燃料電池汽車按燃料種類可分為：

 

1、以純氫氣為燃料的燃料電池汽車；2、以天然氣，汽油等富含氫原子的烴類物質(zhì)經(jīng)改質(zhì)后產(chǎn)生的氫氣為燃料的燃料電池汽車。

 

按電源系統(tǒng)的配置不同可分為：

 

1.燃料電池直接驅(qū)動(dòng)型；2.燃料電池與蓄電池混合電源型；3.燃料電池與超級(jí)電容器混合電源型；4.燃料電池與蓄電池及超級(jí)電容多電源型。第一種由于效率較低，一般很少使用?，F(xiàn)在的主流燃料電池汽車一般均使用第2，3，4三種能量供應(yīng)方式。本文下面將以Honda FCX Clarity為例（采用燃料電池與輔助電池作為車輛能源）簡(jiǎn)要介紹燃料電動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)。

 

2007年，本田（Honda）發(fā)布了其旗下的首款市場(chǎng)化的氫氧燃料電池汽車-Honda FCX Clarity, 一款真正體現(xiàn)了綠色、節(jié)能與環(huán)保的汽車。2010年本田發(fā)布了其旗下的新一代FCX Clarity，但考慮到昂貴的價(jià)格以及燃料供應(yīng)的問(wèn)題，F(xiàn)CX現(xiàn)在只在日本以及美國(guó)的少數(shù)地區(qū)租賃銷售。FCX在租賃期間，包括保養(yǎng)費(fèi)及保險(xiǎn)費(fèi)在內(nèi)的租金將是三年每月600美元。

 

2010年本田推出了新一代的FCX Clarity,在燃料電池技術(shù)，以及整車的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)上都有了較大的改進(jìn)。

 

FCX Clarity采用氫氣作為車輛燃料電池的能源，從圖2-1可以看到，Honda FCX

 

Clarity可以通過(guò)加氫站向車輛添加燃料，具Honda官方數(shù)據(jù)，Honda FCX Clarity在一次加滿燃料時(shí)，可以連續(xù)行駛570Km，最高時(shí)速更是達(dá)到了160Km/h?！?】遠(yuǎn)非一般的電動(dòng)汽車可比，普通的蓄電池電動(dòng)汽車由于受制于電池本身結(jié)構(gòu)的限制，存儲(chǔ)的能量有限，嚴(yán)重限制了電動(dòng)汽車的續(xù)航里程，現(xiàn)在市售的典型純電動(dòng)汽車，如2011年10月26日，在深圳正式上市的定名為e6先行者（圖1-3）的比亞迪純電動(dòng)車，售價(jià)達(dá)36.98萬(wàn)，一次充滿電后最多僅可以一次行駛300多公里。最高時(shí)速也僅僅可以達(dá)到140Km/h.僅僅從技術(shù)指標(biāo)來(lái)看，燃料電池汽車具有一般電動(dòng)汽車無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。

 

Honda FCX Clarity動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由動(dòng)力控制單元（Power Control Unit），燃料儲(chǔ)氣罐（Hydrogen Storage Tank），電動(dòng)機(jī)（Electric Motor）,燃料電池堆（Fuel Cell Stack ），高功率的電池（High-Output Battery）等五部分組成。

 

（2）小型輕量化燃料電池堆 “V Flow FC Stack”

 

Honda FCX Clarity采用了Honda新開(kāi)發(fā)的新一代的小型輕量化燃料電池堆“V Flow FC Stack”，采用金屬?zèng)_壓隔片構(gòu)造，一概以往的用螺母固定碳素分隔片的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，將所用的部件數(shù)量減少為原來(lái)的1/2，功率密度卻提高了兩倍以上，達(dá)到了世界一流的高性能水平【3】。同時(shí)，由于采用了新開(kāi)發(fā)的芳香型電解質(zhì)膜，大大提高了電池系統(tǒng)的可靠性與耐用度。Honda同時(shí)采用了Honda獨(dú)創(chuàng)的氫氣和空氣豎直流動(dòng)的“V Flow電池單元構(gòu)造”，并且采用使氫氣和空氣波狀流動(dòng)的“波狀隔板”，和上一代產(chǎn)品相比相比，性能有了飛躍性提高，并實(shí)現(xiàn)了輕質(zhì)化和小型化。新型燃料電池堆的最高功率提升至100kW，與上一代燃料電池堆相比，體積功率密度提高50%，重量功率密度提高67%。低溫啟動(dòng)性能的提升使得燃料電池可以在零下30攝氏度的環(huán)境下正常工作。

 

全新的電池堆結(jié)構(gòu)

 

Honda FCX Clarity采用全新的氫氣與廢水呈垂直方向流動(dòng)的電池堆結(jié)構(gòu)，使得V型平臺(tái)電池堆的外形更加緊湊，相比傳統(tǒng)的水平放置的電池堆結(jié)構(gòu)（氫氣與氧氣同廢水呈水平流動(dòng)），可以有效降低汽車的整體高度，有利于車輛的緊湊化與小型化。

 

2. V Flow單元結(jié)構(gòu)

 

 

V Flow單元結(jié)構(gòu)展現(xiàn)了Honda革命性的設(shè)計(jì)，它通過(guò)是氫氣與氧氣縱向流動(dòng)，使得生成的水可以在重力的作用下穩(wěn)定而且順暢的排出，并由此可以防止生成的水停留在發(fā)電層面上，以確保發(fā)電的持續(xù)穩(wěn)定性。另外，縱向的氣體流動(dòng)通道可以使得氫氣與氧氣的流通更加順暢，從而是流動(dòng)通道深度減少17%，使電池的單元結(jié)構(gòu)更薄,電池堆體積更小。

 

3. Wave通道隔離板

 

Honda創(chuàng)新設(shè)計(jì)的Wave隔板（圖2-7）使得氫氣與空氣的流動(dòng)通道呈Wave型（波浪形狀），冷卻介質(zhì)則沿著橫向流動(dòng)，采用Wave隔板設(shè)計(jì)氣體流動(dòng)通道與以往采用直線通道設(shè)計(jì)的電池組相比，延長(zhǎng)了近一米的長(zhǎng)度【4】，而且可以改變氫氣與氧氣的流動(dòng)方向，提高空氣與氫氣的擴(kuò)散性。同時(shí)，冷卻介質(zhì)的橫向布置可以擴(kuò)大

 

 

氫氣與空氣的通道，最終使得發(fā)電能力比以上一代的Honda FCX Clarity 提高了10%。另外，冷卻介質(zhì)的橫向流動(dòng)還保持了良好的冷卻效果，避免了以往電池單元之間所必須的冷卻層，大大減輕了電池的重量（可減輕近30%，積層長(zhǎng)度縮短30%）【5】，達(dá)到了極佳的小型化效果。

 

（3）新型永磁電機(jī)

 

FCX Clarity采用全新的功率達(dá)100kW的新型永磁同步電機(jī)（圖2-8），與上一代相比，整體動(dòng)力單元的重量功率密度提高1倍，體積功率密度提高1.2倍，實(shí)現(xiàn)了輕質(zhì)小型化和高功率的高度統(tǒng)一。此外，節(jié)能性提高20%，續(xù)航里程提高30%。

 

 

永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

 

本田FCX所使用的電動(dòng)機(jī)是一款永磁同步電動(dòng)機(jī)，其與普通的電動(dòng)機(jī)相比，永磁同步電動(dòng)機(jī)裝有轉(zhuǎn)自永磁體位置檢測(cè)器，用來(lái)檢測(cè)磁極位置，并以此對(duì)電樞電流進(jìn)行控制，達(dá)到對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制的目的。

 

永磁同步電機(jī)相比于其它電動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)則主要表現(xiàn)在因?yàn)橛来朋w取代了繞組，所以結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單且可靠；因?yàn)殡姍C(jī)轉(zhuǎn)速與電源頻率保持同步關(guān)系，所以通過(guò)控制電源就可以控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。再加上體積小、質(zhì)量小并且結(jié)構(gòu)堅(jiān)固等特點(diǎn)，以及相對(duì)而言較低的成本，使得永磁同步電機(jī)十分適合在電動(dòng)汽車上應(yīng)用。

 

同時(shí)，永磁電機(jī)由于永磁體無(wú)需電流勵(lì)磁，轉(zhuǎn)子沒(méi)有損耗，提高了電機(jī)效率；同時(shí)因取消了滑環(huán)和電刷，簡(jiǎn)化了轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，提高了電機(jī)的可靠性。但電機(jī)必須由變頻器供電加上轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)閉環(huán)控制系統(tǒng)才能運(yùn)行。

 

當(dāng)反電勢(shì)和供電電流的波形都是正弦波時(shí)，稱為永磁同步電動(dòng)機(jī)(PMSM)，它與電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)有相似的內(nèi)部電磁關(guān)系。當(dāng)反電勢(shì)和供電電流的波形都是矩形波時(shí)，稱為矩形波永磁同步電動(dòng)機(jī)，其內(nèi)部的電磁過(guò)程和直流電動(dòng)機(jī)類似，因此又稱為無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)（BLDC）。

 

 

 

從圖2-9分析可得相同功率下，永磁同步電機(jī)的效率明顯高于異步電機(jī)，而潤(rùn)滑油脂的數(shù)量使用的也較異步電機(jī)小。

 

（4）高性能鋰離子電池

 

Honda FCX Clarity氫氧燃料電池汽車采用了一塊高性能的聚合物鋰離子電池作為汽車的輔助能源（工作電壓為288伏的鋰離子電池）。 Honda FCX Clarity采用了可插電的設(shè)計(jì)，可以允許在車輛不用時(shí)通過(guò)普通的家用電源對(duì)鋰離子電池進(jìn)行充電。

 

Honda FCX Clarity允許車輛在低速時(shí)只依靠鋰離子電池行駛，并且，可以通過(guò)剎車能量回收系統(tǒng)（可以將剎車時(shí)損失的部分動(dòng)能轉(zhuǎn)變成為電能）為鋰離子電池進(jìn)行再充電。同時(shí)，鋰離子電池還可以為車輛的車輛電子系統(tǒng)提供電力。

 

（5）燃料存儲(chǔ)裝置

 

HondaFCX Clarity 采用高壓氫氣作為車輛的燃料，由于要存儲(chǔ)大量的氫氣以滿足長(zhǎng)距離行駛的燃料要求，HondaFCX Clarity采用容積為171L的高壓氣罐作為燃料存儲(chǔ)裝置，高壓氣罐可以承受的最高壓力為350ATM，因此可以在有限的體積內(nèi)存儲(chǔ)盡量多的氫氣。

 

綜上所述，一般的燃料電池汽車主要由電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，燃料電池系統(tǒng)以及燃料存儲(chǔ)裝置和傳統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)組成，其中燃料電池系統(tǒng)，燃料存儲(chǔ)系統(tǒng)以及電機(jī)系統(tǒng)是車輛的核心。電機(jī)用于為車輛提供動(dòng)力，燃料電池可以為車輛提供動(dòng)力，儲(chǔ)氣罐為燃料電池提供能源，蓄電池或者超級(jí)電容作為電動(dòng)機(jī)與燃料電池之間的能量緩沖裝置，更有利于提高車輛的能量利用效率。

 

毫無(wú)疑問(wèn)，燃料電池汽車與傳統(tǒng)汽車，混合動(dòng)力汽車以及純電動(dòng)汽車相比擁有很多優(yōu)勢(shì)。

 

1.清潔無(wú)污染。燃料電池汽車的運(yùn)行過(guò)程中完全不排放污染物，只生成水，是完全意義上的“清潔汽車”。

 

2.燃料補(bǔ)充方便，快捷，續(xù)航力遠(yuǎn)超普通純電動(dòng)汽車。純電動(dòng)汽車充電時(shí)間較長(zhǎng)，一次充電完成需要7~8小時(shí)，而且充滿電后續(xù)航里程較短，常常不超過(guò)300km。而燃料電池汽車可以像傳統(tǒng)的汽油汽車一樣方便的補(bǔ)充燃料，而且充滿燃料后一般的續(xù)航里程可達(dá)到400km以上，甚至超過(guò)了很多的傳統(tǒng)的使用汽油的車輛。

 

3.效能高。燃料電池汽車有極高的能源利用效率。由于燃料電池本事就是一種效率極高的能量生成裝置，加上車輛合理的設(shè)計(jì)（如再生制動(dòng)系統(tǒng)的使用，輔助電池的應(yīng)用），使得燃料電池汽車具有極高的能源利用效率。

 

4.動(dòng)力性能優(yōu)異。燃料電池可以持續(xù)穩(wěn)定的輸出電力，加上高性能電機(jī)的應(yīng)用，使得燃料電池汽車具有極佳的動(dòng)力性能。以奔馳B級(jí)緊湊型轎車F-Cell燃料電池型為例，其采用的同步電機(jī)最大輸出功率可達(dá)100千瓦，峰值扭矩可達(dá)290牛米。動(dòng)力系統(tǒng)的性能遠(yuǎn)超普通的2.0L自然吸氣式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，并且擁有良好的燃油經(jīng)濟(jì)性，其燃料消耗僅僅相當(dāng)于每百公里耗油3.3升（價(jià)格上）。最高時(shí)速可達(dá)170公里/小時(shí)，僅比采用自然吸氣引擎的奔馳B200低了26公里/小時(shí)。

 

三．燃料電池汽車發(fā)展概況

 

日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省前幾年就對(duì)燃料電池汽車開(kāi)發(fā)與推廣制定了時(shí)間表，其戰(zhàn)略目標(biāo)是：到2010年，日本使用的燃料電池汽車達(dá)到 5萬(wàn)輛；2020年達(dá)到500萬(wàn)輛；到 2030年，要全面普及燃料電池汽車。近期，日本又計(jì)劃在 5 年內(nèi)斥資 2090 億日元開(kāi)發(fā)以天然氣為原料的液體合成燃料技術(shù)、車用電池，以及氫燃料電池科技【7】。

 

2009年，美國(guó)政府正式宣布停止支持燃料電池電動(dòng)車的研發(fā)。

 

2008年，歐盟決定斥資１０億歐元用于燃料電池和氫能源的研究和發(fā)展。

 

中國(guó)政府大力支持燃料電池汽車以及純電動(dòng)汽車的研發(fā)與市場(chǎng)推廣，2010年上海世博會(huì)期間，世博園區(qū)投入了196輛燃料電池公交車，取得了良好的運(yùn)行效果。