燃料電池電動汽車關鍵技術分析

摘要：燃料電池是動力電池行業未來發展的重要方向，尤其是氫燃料電池采用清潔能源，發生電化學反應后生成水，實現真正意義上的零排放，且燃料電池能量轉化率高于傳統的燃油，具有在電動汽車中應用的巨大優勢。因此，各大汽車生產制造企業積極研發燃料電池電動汽車技術，以加快燃料電池電動汽車商業化進程。基于此，本文首先分析燃料電池電動汽車的技術特點，提出發展面臨的成本高與基礎設施不健全的現實問題，并重點分析燃料電池電動汽車的各項關鍵技術，以供參考。

關鍵詞：燃料電池；電動汽車；技術

DOI：10.12433/zgkjtz.20231932

燃料電池電動汽車運用當下主流的汽車電子技術、新能源、新材料，技術集成度高，控制系統結構復雜，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設施建設不夠完善等，成為燃料電池電動汽車技術發展的阻礙。通過燃料電池電動汽車關鍵技術的分析，確定技術特點及技術發展面臨的現實問題，以關鍵技術的提升、改進、創新，突破燃料電池電動汽車技術發展的局限。

一、燃料電池電動汽車技術特點

（一）燃料電池能量效率高

燃料電池的實質是一個化學裝置，將石油燃料或有機燃料直接轉化為電能，能量轉換過程為電化學反應過程，不涉及內燃機的燃燒與熱機做功環節，理論能量轉換效率在85%～90%之間，而普通內燃機理論能量轉換效率只有其一半左右。燃料電池在電動汽車實際的應用中，能量轉換效率在60%～70%之間，與普通柴油發動機或汽油發動機的汽車相比，燃料電池系統的效率更高。內燃機汽車在實際的使用中，常處于低負荷狀態，發動機低水平運行，燃油效率較低，燃料電池在負荷較低的運行條件下，仍可維持較高的能量轉換效率，在電動汽車上得到了更加廣泛的應用。

（二）綠色環保

從燃料電池燃料上看，主要包括石油燃料、有機燃料、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，在能量轉換化學反應過程中生成水，不會污染空氣環境。其他類型燃料的電池在電動汽車運行過程中，排放的污染物也少于內燃機汽車，可以有效降低汽車碳排放量，在綠色環保方面表現良好，因而在“雙碳”背景下，燃料電池電動汽車具有良好的發展前景。

（三）噪音小且續航時間長

在駕駛體驗方面，燃料電池電動汽車的燃料電池運行噪音較低。電動汽車的燃料電池基本組成有電極、電解質、燃料和氧化劑，為靜態能量轉換裝置，在運行過程中，噪音主要由壓縮機和冷卻系統發出，噪音小、運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供應，電池就可持續運行，持續供應電能，現代氫燃料電池汽車續航里程高達2000km，實現了電動汽車長途行駛，與內燃機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）設計可操作空間大

現代汽車使用線控技術取代傳統的機械結構，對汽車進行電子線控包括線控油門、線控轉向、線控換擋、線控制動等，汽車系統的集成化較高。在燃料電池電動汽車設計階段，以線控技術為主線，進行電動汽車空間、重量等配置，設計具有良好的操作性。線控技術減少了汽車機械組合零部件，直接減輕汽車整體的重量，節約空間的同時，間接降低機械零部件維修的概率。線控技術在燃料電池電動汽車中的應用，集成傳感器、中央處理器、數據總線及執行機構等，完成汽車各種動作的電子線控制，消減了傳統汽車機械連接環節，增強設計的靈活性、經濟性與環保性。

二、燃料電池電動汽車技術發展面臨的現實問題

（一）電池使用成本高

從燃料電池的市場上看，燃料電池工業化不足，導致燃料電池的價格居高不下，例如，質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，對于汽車消費者而言不夠友好。從市場消費者的角度看，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惠，即使如此，也難以改變燃料電池使用成本高的現狀。

（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，轉換能量的效率較高。但純氫為人工提煉，生產工藝繁瑣，制備的成本較高，形成對氫燃料電池電動汽車發展的掣肘。氫燃料電池電動汽車每次加氫＞5kg，續航里程大于500km，才能滿足消費者駕駛汽車的需求。純氫以液化的方式存儲在電動汽車的高壓容器中，汽車續航里程越大，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）加氫站數量不足

氫燃料電池電動汽車與燃油汽車在運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、車輛基數大，加油站基礎設施建設較完善，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不夠完善，會影響氫燃料電池電動汽車的商品化進程。燃料電池電動汽車補充燃料僅需幾分鐘，但由于加氫站基礎設施建設滯后，未能形成全面覆蓋的加氫站網絡，再加上燃料電池電動汽車價格高昂，導致燃油汽車仍是消費者的首選。

三、燃料電池電動汽車的關鍵技術

（一）燃料電池基本結構

現代燃料電池電動汽車主要是車載氫氧混合燃料電池，該電池通過補充氫氣，可實現長時間的續航。一種是純燃料電池驅動的電動汽車，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、啟動速度等有著嚴格要求，燃料電池系統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”混合驅動，整個混合動力系統由“氫氣源+燃料電池+逆變器+蓄電池組+電動機”組成，電動汽車有兩個動力源，汽車在配置燃料電池的基礎上，又設計了蓄電池組，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動附件等，進一步保障了燃料電池系統運行的穩定性與安全性，降低電動汽車對燃料電池動態性的需求，減少燃料電池電動汽車的制造成本，但蓄電池組的應用增加了燃料電池系統的體積與重量，提高了燃料電池系統后期的維護成本。

（二）燃料電池運行基本原理

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生動力，而是采用電化學反應將燃料的化學能轉化為電能，在電池的陽極輸入氫氣，陽極充分發揮催化作用，將氫分子離解為氫離子（H+）與電子（e－），然后氫離子經過電解質層，電子通過外部電路到達燃料電池的陰極，同時在電池的陰極輸入氧氣，經過催化作用后，氧氣被離解為氧原子，氧原子與氫離子、電子發生電化學反應，生成水并釋放出熱量。只要在燃料電池的陽極持續輸入氫氣，陰極不間斷輸入氧氣，燃料電池一直進行電化學反應，最終源源不斷地產生電子，電子在外部電路上流動形成電流，完成化學能至電能轉換的整個過程。在燃料電池電化學反應中，以氫氣為燃料，以氧氣為氧化劑，電化學反應方程式如下：陽極2H2→4H++4e－；陰極O2+4e－+4H+→2H2O；總反應2H2+O2→2H2O+電流。在整個反應過程中，維持燃料與氧化劑的持續供應，可以確保電能的持續輸出。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，才可滿足消費者對汽車的使用需求。

（三）燃料電池系統關鍵技術

1.系統基本結構

燃料電池電動汽車主要由動力源燃料電池發動機、蓄電池組、電流變換器、動力控制單元、動力總成及氫氣系統等組成，配備的系統有燃料電池堆、進氣系統、排水系統、冷卻系統、燃料與氧化劑供應系統、電堆控制單元、電能調整系統、再生制動系統等。燃料電池系統在運行過程中，受到水流量、溫度、壓力、濕度以及氫氣燃料、氧化劑供應等的影響，易引起電池內部的不平衡，需協調好電池各個系統之間的關系，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，設計輸出電壓升壓系統，保障汽車各個系統之間的相互匹配與適應，提升燃料電池運行的穩定性、持續性與可靠性。

2.供應系統控制技術

供應系統主要將氫氣與氧氣輸入至燃料電池，供氧系統的核心是壓氣機，將空氣凈化后進行輸入。供氫系統是燃料電池電動汽車的關鍵技術之一，主要涉及儲運與供應兩個環節，供應方式包括：第一，直接供應氫氣燃料，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化為濃度較高的氫氣后，采用壓氣機將氣體輸入至燃料電池的陽極側。

3.水熱管理控制技術

燃料電池在正常運行的狀態下，反應氣中要含有適量的水分，還要在電化學反應過程中及時排除生成的水分，以上工作由水管理系統負責。電動汽車采用燃料電池組的質子交換膜在傳導質子過程中，需要適量的水分輔助，水管理系統采用加濕的方式，維持交換膜良好的濕潤狀態，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氣預增濕或交換膜自增濕。熱管理系統由冷卻系統、風扇組成，在電池組反應釋放熱量時，冷卻系統水循環排熱，同時風扇冷卻，及時排出熱量，維持電池的良好運行狀態。

4.電能調整控制技術

燃料電池通過電化學反應產生電能后，在電能輸出環節設置電能調整系統，在電池的輸出側安裝直流升壓穩壓器，負責調壓穩壓、過載保護，將直流電調整至汽車運動要求的電壓范圍內，再將電能供應給汽車運動系統，如果汽車配置的是交流電機，還需配置電流變換器，進行直交流的變換。為了進一步保障燃料電池運行的可靠性，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，在特殊工況下發揮動力作用，例如，電機啟動、其他附件啟動等。

5.自動控制技術

燃料電池自動控制系統在電池運行過程中，實時監測、優化調整供應系統、水熱管理系統、電能調整系統等關鍵技術參數。自動控制系統的傳感元件內嵌至各個系統中，實時采集系統運行的技術參數，反饋給系統的控制單元，電控單元根據監測獲取的數據結果，通過數據分析處理，下達調整或控制指令，執行元件負責具體執行，實現電動汽車運行故障的自動診斷及處理，從而實現多種控制功能。

6.再生制動技術

再生制動系統的主要作用是回收能量，在電動汽車減速及制動時，再生制動系統提供制動力，促進發動機運行，將汽車的動能轉化為電能，傳輸至蓄電池組儲存。再生制動技術在燃料電池電動汽車中的應用為燃料電池儲備電能，幫助汽車制動，影響汽車運行的經濟性，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

（一）制氫技術

現階段，燃料電池電動汽車采用的燃料主要是氫，氫氣制備技術水平對燃料電池電動汽車的發展具有重要影響，通過有效控制制氫成本，可以提高燃料電池電動汽車運行的經濟性。較常用的工業制氫技術包括三種類型：第一，紅熱焦炭與水蒸氣反應，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，產生C與H2。雖然可以產出氫，但在生產過程中消耗大量的能量會污染環境，無法體現氫燃料電池電動汽車的綠色環保特點。第二，太陽能分解水，利用太陽光將水分子分解成H2與O2，細菌分解農作物秸稈也會產生氫氣，氫氣制取過程無污染，實現自然物質的循環利用，具有較好的發展前景。第三，電解水制氫技術屬于綠色生產技術，將水通過電解分解成H2與O2，可生產出純度較高的氫氣。

（二）氫安全技術

氫氣本身具有易燃易爆的特點，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，例如，采用氫安全監測系統與氫報警處理系統，在燃料電池組、發動機、水箱、儲氫容器、駕駛及乘客艙等位置專門安裝傳感器監測氫濃度，當氫氣濃度超過4%、10%、30%時，氫報警處理系統的聲報警、光報警、信息提示等會發出不同等級的警報，以此提醒司機及時處理。為了確保氫安全，還要采取防靜電措施，避免發生氫氣爆炸事故。

五、結語

綜上所述，燃料電池在電動汽車領域的應用，以發生電化學反應為汽車提供動力，只要維持燃料的可持續供應，就可實現汽車長途行駛，突破純電動汽車短途行駛的技術難題。但燃料電池技術發展還不夠成熟，實踐應用還面臨一些問題，需要燃料電池電動汽車領域針對其關鍵技術積極進行創新研究，不斷提高燃料電池電動汽車的技術水平，推動電動汽車領域的綠色環保發展。

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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（機械副高級），主要研究方向為新能源汽車動力電池。