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最近燃料電池汽車比較火，今天從三個(gè)方面來談?wù)剛€(gè)人的認(rèn)識(shí)。

燃料電池是一種將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，其特點(diǎn)是環(huán)保、供電能力強(qiáng)、無噪聲、效率高。純?nèi)剂想姵貏?dòng)力系統(tǒng)由于功率響應(yīng)速率較慢、無法存儲(chǔ)電能等原因，無法單獨(dú)滿足車輛行駛要求，一般與蓄電池組成混合動(dòng)力為車輛提供動(dòng)力。

在眾多的燃料電池中，質(zhì)子交換膜燃料電池具有溫度適中，啟動(dòng)速度快，比能量高、效率高等特點(diǎn)，是燃料電池汽車的最佳選擇。

質(zhì)子交換膜燃料電池主要通過電化學(xué)反應(yīng)，將儲(chǔ)存在氫氧燃料中的電化學(xué)轉(zhuǎn)化為電能，驅(qū)動(dòng)車輛行駛，是未來清潔能源汽車發(fā)展的重要趨勢(shì)。燃料電池工作基本反應(yīng)式如下：

具體工作原理如下圖：

燃料電池汽車結(jié)構(gòu)圖一般如下圖所示，燃料電池系統(tǒng)（FCS）發(fā)電后通過DCDC升壓，可以直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，也可以給電池充電。

當(dāng)前燃料電池汽車依然面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，想要取得長足的發(fā)展需要解決好以下幾方面問題。

目前燃料電池系統(tǒng)和儲(chǔ)氫系統(tǒng)占據(jù)整車成本的65%，遠(yuǎn)高于鋰離子純電動(dòng)汽車的電池成本占比。另外，燃料電堆催化劑主要為鉑金屬，成本較高，大大制約了燃料電池汽車的發(fā)展。

燃料電池汽車公司正在從兩個(gè)方面進(jìn)行研究。

1）減少燃料電池中催化劑中鉑金的使用量。通用公司生產(chǎn)的新一代燃料電池電堆，單堆的鉑金使用量從 80g降低到了30g，減少約 2/3。豐田公司研發(fā)的燃料電池電堆，其催化劑中鉑金的用量已經(jīng)降低到原先電堆中鉑金用量的30%。當(dāng)然，如何可以尋找可替代鉑金的催化劑材料，也將有利于燃料電池成本的降低。

2）提高催化劑的抗毒性，延長催化劑的使用壽命。在催化劑抗毒性研究方面，國外已有相關(guān)研究組織嘗試提升催化劑的抗毒性，從而使燃料電池直接使用粗氫工作，也可以從燃料來源上降低成本。

下圖為豐田旗下的Mirai燃料電池汽車，大約為 6萬美元/輛，確實(shí)很貴。

目前，全球各燃料電池配套設(shè)備建設(shè)主要依靠國家引導(dǎo)推進(jìn)。日本預(yù)計(jì)到 2025 年之前建設(shè) 1000 個(gè)加氫站；韓國則預(yù)計(jì)在 2020 年基于已建的 13 座加氫站，將加氫站擴(kuò)展到 168 座，同時(shí)架設(shè)氫氣高速公路。截止2019年年底，我國在建和已建的加氫站有120多座，其中有51座已經(jīng)建成，投入運(yùn)營的加氫站有41座。

一方面，加氫站的建設(shè)成本普遍在1500萬元左右，另一方面，國內(nèi)燃料電池車保有量小，運(yùn)營利潤較低，導(dǎo)致加氫站配套建設(shè)受到較大的制約。

目前國外燃料電池壽命普遍在5000h左右，國內(nèi)燃料電池壽命在3000h左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到車輛使用的要求。車輛復(fù)雜的工況運(yùn)行是導(dǎo)致燃料電池壽命較低的最主要原因。由于車輛動(dòng)態(tài)運(yùn)行過程中對(duì)需求功率是不斷變化的，引起電壓波動(dòng)以及材料性能衰減，尤其在啟動(dòng)、停車、大油門等動(dòng)態(tài)變化劇烈的過程中材料性能會(huì)加速衰減，電堆壽命會(huì)收到較大影響。??

氫系統(tǒng)的部件主要包括加氫口、氫氣過濾器、單向閥、減壓閥、電磁閥、排空口、限流閥、安全閥、針閥、溫度傳感器、壓力傳感器和氫系統(tǒng)控制器等，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下。

加氫安全、儲(chǔ)氫安全、氫泄露和碰撞安全是燃料電池汽車不得不考慮的問題。

加氫：加氫過程比較復(fù)雜，為了實(shí)現(xiàn)氫氣的安全快速加注，需要車載氫管理系統(tǒng)與加氫站通過紅外信號(hào)實(shí)時(shí)通訊，監(jiān)測(cè)加注過程中的異常情況。

儲(chǔ)氫：氫瓶壓力一般達(dá)到幾十兆帕，氫管理系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氫瓶內(nèi)的溫度、壓力等信息，遇到異常壓力情況需要及時(shí)進(jìn)行安全處理。

氫泄露：由于氫氣的易燃易爆特性，對(duì)氫泄露也需要及時(shí)監(jiān)測(cè)與處理。

碰撞：車輛出現(xiàn)碰撞等緊急狀態(tài)，需要立即停止供氫并報(bào)警提示。

燃料電池汽車是一個(gè)復(fù)雜的汽車系統(tǒng)，控制上也存在很多需要優(yōu)化的問題。

1）燃料電池本身控制

質(zhì)子交換膜燃料電池是一個(gè)多輸入、多輸出的非線性時(shí)變系統(tǒng)，其系統(tǒng)比較復(fù)雜，難以精確建模，會(huì)受到進(jìn)氣壓力、溫度、濕度、電流密度等多種因素的影響。因此，為了提高系統(tǒng)的工作性能，保持良好的運(yùn)行狀態(tài)，恰當(dāng)?shù)目刂撇呗砸廊皇俏磥砗荛L一段時(shí)間內(nèi)的研究課題。

2）冷啟動(dòng)控制

當(dāng)環(huán)境溫度較低時(shí)，啟動(dòng)燃料電池會(huì)出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，破壞電堆結(jié)構(gòu)，影響電堆壽命。一般通過關(guān)機(jī)時(shí)吹掃和開機(jī)時(shí)加熱兩種方法輔助進(jìn)行冷啟動(dòng)。如何在保護(hù)電堆的前提下縮短冷啟動(dòng)時(shí)間，也是對(duì)燃料電池汽車發(fā)展過程中不得不優(yōu)化的問題。

3）整車控制

燃料電池從本質(zhì)上講是一臺(tái)發(fā)電機(jī)，不能儲(chǔ)存電能，一般與電池一起作為車輛的能量源，所以燃料電池汽車等價(jià)于一臺(tái)增程式電動(dòng)汽車，只是用燃料電池代替了發(fā)動(dòng)機(jī)。由于燃料電池效率隨負(fù)載變化、功率響應(yīng)較慢等等原因，導(dǎo)致在整車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化控制上依然存在較大提升空間。

國外燃料電池汽車也是毫無意外地走在世界前列。日本豐田汽車1992年開始研究燃料電池，于2014年Mirai量產(chǎn)；韓國現(xiàn)代汽車2013年推出ix35FCV，2018年推出第三代燃料電池車NEXO，加氫5分鐘續(xù)駛里程超800km。其他汽車集團(tuán)如大眾、寶馬等，也在積極進(jìn)行技術(shù)儲(chǔ)備，具有隨時(shí)量產(chǎn)的水平。

國內(nèi)僅上汽、一汽有小批量示范運(yùn)行，其他汽車廠商還處于探索研究階段。與美歐日等先進(jìn)汽車生產(chǎn)國相比，我國在燃料電池的功率密度、壽命、冷啟動(dòng)性能、系統(tǒng)成本、相關(guān)配套基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)以及政策導(dǎo)向等方面都存在較大差距。

從2017年年底開始，國家層面開始重視燃料電池發(fā)展，提出了在2020年實(shí)現(xiàn)以下三個(gè)目標(biāo)：

A.關(guān)鍵零部件實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，保證質(zhì)量控制和生產(chǎn)能力；

B.性能提升，壽命達(dá)到5000h，續(xù)駛里程超過500km；

C.運(yùn)行規(guī)模擴(kuò)大，實(shí)現(xiàn)1000臺(tái)燃料電池汽車示范運(yùn)行。

轉(zhuǎn)眼2020年已經(jīng)到來，以上3個(gè)目標(biāo)依然任重而道遠(yuǎn)。