燃料电池电动汽车工作原理及发展趋势

◆文/河南 张雨

目前，相对成熟的新能源汽车是混合动力(PHEV)和电动汽车(BEV)。相比较而言，具有发展潜力的汽车是氢能源燃料电池汽车(FCEV)。本文在介绍燃料电池汽车的部件组成、燃料电池的工作原理的基础上，以丰田Mirai和现代Nexo为例，介绍燃料电池汽车的基本架构和工作原理。

一、氢能源燃料电池汽车简介

FCEV使用电力为电动机提供动力。与其他电动汽车相比，FCEV使用氢燃料电池发电，而不是仅从电池中获取电力。在车辆设计过程中，车辆制造商通过电动机的尺寸来定义车辆的功率，电动机从适当尺寸的燃料电池和电池包中接收电力。尽管汽车制造商可以设计一种具有插电式功能的FCEV来为电池充电，但如今大多数FCEV都使用电池来回收制动能量，在短加速事件中提供额外的动力，并在低功率需求期间通过选择怠速或关闭燃料电池来平滑燃料电池提供的动力。FCEV使用储存在车辆燃料箱中的纯氢气作为燃料。与传统的内燃机车类似，它们可以在不到4min的时间内加燃料，行驶里程超过500km。FCEV不产生有害尾气排放，只排放水蒸汽和热空气。图1显示了氢燃料电池电动汽车的主要部件。

图1 氢燃料电池电动汽车主要部件

(1)辅助蓄电池：在电动汽车中，在驱动蓄电池接合之前，低压辅助蓄电池提供电力以启动汽车；还为车辆附件提供动力。

(2)电池包：这种高压电池储存再生制动产生的能量，并为电力驱动电机提供补充电力。

(3)直流/直流(DC/DC)转换器：该设备将动力电池包的高压直流电转换为运行车辆附件和为辅助电池充电所需的低压直流电。

(4)电驱动电机：该电机利用燃料电池和动力电池包的电力驱动车轮。有些车辆使用一体式电机-发电机，同时执行驱动和再生功能。

(5)燃料电池堆：一种使用氢气和氧气用来发电的组件。

(6)燃料加注口：燃料加注机上的一个喷嘴通过加注口连接到车辆上的插座上，用来给车辆加注燃料。

(7)燃料箱(氢气)：将氢气储存在车上。

(8)FCEV电力电子控制器：该装置管理燃料电池和动力电池输送的电能，控制驱动电机的速度及其产生的扭矩。

(9)热管理系统(冷却)：该系统保持燃料电池、电动机、电力电子设备和其他部件的适当工作温度范围。

(10)变速器：变速器将电驱动电机的机械动力传递给车轮。

二、燃料电池(FC)的工作原理

上文提到，使用燃料电池发电的车辆被称为燃料电池电动汽车(FCEV)。FCEV使用氢气作为燃料，产生电能，为电动机供电，电机为车辆提供动力。FC是一种通过化学反应发电的电化学装置，很像电池。燃料电池和电池的主要区别在于，只要提供燃料，燃料电池就可以发电，而电池则通过储存的化学能发电，因此需要经常充电。FC的工作原理如图2所示，燃料电池组件如图3所示。FC由类似于电池的阳极和阴极组成。提供给电池的燃料是氢气和氧气。燃料电池的概念与电解水相反，在FC中，氢和氧结合形成电和水。供应给燃料电池的氢燃料每个分子两个以H2形式化学结合在一起的氢原子组成。这种分子包括两个独立的原子核，每个原子核含有一个质子，同时共享两个电子。燃料电池将这些氢分子分解产生电能，这种反应发生在阳极。催化剂加速反应，电解质允许两个氢离子(本质上是两个单质子)通过放置在两个电极之间的电解质移动到阴极。电子通过外部电路从阳极流到阴极，产生了电能。为了使整个电池反应完成，必须使氧气或空气通过阴极。阴极反应分两个阶段进行。首先，分子中两个氧原子之间的键断裂，然后每个电离的氧原子通过外部电路捕获来自阳极的两个电子，从而带负电。带负电的氧原子在阴极处被带正电的氢原子平衡，生成水H2O。燃料电池反应的副产物是水，以蒸汽的形式与多余的氢一起离开电池。水蒸汽可以用来加热车辆内部，但排出的氢气对系统来说是一种浪费。单个电池是分开的，多个燃料电池“堆叠”，以产生足够的电力。

图2 燃料电池工作原理

图3 燃料电池组件

有几种不同类型的燃料电池，它们有各自的优点和缺点。尽管较高的温度会导致较高的反应速率，但对于车辆应用而言，较低的操作温度是可取的。6种主要类型的燃料电池如下。

(1)碱性燃料电池。

(2)质子交换膜燃料电池。

(3)直接甲醇燃料电池。

(4)磷酸燃料电池。

(5)熔融碳酸盐燃料电池。

(6)固体氧化物燃料电池。

在碱性燃料电池(AFC)中，使用氢氧化钾(KOH)的水溶液作为电解质。与使用酸性电解质的一些其他燃料电池相比，碱性电解质的性能与酸性电解质一样好，同时对电极的腐蚀性显著降低。AFCs已在实际使用中长期提供高达60%的电气效率。它们需要纯氢作为燃料，在低温(80℃)下运行，因此适用于车辆应用。余热可用于加热，但电池温度不足以产生可用于热电联产的蒸汽。质子交换膜燃料电池(PEM)使用固体电解质，在低温(约80℃)下运行。这些燃料电池也被称为固体聚合物膜燃料电池。PEM燃料电池的电效率低于碱性电池(约40%)。然而，坚固和简单的结构使这些类型的燃料电池非常适合车辆应用。PEM燃料电池和AFC是目前正在考虑用于车辆应用的两种类型。PEM电池的优点是，与AFC所需的纯氢相比，它们可以容忍燃料中的杂质。许多汽车行业一直在探索使用甲醇、乙醇或汽油作为燃料，并将其转化为燃料电池的氢气。重整器是将碳氢化合物(如甲醇)分解为氢气和其他副产品的燃料处理器。该方法的优点是与氢气相比，碳氢化合物燃料易于处理。不同类型燃料电池的比较见表1。

表1 不同类型的燃料电池

三、燃料电池电动汽车(FCEV)架构和基本工作原理

丰田Mirai燃料电池电动汽车(FCEV)主要部件如图4所示，动力系统框图如图5所示，工作原理示意图如图6所示。FCEV由燃料存储系统、燃料电池及其控制单元、动力处理单元及其控制器以及由电机和传动系组成的驱动单元组成。燃料电池电动汽车的工作原理总结如下。

图5 FCEV系统框图

图6 丰田Mirai FCEV工作原理示意图

1.将来自储罐的氢气供应到燃料电池。

2.空气也被供应到燃料电池。

3.氧气和氢气在燃料电池堆中结合以产生电力和水。FCEV中使用的最常见类型的燃料电池是质子交换膜燃料电池(PEMFC)，也称为聚合物电解质膜(PEM)燃料电池。

4.通过反应产生的电被提供给电动机或电池。电池充当能量存储器，为车辆提供加速时的额外能量，还可以从制动中捕获再生能量，以提高车辆效率。

5.电机为车轮提供动力，水从车辆中排出。

典型的FCEV 乘用车在700bar(1bar=100MPa)的压力下运行，车上有5kg氢气。公共汽车或重型货车等大型车辆有更多的可用空间来储存燃料，因此通常采用350bar的储存空间，使用更便宜的气罐。一辆巴士在350bar的压力下，在车顶安装的气瓶中储存约25kg。典型的FCEV乘用车每行驶100km消耗1～1.4kg氢气，车上储存的氢气不到10kg。重型货车每100km可消耗约10 kg 氢气，但储存30～35kg氢气。

图7是FCEV系统架构简略框图，燃料电池输出电压比较低；DC/DC转换器用于在将电压馈送到电动机驱动器之前升压和调节电压。燃料电池和电动机之间的电力电子接口电路包括用于升压的DC/DC转换器、为AC电动机供电的DC/AC逆变器、用于控制的微处理器/数字信号处理器以及用于储能的电池/电容器。图7所示的高压电池包直接与高压直流链路连接，这需要电池包使用大量电池单元串联在一起。也可以用双向DC/DC转换器链路连接低压电池包和高压直流母线。燃料电池的电力输出馈入低压直流母线，该母线也由电池包维持。这种带有低压电池包的FCEV架构如图8所示。该架构与丰田Mirai和现代Nexo FCEV中使用的架构非常接近，组件规格也与Mirai相似。现代Nexo FCEV系统架构如图9所示。燃料电池堆的时间常数比电负载动态的时间常数慢得多。电池存储系统需要在瞬态和过载情况下提供电力，以及吸收由于再生制动引起的能量反向流动。

图7 燃料电池电动汽车架构1

图8 燃料电池电动汽车架构2

图9 现代Nexo FCEV动力传动系统架构