鄭磊　李戰(zhàn)勝

【摘 要】由于作為燃料電動汽車關(guān)鍵技術(shù)之一的電池技術(shù)，本文通過燃料電池的工作原理、分類及其特點的相關(guān)研究，同時對于汽車的電機、控制器等關(guān)鍵技術(shù)的分析，從整體上對燃料電池汽車有一個大致的研究，并且通過與純電動汽車的比較，得出燃料電動汽車非?？捎^的發(fā)展前景。

【關(guān)鍵詞】燃料電池；燃料電動汽車；電機技術(shù)；控制器技術(shù)

1 燃料電池的工作原理

燃料電池其原理是一種電化學(xué)裝置，其組成與一般電池相同。其單體電池是由正負兩個電極以及電解質(zhì)組成，其中電池的負極是燃料電極，正極是氧化劑電極。不同的是一般電池的活性物質(zhì)貯存在電池內(nèi)部，因此，限制了電池容量。而燃料電池的正、負極本身不包含活性物質(zhì)，只是催化轉(zhuǎn)換元件。因此燃料電池是名符其實的把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換機器。電池工作時，燃料和氧化劑由外部供給，進行反應(yīng)。原則上只要反應(yīng)物不斷輸入，反應(yīng)產(chǎn)物不斷排出，燃料電池就能連續(xù)地發(fā)電。

燃料電池是一種使燃料與氧化劑中儲存的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。當(dāng)燃料和空氣一同被送進燃料電池裝置中，化學(xué)反應(yīng)發(fā)生以后被輸送出來的就是供給汽車提供動能的電能。常用的是利用氫氣與氧氣的化合反應(yīng)產(chǎn)生的能量發(fā)電。如果將該燃料電池用來驅(qū)動汽車，則成為燃料電池汽車。燃料電池從燃料的來源上看，有純氫氣和液化天然氣等幾種。其中液化天然氣的主要成份為甲烷，利用甲烷的氧化反應(yīng)產(chǎn)生的能量獲取電能。其反應(yīng)過程中會產(chǎn)生水和二氧化碳，相對來講還是比較“干凈”的。

2 燃料電池的分類

按燃料的處理方式不同，可分為直接式、間接式和再生式。直接式燃料電池按溫度的不同又可分為低溫、中溫和高溫三種類型。間接式的包括重整式燃料電池和生物燃料電池。再生式燃料電池中有光、電、熱、放射化學(xué)燃料電池等。按照電解質(zhì)類型的不同，可分為堿型、磷酸型、聚合物型、熔融碳酸鹽型、固體電解質(zhì)型燃料電池。

按照工作溫度的不同，又把堿性燃料電池、固體高分子型質(zhì)子膜燃料電池和磷酸型燃料電池稱為低溫燃料電池；把熔融碳酸鹽型燃料電池和固體氧化型燃料電池稱為高溫燃料電池，并且高溫燃料電池又被稱為面向高質(zhì)量排氣而進行聯(lián)合開發(fā)的燃料電池。另一種分類是按其開發(fā)早晚順序進行的，共分為第一代、第二代和第三代燃料電池。這些電池均需用可燃氣體作為其發(fā)電用的燃料。

3 燃料電池汽車的概述

電動汽車是指以車載電源為動力，用電機驅(qū)動車輪行駛，符合國家道路交通、安全法規(guī)等各項要求的車輛。由于對環(huán)境影響相對傳統(tǒng)汽車較小，其前景被廣泛看好，但當(dāng)前技術(shù)尚不成熟。電動汽車的一般分為三種：純電動汽車、混合動力汽車、燃料電池汽車。其中燃料電池汽車是電動汽車的一種，其核心部件燃料電池的電能是通過氫氣和氧氣的化學(xué)作用直接變成電能。

燃料電池汽車的工作原理是，使作為燃料的氫在汽車搭載的燃料電池中，與大氣中的氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生出電能發(fā)動電動機，由電動機帶動汽車中的機械傳動結(jié)構(gòu)，進而帶動汽車的前后萬象軸、后橋等行走機械結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)動車輪驅(qū)動汽車。

4 燃料電動汽車的關(guān)鍵技術(shù)

電動汽車的關(guān)鍵能源動力技術(shù)包括電池技術(shù)、電機技術(shù)、控制器技術(shù)。電池技術(shù)、電機技術(shù)和控制器技術(shù)是電動汽車所特有的技術(shù)，這三項技術(shù)也是一直制約電動汽車大規(guī)模進入市場的關(guān)鍵因素。

其中電池是電動汽車的動力源泉，也是一直制約電動汽車發(fā)展的關(guān)鍵因素。電動汽車用電池的主要性能指標是比能量 、能量密度、比功率、循環(huán)壽命和成本等。要使電動汽車能與燃油汽車相競爭，關(guān)鍵就是要開發(fā)出比能量高、比功率大、使用壽命長的高效電池。廣泛應(yīng)用于電動汽車的燃料電池是一種稱為質(zhì)子交換膜的燃料電池，它以純氫為燃料，以空氣為氧化劑，不經(jīng)歷熱機過程，不受熱力循環(huán)限制，因此能量的轉(zhuǎn)換效率高，是普通內(nèi)燃機熱效率的2～3倍。同時，它還具有噪音低、無污染、壽命長、啟動迅速、比功率大和輸出功率可隨時調(diào)整等特性，使得燃料電池非常適合用作交通工具的動力源。

而電動汽車的驅(qū)動電機是所有電動汽車必不可少的關(guān)鍵部件。使用較多的有直流有刷、永磁無刷、交流感應(yīng)和開關(guān)磁阻四種電機。這四種電機各有優(yōu)缺點，但是對于電動汽車而言，由于電能是由各類電池提供的，價格昂貴而彌足珍貴，所以使用相對效率最高的永磁無刷電機是較為合理的，它已被廣泛應(yīng)用于功率小于100kW 的現(xiàn)代電動汽車上。在國外已有越來越多的電動汽車采用性能先進的電動輪（又稱輪轂電機），它用電機直接驅(qū)動車輪，因此無傳統(tǒng)汽車的變速器、傳動軸、驅(qū)動橋等復(fù)雜的機械傳動部件，汽車結(jié)構(gòu)大大簡化。但是它要求電機在低轉(zhuǎn)速下有很大的轉(zhuǎn)矩， 特別是對于軍用越野車，要求電機基點轉(zhuǎn)速，最高轉(zhuǎn)速為1比10。近幾年，美、英、法、德等國紛紛將電動輪技術(shù)應(yīng)用于軍用越野車和輕型坦克上，并取得了重大成果。

另外，控制器技術(shù)的變速和方向變換是靠電動機調(diào)速控制裝置來完成的，其原理是通過控制電動機的電壓和電流來實現(xiàn)電動機的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩和旋轉(zhuǎn)方向的控制。目前電動汽車上應(yīng)用較廣泛的是晶閘管斬波調(diào)速，通過均勻改變電機的端電壓，控制電機的電流，來實現(xiàn)電機的無級調(diào)速。在電子電力技術(shù)的不斷發(fā)展中，它也逐漸被其他電力晶體管斬波調(diào)速裝置所取代。從技術(shù)的發(fā)展來看，伴隨著新型驅(qū)動電機的應(yīng)用，電動汽車的調(diào)速控制轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷髂孀兗夹g(shù)的應(yīng)用將成為必然的趨勢。

5 燃料電動汽車與純電動汽車比較

純電動汽車就是用電力作為動力來驅(qū)動的汽車。這里不包括混合動力車，特指純粹使用電力來驅(qū)動，同時在行使過程中不需要隨時有線接通電源的汽車。與氫燃料電池汽車相比，從原理的角度講，氫燃料電池汽車的最終也是用電能驅(qū)動電動機，因此，與電動汽車相比僅僅是能量的載體有所不同；而從節(jié)能的角度講，盡量減少能量轉(zhuǎn)換次數(shù)更加為理想；從工業(yè)發(fā)展的角度來講，“機械驅(qū)動”向“電氣驅(qū)動”符合科學(xué)技術(shù)發(fā)展的方向；從發(fā)展的眼光看，電動汽車為將來無線傳送電力預(yù)留了發(fā)展的空間。因此，燃料電池汽車在成本和整體性能上，特別是行程和補充燃料時間上明顯優(yōu)于其他電池的電動汽車，并且燃料電池所用的燃科來源廣泛，又可再生，并可實現(xiàn)無污染、零排放等環(huán)保標準。所以燃料電池汽車已成為世界各大汽車公司21 世紀初激烈競爭的焦點。

6 結(jié)束語

本文通過對燃料電池汽車的研究，主要探討了燃料電動汽車的三大關(guān)鍵技術(shù)：電池技術(shù)、電機技術(shù)和控制器技術(shù)，其中著重論述了燃料電池的工作原理和分類，又通過與純電動汽車的比較，從中得出燃料電動汽車的未來發(fā)展前景。

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]