燃料电池车的构成有哪些 氢燃料电池电动汽车的基本原理

燃料电池车的构成

燃料电池车主要由燃料电池、动力电池、高压储气罐、燃料电池升压器、电机、动力控制装置（包括 DC/AC 转换器）等组成。

燃料电池并非直接燃烧燃料产生动力，而是利用电化学将燃料的化学能转化为电能。换言之，燃料电池车相当于是自带电化学发电机的电动车。燃料电池理论上可在接近100%的热效率下运行，具有很高的经济性。目前实际运行的各种燃料电池，由于种种技术因素的限制，再考虑整个装置系统的耗能，总的转换效率多在45%-60%范围内，如考虑排热利用可达80%以上。根据电解质类型的不同，当前燃料电池主要分为以下6种：质子交换膜燃料电池（PEMFC）、甲醇燃料电池（DMFC）、磷酸盐燃料电池（PAFC）、碱性燃料电池（AFC）、熔融盐燃料电池（MCFC）和固体氧化物燃料电池（SOFC）。从实际应用情况观察，质子交换膜以其功率密度大、重量轻、体积小、寿命长、工艺成熟、可低温下快速启动等突出优点，被认为是车用燃料电池的理想型技术方案，也是当前应用广泛且较为成熟的技术路径，近3年全球装机量占总装机量的比重稳定保持在75%以上。

动力电池主要是把燃料电池多余的电量和车辆行驶过程中回收的电能储存起来，以便车辆急加速时使用，以及供车载用电器使用。

高压储气罐主要是存储氢气，用高压储气瓶储存氢气时要用低温保温装置来保持低温，低温保温装置是一套复杂的系统。

燃料电池系统中，发出的电能还需要经过燃料电池升压器的升压才能供给电机使用。最终的输出电压必须达到一定数值，从而满足电机的最大输出需求。

动力控制装置主要由燃料电池发动机管理系统（FCE-ECU）、蓄电池管理系统（BMS）、动力控制系统（PCU）及整车控制系统（VMS）组成。

1、发动机管理系统。燃料电池发动机管理系统按整车控制器的功率设定值控制燃料电池发动机的功率输出，监测发动机的工作状态，保证发动机稳定可靠地运行，同时进行故障诊断及管理。系统具体组成包括供氢系统、供氧系统、水循环及冷却系统。

2、蓄电池管理系统。蓄电池管理系统分上下两级，下级 LECU 负责蓄电池组电压、温度等物理参数的测量，进行过充电过放电保护及组内组间均衡；上级 CECU 负责动力蓄电池组的电流检测及剩余电量（SOC）估算，以及相关的故障诊断，同时运行高压漏电保护策略。

3、动力控制系统。动力控制系统包含 DC/DC 转换器、DC/AC 转换器、 DCL 和空调控制器及空调压缩机变频器，以及电机冷却系统控制器。DC/DC 转换器和 DC/AC 转换器的作用如前所述，DCL 负责将高压电源转换为系统零部件所需的 12V/24V 低压电源，电机冷却系统控制器负责电机及PCU 的水冷却系统控制。

4、整车控制系统。整车控制系统的核心是多能源控制系统（包括制动能量回馈功能），它一方面接收来自驾驶人的需求信息（如点火开关、加速踏板、制动踏板、档位信息等）实现整车工况控制；另一方面基于反馈的实际工况（如车速、制动、电机转速等），以及动力系统的状况（燃料电池及蓄电池的电压、电流等），根据预先匹配好的多能源控制系统进行能量分配调节控制。

氢燃料电池车工作原理

氢燃料电池是将氢气与氧气的化学能直接转换成电能的发电装置，氢燃料电池车与现有能源车型相比性能优势显著。

图 1 氢燃料电池车与其他车型性能

氢燃料电池基本原理是电解水的逆反应，将氢和氧分别供给阴阳两极（阳极反应：2H2+2O2-→2H2O+4e-；阴极反应：O2+4e-→2O2-；整体电池反应：2H2+O2→2H2O），氢通过阳极向外扩散和电解质发生反应后，放出电子通过外部的负载到达阴极。因此，氢燃料电池车依靠氢发电，再通过车内电动机驱动汽车行进。氢能具有节能环保、低碳高效等特点，氢燃料电池车与现有能源车型相比，在安全性、补能效率、续航里程、低温启动、能量转换效率、回收和排放等方面具备一定的优势，未来有望迎来大规模市场推广。

图 2 氢燃料电池车工作原理

为何氢燃料电池车目前无法大规模推广？

当下限制氢燃料电池车推广的核心因素是成本居高不下。（1）成本一方面来源于车辆购置成本高，以长安汽车为例，其新车型深蓝SL03提供纯电动、增程式和氢燃料三种型号，价格分别在20万元、17万元和70万元，由此可见同一车型，氢燃料版本价格远高于其他车型。根据测算，车辆购置成本较高的主要原因在于核心部件燃料电池电堆的制造成本较高，燃料电池电堆成本占整车成本超60%，电堆中的质子交换膜、催化剂和气体扩散层等核心原材料的国产化进程缓慢，大部分产品仍依靠国外进口，伴随着国内厂商技术突破带动国产替代，未来成本有望逐步下探；

（2）成本另一方面源于车辆使用过程中的运营成本，制氢层面，现阶段传统煤制氢对环境污染较高，工业副产氢以及更先进的电解水制氢成本较高。氢储运层面，传统20MPa气氢货车托运模式难以满足大需求、长距离运输，国际先进水平通常采用50MPa高压储氢方式，未来液氢运输和管道运输更易满足长距离、大容量运输需求。氢加注层面，目前单个加氢站的建设成本是相同规格加油站的2-3倍。加总看，目前价格较低的案例有张家口望山的电解水制氢一体站，加氢协议价为30元/kg，较高的案例有上海的外供氢加氢站，价格在60-70元/kg。相比于目前燃油与充电价格，未来仍有较大的下降空间。

图 3 左：燃料电池车成本构成；右：燃料电池电堆成本构成

未来市场前景

政策利好与技术进步推动产品平价，市场有望逐步成长。如同电动车产业在发展初期依赖于补贴政策，国家对氢燃料电池车的政策扶持在行业发展的初期也具有重大意义。在《新能源汽车产业发展规划（2021-2035年）》中，国家明确指出要有序推进氢燃料电池汽车供给体系建设，包括提高氢燃料制储运经济性和推进加氢基础设施建设。此外，财政部、工信部、科技部和发改委于2020年联合发布《关于完善新能源汽车推广应用财政补贴政策的通知》，指出将当前对燃料电池汽车的购置补贴，调整为选择有基础、有积极性、有特色的城市或区域，重点围绕关键零部件的技术攻关和产业化应用开展示范，中央财政将采取“以奖代补”方式对示范城市给予奖励。当下，燃料电池电堆中的核心零部件已逐步实现国产替代，伴随着国内企业技术突破以及产品体量逐渐规模化带来的降本效果，未来成本有望逐步下探，推动市场化应用。