◆文/河南 張雨

目前，相對(duì)成熟的新能源汽車是混合動(dòng)力(PHEV)和電動(dòng)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(chǔ)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(gòu)和工作原理。

一、氫能源燃料電池汽車簡(jiǎn)介

FCEV使用電力為電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力。與其他電動(dòng)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(shè)計(jì)過(guò)程中，車輛制造商通過(guò)電動(dòng)機(jī)的尺寸來(lái)定義車輛的功率，電動(dòng)機(jī)從適當(dāng)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(shè)計(jì)一種具有插電式功能的FCEV來(lái)為電池充電，但如今大多數(shù)FCEV都使用電池來(lái)回收制動(dòng)能量，在短加速事件中提供額外的動(dòng)力，并在低功率需求期間通過(guò)選擇怠速或關(guān)閉燃料電池來(lái)平滑燃料電池提供的動(dòng)力。FCEV使用儲(chǔ)存在車輛燃料箱中的純氫氣作為燃料。與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)車類似，它們可以在不到4min的時(shí)間內(nèi)加燃料，行駛里程超過(guò)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(dòng)汽車的主要部件。

圖1 氫燃料電池電動(dòng)汽車主要部件

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

(2)電池包：這種高壓電池儲(chǔ)存再生制動(dòng)產(chǎn)生的能量，并為電力驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供補(bǔ)充電力。

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

(4)電驅(qū)動(dòng)電機(jī)：該電機(jī)利用燃料電池和動(dòng)力電池包的電力驅(qū)動(dòng)車輪。有些車輛使用一體式電機(jī)-發(fā)電機(jī)，同時(shí)執(zhí)行驅(qū)動(dòng)和再生功能。

(5)燃料電池堆：一種使用氫氣和氧氣用來(lái)發(fā)電的組件。

(6)燃料加注口：燃料加注機(jī)上的一個(gè)噴嘴通過(guò)加注口連接到車輛上的插座上，用來(lái)給車輛加注燃料。

(7)燃料箱(氫氣)：將氫氣儲(chǔ)存在車上。

(8)FCEV電力電子控制器：該裝置管理燃料電池和動(dòng)力電池輸送的電能，控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(dòng)機(jī)、電力電子設(shè)備和其他部件的適當(dāng)工作溫度范圍。

(10)變速器：變速器將電驅(qū)動(dòng)電機(jī)的機(jī)械動(dòng)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(dòng)汽車(FCEV)。FCEV使用氫氣作為燃料，產(chǎn)生電能，為電動(dòng)機(jī)供電，電機(jī)為車輛提供動(dòng)力。FC是一種通過(guò)化學(xué)反應(yīng)發(fā)電的電化學(xué)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(guò)儲(chǔ)存的化學(xué)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(yáng)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(jié)合形成電和水。供應(yīng)給燃料電池的氫燃料每個(gè)分子兩個(gè)以H2形式化學(xué)結(jié)合在一起的氫原子組成。這種分子包括兩個(gè)獨(dú)立的原子核，每個(gè)原子核含有一個(gè)質(zhì)子，同時(shí)共享兩個(gè)電子。燃料電池將這些氫分子分解產(chǎn)生電能，這種反應(yīng)發(fā)生在陽(yáng)極。催化劑加速反應(yīng)，電解質(zhì)允許兩個(gè)氫離子(本質(zhì)上是兩個(gè)單質(zhì)子)通過(guò)放置在兩個(gè)電極之間的電解質(zhì)移動(dòng)到陰極。電子通過(guò)外部電路從陽(yáng)極流到陰極，產(chǎn)生了電能。為了使整個(gè)電池反應(yīng)完成，必須使氧氣或空氣通過(guò)陰極。陰極反應(yīng)分兩個(gè)階段進(jìn)行。首先，分子中兩個(gè)氧原子之間的鍵斷裂，然后每個(gè)電離的氧原子通過(guò)外部電路捕獲來(lái)自陽(yáng)極的兩個(gè)電子，從而帶負(fù)電。帶負(fù)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(yīng)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(lái)加熱車輛內(nèi)部，但排出的氫氣對(duì)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是一種浪費(fèi)。單個(gè)電池是分開的，多個(gè)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(diǎn)和缺點(diǎn)。盡管較高的溫度會(huì)導(dǎo)致較高的反應(yīng)速率，但對(duì)于車輛應(yīng)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(zhì)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(zhì)。與使用酸性電解質(zhì)的一些其他燃料電池相比，堿性電解質(zhì)的性能與酸性電解質(zhì)一樣好，同時(shí)對(duì)電極的腐蝕性顯著降低。AFCs已在實(shí)際使用中長(zhǎng)期提供高達(dá)60%的電氣效率。它們需要純氫作為燃料，在低溫(80℃)下運(yùn)行，因此適用于車輛應(yīng)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(zhì)子交換膜燃料電池(PEM)使用固體電解質(zhì)，在低溫(約80℃)下運(yùn)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(jiān)固和簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)使這些類型的燃料電池非常適合車輛應(yīng)用。PEM燃料電池和AFC是目前正在考慮用于車輛應(yīng)用的兩種類型。PEM電池的優(yōu)點(diǎn)是，與AFC所需的純氫相比，它們可以容忍燃料中的雜質(zhì)。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(zhuǎn)化為燃料電池的氫氣。重整器是將碳?xì)浠衔?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(diǎn)是與氫氣相比，碳?xì)浠衔锶剂弦子谔幚?。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(dòng)汽車(FCEV)架構(gòu)和基本工作原理

豐田Mirai燃料電池電動(dòng)汽車(FCEV)主要部件如圖4所示，動(dòng)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(chǔ)系統(tǒng)、燃料電池及其控制單元、動(dòng)力處理單元及其控制器以及由電機(jī)和傳動(dòng)系組成的驅(qū)動(dòng)單元組成。燃料電池電動(dòng)汽車的工作原理總結(jié)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(lái)自儲(chǔ)罐的氫氣供應(yīng)到燃料電池。

2.空氣也被供應(yīng)到燃料電池。

3.氧氣和氫氣在燃料電池堆中結(jié)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(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)，也稱為聚合物電解質(zhì)膜(PEM)燃料電池。

4.通過(guò)反應(yīng)產(chǎn)生的電被提供給電動(dòng)機(jī)或電池。電池充當(dāng)能量存儲(chǔ)器，為車輛提供加速時(shí)的額外能量，還可以從制動(dòng)中捕獲再生能量，以提高車輛效率。

5.電機(jī)為車輪提供動(dòng)力，水從車輛中排出。

典型的FCEV 乘用車在700bar(1bar=100MPa)的壓力下運(yùn)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(lái)儲(chǔ)存燃料，因此通常采用350bar的儲(chǔ)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(chǔ)存約25kg。典型的FCEV乘用車每行駛100km消耗1～1.4kg氫氣，車上儲(chǔ)存的氫氣不到10kg。重型貨車每100km可消耗約10 kg 氫氣，但儲(chǔ)存30～35kg氫氣。

圖7是FCEV系統(tǒng)架構(gòu)簡(jiǎn)略框圖，燃料電池輸出電壓比較低；DC/DC轉(zhuǎn)換器用于在將電壓饋送到電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器之前升壓和調(diào)節(jié)電壓。燃料電池和電動(dòng)機(jī)之間的電力電子接口電路包括用于升壓的DC/DC轉(zhuǎn)換器、為AC電動(dòng)機(jī)供電的DC/AC逆變器、用于控制的微處理器/數(shù)字信號(hào)處理器以及用于儲(chǔ)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(zhuǎn)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(gòu)如圖8所示。該架構(gòu)與豐田Mirai和現(xiàn)代Nexo FCEV中使用的架構(gòu)非常接近，組件規(guī)格也與Mirai相似。現(xiàn)代Nexo FCEV系統(tǒng)架構(gòu)如圖9所示。燃料電池堆的時(shí)間常數(shù)比電負(fù)載動(dòng)態(tài)的時(shí)間常數(shù)慢得多。電池存儲(chǔ)系統(tǒng)需要在瞬態(tài)和過(guò)載情況下提供電力，以及吸收由于再生制動(dòng)引起的能量反向流動(dòng)。

圖7 燃料電池電動(dòng)汽車架構(gòu)1

圖8 燃料電池電動(dòng)汽車架構(gòu)2

圖9 現(xiàn)代Nexo FCEV動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)架構(gòu)