1.2.3 燃料电池汽车

燃料电池汽车指以燃料电池系统为动力源或主动力源的汽车。由于最终作用于车辆驱动装置的所有能量均来自燃料电池，因此又称燃料电池电动汽车。

需要强调的是，虽然名称中包含“电池”，但与其他化学储能装置不同，燃料电池不具备储能功能。燃料电池是通过电化学反应将外部供应的燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能、热能和其他反应物的发电装置。根据燃料电池电解质类型，可以将燃料电池分为碱性燃料电池（Alkaline Fuel Cell，AFC）、磷酸燃料电池（Phosphorous Acid Fuel Cell，PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（Molten Carbonate Fuel Cell，MCFC）、固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）、质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）和直接甲醇燃料电池（Direct Methanol Fuel Cell，DMFC）[12][13]。其中，以氢气为燃料、以空气为氧化剂的质子交换膜燃料电池具有启动温度低、比能量高、启动快、寿命长等优点，是车用燃料电池的首选[14]。目前，如无特殊说明，燃料电池汽车均指氢气—空气质子交换膜燃料电池汽车。

燃料电池系统由高压储氢罐、电池堆、DC/DC变换器及相关辅助设备构成。电池堆是进行电化学反应的核心装置；DC/DC变换器用于将电池堆输出的电能调整至与整车相匹配的电压等级；辅助设备包括空气循环泵、冷却水循环泵、氢气循环泵等辅助电池堆运行的设备。氢气—空气质子交换膜燃料电池堆的结构及工作原理如图1-22所示。

氢气—空气质子交换膜燃料电池堆主要包括阳极、阴极、扩散层、催化层、质子交换膜。阳极和阴极为带有气体流道的石墨或表面改性金属板；扩散层主要起收集电流的作用，也是氢气和空气的扩散通道；催化层由催化剂（一般为Pt金属或Pt合金）组成，是电化学反应的活性中心；质子交换膜紧邻催化层，是一种固态电解质，只有质子能通过，电子无法通过，主要起隔绝正、负极的作用，相当于锂离子电池中的隔膜和电解质，是电池堆的核心材料[15][16]。

氢气—空气质子交换膜燃料电池堆的工作原理为电解水的逆反应，即氢气进入燃料电池的阳极流道，氢分子在阳极催化剂的作用下被解离为两个质子和两个电子，其中质子穿过质子交换膜被氧“吸引”到阴极，使阴极变成带正电的端子（正极）；电子不能通过质子交换膜到阴极，而是累积在阳极，变成带负电的端子（负极）。如果此时通过外部负载将阳极和阴极相连，由于存在电位差，电子会通过负载从阳极流向阴极，从而产生电流。同时，质子、电子及由阴极流道输送的氧气，汇集在阴极催化层，在阴极催化剂的作用下生成纯净水，并释放热量，完成电化学反应[13][16][17]。

阳极反应为

阴极反应为

总反应为

燃料电池汽车动力系统结构如图1-23所示，主要由作为基本电源的燃料电池系统、峰值电源系统、功率分配装置、整车控制器、电机控制器与驱动电机（与纯电动汽车中的完全相同）、DC/DC变换器与铅酸电池、电动空调系统、机械传动机构与TCU等组成。

从动力系统结构来看，燃料电池汽车与串联式混合动力汽车类似，只是将串联式混合动力汽车中的发动机、发电机系统替换为燃料电池系统。同样，由于燃料电池系统的功率响应较慢，且在燃料电池系统升温启动之前，输出功率有限，因此必须配备峰值电源系统，以实现在任何时刻都能提供足够的功率[8]。峰值电源应具备较高的功率密度，同时必须有足够的容量，以防止过度放电导致功率供应中断。峰值电源系统可以采用动力电池、超级电容器或两者结合构成的混合储能系统。

由于燃料电池汽车拥有峰值电源系统和燃料电池系统两个电能输出装置，且当汽车工作在制动回馈状态时，电机控制器也会输出电能。因此，必须安装相应的功率分配装置，对功率的流向进行管理。例如，当汽车急加速时，可以由燃料电池系统和峰值电源系统同时向电机控制器与驱动电机供电；在制动回馈状态下，电机控制器回馈的电能存储在峰值电源系统中；当负载功率小于燃料电池系统的额定功率时，燃料电池系统同时向负载和峰值电源系统供电，以使峰值电源系统的SOC处于合理区间。

燃料电池汽车的排放物为纯净水，且具有非常高的转化效率（可达65%），是真正意义上的清洁能源汽车。但是，现阶段燃料电池汽车存在以下不足。

（1）氢气密度仅为0.0899kg/m3，是一种易燃易爆气体，且当其在空气中的体积浓度为4.0%～75.6%时，可能发生爆炸。目前，普遍采用高压气态储氢方式，压力高达70MPa，一旦泄漏存在较大的安全风险。因此，燃料电池汽车的安全性有待进一步提升。

（2）燃料电池汽车依赖完整的制氢、储运、加氢基础设施，无法应用现有的加油、电力基础设施。创建完整的制氢、储运、加氢基础设施体系需要大量投资。在基础设施不健全的情况下，燃料电池汽车的推广面临巨大挑战。

（3）目前，燃料电池系统的成本为1万元/kW左右，约占整车成本的50%，而电池堆又占燃料电池系统成本的65%左右，其中质子交换膜等核心材料仍以进口为主，成本和核心技术仍是燃料电池大规模推广的制约因素。此外，作为催化剂的Pt金属或Pt合金国内储量较小[18]。如果没有替代的催化剂出现，燃料电池汽车一旦大规模推广，易出现核心材料受制于人的局面。