燃料电池汽车：无污染且高效的理想车辆

燃料电池汽车：无污染且高效的理想车辆

燃料电池汽车是使用氢气或甲醇作为燃料，通过化学反应产生电能，以电动机为驱动力的汽车。

其基本驱动原理如图所示，燃料电池汽车属于无污染汽车，燃料电池的能量转换效率比内燃机高2~3倍，从能源利用和环境保护的角度考虑，燃料电池汽车是理想的汽车。

燃料电池汽车驱动原理图

燃料电池汽车的主要结构就是上述的燃料电池堆以及相应的辅助装置，图中为本田FCX燃料电池汽车的动力传输示意图，其组成部件及作用如下：

本田FCX燃料电池车动力系统结构图

1）加湿器

加湿器位于燃料电池系统箱内部，通向燃料电池堆阴极的风管中。

PEM 燃料电池的水管理系统非常重要。水太多会阻碍氧气与正极接触，水太少会使电解质变干并降低其导电性。燃料电池中的水量及其位置对确定燃料电池的启动温度有很大影响，因为水会在燃料电池中结冰并阻碍电池的启动。加湿器的作用是通过循环阴极蒸发的水来为燃料电池提供足够的水。

2）燃料电池冷却系统

在正常运行过程中，燃料电池会产生热量。废热会损坏聚合物电解质膜，因此必须使用液体冷却系统来去除燃料电池堆中的废热。燃料电池产生的热量是低品位热能，冷却剂与周围空气之间的温差很小。在这种情况下，传热会很慢，必须使用表面积非常大的散热器，例如图中所示的本田 FCX 散热器。

在某些情况下，如果前舱空间不够，散热器也会被安装在其他位置。例如本田的FCHV车型，在车辆下方安装了辅助散热器，以增加冷却系统的散热能力。

本田 FCX 散热器

3）气泵

在所有驾驶条件下，必须以适当的压力和流速向燃料电池堆供应空气，以确保燃料电池堆正常工作。这是通过车载气泵压缩空气并将其输送到燃料电池的正极来实现的。

4）二次电池

混合动力汽车设计可以提高采用传统传动机构的车辆的效率，因为制动和其他正常运行过程中损失的能量可以通过高压电池或超级电容器存储和使用。在燃料电池汽车中设计二次电池可以提高车辆的驾驶性能，因为电力存储装置可以立即为驱动电机提供能量并克服燃料电池部分的加速滞后。

（1）高压电池

大部分燃料电池汽车设计采用镍氢电池作为二次电池，通常安装在车辆尾部，如图所示。二次电池的结构与燃料电池堆类似，由很多个单体电池串联、并联组成高压电池组。

高压电池组

（2）超级电容器

另一种在电池中储存电能的形式是超级电容器。电容器是一种阻断直流电并允许交流电通过的电气设备。然而，电容器也可以利用正负电荷之间的静电吸引力来储存电能。

超级电容器的构造与传统电容器截然不同。超级电容器是一种基于双层理论的新型电容器，其中两个活性炭电极浸没在有机电解质中。电极具有非常大的表面积，并由膜隔开，该膜允许离子移动但阻止两个电极接触，如图所示。随着离子在电解质中移动，会发生充电和放电，但不会发生化学反应。超级电容器可以快速高效地充电和放电，这使得它们非常适合用作燃料电池汽车的辅助二次电池。

燃料电池汽车使用的超级电容器是由多个圆柱形电芯并联而成，总电容等于各个电芯电容之和。例如10个1.0F电容并联起来的总电容就是10.0F。电容越大，储电能力就越强，从而对燃料电池汽车电机的助力也就越大。

超级电容器模块及单体电池结构

5）燃料电池驱动电机

燃料电池汽车所采用的驱动电机与现在混合动力汽车的驱动电机非常相似，普通驱动电机都是采用交流同步设计，有时也采用直流无刷电机。交流电机不使用换向器或电刷，而是采用三相定子和永磁转子，如图所示。采用逆变器产生电机所需的三相高压交流电。电机本身虽然结构简单，但单独的启动和控制系统相对复杂。

驱动电机结构

6) 驱动桥

除了氢燃料，燃料电池汽车的高效、纯节能还体现在电传动技术上。燃料电池汽车所采用的驱动电机只能简单地减为其末级传动，需要通过差速器将动力传递至驱动轮。无需换挡，完全省去了变矩器、离合器等机构。无需倒挡，只需向驱动电机提供反向动力即可实现倒车。驱动桥总成如图所示。

燃料电池汽车所采用的驱动桥非常简单，几乎没有运动部件，因此结构稳定耐用，运行平稳无噪音。

驱动桥总成

7) 动力控制单元 (PCU)

燃料电池汽车的传动机构由动力控制单元（PCU）控制，控制燃料电池的输出功率，为各部件供电。PCU的功能之一是充当逆变器，将燃料电池堆输出的直流电转换为三相交流电，为车辆的驱动电机供电，如图所示。

在再生制动时，驱动电机充当发电机，将车辆的动能转换为电能，为高压电池组充电。PCU再将电机产生的三相交流电压转换为直流电压，输送给燃料电池。燃料电池输出的直流电也受PCU控制，为高压电池组充电。

丰田燃料电池汽车动力控制单元控制各部件之间的电流关系