燃料电池汽车_什么是氢燃料电池汽车

1.什么是燃料电池汽车？

2.新能源汽车的分类有哪些

3.燃料电池汽车的核心技术

4.纯电动汽车和燃料电池汽车的区别

5.燃料电池汽车介绍

——预见2022：《2022年中国氢燃料电池行业全景图谱》(附市场规模、竞争格局和发展趋势等)

行业主要上市公司：亿华通(688339.SH)、潍柴动力(000338.SZ)、大洋电机(002249.SZ)、深冷股份(300540.SZ)、雄韬股份(002733.SZ)、东方电气(600875.SH)、南都电源(300068.SZ)、美锦能源(000723.SZ)、全柴动力(600218.SH)、长城电工(600192.SH)、上汽集团(600104.SH)、蠡湖股份(300694

.SZ)等

本文核心数据：市场规模、竞争格局、趋势预测

行业概况

1、定义

氢燃料电池是将氢气和氧气的化学能直接转换成电能的发电装置。其基本原理是电解水的逆反应，把氢和氧分别供给阳极和阴极，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。氢燃料电池由于其燃料气来源丰富、效率高、无噪声、无污染的优点，将在未来为节能和保护生态环境做出巨大贡献，是目前各个国家重点进行研究的发电技术。

依据氢燃料电池的电解质的不同，可将燃料电池分为碱性燃料电池(AFC)、磷酸型燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)及质子交换膜燃料电池(PEMFC)等。

2、产业链剖析：氢燃料电池产业中游包含较多参与者

氢燃料电池产业链主要由上游原材料、中游集成以及下游应用端组成，产业链较长，参与方众多。具体来看，氢燃料电池产业上游主要是膜电极、双极板、各类管阀件与传感器、储氢瓶等发动机零部件生产制造行业;中游为燃料电池发动机系统及电堆集成行业;下游各大应用领域包含交通运输中的乘用车、商用车;固定发电中的家用或者电站用发电机及其他特殊领域等。

我国氢燃料电池上游的主要制氢企业有和远气体、潞安环能、中国石化，循环系统企业主要有雪人股份，而电堆及系统主要企业有清源股份、长城电工，质子交换膜制造企业有东岳集团、南都电源等;而中游氢燃料电池研发制造企业有亿华通、潍柴动力、大洋电机、美锦能源等。

行业发展历程：行业处在突飞猛进阶段

中国氢燃料电池行业发展依随技术的发展而进步，氢燃料电池发展始于1958年前后，并在1958-10年前后取得燃料电池技术的基础性及探索性研究;而到10年前后，氢燃料电池相关研究技术达到高潮，在此过程中，科研所等相关机构积累了丰富的燃料电池堆及燃料电池供电系统等方面的技术经验。1980年以来，中国氢燃料电池研究进入缓慢成长时期，行业处于技术研发低潮。而自90年代以来，部分技术先进国家已经取得技术上的巨大进展，并且一部分产品已经进入准商品化阶段;在此背景下，中国燃料电池研发再次进入高潮;到目前为止，氢燃料电池进入高速发展时期。

行业政策背景：政策加持，氢燃料电池技术发展稳重求进

氢燃料电池产行业仍处于不断摸索的时期，因此，国家政策对行业的影响较大。发展燃料电池是我国应对气候变化、推动绿色发展的战略举措。

近年来，国家出台多项政策鼓励、规范、指导氢燃料电池产行业发展。2020年，院发布《新能源汽车产业发展规划(2021-2035)》，将燃料电池的稳定供给纳入未来发展愿景中。近几年，国家铁路局、院、国家能源局相继发布了《“十四五”铁路科技创新规划》、《关于深入打好污染防治攻坚战的意见》等，指出氢燃料电池在国家层面的重要战略意义;且在“碳中和”、“碳达峰”的大目标下，燃料电池的技术发展将帮助中国尽早完成两大目标。因此，近两年的燃料电池相关政策倾向于技术的实践与应用层面。

行业发展现状

1、成本构成：电堆是氢燃料电池的核心零部件

氢燃料电池系统由燃料电池组和系统组成。燃料电池堆是核心部件，它负责将化学能转化为电能以提供汽车动力支持。四个系统主要是供氢系统、供气系统、水管理系统和热管理系统。燃料电池系统产生的电力通过动力控制单元传到电动机，在电池的下，在需要时提供额外的电力。从成本来看，氢燃料电池系统中最核心的部分是燃料电池电堆，其成本占比接近50%。

2、需求市场：装机量受疫情和补贴退坡影响而下降

2018-2020年，中国氢燃料电池装机量呈波动下降态势。从装机功率来看，2019年是中国氢燃料电池行业发展较好的一年，为发展新能源行业而出台一系列补贴政策进行鼓励和扶持;2020年，受疫情和补贴退坡的影响，中国燃料电池装机量仅为87MW，其中约80MW使用在氢燃料电池汽车领域。目前，氢燃料电池行业仍处于复苏时期，2021年上半年装机量超过50MW。

3、供给市场：供给端较为活跃，发展态势较好

目前，氢燃料电池行业内主要研发生产企业有亿华通、上海重塑、国鸿氢能、江苏清能、大洋电机、众宇动力等。其中，亿华通和国鸿氢能产能较高，均达到10000台/年以上;其余企业产能也均达到2000台/年以上。整体来看，行业氢燃料电池产能产量状况较好，供给端表现较为活跃，行业态势较好。

4、下游应用：下游应用市场进入商业化初期

2016-2020年，中国氢燃料电池汽车保有量逐年上升，受到疫情影响，2020年销量有所下滑。截止2020年底，我国氢燃料电池汽车年销量1177辆，保有量7352辆，标志着我国氢燃料电池汽车正在逐渐被市场认可接纳，氢燃料汽车进入商业化初期。

5、市场规模：目前市场规模接近16亿元

根据亿华通每年氢燃料电池销售价格及销量进行测算，2018-2021年，中国氢燃料电池市场规模呈现波动态势。2019年受到一系列补贴政策的加持，氢燃料电池下游交通运输领域得到高速发展，市场扩张规模超出正常范围;自2020年以来，氢燃料电池市场受到疫情和补贴退坡的影响，市场规模大幅跳水。2021年，中国氢燃料电池市场规模接近16亿元。目前，行业正在逐渐回归正轨。

行业竞争格局

1、区域竞争：中东部区域相关企业较多

从区域竞争格局看，我国氢燃料电池产业相关企业分布集中在中国中东部。山东、江苏、安徽和北京一带上市企业相对较多;其中，江苏省代表性企业较多，有蠡湖股份、越博动力、腾龙股份、先导智能。另外，产业链相对成熟的行业龙头亿华通布局在北京。

2、企业竞争：CR5集中度较，竞争压力较大

从装机量排名来看，2020年氢燃料电池系统装机量排名前五的企业分别为爱德曼、亿华通、国鸿重塑、探索汽车、潍柴动力。五家企业的氢燃料电池总装机量占2020年中国氢燃料电池系统装机量的69%，集中度较高，行业内竞争压力较大，头部品牌聚集效应明显。

其中，爱德曼装机量最多，占比约为20%;其次是亿华通，装机量占比超过15%;而国鸿氢能和上海重塑合资成立的国鸿重塑表现也较为亮眼。综合来看，目前中国氢燃料电池行业主要竞争者有亿华通、爱德曼和国鸿重塑等五大巨头。

行业发展前景及趋势预测

1、未来发展趋势：交通运输领域是发展突破口

根据中国电动汽车百人大会课题组发布的《中国氢能产业发展报告2020》，中国氢燃料电池未来前景主要集中在交通运输领域、储能领域和工业及建筑领域。其中，交通运输领域是氢燃料电池应用的主要突破口，以交通运输领域为起始点，向着储能、工业、建筑领域逐渐拓展。

从氢能未来应用体系的发展路径来看，氢燃料电池商用车将率先实现投产并进行应用，且氢燃料电池客车、物流车、重卡等车型将在2030年前取得与纯电动车型相当的全生命周期经济性，赢得市场消费者的青睐。

2、市场规模：技术支持将带来行业发展长久荣耀

2022-2027年，中国氢燃料电池行业市场规模将会稳步上升，且增速呈现逐年递增的趋势。2022年年初的冬奥会上，亿华通与丰田及北汽福田作为北京2022年冬奥会的赛事交通服务用车的提供商，共计投入使用了1000多辆氢能源汽车，可见氢燃料电池初步应用十分成功。

燃料电池系统、发动机及电堆等核心部件全部国产化是中国氢燃料电池进行产业化并大规模应用的前提。然而，关键技术的研发缓慢正在“锁喉”行业未来发展。当下，对于行业内主要参与者来说，氢燃料电池系统以及核心零部件氢燃料电池电堆的技术升级是公司抢占行业发展先机的关键;只有技术进步才能带来行业市场规模的扩大，从而赢得消费者的购买。

以上数据来源于前瞻产业研究院《中国氢燃料电池行业市场前瞻与投资战略规划分析报告》。

什么是燃料电池汽车？

目前新能源汽车在我国一直处于持续火热的状态，各种新兴汽车公司层出不穷，亮眼吸睛的宣传广告也让人应接不暇，国家也在不遗余力的扶持和推进，就仿佛全国都进入了一个全民造电动车的阶段。但对于普通消费者而言，可能连如何区分增程式电动汽车和插电式混合动力汽车都不清楚，哪些汽车能够拿补贴，哪些却没有也根本弄不清。

所以在理清这些问题之前，我们不妨先了解一下，我国的新能源汽车究竟包括哪些，它们各自有何特点？

目前，在我国最常见的新能源汽车有纯电动汽车、插电式混合动力汽车、增程式电动汽车这三类，还有比较稀少但有大额补贴的燃料电池汽车，下面就具体来看一下它们有何不同。

1，纯电动汽车

顾名思义就是一种用单一蓄电池作为储蓄能力源的汽车，通过电池向电动机提供能量从而推动汽车行驶，它还可以通过家用电源、专用充电桩等进行充电，来满足日常行驶需求。它的使用成本是目前在售新能源车型中最低的，没有太多后续保养问题，在动力性能等方面拥有电动机特有的优势——低转速、高扭矩，而且还可以享受较高的补贴。

只是“里程焦虑”一直是阻挡纯电动汽车普及开来的重大阻力，无论是电池续航能力的研发还是充电配套设施的整体布局，进展都极其缓慢。许多车企虽然标榜其最大续航里程超过了300公里，但由于电池衰减、复杂路况、严寒冬季、驾驶风格等客观因素的影响，那一数值在一定程度上只是个参考。

如果未来纯电动汽车的真实续航里程远远超过了燃油版汽车，或者汽车充电便捷到跟手机充电一样，那国家也完全无需再用补贴来促消费了，电动汽车的革命时代将正式来临。

2，插电式混合动力汽车

可以简单理解为是非插电混合动力汽车的升级版，它的电池容量相对较大，可以外部充电，可以用纯电模式行驶，电池电量耗尽后再以混合动力模式（以内燃机为主）行驶，并适时向电池充电，从而达到节能减排的目的。

相较于纯电动汽车，这类车型没有“里程焦虑”，可以满足那些对新能源车型充满兴趣却又担心续航里程的消费者。在短途驾驶中，这种车型可以当一台纯电动汽车来使用，只要保证不超过电池可提供的续航里程（一般50公里以上），就可以做到零排放和零油耗。而且也十分重视插电式混合动力车型，并进行了大量补贴，各大车企也在不断推出新款，价格也越来越能被消费者所接受。

但插电式混合动力车型依然对充电设施有很强的依赖性，这在一定程度上降低了消费者使用纯电动模式的热情，更多的是当普通汽车使用，这样在节能减排方面，并没有多大优势。

3.增程式电动汽车

一般是由发动机带动发电机发电，将产生的电能储存到动力电池中，再通过电池给电动机提供能量，从而驱动车辆行驶，简单来讲就是，它只靠电动机驱动车辆，而发动机只负责发电，不直接参与驱动车轮。动力输出类似于：发动机→电池→电动机。

与纯电动汽车相比，增程式电动汽车除了拥有一样的外接充电优势，还可以在车辆行驶过程中为动力电池充电，大大增加了车辆的续航里程，同时配备的动力电池数量也远远少于同类车型的纯电动汽车，这样车辆的电池成本也将大幅度降低。

在日常驾驶中，增程式车型一样没有纯电动汽车的“里程焦虑”问题，又节省了油耗，而且在我国的新能源汽车分类中，增程式电动汽车被视为是“插电式混合动力车型”的一种，享受国家新能源车政策补贴，可谓一举三得。

但为什么它的普及率和知名度在我国还没纯电动汽车高呢？对于国内车企而言，增程式电动汽车更像是燃油汽车与纯电动汽车之间的过渡车型，能一步到位的纯电动自然更受欢迎。而且增程式电动汽车在高速路段时，由于多了油转电环节，不仅造成不必要的能源消耗，还影响整车的性能表现。

此外，国家政策、独特的市场环境、售价、技术难度高低等都在一定程度上阻碍了增程式电动汽车的发展。

4.燃料电池汽车

实际上是通过氢气和氧气的化学作用，产生的电能来驱动车辆行驶。它也是电动汽车的一种，结构基本类似，只不过多了一个燃料电池和氢气罐。

燃料电池汽车也一直被誉为是人类交通的最终解决方案，它不仅具备普通纯电动汽车的优势，而且由于氢气和氧气取之不尽，加氢也跟加油一样便捷，更是没有任何污染。但有个比充电站更难解决的问题，便是加氢站的建设与普及，它的成本更高，而且目前氢气的产量和存储也不理想，高压存储的氢气，安全性也有待考验。

除了以上几种类别，油电混合动力汽车也是我国目前非常常见的一类车型，它的电池容量很小，仅在起/停、加/减速的时候供应/回收能量，不能外部充电，不能用纯电模式进行较长距离的行驶，所以它并不属于新能源汽车而属于节能汽车，自然也就无法享受补贴了。

通过上面简单的区分，应该也大致了解各类新能源车型的不同属性了。当然新能源汽车的知识远不止上面这些，但透过现象看本质，其实新能源汽车在一定程度上就是消费升级和导向的产物，它一定是未来发展的趋势。只是在电动汽车时代真正到来之前，要解决眼前的能源和环保问题，插电式混合动力汽车和增程式电动汽车所起到的过渡作用将不可估量。

新能源汽车的分类有哪些

燃料电池汽车的工作原理是，作为燃料的氢在汽车搭载的燃料电池中，与大气中的氧气发生氧化还原化学反应，产生出电能来带动电动机工作，由电动机带动汽车中的机械传动结构，进而带动汽车的前桥（或后桥）等行走机械结构工作，从而驱动电动汽车前进。

7核心部件燃料电池。燃料电池的反应结果会产生极少的二氧化碳和氮氧化物，副产品主要产生水，因此被称为绿色新型环保汽车。燃料电池汽车是电动汽车的一种，其核心部件燃料电池。通过氢气和氧气的化学作用，而不是经过燃烧，直接变成电能动力。

燃料电池汽车的氢燃料能通过几种途径得到。有些车辆直接携带着纯氢燃料，另外一些车辆有可能装有燃料重整器，能将烃类燃料转化为富氢气体。单个的燃料电池必须结合成燃料电池组，以便获得必需的动力，满足车辆使用的要求。图2 为燃料电池汽车的燃料电池本体示意图。

燃料电池汽车的核心技术

新能源汽车是指用非常规的车用燃料作为动力来源（或使用常规的车用燃料、用新型车载动力装置），综合车辆的动力控制和驱动方面的先进技术，形成的技术原理先进、具有新技术、新结构的汽车。

新能源汽车包括四大类型混合动力电动汽车（HEV）、纯电动汽车（BEV，包括太阳能汽车）、燃料电池电动汽车（FCEV）、其他新能源（如超级电容器、飞轮等高效储能器）汽车等。非常规的车用燃料指除汽油、柴油之外的燃料。

以下为详细分类：

1、纯电动汽车 纯电动汽车(Blade Electric Vehicles，BEV)是一种用单一蓄电池作为储能动力源的汽车，它利用蓄电池作为储能动力源，通过电池向电动机提供电能，驱动电动机运转，从而推动汽车行驶。

2、混合动力汽车 混合动力汽车(Hybrid Electric Vehicle，HEV)是指驱动系统由两个或多个能同时运转的单个驱动系联合组成的车辆，车辆的行驶功率依据实际的车辆行驶状态由单个驱动系单独或多个驱动系共同提供。因各个组成部件、布置方式和控制策略的不同，混合动力汽车有多种形式。

3、燃料电池电动汽车 燃料电池电动汽车(Fuel Cell Electric Vehicle，FCEV)是利用氢气和空气中的氧在催化剂的作用下．在燃料电池中经电化学反应产生的电能作为主要动力源驱动的汽车。

燃料电池电动汽车实质上是纯电动汽车的一种，主要区别在于动力电池的工作原理不同。一般来说，燃料电池是通过电化学反应将化学能转化为电能，电化学反应所需的还原剂一般用氢气，氧化剂则用氧气，因此最早开发的燃料电池电动汽车多是直接用氢燃料，氢气的储存可用液化氢、压缩氢气或金属氢化物储氢等形式。

4、氢发动机汽车 氢发动机汽车是以氢发动机为动力源的汽车。一般发动机使用的燃料是柴油或汽油，氢发动机使用的燃料是气体氢。氢发动机汽车是一种真正实现零排放的交通工具，排放出的是纯净水，其具有无污染、零排放、储量丰富等优势。

纯电动汽车和燃料电池汽车的区别

被誉为新一代环保车型的燃料电池汽车可不使用传统化石燃料，而以来源丰富的氢气作为燃料，运行后的排放物只有水，且不排放CO2。燃料电池汽车通过电机驱动车辆，可兼顾静音性与良好的行驶性能，燃料填充时间较短，并能确保与内燃机汽车相近的续航里程。各汽车制造商目前正在积极开展针对燃料电池汽车的研发与推广工作。介绍了丰田公司燃料电池系统(TFCS)及燃料电池堆的结构、设计与控制。着重阐述了燃料电池系统的1项核心技术，即“水管理控制技术”，以及基于燃料电池堆的设计过程与燃料电池堆内部状态的可视化及计测技术。

0?前言

近年来，由于地球温室效应日益加剧，石油也在日渐枯竭，能源安全(尤指稳定供应能源等)问题得以不断凸显，运行中不产生CO2的新能源汽车逐渐引起了广泛关注。丰田公司于近期设立了“CO2零排放目标”，并提出到2050年，提高新能源汽车的销售比例，目前正在对此开展相关研究(图1)。

FCV?具有以下特点：(1)以氢气作为燃料，氢气可通过化石燃料在内的多种能源进行制取，来源广泛；(2)行驶中的排放物只有水；(3)由于主要驱动装置是电机，所以可充分兼顾静音性与良好的行驶性能；(4)具有较短的燃料填充时间，同时能确保与内燃机汽车相近的续航里程。目前，社会各界正迫切希望该类环保车型得以实用化。考虑到FCV的诸多优点，研究人员认为FCV同样也可满足中长距离的运输需求(图2)。丰田公司于2014年在世界范围内首开先河，上市销售了量产型FCV“MIRAI”车型。此外，丰田公司于2018年上市销售了沿用了该燃料电池系统的新型燃料电池城市客车“SORA”(图3)，而且针对轻型货车的验证评审也正在逐步开展中(图4)。

1?丰田公司燃料电池系统

丰田公司将混合动力技术定位成新能源汽车的核心技术，将混合动力系统的发动机替换为燃料电池系统，将燃油箱替换为丰田公司的燃料电池系统(TFCS)(图5)。

燃料电池系统由进行发电的燃料电池堆、供应氢燃料的氢气系统、供应氧气的空气系统，以及冷却系统所构成(图6)。燃料电池堆发出的电能通过燃料电池升压转换器向主驱动电机及高电压蓄电池等高压系统供电(图7)。就对燃料电池堆发电有着重要影响的电解质传导性而言，其灵敏度会随着附近环境的相对湿度而发生显著变化。不仅如此，反应过程中生成的水会影响到燃料电池堆内的燃料供应过程，因而对生成水的管理可谓至关重要。本文论述了基于燃料电池堆水管理而进行的相关设计与系统控制。

2?燃料电池堆

燃料电池堆通过设计单电池的电极面积和单电池数量，从而获得所需的电能。在通常情况下，单电池由作为氢气与氧气反应部位的膜电极总成(MEA)、显微渗透层(MPL)、气体扩散层(GDL)、用于从外部供应氢气和空气的气体通道，以及隔板等部件构成(图8)。

丰田公司通过对燃料电池流道及MEA?进行改进，使燃料电池系统实现了高密度化。此外，由于对单电池内部弹簧机构的有效应用，简化了电池的连接构件。同时，由于电池本身的薄型化，缩小了体积尺寸。而且，随着隔板材质的调整，电池全重有效减轻了，使电池具备较高的功率密度(3.1?kW/L?与2.0?kW/kg，图9)。结果表明，燃料电池电极铂催化剂的使用量还降低了(图10)。不仅如此，为避免降低接触阻力并确保耐蚀性，隔板的表面处理工艺也从电镀金处理调整为较廉价的聚合非晶碳镀层(PAC)，从而显著降低了成本。

2.1?高电流密度化

电池性能是由理论起动电压的损失(超电压)所决定的。超电压总体可分为以下3类：源于催化反应的“活性化超电压”，源于电子、质子移动的“电阻超电压”和源于反应过程的“浓度超电压”(图11)。就聚合物电解质燃料电池(PEFC)而言，由于发电过程中生成的水处于液相状态，单电池内的气体扩散受阻会导致浓度超电压进一步恶化。另一方面，在易于形成蒸汽的高温区，由于电解质附近的相对湿度有所降低，作为质子移动电阻的电阻超电压也会相应增加。通过以上分析，如要实现燃料电池的高电流密度化，针对发电过程中生成的水而开展的构件设计及控制是至关重要的，为燃料电池水管理技术的核心理念。

2.2?降低浓度超电压

在低温及普通运转温度区，由于发电而生成的水会滞留于空气极侧的电池流道、GDL、MPL?及MEA中，从而产生浓度超电压。在通常情况下，与气体流道不接触的GDL及MEA内容易积存液态水。而在丰田的MIRAI车型上配装的燃料电池堆的单元流道结构，用了3D细网格状结构。在优化了氧气供应并排出液态水的同时，由于隔板表面具有一定亲水性，将液态水导向流道表面，进而降低了浓度超电压(图12、图13)。此外，在GDL内，通过调整碳素纤维与黏合剂的比例以实现最优化。而在MPL方面，通过实现碳黑颗粒的粗颗粒化而降低透水压力，使气体扩散性提高约2倍，进而降低了浓度超电压。

2.3?降低电阻超电压

为了确保PEFC中电解质的质子传导性能，需使电解质周围环境保持湿润状态。在常规的燃料电池系统中，通过加湿器可排出反应中生成的水，将其返回燃料电池堆并进行加湿处理。配装在MIRAI车型上的TFCS，可通过结构简化以提高可靠性。丰田公司以降低成本为目标，取消了该类加湿器，基于自加湿理念而对各个构件进行设计，由此实现了与以往相似的高温性能(图14)。自加湿的工作机理是在干燥的空气入口处通过氢气极对空气进行加湿。该设计方式不仅兼顾了各个构件，而且与冷却水流量及氢循环泵流量等系统实现了有机结合。

燃料电池在高温状态下运转时，空气极入口湿度会相对较低。在MEA?内部的催化剂附近，质子传导性会逐渐恶化，进而会使电阻超电压有所增加。在外观上，催化剂有效表面积减少，使燃料电池性能恶化。通过增加包覆催化剂电解质官能团的方式，以确保催化剂有效表面积的不变。在提高质子传导性的同时，通过电解质/载体碳比率的最佳化及催化剂载体碳的实心化，即使在低湿度环境下，也能有效增加催化剂的表面积。同时，通过该措施还实现了单电池流道形状的最佳化，有效抑制了空气极入口处的干燥趋向。除了针对上述构件的设计过程外，由于系统自身运转条件得以最佳化，即便在高温环境下，单电池的发电过程也可处于稳定运行状态，从而将超电压的发生可能性控制在最小限度以内(15、图16)。

另一方面，由于燃料电池在低湿度条件下进行发电会出现游离基浓缩现象，导致电解质化学性能逐步老化。同时，由于薄膜化会引起机械特性降低，进而导致薄膜裂纹等问题。研究人员取的对策包括向电极添加游离基淬灭材料，降低铁离子污染，以及利用3D细网流道使电极表面压力均匀化，以此确保了其耐久性能(图17)。

3?燃料电池堆的水管理控制

为使燃料电池堆的发电性能时常保持在最佳状态，研究人员根据交流阻抗法，并通过车载装置计测了MEA构件的电阻，进而对燃料电池的运转条件进行调整。

3.1?基于交流阻抗法的含水量计测

图18示出了常规燃料电池的等效电路。图中Rohm为电解质膜的电阻，Rvoid为GDL的电阻，Rion为电解质的电阻。这些电阻会随着含水率的不同而发生变化。在处于适度的湿润状态时，各部位电阻值均保持在较低状态。在冷却过程中，由于GDL内部液态水大量存在，导致扩散阻力有所增加，所以Rvoid值会相应增大。相反，在高温运转时等含水率较低的状态下，Rohm和Rion会有所增大，并产生电阻超电压。

燃料电池升压转换器(图7)的直流指令电流值是通过重叠高频与低频的2种正弦波电流值而进行计测的。Rohm是通过高频正弦波重叠电流计测的阻抗值(HFR)而计算得出的。另一方面，Rvoid是根据LFR，再针对Rohm及Rion进行计算而得出的。

3.2?燃料电池堆的自加湿控制

TFCS在高温状态下运转时，改变氢气极的工作条件以进行水管理。为使水得以有效分配到氢气极表面，根据相关运转条件，可通过控制氢气泵以增加氢循环量。在确保了必要的氢循环量之后，通过降低氢气极入口压力的方式，促使氢气极表面的水实现不断流动。由于上述对策的运用，催化剂附近环境较为湿润，即便不用外部加湿处理，也能有效提高系统运转时的环境温度(图19)。

3.3?燃料电池高温运转时的水管理控制

以计测方式得出的阻抗值为基础，控制MIRAI车型氢气泵流量、燃料电池水温等参数，由此进行水管理。图20表示进行水管理控制时车辆在较陡坡道上高速行驶时的评价结果。图21则示出了在未进行水管理控制的条件下，车辆在较陡坡道上高速行驶时的评价结果。在进行水管理控制的条件下，Rohm数值较为稳定，冷却水温度上升情况受到抑制，由此可以得到燃料电池堆的输出功率。另一方面，在未进行水管理控制的条件下，由于受到冷却水温度的影响，阻抗值出现了较大的变动，同时也无法确保同样的输出功率。此时，燃料电池堆的电池特性也面临着同样问题，即在全电流区的阻抗值较高，无法输出规定的电压。可认为该现象是电解质膜等部件的电阻超电压有所增加的原因之一(图22)。另外，由于电压降低，燃料电池堆的发热情况也会逐步加剧，进而导致冷却水温度上升。该结果表明，电解质及电解质膜的含水率有所降低，导致燃料电池发电特性面临着进一步恶化的现象。

由以上分析可知，水管理控制可使电解质膜等部件处于稳定状态并得以润湿，同时改善燃料电池堆的发电特性，并能有效抑制冷却水温度的上升。

3.4?0?℃下起动时的水管理控制

燃料电池系统在0?℃下起动时面临的主要问题是燃料电池系统内部的残留水及由于发电过程中生成的水会出现冻结现象，无法向MEA?及时供应工作所需的氢气与氧气。由此面临的最恶劣情况即为燃料电池无法正常发电。

图23示出了在0?℃环境下的系统控制流程图。在0?℃环境下燃料电池系统用的水管理技术理念主要是确保起动时气体供应系统得以正常运转。在水即将冻结时，用可使燃料电池系统升温到0?℃以上的“快速暖机”控制系统。

3.5?降低含水量控制

通过测量阻抗值，可以计算出燃料电池堆发电部位的含水量。GDL内的含水量能充分利用Rvoid进行管理。降低含水量控制是在运转过程中及系统停止运行时，控制冷却水温度、空气流量、氢气循环量等参数，并合理调节阻抗值，以便即使在0?℃以下的环境内进行起动时，也不会面对由于气体扩散所导致的问题，从而使燃料电池实现顺利起动(图24)。

3.6?快速暖机控制

在燃料电池堆的温度处于0?℃以下时，发电特性比正常运转时更低。同时，由于生成的水逐渐冻结，导致燃料电池堆无法实现持续发电(图25)。因此，当冷起动时的温度在0?℃以下时，为了能继续发电，须使燃料电池堆的温度处于0?℃以上。

燃料电池堆在发电时，随着各类能量损失的出现，会同时出现发热现象。燃料电池堆处于正常运转工况时，须使发热量处在最小限度内，并高效运转。如需实现燃料电池堆的快速升温，应降低反应过程所需的空气量，进而逐渐增大浓度超电压(图26)。

图27示出了在-15?℃温度环境下的快速暖机控制。根据燃料电池温度为-15?℃时的实际车辆评价结果，从系统校验后的8?s开始，燃料电池堆即可进行发电。由于一方面须维持一定的输出功率，另一方面须缓慢地降低电压，使燃料电池堆的发热量有所增加，最终将燃料电池输出功率控制为5~90?kW。此外，目前已确认了燃料电池堆可在32?s左右的时间内增温至0?℃以上。

4?结语

本文以燃料电池系统的1项核心技术“水管理”为研究对象。运用可视化及计测技术，实现了定量化处理，将该技术有效运用于燃料电池堆的设计与系统控制过程中。水管理是燃料电池堆的1项关键技术，今后还将依据相关原理，对燃料电池堆的运作机理进行说明，从而推进燃料电池堆系统的小型化、低成本化,以及性能提升等方面的工作。

注：本文发表于《汽车与新动力》杂志2020年第3期

作者：[日]?今西啓之等

整理：彭惠民

编辑：伍赛特

本文来源于汽车之家车家号作者，不代表汽车之家的观点立场。

燃料电池汽车介绍

纯电动汽车和燃料电池汽车的区别

在广州、天津等地区会有节能车指标这么一个东西，而且很多人并不清楚纯电动汽车和燃料电池汽车的区别，下面就来给大家科普一下纯电动汽车和燃料电池汽车的相关知识。优点不同：纯电动汽车的优点是0污染，低噪音，制造简单，使用成本低；而燃料电池汽车能量转化率高。

动力来源不同：纯电动汽车是直接用电做能源，依靠电池里储存的电能驱动汽车行驶的；而燃料电池汽车是通过化反学应将化学能转化为电能，转换成电能后，可以直接驱动车辆的。

续航能力不同：燃料电池的续航里程数比较远，可以达到400公里以上；虽然目前纯电动汽的续航里程数也是非常不错的，但不如燃烧电池的续航；如果想要获得更长的续航里程，需要为电动汽车配备更重更贵的锂电池包。

燃料电池汽车介绍

燃料电池汽车

燃料电池汽车是指以氢气、甲醇等为燃料通过化学反应产生电流，依靠电机驱动的汽车。其电池的能量是通过氢气和氧气的化学作用，而不是经过燃烧，直接变成电能或的。燃料电池的化学反应过程不会产生有害产物，因此燃料电池车辆是无污染汽车，燃料电池的能量转换效率比内燃机要高2至3倍，因此从能源的利用和环境保护方面，燃料电池汽车是一种理想的车辆。

单个的燃料电池必须结合成燃料电池组，以便获得必需的动力，满足车辆使用的要求。

近几年来，燃料电池技术已经取得了重大的进展。世界著名汽车制造厂，如戴姆勒-克莱斯勒、福特、丰田和通用汽车公司已经宣布，在2004年以前将燃料电池汽车投向市场。目前，燃料电池轿车的样车正在进行试验，以燃料电池为动力的运输大客车在北美的几个城市中正在进行示范项目。在开发燃料电池汽车中仍然存在着技术性挑战，如燃料电池组的一体化，提高商业化电动汽车燃料处理器和部汽车制造厂都在朝着集成部件和减少部件成本的方向努力，并已取得了显著的进步

与传统汽车相比，燃料电池汽车具有以下优点

1、零排放或近似零排放。

2、减少了机油泄露带来的水污染。

3、降低了温室气体的排放。

4、提高了燃油经济性。

5、提高了发动机燃烧效率。

6、运行平稳、无噪声。