◆文/河南 張雨

目前，相對成熟的新能源汽車是混合動力(PHEV)和電動汽車(BEV)。相比較而言，具有發(fā)展?jié)摿Φ钠囀菤淠茉慈剂想姵仄?FCEV)。本文在介紹燃料電池汽車的部件組成、燃料電池的工作原理的基礎上，以豐田Mirai和現(xiàn)代Nexo為例，介紹燃料電池汽車的基本架構和工作原理。

一、氫能源燃料電池汽車簡介

FCEV使用電力為電動機提供動力。與其他電動汽車相比，F(xiàn)CEV使用氫燃料電池發(fā)電，而不是僅從電池中獲取電力。在車輛設計過程中，車輛制造商通過電動機的尺寸來定義車輛的功率，電動機從適當尺寸的燃料電池和電池包中接收電力。盡管汽車制造商可以設計一種具有插電式功能的FCEV來為電池充電，但如今大多數(shù)FCEV都使用電池來回收制動能量，在短加速事件中提供額外的動力，并在低功率需求期間通過選擇怠速或關閉燃料電池來平滑燃料電池提供的動力。FCEV使用儲存在車輛燃料箱中的純氫氣作為燃料。與傳統(tǒng)的內燃機車類似，它們可以在不到4min的時間內加燃料，行駛里程超過500km。FCEV不產(chǎn)生有害尾氣排放，只排放水蒸汽和熱空氣。圖1顯示了氫燃料電池電動汽車的主要部件。

圖1 氫燃料電池電動汽車主要部件

(1)輔助蓄電池：在電動汽車中，在驅動蓄電池接合之前，低壓輔助蓄電池提供電力以啟動汽車；還為車輛附件提供動力。

(2)電池包：這種高壓電池儲存再生制動產(chǎn)生的能量，并為電力驅動電機提供補充電力。

(3)直流/直流(DC/DC)轉換器：該設備將動力電池包的高壓直流電轉換為運行車輛附件和為輔助電池充電所需的低壓直流電。

(4)電驅動電機：該電機利用燃料電池和動力電池包的電力驅動車輪。有些車輛使用一體式電機-發(fā)電機，同時執(zhí)行驅動和再生功能。

(5)燃料電池堆：一種使用氫氣和氧氣用來發(fā)電的組件。

(6)燃料加注口：燃料加注機上的一個噴嘴通過加注口連接到車輛上的插座上，用來給車輛加注燃料。

(7)燃料箱(氫氣)：將氫氣儲存在車上。

(8)FCEV電力電子控制器：該裝置管理燃料電池和動力電池輸送的電能，控制驅動電機的速度及其產(chǎn)生的扭矩。

(9)熱管理系統(tǒng)(冷卻)：該系統(tǒng)保持燃料電池、電動機、電力電子設備和其他部件的適當工作溫度范圍。

(10)變速器：變速器將電驅動電機的機械動力傳遞給車輪。

二、燃料電池(FC)的工作原理

上文提到，使用燃料電池發(fā)電的車輛被稱為燃料電池電動汽車(FCEV)。FCEV使用氫氣作為燃料，產(chǎn)生電能，為電動機供電，電機為車輛提供動力。FC是一種通過化學反應發(fā)電的電化學裝置，很像電池。燃料電池和電池的主要區(qū)別在于，只要提供燃料，燃料電池就可以發(fā)電，而電池則通過儲存的化學能發(fā)電，因此需要經(jīng)常充電。FC的工作原理如圖2所示，燃料電池組件如圖3所示。FC由類似于電池的陽極和陰極組成。提供給電池的燃料是氫氣和氧氣。燃料電池的概念與電解水相反，在FC中，氫和氧結合形成電和水。供應給燃料電池的氫燃料每個分子兩個以H2形式化學結合在一起的氫原子組成。這種分子包括兩個獨立的原子核，每個原子核含有一個質子，同時共享兩個電子。燃料電池將這些氫分子分解產(chǎn)生電能，這種反應發(fā)生在陽極。催化劑加速反應，電解質允許兩個氫離子(本質上是兩個單質子)通過放置在兩個電極之間的電解質移動到陰極。電子通過外部電路從陽極流到陰極，產(chǎn)生了電能。為了使整個電池反應完成，必須使氧氣或空氣通過陰極。陰極反應分兩個階段進行。首先，分子中兩個氧原子之間的鍵斷裂，然后每個電離的氧原子通過外部電路捕獲來自陽極的兩個電子，從而帶負電。帶負電的氧原子在陰極處被帶正電的氫原子平衡，生成水H2O。燃料電池反應的副產(chǎn)物是水，以蒸汽的形式與多余的氫一起離開電池。水蒸汽可以用來加熱車輛內部，但排出的氫氣對系統(tǒng)來說是一種浪費。單個電池是分開的，多個燃料電池“堆疊”，以產(chǎn)生足夠的電力。

圖2 燃料電池工作原理

圖3 燃料電池組件

有幾種不同類型的燃料電池，它們有各自的優(yōu)點和缺點。盡管較高的溫度會導致較高的反應速率，但對于車輛應用而言，較低的操作溫度是可取的。6種主要類型的燃料電池如下。

(1)堿性燃料電池。

(2)質子交換膜燃料電池。

(3)直接甲醇燃料電池。

(4)磷酸燃料電池。

(5)熔融碳酸鹽燃料電池。

(6)固體氧化物燃料電池。

在堿性燃料電池(AFC)中，使用氫氧化鉀(KOH)的水溶液作為電解質。與使用酸性電解質的一些其他燃料電池相比，堿性電解質的性能與酸性電解質一樣好，同時對電極的腐蝕性顯著降低。AFCs已在實際使用中長期提供高達60%的電氣效率。它們需要純氫作為燃料，在低溫(80℃)下運行，因此適用于車輛應用。余熱可用于加熱，但電池溫度不足以產(chǎn)生可用于熱電聯(lián)產(chǎn)的蒸汽。質子交換膜燃料電池(PEM)使用固體電解質，在低溫(約80℃)下運行。這些燃料電池也被稱為固體聚合物膜燃料電池。PEM燃料電池的電效率低于堿性電池(約40%)。然而，堅固和簡單的結構使這些類型的燃料電池非常適合車輛應用。PEM燃料電池和AFC是目前正在考慮用于車輛應用的兩種類型。PEM電池的優(yōu)點是，與AFC所需的純氫相比，它們可以容忍燃料中的雜質。許多汽車行業(yè)一直在探索使用甲醇、乙醇或汽油作為燃料，并將其轉化為燃料電池的氫氣。重整器是將碳氫化合物(如甲醇)分解為氫氣和其他副產(chǎn)品的燃料處理器。該方法的優(yōu)點是與氫氣相比，碳氫化合物燃料易于處理。不同類型燃料電池的比較見表1。

表1 不同類型的燃料電池

三、燃料電池電動汽車(FCEV)架構和基本工作原理

豐田Mirai燃料電池電動汽車(FCEV)主要部件如圖4所示，動力系統(tǒng)框圖如圖5所示，工作原理示意圖如圖6所示。FCEV由燃料存儲系統(tǒng)、燃料電池及其控制單元、動力處理單元及其控制器以及由電機和傳動系組成的驅動單元組成。燃料電池電動汽車的工作原理總結如下。

圖5 FCEV系統(tǒng)框圖

圖6 豐田Mirai FCEV工作原理示意圖

1.將來自儲罐的氫氣供應到燃料電池。

2.空氣也被供應到燃料電池。

3.氧氣和氫氣在燃料電池堆中結合以產(chǎn)生電力和水。FCEV中使用的最常見類型的燃料電池是質子交換膜燃料電池(PEMFC)，也稱為聚合物電解質膜(PEM)燃料電池。

4.通過反應產(chǎn)生的電被提供給電動機或電池。電池充當能量存儲器，為車輛提供加速時的額外能量，還可以從制動中捕獲再生能量，以提高車輛效率。

5.電機為車輪提供動力，水從車輛中排出。

典型的FCEV 乘用車在700bar(1bar=100MPa)的壓力下運行，車上有5kg氫氣。公共汽車或重型貨車等大型車輛有更多的可用空間來儲存燃料，因此通常采用350bar的儲存空間，使用更便宜的氣罐。一輛巴士在350bar的壓力下，在車頂安裝的氣瓶中儲存約25kg。典型的FCEV乘用車每行駛100km消耗1～1.4kg氫氣，車上儲存的氫氣不到10kg。重型貨車每100km可消耗約10 kg 氫氣，但儲存30～35kg氫氣。

圖7是FCEV系統(tǒng)架構簡略框圖，燃料電池輸出電壓比較低；DC/DC轉換器用于在將電壓饋送到電動機驅動器之前升壓和調節(jié)電壓。燃料電池和電動機之間的電力電子接口電路包括用于升壓的DC/DC轉換器、為AC電動機供電的DC/AC逆變器、用于控制的微處理器/數(shù)字信號處理器以及用于儲能的電池/電容器。圖7所示的高壓電池包直接與高壓直流鏈路連接，這需要電池包使用大量電池單元串聯(lián)在一起。也可以用雙向DC/DC轉換器鏈路連接低壓電池包和高壓直流母線。燃料電池的電力輸出饋入低壓直流母線，該母線也由電池包維持。這種帶有低壓電池包的FCEV架構如圖8所示。該架構與豐田Mirai和現(xiàn)代Nexo FCEV中使用的架構非常接近，組件規(guī)格也與Mirai相似?，F(xiàn)代Nexo FCEV系統(tǒng)架構如圖9所示。燃料電池堆的時間常數(shù)比電負載動態(tài)的時間常數(shù)慢得多。電池存儲系統(tǒng)需要在瞬態(tài)和過載情況下提供電力，以及吸收由于再生制動引起的能量反向流動。

圖7 燃料電池電動汽車架構1

圖8 燃料電池電動汽車架構2

圖9 現(xiàn)代Nexo FCEV動力傳動系統(tǒng)架構