详解燃料电池汽车结构与特点

燃料电池汽车按燃料种类可分为：

 

1、以纯氢气为燃料的燃料电池汽车；2、以天然气，汽油等富含氢原子的烃类物质经改质后产生的氢气为燃料的燃料电池汽车。

 

按电源系统的配置不同可分为：

 

1.燃料电池直接驱动型；2.燃料电池与蓄电池混合电源型；3.燃料电池与超级电容器混合电源型；4.燃料电池与蓄电池及超级电容多电源型。第一种由于效率较低，一般很少使用。现在的主流燃料电池汽车一般均使用第2，3，4三种能量供应方式。本文下面将以Honda FCX Clarity为例（采用燃料电池与辅助电池作为车辆能源）简要介绍燃料电动汽车结构。

 

2007年，本田（Honda）发布了其旗下的首款市场化的氢氧燃料电池汽车-Honda FCX Clarity, 一款真正体现了绿色、节能与环保的汽车。2010年本田发布了其旗下的新一代FCX Clarity，但考虑到昂贵的价格以及燃料供应的问题，FCX现在只在日本以及美国的少数地区租赁销售。FCX在租赁期间，包括保养费及保险费在内的租金将是三年每月600美元。

 

2010年本田推出了新一代的FCX Clarity,在燃料电池技术，以及整车的细节设计上都有了较大的改进。

 

FCX Clarity采用氢气作为车辆燃料电池的能源，从图2-1可以看到，Honda FCX

 

Clarity可以通过加氢站向车辆添加燃料，具Honda官方数据，Honda FCX Clarity在一次加满燃料时，可以连续行驶570Km，最高时速更是达到了160Km/h。【2】远非一般的电动汽车可比，普通的蓄电池电动汽车由于受制于电池本身结构的限制，存储的能量有限，严重限制了电动汽车的续航里程，现在市售的典型纯电动汽车，如2011年10月26日，在深圳正式上市的定名为e6先行者（图1-3）的比亚迪纯电动车，售价达36.98万，一次充满电后最多仅可以一次行驶300多公里。最高时速也仅仅可以达到140Km/h.仅仅从技术指标来看，燃料电池汽车具有一般电动汽车无法比拟的优势。

 

Honda FCX Clarity动力系统结构主要由动力控制单元（Power Control Unit），燃料储气罐（Hydrogen Storage Tank），电动机（Electric Motor）,燃料电池堆（Fuel Cell Stack ），高功率的电池（High-Output Battery）等五部分组成。

 

（2）小型轻量化燃料电池堆 “V Flow FC Stack”

 

Honda FCX Clarity采用了Honda新开发的新一代的小型轻量化燃料电池堆“V Flow FC Stack”，采用金属冲压隔片构造，一概以往的用螺母固定碳素分隔片的复杂结构，将所用的部件数量减少为原来的1/2，功率密度却提高了两倍以上，达到了世界一流的高性能水平【3】。同时，由于采用了新开发的芳香型电解质膜，大大提高了电池系统的可靠性与耐用度。Honda同时采用了Honda独创的氢气和空气竖直流动的“V Flow电池单元构造”，并且采用使氢气和空气波状流动的“波状隔板”，和上一代产品相比相比，性能有了飞跃性提高，并实现了轻质化和小型化。新型燃料电池堆的最高功率提升至100kW，与上一代燃料电池堆相比，体积功率密度提高50%，重量功率密度提高67%。低温启动性能的提升使得燃料电池可以在零下30摄氏度的环境下正常工作。

 

全新的电池堆结构

 

Honda FCX Clarity采用全新的氢气与废水呈垂直方向流动的电池堆结构，使得V型平台电池堆的外形更加紧凑，相比传统的水平放置的电池堆结构（氢气与氧气同废水呈水平流动），可以有效降低汽车的整体高度，有利于车辆的紧凑化与小型化。

 

2. V Flow单元结构

 

 

V Flow单元结构展现了Honda革命性的设计，它通过是氢气与氧气纵向流动，使得生成的水可以在重力的作用下稳定而且顺畅的排出，并由此可以防止生成的水停留在发电层面上，以确保发电的持续稳定性。另外，纵向的气体流动通道可以使得氢气与氧气的流通更加顺畅，从而是流动通道深度减少17%，使电池的单元结构更薄,电池堆体积更小。

 

3. Wave通道隔离板

 

Honda创新设计的Wave隔板（图2-7）使得氢气与空气的流动通道呈Wave型（波浪形状），冷却介质则沿着横向流动，采用Wave隔板设计气体流动通道与以往采用直线通道设计的电池组相比，延长了近一米的长度【4】，而且可以改变氢气与氧气的流动方向，提高空气与氢气的扩散性。同时，冷却介质的横向布置可以扩大

 

 

氢气与空气的通道，最终使得发电能力比以上一代的Honda FCX Clarity 提高了10%。另外，冷却介质的横向流动还保持了良好的冷却效果，避免了以往电池单元之间所必须的冷却层，大大减轻了电池的重量（可减轻近30%，积层长度缩短30%）【5】，达到了极佳的小型化效果。

 

（3）新型永磁电机

 

FCX Clarity采用全新的功率达100kW的新型永磁同步电机（图2-8），与上一代相比，整体动力单元的重量功率密度提高1倍，体积功率密度提高1.2倍，实现了轻质小型化和高功率的高度统一。此外，节能性提高20%，续航里程提高30%。

 

 

永磁电机结构特点

 

本田FCX所使用的电动机是一款永磁同步电动机，其与普通的电动机相比，永磁同步电动机装有转自永磁体位置检测器，用来检测磁极位置，并以此对电枢电流进行控制，达到对永磁同步电动机驱动控制的目的。

 

永磁同步电机相比于其它电动机的优势则主要表现在因为永磁体取代了绕组，所以结构更加简单且可靠；因为电机转速与电源频率保持同步关系，所以通过控制电源就可以控制电动机转速。再加上体积小、质量小并且结构坚固等特点，以及相对而言较低的成本，使得永磁同步电机十分适合在电动汽车上应用。

 

同时，永磁电机由于永磁体无需电流励磁，转子没有损耗，提高了电机效率；同时因取消了滑环和电刷，简化了转子结构，提高了电机的可靠性。但电机必须由变频器供电加上转子位置检测闭环控制系统才能运行。

 

当反电势和供电电流的波形都是正弦波时，称为永磁同步电动机(PMSM)，它与电励磁同步电动机有相似的内部电磁关系。当反电势和供电电流的波形都是矩形波时，称为矩形波永磁同步电动机，其内部的电磁过程和直流电动机类似，因此又称为无刷直流电动机（BLDC）。

 

 

 

从图2-9分析可得相同功率下，永磁同步电机的效率明显高于异步电机，而润滑油脂的数量使用的也较异步电机小。

 

（4）高性能锂离子电池

 

Honda FCX Clarity氢氧燃料电池汽车采用了一块高性能的聚合物锂离子电池作为汽车的辅助能源（工作电压为288伏的锂离子电池）。 Honda FCX Clarity采用了可插电的设计，可以允许在车辆不用时通过普通的家用电源对锂离子电池进行充电。

 

Honda FCX Clarity允许车辆在低速时只依靠锂离子电池行驶，并且，可以通过刹车能量回收系统（可以将刹车时损失的部分动能转变成为电能）为锂离子电池进行再充电。同时，锂离子电池还可以为车辆的车辆电子系统提供电力。

 

（5）燃料存储装置

 

HondaFCX Clarity 采用高压氢气作为车辆的燃料，由于要存储大量的氢气以满足长距离行驶的燃料要求，HondaFCX Clarity采用容积为171L的高压气罐作为燃料存储装置，高压气罐可以承受的最高压力为350ATM，因此可以在有限的体积内存储尽量多的氢气。

 

综上所述，一般的燃料电池汽车主要由电动机系统，燃料电池系统以及燃料存储装置和传统的机械结构组成，其中燃料电池系统，燃料存储系统以及电机系统是车辆的核心。电机用于为车辆提供动力，燃料电池可以为车辆提供动力，储气罐为燃料电池提供能源，蓄电池或者超级电容作为电动机与燃料电池之间的能量缓冲装置，更有利于提高车辆的能量利用效率。

 

毫无疑问，燃料电池汽车与传统汽车，混合动力汽车以及纯电动汽车相比拥有很多优势。

 

1.清洁无污染。燃料电池汽车的运行过程中完全不排放污染物，只生成水，是完全意义上的“清洁汽车”。

 

2.燃料补充方便，快捷，续航力远超普通纯电动汽车。纯电动汽车充电时间较长，一次充电完成需要7~8小时，而且充满电后续航里程较短，常常不超过300km。而燃料电池汽车可以像传统的汽油汽车一样方便的补充燃料，而且充满燃料后一般的续航里程可达到400km以上，甚至超过了很多的传统的使用汽油的车辆。

 

3.效能高。燃料电池汽车有极高的能源利用效率。由于燃料电池本事就是一种效率极高的能量生成装置，加上车辆合理的设计（如再生制动系统的使用，辅助电池的应用），使得燃料电池汽车具有极高的能源利用效率。

 

4.动力性能优异。燃料电池可以持续稳定的输出电力，加上高性能电机的应用，使得燃料电池汽车具有极佳的动力性能。以奔驰B级紧凑型轿车F-Cell燃料电池型为例，其采用的同步电机最大输出功率可达100千瓦，峰值扭矩可达290牛米。动力系统的性能远超普通的2.0L自然吸气式汽油发动机，并且拥有良好的燃油经济性，其燃料消耗仅仅相当于每百公里耗油3.3升（价格上）。最高时速可达170公里/小时，仅比采用自然吸气引擎的奔驰B200低了26公里/小时。

 

三．燃料电池汽车发展概况

 

日本经济产业省前几年就对燃料电池汽车开发与推广制定了时间表，其战略目标是：到2010年，日本使用的燃料电池汽车达到 5万辆；2020年达到500万辆；到 2030年，要全面普及燃料电池汽车。近期，日本又计划在 5 年内斥资 2090 亿日元开发以天然气为原料的液体合成燃料技术、车用电池，以及氢燃料电池科技【7】。

 

2009年，美国政府正式宣布停止支持燃料电池电动车的研发。

 

2008年，欧盟决定斥资１０亿欧元用于燃料电池和氢能源的研究和发展。

 

中国政府大力支持燃料电池汽车以及纯电动汽车的研发与市场推广，2010年上海世博会期间，世博园区投入了196辆燃料电池公交车，取得了良好的运行效果。