陈星凯

(江苏省徐州市中等专业学校,江苏 徐州 221000)

0 引言

燃料电池电动汽车(Fuel Cell Electric Vehicle,FCEV)主要是指采用燃料电池作为驱动力的一种新能源汽车方式[1-2],与传统汽车相比,燃料电池电动汽车直接通过氧气和氢气的化学反应产生电能,进行汽车驱动,能量转换效率高,在汽车驱动过程中主要排放物质为水,不存在环境污染[3-5];另一方面,燃料电池电动汽车主要是由若干个电池连接而成,可以在汽车内部灵活配置,并且在工作过程中振动小、无污染,是目前被公认为最理想的新能源汽车类型。

本文针对燃料电池汽车的主要类型与基本结构进行系统论述,并且对其关键技术及燃料电池汽车产业发展存在的问题进行阐述,为未来我国燃料电池汽车的发展提供参考依据。

1 燃料电池汽车类型与结构

1.1 燃料电池汽车类型

1.1.1 按照有无蓄能装置分类

按照有无蓄能装置可以将燃料电池汽车分为纯燃料电池电动汽车和混合型燃料电池电动汽车。

纯燃料电池电动汽车中的燃料电池是汽车唯一动力来源,对燃料电池的功率要求高,并且无法回收汽车制动能量,因此目前应用较少[6],其技术研究相对有待提升。

混合型燃料电池电动汽车在燃料电池外,还会配备相应的蓄能装置,如蓄电池、超级电容和飞轮电池等[7],其蓄能装置可以协助燃料电池为汽车进行供电,减少燃料电池的功率,并且可以用于汽车制动时的能量回收,所以在应用过程中可以显著提高燃料电池的能量利用率。

1.1.2 按照提供的燃料不同分类

按照提供的燃料不同,燃料电池汽车可以分为直接燃料电池电动汽车和重整燃料电池电动汽车。直接燃料电池汽车的主要燃料为纯氢和甲醇等燃料,氢的主要储存方式为压缩氢气和液态氢等。重整燃料电池电动汽车的主要燃料为天然气、甲醇、甲烷等,其结构较为复杂,并且需要增加重整装置,将其他燃料转化为燃料电池所需的氢[8]。

1.2 燃料电池汽车结构

燃料电池汽车主要结构包括燃料电池系统、辅助蓄能装置、驱动电动机和电子控制系统等。

1)燃料电池系统。其核心为燃料电池电堆,还包括氢气供给系统、氧气供给系统和反应物生成处理器等装置,保证燃料电池堆的正常工作。

2)辅助蓄能装置。在混合式燃料电池动力汽车中还需要配备辅助蓄能装置,可以采用蓄电池、超级电容和飞轮电池中的一组,或者采用蓄电池+超级电容、蓄电池+飞轮电池等。

3)驱动电动机。燃料电池汽车驱动电动机主要是将电能转化为电磁转矩,并通过传动系统驱动汽车行驶。也可以采用直流有刷电动机、交流异步电动机等。

4)电子控制系统。电子控制系统主要包括燃料电池系统控制器、DC/DC转换器和辅助蓄能能量管理系统等,各控制模块通过总线连接(图1)。

图1 燃料电池汽车电子控制系统结构组成

2 燃料电池汽车的关键技术

2.1 燃料电池系统

燃料电池系统是燃料电池汽车的关键技术之一,直接影响燃料电池汽车的工作性能与发展,目前,降低燃料电池系统的使用成本是发展燃料电池汽车的主要目标。当前控制燃料电池成本的主要方法是减少燃料电池材料的成本、降低加工费用,如膜电极制作、双电极加工等,除上述问题外,未来应进一步加强燃料电池系统能量管理和变换操作与电堆水热管理模式的研究等。

2.2 车载储氢装置

目前,燃料电池汽车主要以纯氢为主要燃料,因此车载储氢装置直接影响燃料电池汽车的动力性能和续航里程,目前常见的车载储氢装置主要包括高压储氢瓶、低温液氢瓶等,由于氢气储存需要很低的温度环境,因此其成本和功耗较高,未来应进一步提高体积储氢密度和质量储氢密度等。

2.3 辅助蓄能装置

辅助蓄能装置直接影响汽车控制性能和能量控制优劣,直接影响燃料电池汽车的工作性能和经济性能,因此,未来应进一步研发高性能的辅助蓄能装置。目前,主要包括蓄电池、超级电容和飞轮电池。蓄电池具有功率大、密度高等优势;超级电容具有短时间内大电流充放性能好和循环寿命长等优势;飞轮电池具有能量密度高、体积小和重量轻等应用优势。目前主要以超级电容应用较为广泛。

3 国内外燃料电池汽车发展现状

3.1 国外研究进展

美国通用公司在1968年生产出了世界上第一辆燃料电池厢式货车,可以承载最大功率为150 kW的燃料电池,燃料电池采用液态氮,其续航里程可以达到200 km。但是由于技术复杂且燃料电池结构较大,另一方面当时技术人员环保意识较为薄弱,因此该技术没有进行深入研究与发展。在20世纪90年代,世界各国逐渐开始对燃料电池汽车的研究,并投入大量人力、财力开发燃料电池汽车,取得了一系列研究成果,如表1所示。

表1 国外燃料电池汽车部分研究进展概述

3.2 国内发展现状

我国对燃料电池汽车的研究主要源于20世纪50年代,但是直到20世纪90年代,世界环境署才支持中国开始燃料电池公共汽车示范研究,我国关于燃料电池汽车的研究才取得巨大进展,其主要发展节点如表2所示。在2008年奥运会期间,我国自主研发20辆氢燃料电池汽车完成了规模化示范运行,并且采用燃料电池汽车组成绿色环保车队接送参赛人员等。目前,同济大学等也相继研制出三代“超越”系列燃料电池汽车,北京清能华通科技发展有限公司与清华大学等共同研发出“清能1号”燃料电池客车,同时,长安、东风和奇瑞等汽车公司也研发出多款混合动力汽车,并且已经达到了国际先进水平。

表2 我国燃料电池汽车部分研究进展概述

4 结论

本研究通过对燃料电池汽车的发展进行系统论述,通过相关研究可知,由于燃料电池汽车价格较为昂贵,储氢与氢运输安全性、时效性和高效性还有待完善,因此,燃料电池汽车的产业化发展尚需时日。未来应提高燃料电池汽车的工作性能,如动力性、耐久性、启动性能和续航里程等,降低制造成本和运行成本,降低燃料电池的生产价格,逐步建立完善的燃料供给体系,建立相应的加氢站、加甲醇站等基础设施的建设。