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1、燃料电池汽车技术及其进展概况摘要：随着世界经济与人口的快速增长，人们对石油等资源的需求越来越大。传统 的化石燃料正面临枯竭的危急，同时，石油等资源的采用也不行避开的带来环境 的污染,为了给子孙后代的制造可持续的进展环境,我们急需进展一种全新的“清 洁”汽车。燃料电池汽车作为一种抱负的传统汽车替代方案有着其固有的优势, 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，技术特点。 并将对燃料电池汽车的进展进行概括。关键词：燃料电池汽车，可再生能源，进展概况一：燃料电池概述：燃料电池（Fuel cell）,是一种通过氧化还原反响将燃料（氢气）转换成电力 的装置，最早由英国物理学家威廉格鲁
2、夫爵士创造，由于燃料电池具有质量能 量密度高、能量输出稳定、牢靠性高、不产生有害排放物（一般只生成水）、使 用本钱低廉等优点，燃料电池获得了较快的进展。1）工作原理：燃料电池严格意义上讲只是一种能量发生装置，它的结构与一般电池相同, 但是工作方式与一般的电池有所不同，虽然两者均由正负两个电极以及相应的电 解质组成。燃料电池可以持续的将化学能转化为电能。只要燃料和氧化剂可以持 续的供应，燃料电池就能连续地发电。同时，我们还可以通过转变化学反响的条 件来转变能量转换的速率，实现不同功率的输出，可以说，燃料电池是工作更为 温柔，效率更高（燃料电池的效率一般高于60%1,远高于内燃机的30%40%）
3、的内燃机。下面简洁介绍一下氢一氧燃料电池的工作原理。OUTPUT- ELECTRICITYAnode A Cathode (+)图1-13 .效能高。燃料电池汽车有极高的能源采用效率。由于燃料电池本领就是一 种效率极高的能量生成装置，加上车辆合理的设计（如再生制动系统的使用，帮 助电池的应用），使得燃料电池汽车具有极高的能源采用效率。4 .动力性能优异。燃料电池可以持续稳定的输出电力，加上高性能电机的应 用，使得燃料电池汽车具有极佳的动力性能。以奔驰B级紧凑型轿车F-Cell燃 料电池型为例，其采纳的同步电机最大输出功率可达100千瓦，峰值扭矩可达 290牛米。动力系统的性能远超一般的2.0L
4、自然吸气式汽油发动机，并且拥有 良好的燃油经济性，其燃料消耗仅仅相当于每百公里耗油3.3升（价格上）。最 高时速可达170公里/小时，仅比采纳自然吸气引擎的奔驰B200低了 26公里/ 小时。三.燃料电池汽车进展概况日本经济产业省前几年就对燃料电池汽车开发与推广制定了时间表，其战略 目标是：到2022年，日本使用的燃料电池汽车到达5万辆；2022年到达500 万辆；到2030年，要全面普及燃料电池汽车。近期，日本又方案在5年内斥 资2090亿日元开发以自然 气为原料的液体合成燃料技术、车用电池，以及氢 燃料电池科技712022年，美国政府正式宣布停止支持燃料电池电动车的研发。2022年，欧盟打
5、算斥资1 0亿欧元用于燃料电池和氢能源的讨论和进展。中国政府大力支持燃料电池汽车以及纯电动汽车的研发与市场推广，2022 年上海世博会期间，世博园区投入了 196辆燃料电池公交车，取得了良好的运行 效果。1）各大汽车厂商的参与虽然各国政府对燃料电池汽车的热忱不尽相同，但是世界各大汽车厂商推入 了巨大的热忱进行了燃料电池车辆方面的讨论，有许多已经开发出了有用化的燃 料电池汽车。其中，戴姆勒一奔驰、福特汽车、通用汽车、本田、雷诺、日产和 丰田汽车均已走在了世界的前列。L德国戴姆勒一奔驰公司奔驰B级FCELL奔驰B级F-CELL以奔驰B车为基础，搭载氢燃料电池驱动系统，只需加注 氢燃料，可以通过车内
6、燃料电池装置快速将燃料转化成电能，加满氢燃料的过程 仅需3分钟。设计师把它的氢燃料罐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。该车一次加满燃料的续航力量达400公里。2.丰田MarkXZio氢燃料电池车丰田汽车曾宣布与美国萨凡纳河我国试验室 （SRNL ： Savannah River National Laboratory）以及可再生能源试验室（NREL： National Renewable Energy Laboratory）共同实施了燃料电池车 “Highlander FCHV-adv” 的 大路试验。试验结果说明，该车的续航距离可到达693kmo该车布满燃料可行
7、驶780公里，燃料效率是传统汽油车的3倍，它的最高时速可达160公里/ 小时，百公里加速为7秒。方案将于2022年上市。3,本田本田FCX Clarity燃料电池车最早商品化的燃料电池车FCXCIarityo全新一代的燃料电池汽车FCX Clarity 以本田独创的燃料电池堆“V Flow FC Stack”技术为核心。同时外观上实现了燃 料电池车所特有的抢眼设计，划时代的外观线条。以及超凡的驾驭感觉。不仅实 现了车辆清洁性，而且还给予了燃料电池车独特的新价值和新魅力。4 .马自达氢燃料混合动力车马自达RX-8 Hydrogen RE马自达始终在进行燃料电池开发方案。近期，马自达开发出以氢气为
8、燃料的 内燃机，绕开高本钱的燃料电池同样实现零排放的最终目标。但是续驶里程过短 和氢气本钱高的阴影仍旧覆盖在氢发动机汽车之上。但是该型车通过氢燃料和汽 油混用可行驶约600公里。5 .群众一一帕萨特领驭氢燃料电池车该车采纳氢燃料电池发动机，能量转换效率高达80%,是一般内燃机的3 倍。6 .通用汽车凯迪拉克Provoq概念车这款车搭载最新e-flex氢燃料电池驱动系统该车一次续航里程可达483公里， 百公里加速仅为8.5秒。2）燃料电池汽车推广存在的问题燃料电池汽车虽然较传统的汽油汽车，混合动力汽车以及纯电动汽车有技术 上的优势，但是却一时难以普及，缘由是多方面的。1 .燃料电池的本钱过高。燃
9、料电池的本钱过高是制约燃料电池汽车进展的最 大阻碍，早期由于燃料电池采纳珍贵的伯金属催化剂，使得本钱居高不下，虽然 近几年通过世界各地科研人员的不懈努力，已经开发出了新型的无伯催化剂，使 得电池本钱有了明显的降低，但是仍旧没有降到可以进行大规模普及的程度。以 奔驰B级燃料电池汽车为例，奔驰B级燃料电池汽车的售价为5万美元，约33 万人民币，而同时期的奔驰B级汽车的售价却只有约22万人民币（以上均指美 国售价）。燃料电池型号贵了近11万人民币。此外方案于2022年上市的丰田 Mark XZio燃料电池汽车售价估计为980万日元（约80万人民币）。远高于一般 汽油汽车售价。昂扬的本钱成为制约燃料电
10、池汽车进展的一大难题。2 .配套设施建设本钱较大。目前最便利的加氢站建设方案就是在传统加油站 的基础上进行改造。以美国为例，假如将全美的加油站全部改造成加氢站，将至 少花费15亿美元（约95亿人民币），这笔钱并不算少。3 .氢气制取存在困难。现在仍旧不能以较低本钱的大量制取氢气，现在主要 通过煤炭与水的反响、自然 气重整以及电解水等方式生产氢气。这些方法无一 例外的存在本钱较高的缺点。四.结语燃料电池汽车凭借其独特的技术优势。在不久的将来极有可能替代传统的内 燃机车辆，混合动力汽车甚至是纯电动汽车，成为我们日常生活必不行少的一部 分。但从目前状况看，燃料电池汽车假如想要在产业化进展方面取得突破
11、，还需 要着力解决帮助设施建设和本钱过高这两个方面的问题。首先，在帮助设施建设 上还需要加快燃料电池汽车所需的加气站的建设。同时改善氢气的制取工艺，设 法降低氢气的制取、运输、存储本钱。另一方面方面。燃料电池极高的本钱极大 的限制了燃料电池汽车的进展与应用，能否降低燃料电池的生产本钱将极大的影 响燃料电池汽车及燃料电池技术的普及O但我信任在全世界各地科研人员的努力 下，必将攻克燃料电池本钱过高的技术难关。参考文献：11：燃料电池技术倪维斗（院士）清华高校热能工程系2022L2：数据来自Honda公司官方网站2022【3】：辽宁科技参考20224： Honda 官方网站 202251： Hond
12、a 官方网站 20226：永磁同步电机传动系统 柯以诺 株洲南车时代电气股份20227：数据来自网易科技，网易汽车综合2022由图1-1可知：燃料（氢气）进入气体通道到达阳极（Anode）,在钳催化剂的 作用下，发生阳极反响：H2T2Ht+2e：然后氢离子通过电解质薄膜（Electrolyte Membrane）到达阴极（Cathode）同 时，氧化剂（氧气）通过气体通道到达阴极，与通过电解质薄膜到达阴极的H+ 在催化剂作用下发生阴极反响：l/2Oz+2H +26出0反响过程结束，产生电能以及副产物水。Hydrogen fuel is channeled through field flow
13、plates to the anode on one side of the fuel cell, while oxygen from the air is channeled to the cathoie on the other side of the cell.4Hydrogen Flow FieldAt the anode, a platinum catalyst causes the hydrogen to split into positive hydrogen ions (protons) and negatively charged electrons.OxygenFlow F
14、ieldThe Polymer Electrolyte Membrane (PEM) allows only the positively charged ions to pass through it to the cathode. The negatively charged electrons must travel along an external circuit to the cathode, creating an electrical current.At the cathode, the electrons and positively charged hydrogen io
15、ns combine with oxygen to form water, which flows out of the cell.图1-22）特点燃或电池的诸多优点使得其在汽车上有广泛的应用前景，燃料电池有许多的 优点：1 .燃料电池的能量转换效率高。由于燃料电池采纳电化学反响，与内燃机的气体膨胀做功方式不同。燃料电 池的能量转换过程中不涉及燃烧，理论转换效率高达100% （但由于电化学反响 也不行避开的要生成热量，实际效率一般为60%80%）,使用效率更可达一般 内燃机的2 3倍。2真正清洁无污染由燃料电池的工作方式看，燃料电池对环境无污染。燃料电池是通过电化学 反响，而不是采纳燃烧（化石
16、燃料）或储能（蓄电池）方式输出能量。燃烧会释放如 CO2、NO2、SO2等温室与有害气体以及粉尘等污染物。相对而言，燃料电池 正常工作时只产生水和热（产热很小）。假如氢是通过可再生能源产生的，那么 就可以做到真正的清洁无污染。虽然蓄电池工作过程中也不产生环境污染，但是蓄电池的制造过程一般会对 环境造成较大的负面，例如市面上采纳最为广泛的聚合物锂离子电池、银氢蓄电 池等可充电电池，在生产时要用到保、锂等难炼制金属，而且银、锂矿的开采以 及银、锂（锂是极活泼元素）的提取需要耗费巨大的资源，间接造成了环境的污 染。3 .宁静无噪声燃料电池运行宁静，没有机械运动部件，噪声大约只有55dB,仅仅相当于人
17、 们正常交谈的水平。4 .能量密度高，功率输出平稳通过转变燃料电池的反响条件，甚至可以瞬时将输出功率提高到额定功率的 200% o5 燃料补充便利：可以以氢气、甲醇、自然 气等作为资源，可以便利的采用现成的加油站系 统改造燃料电池汽车所需的加氢站，加气站。3）存在的问题：虽然燃料电池系统有许多的优点，仍旧存在不少缺乏。最主要的问题就是过 高的本钱，由于燃料电池需要用昂贵的的催化剂，造成燃料电池的本钱始终居高 不下，虽然最近几年随着国际社会加大了对燃料电池的开发力度，使得本钱有所 下降，但是较高的本钱依旧是燃料电池技术广泛普及的最大障碍。其次，燃料电 池的燃料-氢气的贮存与制备技术仍不成熟。大规
18、模的制造氢气仍旧肯定的问题。 4）与一般蓄电池的区分1 .燃料电池是将燃料的化学能转变为电能的装置（严格意义上讲燃料电池不 是电池，只是一个能量生成装置）。但燃料电池在产生电能时，参与电化学反响 的燃料在经过反响后，被不断地消耗且生成不行重新采用的反响物。因此，燃料 电池需要不断地输入燃料。燃料电池的技术性能确定后，只要源源不绝地供应燃 料，就可以源源不绝地产生电能，其放电特性是连续进行的，但是燃料电池不行 以充电。2,一般蓄电池是一种能量储存装置，只存储电能，不产生电能。蓄电池的活 性物质随蓄电池的充电和放电反复进行可逆性化学变化，活性物质一般不会产生 消耗。一般蓄电池的技术性能确定后，必需
19、先充电，将电能储存到电池中，才能 在工作时输出电能，而且在电能消耗完后，必需在重复充电后才可能重复使用， 其放电特性是循环进行的，而且使用寿命一般与燃料电池相比较短。二.燃料电池汽车结构与特点燃料电池汽车按燃料种类可分为：1 .以纯氢气为燃料的燃料电池汽车2.以、 自然 气，汽油等富含氢原子的烧类物质经改质后产生的氢气为燃料的燃料电池 汽车。按电源系统的配置不同，可分为：1.燃料电池直接驱动型2.燃料电池与蓄电 池混合电源型。3.燃料电池与超级电容器混合电源型。4.燃料电池与蓄电池及超 级电容多电源型。第一种由于效率较低，一般很少使用。现在的主流燃料电池汽 车一般均使用第2, 3, 4三种能量
20、供应方式。本文下面将以Honda FCX Clarity为 例（采纳燃料电池与帮助电池作为车辆能源）简要介绍燃料电动汽车结构。2007年，本田（Honda）发布了其旗下的首款市场化的氢氧燃料电池汽车-Honda FCX Clarity, 一款真正表达了绿色、节能与环保的汽车。2022年本田发布 了其旗下的新一代FCX Clarity,但考虑到昂贵的价格以及燃料供应的问题，FCX 现在只在日本以及美国的少数地区租赁销售。FCX在租赁期间，包括保养费及保 险费在内的租金将是三年每月600美元。2022年本田推出了新一代的FCX Clarity,在燃料电池技术，以及整车的细节设 计上都有了较大的改进
21、。图 1-1： 2022 Honda FCX ClarityFCX Clarity采纳氢气作为车辆燃料电池的能源，从图2-1可以看到，Honda FCX Clarity可以通过加氢站向车辆添加燃料，具Honda官方数据，Honda FCX Clarity 在一次加满燃料时，可以连续行驶570Km,最高时速更是到达了 160Km/h。【2】 远非一般的电动汽车可比，一般的蓄电池电动汽车由于受制于电池本身结构的限 制，存储的能量有限，严峻限制了电动汽车的续航里程，现在市售的典型纯电动 汽车，如2022年10月26日，在深圳正式上市的定名为e6先行者（图1-3）的 比亚迪纯电动车，售价达36.98万
22、，一次布满电后最多仅可以一次行驶300多公 里。最高时速也仅仅可以到达140Km/h.仅仅从技术指标来看，燃料电池汽车具 有一般电动汽车无法比较的优势。图2-2图2-3比亚迪e61)车辆概况Honda采纳了新一代的小型轻量化燃料电池堆“V Flow FC Stack,采纳了 新一代的电动机系统，而且全车使用的多种新一代环保技术，如内饰的采纳 世界首创植物型新材料Honda生物纤维。使得FCX Clarity真正成为一辆绿色、 环保的车辆。Honda FCX Clarity的技术指标非常先进，图2-4呈现了 Honda FCX Clarity的主要技术规格。图 2-4 Honda FCX Cla
23、rity 技术规格Honda FCX Claiity动力系统结构主要由动力掌握单元(Power Control Unit),燃料储气罐(Hydrogen Storage Tank),电动机(Electric Motor)，燃料 电池堆(Fuel Cell Stack ),高功率的电池(High-Output Battery)等五局部组Hydrogen Storage TankHigh-Output BatteryHigh-Output BatteryStores energy generated from regenerative braking and provides supplement
24、al power to the electric motorStores hydrogen gas compressed at extremely high pressure to increase driving rangeFuel Cell StackPower Control UnitGoverns the flow of electricityElectric MotorPropels the vehicle mucti more quietly, smoothly, and efficiently than an internal combustion engine and requ
25、ires less maintenanceConverts hydrogen gas and oxygen into electricity to power the electric motorVehicle image courtesy ofAmerican Honda Motor Co., Inc.图 2-5 Honda FCX Clarity 的剖视图2）小型轻量化燃料电池堆“V Flow FC Stack”Honda FCX Clarity采纳了 Honda新开发的新一代的小型轻量化燃料电池堆 “V Flow FC Stack”，采纳金属冲压隔片构造，一概以往的用螺母固定碳素分隔 片
26、的简单结构，将所用的部件数量削减为原来的1/2,功率密度却提高了两倍以 上，到达了世界一流的高性能水平【3】。同时，由于采纳了新开发的芳香型电解 质膜，大大提高了电池系统的牢靠性与耐用度。Honda同时采纳了 Honda独创 的氢气和空气竖直流淌的“V Flow电池单元构造，并且采纳使氢气和空气波状流 淌的“波状隔板”，和上一代产品相比相比，性能有了飞跃性提高，并实现了轻质 化和小型化。新型燃料电池堆的最高功率提升至100kW,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%。低温启动性能的提升 使得燃料电池可以在零下30摄氏度的环境下正常工作。1 .全新的电池堆结构H
27、onda FCX Clarity采纳全新的氢气与废水呈垂直方向流淌的电池 堆结构，使得V型平台电池堆的外形更加紧凑，相比传统的水平放置的 电池堆结构（氢气与氧气同废水呈水平流淌），可以有效降低汽车的整体 高度，有利于车辆的紧凑化与小型化。2 .V Flow单元结构图2-6 Honda FCX Clarity的燃料电池组V Flow单元结构呈现了 Honda革命性的设计，它通过是氢 气与氧气纵向流淌，使得生成的水可以在重力的作用下稳定而且顺畅的 排出，并由此可以防止生成的水停留在发电层面上，以确保发电的持续 稳定性。止匕外，纵向的气体流淌通道可以使得氢气与氧气的流通更加顺 畅，从而是流淌通道深度
28、削减17%,使电池的单元结构更薄，电池堆体积 更小。2. Wave通道隔离板Honda创新设计的Wave隔板（图2-7）使得氢气与空气的流淌通 道呈Wave型（波浪外形），冷却介质那么沿着横向流淌，采纳Wave隔板 设计气体流淌通道与以往采纳直线通道设计的电池组相比，延长了近一 米的长度4,而且可以转变氢气与氧气的流淌方向，提高空气与氢气 的集中性。同时，冷却介质的横向布置可以扩大图2-7 Wave通道隔离板氢气与空气的通道，最终使得发电力量比以上一代的Honda FCX Clarity提高了 10%。此外，冷却介质的横向流淌还保持了良好的冷却效 果，避开了以往电池单元之间所必需的冷却层，大大
29、减轻了电池的重量 （可减轻近30%,积层长度缩短30%）【51到达了极佳的小型化效果。3）新型永磁电机FCX Clarity采纳全新的功率达100kW的新型永磁同步电机（图2-8）,与 上一代相比,整体动力单元的重量功率密度提高1倍，体积功率密度提高1.2倍， 实现了轻质小型化和高功率的高度统一。此外，节能性提高20%,续航里程提 iWj 30% o图2-8 Honda FCX Clarity永磁同步电动机.永磁电机结构特点本田FCX所使用的电动机是一款永磁同步电动机，其与一般的电动 机相比，永磁同步电动机装有转自永磁体位置检测器，用来检测磁极位 置，并以此对电枢电流进行掌握，到达对永磁同步电
30、动机驱动掌握的目 的。永磁同步电机相比于其它电动机的优势那么主要表现在由于永磁体取 代了绕组，所以结构更加简洁且牢靠；由于电机转速与电源频率保持同 步关系，所以通过掌握电源就可以掌握电动机转速。再加上体积小、质 量小并且结构结实等特点，以及相对而言较低的本钱，使得永磁同步电 机非常适合在电动汽车上应用。同时，永磁电机由于永磁体无需电流励磁，转子没有损耗，提高了 电机效率；同时因取消了滑环和电刷，简化了转子结构，提高了电机的 牢靠性。但电机必需由变频器供电加上转子位置检测闭环掌握系统才能 运行。当反电势和供电电流的波形都是正弦波时，称为永磁同步电动机 （PMSM）,它与电励磁同步电动机有相像的内
31、部电磁关系。当反电势和 供电电流的波形都是矩形波时，称为矩形波永磁同步电动机，其内部的 电磁过程和直流电动机类似，因此又称为无刷直流电动机（BLDC）。永磁同步电动机与异步电动机的性能比较州就W脚H励副脚r向鄱帆图2-9【6】永磁同步电机与异步电机性能比较从图2-9分析可得相同功率下，永磁同步电机的效率明显高于异步电机， 而润滑油脂的数量使用的也较异步电机小。4）高性能锂离子电池Honda FCX Clarity氢氧燃料电池汽车采纳了一块高性能的聚合物锂离子电 池作为汽车的帮助能源（工作电压为288伏的锂离子电池）。Honda FCX Clarity 采纳了可插电的设计，可以允许在车辆不用时通
32、过一般的家用电源对锂离子电池 进行充电。Honda FCX Clarity允许车辆在低速时只依靠锂离子电池行驶，并且，可以 通过刹车能量回收系统（可以将刹车时损失的局部动能转变成为电能）为锂离子 电池进行再充电。同时，锂离子电池还可以为车辆的车辆电子系统供应电力。 5）燃料存储装置HondaFCX Clarity采纳高压氢气作为车辆的燃料，由于要存储大量的氢气 以满意长距离行驶的燃料要求，HondaFCX Clarity采纳容积为171L的高压气罐 作为燃料存储装置，高压气罐可以承受的最高压力为350ATM,因此可以在有限 的体积内存储尽量多的氢气。综上所述，一般的燃料电池汽车主要由电动机系统
33、，燃料电池系统以及燃料 存储装置和传统的机械结构组成，其中燃料电池系统，燃料存储系统以及电机系 统是车辆的核心。电机用于为车辆供应动力，燃料电池可以为车辆供应动力，储 气罐为燃料电池供应能源，蓄电池或者超级电容作为电动机与燃料电池之间的能 量缓冲装置，更有利于提高车辆的能量采用效率。毫无疑问，燃料电池汽车与传统汽车，混合动力汽车以及纯电动汽车相比拥 有许多优势。1 .清洁无污染。燃料电池汽车的运行过程中完全不排放污染物，只生成水, 是完全意义上的“清洁汽车”。2 .燃料补充便利，快捷，续航力远超一般纯电动汽车。纯电动汽车充电时间 较长，一次充电完成需要78小时，而且布满电后续航里程较短，经常不超过 300kmo而燃料电池汽车可以像传统的汽油汽车一样便利的补充燃料，而且布满 燃料后一般的续航里程可到达400km以上，甚至超过了许多的传统的使用汽油 的车辆。