处理系统，在燃料电池组、发动机、水箱、储氢容器、驾驶及乘客舱等位置专门安装传感器监测氢浓度，当氢气浓度超过4%、10%、30%时，氢报警处理系统的声报警、光报警、信息提示等会发出不同等级的警报，以此提醒司机及时处理。为了确保氢安全，还要采取防静电措施，避免发生氢气爆炸事故。

五、结语

综上所述，燃料电池在电动汽车领域的应用，以发生电化学反应为汽车提供动力，只要维持燃料的可持续供应，就可实现汽车长途行驶，突破纯电动汽车短途行驶的技术难题。但燃料电池技术发展还不够成熟，实践应用还面临一些问题，需要燃料电池电动汽车领域针对其关键技术积极进行创新研究，不断提高燃料电池电动汽车的技术水平，推动电动汽车领域的绿色环保发展。

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作者简介：钟德华（1984），男，广东省广州市人，本科，高级工程师（机械副高级），主要研究方向为新能源汽车动力电池。