李晨

[摘    要]传统汽车存在排放污染等问题，同时对石油的依赖较大，进而加重了生态问题和能源压力。全球各国均加大了对新型节能环保汽车的研发力度。燃料电池电动汽车具有无污染、节能等优点，是新能源汽车研发的关键。燃料电池电动汽车还能有效回收制动能量，其中作为一种辅助动力源，超级电容能够在车辆爬坡或加速的时候提供功率输出。从而促进电动汽车的安全性、经济性以及动力性有效提升，并使燃料电池的使用寿命延长。对此，文章主要对燃料电池电动汽车关键技术进行了探讨，以供参考。

[关键词]燃料电池;关键技术;电动汽车

[中图分类号]TM911.4 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2022）04–00–03

Research on Key Technologies of Fuel Cell Electric Vehicles

Li Chen

[Abstract]In modern society， automobiles have become a necessity for people to travel， and they have played an extremely important role in promoting human progress. However， because traditional vehicles have problems such as emission and pollution， and at the same time rely heavily on oil， which aggravates ecological problems and energy pressure. Therefore， countries around the world have increased their research and development efforts on new energy-saving and environmentally friendly vehicles. Fuel cell electric vehicles have the advantages of no pollution and energy saving， and are the key to the research and development of new energy vehicles. Fuel cell electric vehicles can also effectively recover braking energy. As an auxiliary power source， supercapacitors can provide power output when the vehicle is climbing or accelerating. Thereby， the safety， economy and power performance of electric vehicles are effectively improved， and the service life of the fuel cell is prolonged. In this regard， the article mainly discusses the key technologies of fuel cell electric vehicles for reference.

[Keywords]fuel cell; key technology; electric vehicle

隨着汽车产量与保有量不断增多，借助石油提供动力的车辆所排放的废弃对城市环境以及地球气候造成了极大的影响，除此之外，能源短缺问题也日益严重。环境与能源问题是传统汽车发展的重要制约因素，积极探索汽车新洁净动力源已成为现阶段汽车领域研究的重点和热点。20世纪末，燃料电池汽车已成为电动汽车的大势所趋。

1 燃料电池电动汽车的应用前景

现阶段，电动汽车主要包括3种类型，即混合动力电动汽车（hybrid electric vehicle，HEV）、纯电动汽车（battery electric vehicle，BEV）、燃料电池电动汽车（fuelCell electric vehicle，FCEV）。

对于混合动力电动汽车而言，电机、内燃机是动力提供的关键，可以有效节省不可再生能源，同时尾气排放量较少。然而，原先只需安装一套系统的汽车，现在需要安装两个系统，既会促使汽车重量加大，同时对整体控制以及工艺等也提出了较高的要求。除此之外，其还使用了传统的内燃机，会消耗不可再生能源，仍会对环境造成一定的污染，能源利用率也不能得到有效改善。

电机是纯电动汽车动力提供的关键，能源主要储存在用电化学蓄电池中，其优势较多，如效率高、操作性能好、无振动与噪声、不依赖石油等。然而，电池存在功率密度低、能源密度低等缺陷，缺乏较强的续航能力，只能够满足短程行驶需求。尽管最近几年，锂离子电池等高性能电池得到了良好发展，但其需要投入较高的成本，进而很难全面推广纯电动汽车。

对于燃料电池电动汽车而言，电机是其动力来源，燃料电池积极发挥着转换能源的作用，氢气是主要燃料。不同于传统内燃机汽车，燃料电池电动汽车无需热机，也不会受到卡诺循环的制约，具有诸多内燃机汽车所不具备的优点，如环保、能量转化效率高等，同时也具备传统内燃机所具备的诸多性能，如舒适、可以长距离行驶、安全、速度快等，被视为21世纪运输工具中的最佳选择。大部分国内外专家认为，21世纪汽车工业的核心便是燃料电池技术。

2 燃料电池电动汽车的优势

2.1 低排放

燃料电池采取电化学的方式，氧和氢有效融合，产生大规模的热与电，只有加入水，不会产生烟尘微粒、二氧化硫、氮氧化合物、碳氢化合物、一氧化碳等副产物。

2.2 可以通过诸多途径获得燃料

燃料电池需要的氢气可以通过电解水制氢、甲醇裂解制氢、工业副产物制氢、化石燃料制氢4个途径获得。对全生命周期碳排放、工艺实现的难易程度、制氢效率以及环境污染等因素进行全面考虑，随着今后氢能产业链不断完善，电解水制氢将得到显著发展。

2.3 系统效率高

一直以来，传统汽车内燃机的热效率始终保持在40 %左右。但是我国主流汽车燃料电池系统技术路线规划中提到，截至2025年，燃料电池系统使用率将高达50 %，相较于传统内燃机，其效率高1.25～1.37倍，性能优势显著。

2.4 加氢时间短，续航里程长

燃料电池电动汽车只需要不超过3 min的时间便能将氢气加满，续航里程超过500 km，如此纯电汽车充电时间长、续航里程短等问题便得到了有效解决，驾驶员的驾乘体验更好。

2.5 全寿命周期碳排放量少

燃料电池电动汽车的碳排放量为200 g/km，同纯电动汽车、插电式混合动力汽车而言，燃料电池每公里排放的碳量相对较少，在一定程度上可优化环境。

3 燃料电池电动汽车的结构和工作原理

3.1 燃料电池电动汽车的基本结构

与普通汽车相比，燃料电池电动汽车内部空间、外形等区别不大，动力系统是两者最大的不同。燃料电池电动汽车动力系统的基本结构如图1所示。燃料电池组往往借助DC/AC逆变器将电力传输到电机，促使汽车正常行驶，也可使用DC/DC转换器，将其视为蓄电池进行充电。汽车行驶过程中，与燃料电视发电能力相比，其动力要求更高，这时蓄电池便可运行，通过DC/DC转换器将电流传输到电机，为汽车的正常行驶提供动力。

3.2 燃料电池的工作原理

燃料电池实质上是一种电化学装置，其主要组成部分为电解质和正负两个电极。在阳极和阴极上分别提供氢气与氧气。因阳极催化剂发挥了作用，氢迅速分化为电子与氢离子。电解液中进入氢离子，这时电子便会沿着外部电路慢慢地移动到阴极，用电负荷便可同外部电路相连接。在阴极上，受催化剂的影响，氧气和电解液中的氢离子吸收抵达阳极上的电子，促使水形成。由于电解质中离子的运行，电极上产生了大量电荷，接通外电路后便可产生直流电，同时可以持续不断。电解质选择通过性特征比较明显，

只有负极产生的质子才能被允许通过，实现正极，电子、气体要求不得通过。只有持续地输入反应物，不断排出反应产物，燃料电池就可以持续发电。

4 燃料电池电动汽车的关键技术

燃料电池电动汽车是新材料、新能源、计算机、化学电源、自动控制、功率电子、电流拖动、汽车等工程技术中最新成果的集成产物。所以研发燃料电池电动汽车往往还需要妥善解决各种关键性技术，其主要体现在以下几个方面。

4.1 燃料电池技术

对于燃料电池电动汽车而言，燃料电池是其动力提供的主要来源，对燃料电池的基本要求有：①不会危害环境，具有良好的可回收性;②安全性好且成本不高;③比功率以及比能量较高。至今已经研发的燃料电池类型多样，如质子交换膜燃料电池（PEMFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、碱性燃料电池（AFC）等。其中，质子交换膜燃料电池（PEMFC）中，质子交换膜是关键，是目前汽车运用最广泛的燃料电池。但现阶段运用的以氢为主的燃料电池，存在成本高以及携带和氢的充加、保管、储存难度大等缺点。所以，在燃料电池电动汽车的研发中，需要解决以下内容：①尽可能少用价格贵的催化剂铂，同时需广泛研发投入成本较低的非贵金属催化剂，从而有效控制制造成本;②借助重整技术，运用甲醇燃料电池等改质型燃料电池，确保能够更加安全方便地携带、充加、保管和储存燃料;③适当地减少燃料电池系统技术设施的质量与体积，优化其比能量。

4.2 电子控制技术

在燃料电池电动汽车中，电子控制所发挥的作用极为重要。汽车各种操作系统可达到电子化、电动化的要求，实现“线操控”，则是使用导线将机械转动机构进行替代，如“导线转向”与“导线制动”等。当前，12 V动力电源无法较好地满足汽车各类电气系统的需求，运用42 V汽车电气系统相关标準之后，可以对汽车电器零部件的整体设计以及结构等进行改变。与此同时，机械式继电器、熔丝式保护电路等，则会被淘汰。燃料电池特点：①电流大，电压低;②温度越高，输出电流越大，输出电流增大，输出电压会降低;③从开始输出电流与电压，状态慢慢保持稳定。正因为上述特点，诸多电机与电器很难和其电压特性相适应，因此必须配合使用DCIAC逆变器和DGfDC变换器，同时调节燃料电池系统功率，以此使电压的稳定性得到保证。

4.3 驱动电机技术

驱动电机在电动汽车中发挥着重要作用，其正逐步朝着小型化、高效率、高转速、大功率方向发展。现阶段，驱动电机主要有两类，分别为永磁无刷电机（PMBLM）和感应电机（IM），尤其PMBLM，其具有响应快、惯性低、体积小以及效率与功率密度高等优点，在电动汽车方面应用前景较好。驱动电机的选择与设计，应和下述技术要求相符：①电机在转矩/转速、整车负载特性方面，匹配性强，低速可以发出大转矩、高速则为小转矩。②电机转矩具有良好的动态性能，可以平滑以及以最快地速度对电机的转矩进行控制，能够较好地适应电动汽车启动、停车、减速、加速。③确保变工况、恒功率以及恒速的效率较高。④具有较高的功率密度，且自身在体积以及质量方面偏小。⑤再生制动的过程中，能量回收率较高。⑥对环境的适应较强，不管处于什么样的工作环境，工作可靠性均很强，同时温度适应性能较好。

4.4 测试技术

对于燃料电池发动机测试系统而言，应对流量、扭矩、压力、电流、转速以及温度等相关参数进行全面采集，要想做到有效采集，需科学设计对数据进行采集的系统。燃料电池发动机测试系统主要涉及了两个部分，即数据采集处理系统和加载装置。同时，加载装置应将相关测试规范作为立足点，以此加载燃料电池发动机，保证其能够在不同工况中维持正常的状态，同时还要采用有效措施保护发动机。要想保证发动机在负载以及测试工况方面与真实状况相符，因比较合理的方式是运用一套接近于实际动力系统的加载装置，可借助DC/DC变换器—电机—测功机。

借助分析数据采集处理软件，明确软件在功能方面的相关要求，然后对这些功能进行整理，分解之后便能够得到测试系统软件功能。同时，功能要求复杂性强，属于燃料电池发动机测试系统的又一特点，立足于人们思维习惯建立对应的问题域模型，并运用面向对象程序涉及的方式，得到问题域求解的方法。数据封装、继承和类型等特点决定了软件体系结构具有良好的稳定性和重用性，扩充和维护方便，促进了软件开发效率显著提升。

4.5 车身和底盘设计技术

燃料电池动力包含动力输出系统、蓄电池、氢气罐以及燃料电池堆总成等。储氢罐通常放在后排座椅的下放空间或底盘的中间位置，分散存储氢气。同时，还需要对轮胎、汽车前后悬架以及制动总成进行全面测试。随着轮毂电机技术的持续发展，电动机在放置方面拥有了更多选择，加大了汽车整体空间。并且能够对电动轮所具备的驱动力进行全面控制，让汽车在恶劣路面条件下能够维持良好的性能。设置底盘的过程中，需要在其前后端分配相应的负载，促使车辆的总体重心降低，确保汽车操作性能良好，同时使车辆的整体更加安全。

因为燃料电池电动汽车具有动力生成装置，结构变化多样以及借助电线传递动力等特点，所以留给底盘、车身设计的空间更大，以促使整体的行驶阻力系数减小，进而确保汽车主（被）动安全性能优良，乘坐空间更加舒适。

5 结束语

作为一种新能源，燃料电池在解决环境、能源问题方面发揮了重要作用，燃料电池电动汽车和新能源汽车相比，均存在高效、安全、清洁等基本要求，其是今后国家发展的一大重点。对此，应立足燃料电池电动汽车的具体发展情况，开展合理的规划，结合相关法律法规，最大限度地发挥国内资源优势，增强对燃料电池电动汽车相关技术原理的探究，加大关键技术的研究力度。

参考文献

[1] 王春杰.燃料电池电动汽车控制系统研究[J].汽车实用技术，2020（10）：26-28.

[2] 董扬.关于燃料电池汽车发展规划的思考[J].经营者（汽车商业评论），2019（9）：128-131.