燃料电池汽车未来如何？燃料电池结构及技术解读！
来源：宝鄂实业
2019-03-14 10:56
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燃料电池不仅可以解决锂电池续航里程焦虑及快速补充能源的问题，还可以提升化学能转化率及利用率，但却受制于电池成本、氢气储存安全及加氢基础设施三大因素，那么燃料电池汽车未来如何？
1、燃料电池结构如何？
燃料电池主要有电极、电解质膜和集电器三个部分组成，电极分为阳极和阴级，它是燃料发生氧化效应和氧化剂发生还原反应的电化学反应场所，其性能好坏取决于触媒性能、电极材料和电机制程,设计以多孔结构为主，以增加参与反应的电极面积;
电解质膜功能在于分隔氧化剂和还原剂，并传导离子，因此在兼顾强度同时越薄越好，当前技术厚度可达几十毫米至几百毫米不等，技术材质上有两个方向，其一是以石绵模、碳化硅膜、铝酸锂膜等绝缘材料制成多孔隔膜;其二是全氟磺酸树脂及YSZ：集电器则是用于收集电流，其性能取决于材料设计、流场设计及加工技术（本文属于原创，猫视汽车首发，转载请注明）。
2、燃料电池技术原理如何？
燃料电池是一种将化学能转为电能的装置，通过供给剂系统输入燃料气体和氧化剂气体，在电极发生阳极反应、阴极反应和电池反应，然后通过电解质膜传送电离子给集电器产生电流，由电能控制系统导出电流，由排水系统导出水，因此燃料电池通常需要配备相应的辅助系统才能工作，如反应剂供给系统、排热系统、排水系统、电能控制系统及安全装置等，其不同类别燃料电池反应如下：
3、燃料电池应用领域如何？
燃料电池最早应用于军事、空间及分散式发电厂，后期逐步扩展到机动车、移动设备及家庭用电等民用领域，AFC主要为航天飞机提供动力和饮用水，PEMFC用于交通动力及小型电源装置，PAFC则可作为中型电源商用，MCFC已完成工业试验阶段，SOFC则是燃料电池研发方向，也是未来大规模清洁发电站的首选。
燃料电池被大众所熟知，离不开能源政策及车企联合推动下的电动汽车应用，它在电池寿命、充气速度、化学能转化高效等方面优势，有效的解决锂电池续航里程的问题，特斯拉电动汽车目标就是锂电池和氢氧空气电池结合的混合动力汽车，其续航里程可达640公里，但是其在电池成本、氢气储存安全性及充气基础设施的不足明显（本文属于原创，猫视汽车首发，转载请注明）。
4、燃料电池汽车未来如何？
根据国际能源署展望，欧美日韩为了实现2度的温控目标，2050年燃料电池汽车保有量将达到1亿台，占比约30%，日韩车企已经在2013-2016率先推出量产燃料电池汽车车型，欧美车企则预计在2018年推出量产燃料电池汽车车型，全球燃料电池汽车拐点将于2020-2025年出现。
我国燃料电池在2016-2020的发展可借鉴2009-2014锂电池的发展路径，技术由不成熟接近商用，成本有大幅下降的空间，产业推广有示范运行过渡到商业推广，预计2017年的燃料电池汽车产销量可达1000台，到2020年保有量可达1.5万台，对应市场规模为60-70亿元，包括电池、电机、电控、整车、氢瓶及上游的制氢基础建设
新能源汽车动力电池作为汽车的动力源，其充电、放电的发热会一直存在。动力电池的性能和电池温度密切相关。
为了尽可能延长动力电池的使用寿命并获得最大功率，需在规定温度范围内使用蓄电池。原则上在-40℃至+55℃范围内（实际电池温度）动力电池单元处于可运行状态。因此目前新能源的动力电池单元都装有冷却装置。
动力电池冷却系统有空调循环冷却式、水冷式和风冷式。
1.空调循环冷却式
在高端电动汽车中动力电池内部有与空调系统连通的制冷剂循环回路。BMW X1 xDrive 25Le（F49 PHEV）插电式混动车型动力电池冷却系统如下图所示。
动力电池单元直接通过冷却液进行冷却，冷却液循环回路与制冷剂循环回路通过冷却液制冷剂热交换器（即冷却单元）连接。因此，空调系统制冷剂循环回路由两个并联支路构成。一个用于冷却车内空间，一个用于冷却动力电池单元。两个支路各有一个膨胀和截止组合阀，两个相互独立的冷却系统图示如下图所示。
电动冷却液泵通过冷却液循环回路输送冷却液。只要冷却液的温度低于电池模块，仅利用冷却液的循环流动便可冷却电池模块。冷却液温度上升，不足以使电池模块的温度保持在预期范围内。
因此必须要降低冷却液的温度，需借助冷却液制冷剂热交换器（即冷却单元）。这是介于动力电池冷却液循环回路与空调系统制冷剂循环回路之间的接口。
如冷却单元上的膨胀和截止组合阀使用电气方式启用并打开，液态制冷剂将流入冷却单元并蒸发。这样可吸收环境空气热量，因此也是一种流经冷却液循环回路的冷却液。电动空调压缩机（EKK）再次压缩制冷剂并输送至电容器，制冷剂在此重新变为液体状态。因此制冷剂可再次吸收热量。
为了确保冷却液通道排出电池模块热量，必须以均匀分布的作用力将冷却通道整个平面压到电池模块上。通过嵌入冷却液通道的弹簧条产生该压紧力。针对电池模块几何形状和下半部分壳体对弹簧条进行了相应调节。
热交换器的弹簧条支撑在高电压蓄电池单元的壳体下部件上，从而将冷却液通道压到电池模块上。
动力电池单元冷却液循环回路内的电动冷却液泵额定功率为50W。电动冷却液泵利用冷却单元上的支架固定，其安装于动力电池的右后角。
冷却液膨胀箱和冷却液管路如下图所示。
水冷式动力电池冷却系统是使用特殊的冷却液在动力电池内部的冷却液管路中流动，将动力电池产生的热量传递给冷却液，从而降低动力电池的温度。下面以荣威E50电动汽车为例介绍动力水冷式冷却系统。
荣威E50冷却系统分为2个独立的系统，分别是逆变器（PEB）/驱动电动机冷却系统、高压电池包冷却系统（ESS）。
荣威E50动力电池冷却系统结构如下图所示，主要有膨胀水箱、软管、冷却水泵、电池冷却器等组成。
冷却系统利用热传导的原理，通过冷却液在各个独立的冷却系统回路中循环，使驱动电动机、逆变器（PEB）和动力电池包保持在最佳的工作温度。冷却液是50%的水和50%的有机酸技术（OAT）的混合物。冷却液要定期更换才能保持其最佳效率和耐腐蚀性。
膨胀水箱装有泄压阀，安装在逆变器（PEB）托盘上，溢流管连接到电池冷却器的出液管上，出液管连接在冷却水管三通上。膨胀水箱外部带有“MAX”和“MIN”刻度标示，便于观察冷却液液位。
橡胶冷却液软管在各组件间传送冷却液，弹簧卡箍将软管固定到各组件上。动力电池冷却系统（ESS）软管布置在前舱内和后地板总成下。
动力电池冷却系统冷却液泵通过安装支架，并由2个螺栓固定在车身底盘上，经由其运转来循环高压电池包冷却系统。
电池冷却器（Chiller）是动力电池冷却系统的一个关键部件，它负责将动力电池维持在一个适当的工作温度，使动力电池的放电性能处于最佳状态。电池冷却器（Chiller）主要由热交换器，带电磁阀的膨胀阀（TXV），管路接口和支架组成。热交换器主要用于动力电池冷却液和制冷系统的制冷剂的热交换，将动力电池冷却液中的热量转移到制冷剂中。
动力电池冷却系统冷却液循环如下图所示。
BMS负责控制电动水泵，电动水泵会在高压电池包温度上升到32.5℃时开启，在温度低于27.5℃时关闭，BMS发出要求电池冷却器膨胀阀关闭和水泵运转的信号。
ETC收到来自BMS的膨胀阀电磁阀开启的信号要求，ETC首先打开电池冷却器（Chiller）膨胀阀的电磁阀，并给EAC发启动信号。高压电池组最适宜温度值为20℃~30℃。
正常工作时，当高压电池组的冷却液温度在30℃以上时，ETC会限制乘客舱制冷量，冷却液温度在48℃以上，ETC会关闭乘客舱制冷功能，但除霜模式除外。
ETC只控制冷却液温度。BMS控制冷却液与BMS高压电池包内部的热量交换。
当车辆进入快速充电模式时，ETC会被网关模块唤醒，此时高压电池包冷却系统进入正常工作状态。
