隨著世界經(jīng)濟與人口的快速增長，人們對石油等資源的需求越來越大。傳統(tǒng)的化石燃料正面臨枯竭的危險，同時，石油等資源的利用也不可避免的帶來環(huán)境的污染，為了給子孫后代的創(chuàng)造可持續(xù)的發(fā)展環(huán)境，我們急需發(fā)展一種全新的“清潔”汽車。燃料電池汽車作為一種理想的傳統(tǒng)汽車替代方案有著其固有的優(yōu)勢，本文將以典型的燃料電池汽車為例，闡述燃料電池汽車的主要結(jié)構(gòu)，技術(shù)特點。并將對燃料電池汽車的發(fā)展進行概括。

一：燃料電池概述：

燃料電池（Fuel cell），是一種通過氧化還原反應(yīng)將燃料（氫氣）轉(zhuǎn)換成電力的裝置，最早由英國物理學(xué)家威廉·格魯夫爵士發(fā)明，由于燃料電池具有質(zhì)量能量密度高、能量輸出穩(wěn)定、可靠性高、不產(chǎn)生有害排放物（一般只生成水）、使用成本低廉等優(yōu)點，燃料電池獲得了較快的發(fā)展。

工作原理：

圖1-1

由圖1-1可知：燃料（氫氣）進入氣體通道到達陽極（Anode），在鉑催化劑的作用下，發(fā)生陽極反應(yīng)：

然后氫離子通過電解質(zhì)薄膜（Electrolyte Membrane）到達陰極（Cathode）。同時，氧化劑（氧氣）通過氣體通道到達陰極，與通過電解質(zhì)薄膜到達陰極的H+在催化劑作用下發(fā)生陰極反應(yīng)：

反應(yīng)過程結(jié)束，產(chǎn)生電能以及副產(chǎn)物水。

圖1-2

2）特點

燃料電池的諸多優(yōu)點使得其在汽車上有廣泛的應(yīng)用前景，燃料電池有很多的優(yōu)點：

1.燃料電池的能量轉(zhuǎn)換效率高。

由于燃料電池采用電化學(xué)反應(yīng)，與內(nèi)燃機的氣體膨脹做功方式不同。燃料電池的能量轉(zhuǎn)換過程中不涉及燃燒，理論轉(zhuǎn)換效率高達100%（但由于電化學(xué)反應(yīng)也不可避免的要生成熱量，實際效率一般為60%~80%），使用效率更可達普通內(nèi)燃機的2－3倍。

2.真正清潔無污染

由燃料電池的工作方式看，燃料電池對環(huán)境無污染。燃料電池是通過電化學(xué)反應(yīng),而不是采用燃燒（化石燃料）或儲能(蓄電池)方式輸出能量。燃燒會釋放如CO2、NO2、SO2等溫室與有害氣體以及粉塵等污染物。相對而言，燃料電池正常工作時只產(chǎn)生水和熱（產(chǎn)熱很小）。如果氫是通過可再生能源產(chǎn)生的，那么就可以做到真正的清潔無污染。

雖然蓄電池工作過程中也不產(chǎn)生環(huán)境污染，但是蓄電池的制造過程一般會對環(huán)境造成較大的負面，例如市面上采用最為廣泛的聚合物鋰離子電池、鎳氫蓄電池等可充電電池，在生產(chǎn)時要用到鎳、鋰等難煉制金屬，而且鎳、鋰礦的開采以及鎳、鋰（鋰是極活潑元素）的提取需要耗費巨大的資源，間接造成了環(huán)境的污染。

3.安靜無噪聲

燃料電池運行安靜,沒有機械運動部件，噪聲大約只有55dB,僅僅相當(dāng)于人們正常交談的水平。

4．能量密度高，功率輸出平穩(wěn)

通過改變?nèi)剂想姵氐姆磻?yīng)條件，甚至可以瞬時將輸出功率提高到額定功率的200%。

5.燃料補充方便：

可以以氫氣、甲醇、天然氣等作為資源，可以方便的利用現(xiàn)成的加油站系統(tǒng)改造燃料電池汽車所需的加氫站，加氣站。

3）存在的問題：

雖然燃料電池系統(tǒng)有很多的優(yōu)點，仍然存在不少不足。

最主要的問題就是過高的成本，由于燃料電池需要用昂貴的鉑催化劑，造成燃料電池的成本一直居高不下，雖然最近幾年隨著國際社會加大了對燃料電池的開發(fā)力度，使得成本有所下降，但是較高的成本依然是燃料電池技術(shù)廣泛普及的最大障礙。

其次，燃料電池的燃料-氫氣的儲藏與制備技術(shù)仍不成熟。大規(guī)模的制造氫氣仍然一定的問題。

4）與普通蓄電池的區(qū)別

1.燃料電池是將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置（嚴(yán)格意義上講燃料電池不是電池，只是一個能量生成裝置）。但燃料電池在產(chǎn)生電能時，參加電化學(xué)反應(yīng)的燃料在經(jīng)過反應(yīng)后，被不斷地消耗且生成不可重新利用的反應(yīng)物。因此，燃料電池需要不斷地輸入燃料。燃料電池的技術(shù)性能確定后，只要源源不絕地供給燃料，就可以源源不絕地產(chǎn)生電能，其放電特性是連續(xù)進行的，但是燃料電池不可以充電。

2.普通蓄電池是一種能量儲存裝置，只存儲電能，不產(chǎn)生電能。蓄電池的活性物質(zhì)隨蓄電池的充電和放電反復(fù)進行可逆性化學(xué)變化，活性物質(zhì)一般不會產(chǎn)生消耗。普通蓄電池的技術(shù)性能確定后，必須先充電，將電能儲存到電池中，才能在工作時輸出電能，而且在電能消耗完后，必須在重復(fù)充電后才可能重復(fù)使用，其放電特性是循環(huán)進行的，而且使用壽命一般與燃料電池相比較短。

二.燃料電池汽車結(jié)構(gòu)與特點

燃料電池汽車按燃料種類可分為：

1、以純氫氣為燃料的燃料電池汽車；2、以天然氣，汽油等富含氫原子的烴類物質(zhì)經(jīng)改質(zhì)后產(chǎn)生的氫氣為燃料的燃料電池汽車。

按電源系統(tǒng)的配置不同可分為：

1.燃料電池直接驅(qū)動型；2.燃料電池與蓄電池混合電源型；3.燃料電池與超級電容器混合電源型；4.燃料電池與蓄電池及超級電容多電源型。第一種由于效率較低，一般很少使用。現(xiàn)在的主流燃料電池汽車一般均使用第2，3，4三種能量供應(yīng)方式。本文下面將以Honda FCX Clarity為例（采用燃料電池與輔助電池作為車輛能源）簡要介紹燃料電動汽車結(jié)構(gòu)。

2007年，本田（Honda）發(fā)布了其旗下的首款市場化的氫氧燃料電池汽車-Honda FCX Clarity, 一款真正體現(xiàn)了綠色、節(jié)能與環(huán)保的汽車。2010年本田發(fā)布了其旗下的新一代FCX Clarity，但考慮到昂貴的價格以及燃料供應(yīng)的問題，F(xiàn)CX現(xiàn)在只在日本以及美國的少數(shù)地區(qū)租賃銷售。FCX在租賃期間，包括保養(yǎng)費及保險費在內(nèi)的租金將是三年每月600美元。

2010年本田推出了新一代的FCX Clarity,在燃料電池技術(shù)，以及整車的細節(jié)設(shè)計上都有了較大的改進。

圖1-1：2010 Honda FCX Clarity

FCX Clarity采用氫氣作為車輛燃料電池的能源，從圖2-1可以看到，Honda FCX

Clarity可以通過加氫站向車輛添加燃料，具Honda官方數(shù)據(jù)，Honda FCX Clarity在一次加滿燃料時，可以連續(xù)行駛570Km，最高時速更是達到了160Km/h。【2】遠非一般的電動汽車可比，普通的蓄電池電動汽車由于受制于電池本身結(jié)構(gòu)的限制，存儲的能量有限，嚴(yán)重限制了電動汽車的續(xù)航里程，現(xiàn)在市售的典型純電動汽車，如2011年10月26日，在深圳正式上市的定名為e6先行者（圖1-3）的比亞迪純電動車，售價達36.98萬，一次充滿電后最多僅可以一次行駛300多公里。最高時速也僅僅可以達到140Km/h.僅僅從技術(shù)指標(biāo)來看，燃料電池汽車具有一般電動汽車無法比擬的優(yōu)勢。

圖2-2

圖2-3比亞迪e6

（1）車輛概況

圖2-4 Honda FCX Clarity技術(shù)規(guī)格

Honda FCX Clarity動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由動力控制單元（Power Control Unit），燃料儲氣罐（Hydrogen Storage Tank），電動機（Electric Motor）,燃料電池堆（Fuel Cell Stack ），高功率的電池（High-Output Battery）等五部分組成。

圖2-5 Honda FCX Clarity的剖視圖

（2）小型輕量化燃料電池堆 “V Flow FC Stack”

Honda FCX Clarity采用了Honda新開發(fā)的新一代的小型輕量化燃料電池堆“V Flow FC Stack”，采用金屬沖壓隔片構(gòu)造，一概以往的用螺母固定碳素分隔片的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，將所用的部件數(shù)量減少為原來的1/2，功率密度卻提高了兩倍以上，達到了世界一流的高性能水平【3】。同時，由于采用了新開發(fā)的芳香型電解質(zhì)膜，大大提高了電池系統(tǒng)的可靠性與耐用度。Honda同時采用了Honda獨創(chuàng)的氫氣和空氣豎直流動的“V Flow電池單元構(gòu)造”，并且采用使氫氣和空氣波狀流動的“波狀隔板”，和上一代產(chǎn)品相比相比，性能有了飛躍性提高，并實現(xiàn)了輕質(zhì)化和小型化。新型燃料電池堆的最高功率提升至100kW，與上一代燃料電池堆相比，體積功率密度提高50%，重量功率密度提高67%。低溫啟動性能的提升使得燃料電池可以在零下30攝氏度的環(huán)境下正常工作。

全新的電池堆結(jié)構(gòu)

Honda FCX Clarity采用全新的氫氣與廢水呈垂直方向流動的電池堆結(jié)構(gòu)，使得V型平臺電池堆的外形更加緊湊，相比傳統(tǒng)的水平放置的電池堆結(jié)構(gòu)（氫氣與氧氣同廢水呈水平流動），可以有效降低汽車的整體高度，有利于車輛的緊湊化與小型化。

2. V Flow單元結(jié)構(gòu)

圖2-6 Honda FCX Clarity的燃料電池組

V Flow單元結(jié)構(gòu)展現(xiàn)了Honda革命性的設(shè)計，它通過是氫氣與氧氣縱向流動，使得生成的水可以在重力的作用下穩(wěn)定而且順暢的排出，并由此可以防止生成的水停留在發(fā)電層面上，以確保發(fā)電的持續(xù)穩(wěn)定性。另外，縱向的氣體流動通道可以使得氫氣與氧氣的流通更加順暢，從而是流動通道深度減少17%，使電池的單元結(jié)構(gòu)更薄,電池堆體積更小。

3.Wave通道隔離板

Honda創(chuàng)新設(shè)計的Wave隔板（圖2-7）使得氫氣與空氣的流動通道呈Wave型（波浪形狀），冷卻介質(zhì)則沿著橫向流動，采用Wave隔板設(shè)計氣體流動通道與以往采用直線通道設(shè)計的電池組相比，延長了近一米的長度【4】，而且可以改變氫氣與氧氣的流動方向，提高空氣與氫氣的擴散性。同時，冷卻介質(zhì)的橫向布置可以擴大

圖2-7 Wave通道隔離板

氫氣與空氣的通道，最終使得發(fā)電能力比以上一代的Honda FCX Clarity 提高了10%。另外，冷卻介質(zhì)的橫向流動還保持了良好的冷卻效果，避免了以往電池單元之間所必須的冷卻層，大大減輕了電池的重量（可減輕近30%，積層長度縮短30%）【5】，達到了極佳的小型化效果。

（3）新型永磁電機

FCX Clarity采用全新的功率達100kW的新型永磁同步電機（圖2-8），與上一代相比，整體動力單元的重量功率密度提高1倍，體積功率密度提高1.2倍，實現(xiàn)了輕質(zhì)小型化和高功率的高度統(tǒng)一。此外，節(jié)能性提高20%，續(xù)航里程提高30%。

圖2-8 Honda FCX Clarity永磁同步電動機

永磁電機結(jié)構(gòu)特點

本田FCX所使用的電動機是一款永磁同步電動機，其與普通的電動機相比，永磁同步電動機裝有轉(zhuǎn)自永磁體位置檢測器，用來檢測磁極位置，并以此對電樞電流進行控制，達到對永磁同步電動機驅(qū)動控制的目的。

永磁同步電機相比于其它電動機的優(yōu)勢則主要表現(xiàn)在因為永磁體取代了繞組，所以結(jié)構(gòu)更加簡單且可靠；因為電機轉(zhuǎn)速與電源頻率保持同步關(guān)系，所以通過控制電源就可以控制電動機轉(zhuǎn)速。再加上體積小、質(zhì)量小并且結(jié)構(gòu)堅固等特點，以及相對而言較低的成本，使得永磁同步電機十分適合在電動汽車上應(yīng)用。

同時，永磁電機由于永磁體無需電流勵磁，轉(zhuǎn)子沒有損耗，提高了電機效率；同時因取消了滑環(huán)和電刷，簡化了轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，提高了電機的可靠性。但電機必須由變頻器供電加上轉(zhuǎn)子位置檢測閉環(huán)控制系統(tǒng)才能運行。

當(dāng)反電勢和供電電流的波形都是正弦波時，稱為永磁同步電動機(PMSM)，它與電勵磁同步電動機有相似的內(nèi)部電磁關(guān)系。當(dāng)反電勢和供電電流的波形都是矩形波時，稱為矩形波永磁同步電動機，其內(nèi)部的電磁過程和直流電動機類似，因此又稱為無刷直流電動機（BLDC）。

圖2-9【6】永磁同步電機與異步電機性能比較

從圖2-9分析可得相同功率下，永磁同步電機的效率明顯高于異步電機，而潤滑油脂的數(shù)量使用的也較異步電機小。

（4）高性能鋰離子電池

Honda FCX Clarity氫氧燃料電池汽車采用了一塊高性能的聚合物鋰離子電池作為汽車的輔助能源（工作電壓為288伏的鋰離子電池）。 Honda FCX Clarity采用了可插電的設(shè)計，可以允許在車輛不用時通過普通的家用電源對鋰離子電池進行充電。

Honda FCX Clarity允許車輛在低速時只依靠鋰離子電池行駛，并且，可以通過剎車能量回收系統(tǒng)（可以將剎車時損失的部分動能轉(zhuǎn)變成為電能）為鋰離子電池進行再充電。同時，鋰離子電池還可以為車輛的車輛電子系統(tǒng)提供電力。

（5）燃料存儲裝置

HondaFCX Clarity 采用高壓氫氣作為車輛的燃料，由于要存儲大量的氫氣以滿足長距離行駛的燃料要求，HondaFCX Clarity采用容積為171L的高壓氣罐作為燃料存儲裝置，高壓氣罐可以承受的最高壓力為350ATM，因此可以在有限的體積內(nèi)存儲盡量多的氫氣。

綜上所述，一般的燃料電池汽車主要由電動機系統(tǒng)，燃料電池系統(tǒng)以及燃料存儲裝置和傳統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)組成，其中燃料電池系統(tǒng)，燃料存儲系統(tǒng)以及電機系統(tǒng)是車輛的核心。電機用于為車輛提供動力，燃料電池可以為車輛提供動力，儲氣罐為燃料電池提供能源，蓄電池或者超級電容作為電動機與燃料電池之間的能量緩沖裝置，更有利于提高車輛的能量利用效率。

毫無疑問，燃料電池汽車與傳統(tǒng)汽車，混合動力汽車以及純電動汽車相比擁有很多優(yōu)勢。

1.清潔無污染。燃料電池汽車的運行過程中完全不排放污染物，只生成水，是完全意義上的“清潔汽車”。

2.燃料補充方便，快捷，續(xù)航力遠超普通純電動汽車。純電動汽車充電時間較長，一次充電完成需要7~8小時，而且充滿電后續(xù)航里程較短，常常不超過300km。而燃料電池汽車可以像傳統(tǒng)的汽油汽車一樣方便的補充燃料，而且充滿燃料后一般的續(xù)航里程可達到400km以上，甚至超過了很多的傳統(tǒng)的使用汽油的車輛。

3.效能高。燃料電池汽車有極高的能源利用效率。由于燃料電池本事就是一種效率極高的能量生成裝置，加上車輛合理的設(shè)計（如再生制動系統(tǒng)的使用，輔助電池的應(yīng)用），使得燃料電池汽車具有極高的能源利用效率。

4.動力性能優(yōu)異。燃料電池可以持續(xù)穩(wěn)定的輸出電力，加上高性能電機的應(yīng)用，使得燃料電池汽車具有極佳的動力性能。以奔馳B級緊湊型轎車F-Cell燃料電池型為例，其采用的同步電機最大輸出功率可達100千瓦，峰值扭矩可達290牛米。動力系統(tǒng)的性能遠超普通的2.0L自然吸氣式汽油發(fā)動機，并且擁有良好的燃油經(jīng)濟性，其燃料消耗僅僅相當(dāng)于每百公里耗油3.3升（價格上）。最高時速可達170公里/小時，僅比采用自然吸氣引擎的奔馳B200低了26公里/小時。

三．燃料電池汽車發(fā)展概況

日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省前幾年就對燃料電池汽車開發(fā)與推廣制定了時間表，其戰(zhàn)略目標(biāo)是：到2010年，日本使用的燃料電池汽車達到 5萬輛；2020年達到500萬輛；到 2030年，要全面普及燃料電池汽車。近期，日本又計劃在 5 年內(nèi)斥資 2090 億日元開發(fā)以天然氣為原料的液體合成燃料技術(shù)、車用電池，以及氫燃料電池科技【7】。

2009年，美國政府正式宣布停止支持燃料電池電動車的研發(fā)。

2008年，歐盟決定斥資１０億歐元用于燃料電池和氫能源的研究和發(fā)展。

中國政府大力支持燃料電池汽車以及純電動汽車的研發(fā)與市場推廣，2010年上海世博會期間，世博園區(qū)投入了196輛燃料電池公交車，取得了良好的運行效果。

（1）各大汽車廠商的參與

雖然各國政府對燃料電池汽車的熱情不盡相同，但是世界各大汽車廠商推入了巨大的熱情進行了燃料電池車輛方面的研究，有很多已經(jīng)開發(fā)出了實用化的燃料電池汽車。其中，戴姆勒—奔馳、福特汽車、通用汽車、本田、雷諾、日產(chǎn)和豐田汽車均已走在了世界的前列。

1.德國戴姆勒—奔馳公司——奔馳B 級F—CELL

奔馳B級F-CELL以奔馳 B車為基礎(chǔ)，搭載氫燃料電池驅(qū)動系統(tǒng)，只需加注氫燃料，可以通過車內(nèi)燃料電池裝置迅速將燃料轉(zhuǎn)化成電能，加滿氫燃料的過程僅需 3 分鐘。設(shè)計師把它的氫燃料罐和燃料電池設(shè)計成獨特的夾層結(jié)構(gòu)，可以大大提高車輛的可用空間。該車一次加滿燃料的續(xù)航能力達 400 公里。

2.豐田——Mark X Zio 氫燃料電池車

豐田汽車曾宣布與美國薩凡納河國家實驗室 （SRNL： Savannah River National Laboratory）以及可再生能源實驗室（NREL：National Renewable Energy Laboratory）共同實施了燃料電池車“Highlander FCHV-adv”的公路實驗。實驗結(jié)果表明，該車的續(xù)航距離可達到 693km。該車充滿燃料可行駛 780 公里，燃料效率是傳統(tǒng)汽油車的 3 倍，它的最高時速可達 160 公里/小時，百公里加速為 7 秒。計劃將于2015 年上市。

3.本田——本田FCX Clarity燃料電池車

最早商品化的燃料電池車 FCX Clarity。全新一代的燃料電池汽車 FCX Clarity 以本田獨創(chuàng)的燃料電池堆“V Flow FC Stack”技術(shù)為核心。同時外觀上實現(xiàn)了燃料電池車所特有的搶眼設(shè)計，劃時代的外觀線條。以及超凡的駕馭感覺。不僅實現(xiàn)了車輛清潔性，而且還賦予了燃料電池車獨特的新價值和新魅力。

4.馬自達——氫燃料混合動力車馬自達RX-8Hydrogen RE

馬自達一直在進行燃料電池開發(fā)計劃。近期，馬自達開發(fā)出以氫氣為燃料的內(nèi)燃機，繞開高成本的燃料電池同樣實現(xiàn)零排放的最終目標(biāo)。但是續(xù)駛里程過短和氫氣成本高的陰影仍然籠罩在氫發(fā)動機汽車之上。但是該型車通過氫燃料和汽油混用可行駛約 600 公里。

5.大眾——帕薩特領(lǐng)馭氫燃料電池車

該車采用氫燃料電池發(fā)動機，能量轉(zhuǎn)換效率高達 80%，是普通內(nèi)燃機的 3 倍。

6.通用汽車——凱迪拉克Provoq 概念車

這款車搭載最新 e-flex 氫燃料電池驅(qū)動系統(tǒng)該車一次續(xù)航里程可達 483公里，百公里加速僅為 8.5 秒。

（2）燃料電池汽車推廣存在的問題

燃料電池汽車雖然較傳統(tǒng)的汽油汽車，混合動力汽車以及純電動汽車有技術(shù)上的優(yōu)勢，但是卻一時難以普及，原因是多方面的。

1.燃料電池的成本過高。燃料電池的成本過高是制約燃料電池汽車發(fā)展的最大阻礙，早期由于燃料電池采用貴重的鉑金屬催化劑，使得成本居高不下，雖然近幾年通過世界各地科研人員的不懈努力，已經(jīng)開發(fā)出了新型的無鉑催化劑，使得電池成本有了明顯的降低，但是仍然沒有降到可以進行大規(guī)模普及的程度。以奔馳B級燃料電池汽車為例，奔馳B級燃料電池汽車的售價為5萬美元，約33萬人民幣，而同時期的奔馳B級汽車的售價卻只有約22萬人民幣（以上均指美國售價）。燃料電池型號貴了近11萬人民幣。另外計劃于2015年上市的豐田Mark X Zio燃料電池汽車售價預(yù)計為980萬日元（約80萬人民幣）。遠高于普通汽油汽車售價。高昂的成本成為制約燃料電池汽車發(fā)展的一大難題。

2．配套設(shè)施建設(shè)成本較大。目前最方便的加氫站建設(shè)方案就是在傳統(tǒng)加油站的基礎(chǔ)上進行改造。以美國為例，如果將全美的加油站全部改造成加氫站，將至少花費15億美元（約95億人民幣），這筆錢并不算少。

3.氫氣制取存在困難。現(xiàn)在仍然不能以較低成本的大量制取氫氣，現(xiàn)在主要通過煤炭與水的反應(yīng)、天然氣重整以及電解水等方式生產(chǎn)氫氣。這些方法無一例外的存在成本較高的缺點。

四．結(jié)語

燃料電池汽車憑借其獨特的技術(shù)優(yōu)勢。在不久的將來極有可能替代傳統(tǒng)的內(nèi)燃機車輛，混合動力汽車甚至是純電動汽車，成為我們?nèi)粘Ｉ畋夭豢缮俚囊徊糠帧５珡哪壳扒闆r看，燃料電池汽車如果想要在產(chǎn)業(yè)化發(fā)展方面取得突破，還需要著力解決輔助設(shè)施建設(shè)和成本過高這兩個方面的問題。首先，在輔助設(shè)施建設(shè)上還需要加快燃料電池汽車所需的加氣站的建設(shè)。同時改善氫氣的制取工藝，設(shè)法降低氫氣的制取、運輸、存儲成本。另一方面方面。燃料電池極高的成本極大的限制了燃料電池汽車的發(fā)展與應(yīng)用，能否降低燃料電池的生產(chǎn)成本將極大的影響燃料電池汽車及燃料電池技術(shù)的普及。但我相信在全世界各地科研人員的努力下，必將攻克燃料電池成本過高的技術(shù)難關(guān)。