關鍵詞（cí）：燃料電池汽車，可再生能源，發展（zhǎn）概況（kuàng）
一：燃料（liào）電池概述（shù）：
燃料電（diàn）池（Fuel cell），是一種通過（guò）氧化還原（yuán）反應將燃料（氫氣（qì））轉換（huàn）成電力的裝（zhuāng）置，最早（zǎo）由（yóu）英國物理學家威廉·格魯夫爵士（shì）發明，由於（yú）燃料電池具有質量能量密度高、能量輸出穩定、可靠（kào）性高、不產生有害排放物（一般隻生成水）、使用成（chéng）本低廉等優點，燃料電池獲得了較快（kuài）的發展。
工作原理：
圖1-1
由圖（tú）1-1可知（zhī）：燃料（氫氣）進入氣體通道（dào）到達陽極（jí）（Anode），在鉑催化劑的作用下，發生陽極（jí）反應：
然後（hòu）氫離子通過電解質薄膜（Electrolyte Membrane）到（dào）達陰極（Cathode）。同時，氧化劑（氧氣）通過氣體通道到達陰極，與通過（guò）電解質薄膜到達陰極的H+在催化（huà）劑（jì）作（zuò）用下發生陰極反應：
反應（yīng）過程結束（shù），產生電能以（yǐ）及副產（chǎn）物水。
圖（tú）1-2
2）特點
燃料電池的（de）諸（zhū）多優點使得其在（zài）汽車上有廣泛的（de）應（yīng）用前景，燃料電池有（yǒu）很多的優點：
1.燃料電池的能量轉換效率高。
由（yóu）於燃料電池采用電化學反應，與內燃機的氣體膨脹做功方（fāng）式（shì）不同。燃料電池的能量轉（zhuǎn）換過程中不涉及燃燒，理論轉換效率高（gāo）達100%（但由於電（diàn）化學反應也不可避免的（de）要生成熱量，實際效率一般為60%~80%），使用效率更可達普通內燃機的2－3倍。
2.真正清潔（jié）無汙染
由燃料電池的工作方式看，燃料電池對環境無汙染。燃料電池是通過電化學反應,而不（bú）是采用燃燒（化石燃料）或儲（chǔ）能(蓄電池)方式輸出能量。燃燒會釋（shì）放如CO2、NO2、SO2等溫室與有害氣體以及粉塵等汙染物。相對而言，燃料電池正常（cháng）工作時隻產生水（shuǐ）和熱（產熱很小（xiǎo））。如果氫是通過可再生能（néng）源產生的，那麽就可以做到真（zhēn）正的（de）清潔無汙染。
雖然蓄電池工作過程（chéng）中也不產生環境汙染，但是蓄電池的（de）製造過程一般會對環境造成較大的負麵，例如市麵上（shàng）采用（yòng）最為廣泛的聚合物鋰離子（zǐ）電池、鎳氫蓄電池等可充電電池，在生產時要（yào）用到鎳、鋰等難煉（liàn）製金屬，而且鎳、鋰礦的開采以及鎳、鋰（鋰是極活潑元素）的提取需要耗費巨大的資源，間接造成了環境的汙染。
3.安靜無噪聲
燃料電池運行安靜,沒有機械（xiè）運動部件，噪聲大約隻有（yǒu）55dB,僅僅相當於人們（men）正常交談的水平。
4．能量密度高，功率輸出平穩
通過改變燃料電池的反應（yīng）條件，甚至可以瞬時將輸出功率提高到額定功率的200%。
5.燃料補充方便：
可以以氫氣、甲醇、天然（rán）氣等作為資源，可以方便的利（lì）用現（xiàn）成的加油站係（xì）統改造燃料電池汽車所需的加（jiā）氫（qīng）站，加氣站。
3）存在（zài）的問題：
雖（suī）然燃料電池係統有很多的優點，仍然存在不（bú）少（shǎo）不（bú）足（zú）。
最主要的問題就是過高的成本，由於燃料電池需（xū）要用昂貴（guì）的鉑催化劑，造成燃料電池的（de）成本一直（zhí）居高不下，雖然最近幾年隨著（zhe）國際（jì）社（shè）會（huì）加大了對燃料電池（chí）的開發力度，使得成本（běn）有所下降，但是較高的成本依然是燃（rán）料電池技術廣泛普及的最大障礙（ài）。
其次，燃料電池的燃料-氫氣的儲藏與製備技術仍不成熟。大規模的製造氫氣仍然一定的問題。
4）與普通蓄電池的區別
1.燃料電池是將燃料的化學能轉變為電能的裝（zhuāng）置（嚴格意義上講燃料電池不是（shì）電池（chí），隻是一個能量生成裝（zhuāng）置）。但燃料（liào）電池在產生電（diàn）能（néng）時，參加電化學反應的燃料在經（jīng）過反應後（hòu），被不斷地消耗且生成不可重新利（lì）用的反應物。因此，燃料（liào）電池需要不斷地輸入燃料。燃料電池的技術性能確定後，隻要源源不（bú）絕地供給燃（rán）料，就可以源源不絕地產生電能，其放電特（tè）性是連（lián）續（xù）進行的，但是燃料電池不可以充電。
2.普通蓄電池是一（yī）種能（néng）量儲存裝置，隻（zhī）存儲電能，不產生電能。蓄電池的（de）活性物質隨蓄電池的充（chōng）電和（hé）放電反複進行可逆性化學變（biàn）化（huà），活（huó）性物質一般不會產生消（xiāo）耗。普通蓄電（diàn）池的技術性（xìng）能確定後，必須先充電（diàn），將電能儲存到電池中，才（cái）能在工作時輸出電能，而且在電能消耗完後，必須在重複充電後才可能重複（fù）使用，其放電特性是循環進行的，而且使（shǐ）用壽命一般與燃料電池（chí）相比較短。
二.燃料（liào）電（diàn）池汽車（chē）結構與（yǔ）特點
燃料電池汽車按燃料種類可分為：
1、以（yǐ）純氫氣為（wéi）燃料的燃料電池汽車；2、以51吃瓜网，汽油等富含氫（qīng）原子的烴類物質經改質後產生的氫（qīng）氣為燃料的燃料（liào）電池汽車。
按電源係統的（de）配置不同可分為（wéi）：
1.燃料電池直接驅動型；2.燃料電池與蓄電池混合電源型；3.燃料電池與（yǔ）超級（jí）電容器混合電源型；4.燃料電池與蓄電池及超級電容多電源型。第一種由於效率較（jiào）低，一般很少使用。現在的主流燃料電池汽車一般均使用第2，3，4三種能量（liàng）供應方式。本文下麵將以Honda FCX Clarity為（wéi）例（采（cǎi）用燃料電池與輔助（zhù）電池作為（wéi）車輛能源）簡要介紹燃料電動汽（qì）車結構。
2007年，本田（Honda）發（fā）布了其（qí）旗下的首款市場化的氫氧燃（rán）料電池汽車（chē）-Honda FCX Clarity, 一款真正體現了綠色（sè）、節能與環保的汽車。2010年本田發布了其旗下的新（xīn）一代FCX Clarity，但考慮到昂貴的價格以及燃料供應（yīng）的問題，FCX現在隻在日本以及美國（guó）的少數地區租賃銷售。FCX在租賃期（qī）間（jiān），包（bāo）括保養（yǎng）費及保險費在內的租金將是三年（nián）每月600美元。
2010年（nián）本田推出了（le）新一代的FCX Clarity,在燃料電池（chí）技（jì）術，以及整車的細節設計上都有了較大的改進。
圖1-1：2010 Honda FCX Clarity
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（guān）方數（shù）據，Honda FCX Clarity在一次加滿燃料時，可（kě）以連續行駛570Km，最高時速更（gèng）是達到了160Km/h。【2】遠非一般的電（diàn）動汽車可比，普通的蓄（xù）電池電動汽車由於受製於電池（chí）本身結構的限製，存儲的能（néng）量有限，嚴重限製了電動汽車的續航裏程，現在（zài）市售的典型純電動汽（qì）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（chún）電動車，售價達36.98萬，一次充滿電後最多僅可（kě）以一次行駛300多公裏。最高時速也僅僅（jǐn）可以達到140Km/h.僅僅（jǐn）從技（jì）術指標來看，燃料（liào）電池汽車具有（yǒu）一般電動汽車無法比擬的（de）優勢。
圖2-2
圖（tú）2-3比亞迪e6
（1）車輛概況
圖2-4 Honda FCX Clarity技（jì）術規格
Honda FCX Clarity動力係統結構主要由動（dòng）力控製單元（Power Control Unit），燃料儲（chǔ）氣罐（Hydrogen Storage Tank），電動機（Electric Motor）,燃料電池堆（Fuel Cell Stack ），高功率的電池（High-Output Battery）等五部分組（zǔ）成。
圖2-5 Honda FCX Clarity的剖視圖
（2）小型輕量化燃料電池（chí）堆 “V Flow FC Stack”
Honda FCX Clarity采用了Honda新開（kāi）發的新一代的小型輕量（liàng）化燃料電池堆“V Flow FC Stack”，采（cǎi）用（yòng）金屬衝壓隔片構造，一概以（yǐ）往的用螺（luó）母固定碳素分隔片的複雜結構，將所用的部件數量減少為原來的1/2，功率密度卻提高了兩（liǎng）倍以上，達到了世界一流的高性（xìng）能水平（píng）【3】。同時，由於采用了新開發的芳香型電解質（zhì）膜，大大提高了電池係統的可靠性與（yǔ）耐用度。Honda同時采用了Honda獨創的氫氣和空氣豎直（zhí）流動（dòng）的“V Flow電（diàn）池單元構造”，並且采用使氫氣和空氣波狀流動的“波狀（zhuàng）隔板”，和上（shàng）一代產品（pǐn）相比相比，性能有了飛（fēi）躍性提高，並（bìng）實現了輕質化和（hé）小型化。新型燃料電池堆的（de）最高功率提升至100kW，與（yǔ）上一代燃料電（diàn）池堆相比，體積功率密度提高50%，重量功率密度提高67%。低溫啟動性能的提升使得（dé）燃料電池可以在零下30攝氏度的環境下正常工作。
全新的電池堆（duī）結構
Honda FCX Clarity采用全新的氫氣與廢水呈（chéng）垂直方向流（liú）動的電池堆結構（gòu），使得V型平台電池（chí）堆的外形更加緊湊（còu），相比傳統的水平放置的電池堆（duī）結構（氫氣與氧氣同廢水（shuǐ）呈水平（píng）流動），可以（yǐ）有效降低汽車的（de）整（zhěng）體高度，有利於車輛的緊湊化與小型化（huà）。
2. V Flow單元結構
圖2-6 Honda FCX Clarity的燃料電（diàn）池組
V Flow單元結構展（zhǎn）現了Honda革命性的設計，它通過是氫氣與氧氣縱（zòng）向流動，使得生成的水可（kě）以在重力的作用下穩定而且順（shùn）暢的排出，並由此可以防止生成的水停留（liú）在發電（diàn）層麵上，以確保發電的持續穩定（dìng）性。另（lìng）外，縱向的氣體流動通道可以使（shǐ）得氫氣與氧氣的流通更（gèng）加順（shùn）暢，從而是流動通道深度減少17%，使電池（chí）的單元結構更薄,電池堆體（tǐ）積更小。
3. Wave通道隔離板
Honda創（chuàng）新（xīn）設計的Wave隔板（圖2-7）使得氫氣與空氣的流動通（tōng）道呈Wave型（波浪形狀），冷卻介質則沿著橫向流動，采用Wave隔板設計氣體（tǐ）流動通道與以（yǐ）往采（cǎi）用直線通道設計的電池組相比，延長（zhǎng）了近一米的（de）長（zhǎng）度【4】，而且可以改變氫氣與氧氣的流動方向，提高空氣與（yǔ）氫氣的擴散性。同時，冷卻介（jiè）質的橫（héng）向布置可以擴大
圖2-7 Wave通道隔離板
氫氣與空氣的通道，最終使得發電能力（lì）比以上一代的Honda FCX Clarity 提高了10%。另外（wài），冷卻介質的橫向（xiàng）流（liú）動還保持了良（liáng）好的冷卻效果，避免了以往（wǎng）電池單元之間所必須（xū）的冷卻層，大（dà）大減輕了電池的重量（可減輕近30%，積層長度縮（suō）短30%）【5】，達到（dào）了極佳的小型化效果。
（3）新型永磁電機
FCX Clarity采用全（quán）新的功率（lǜ）達100kW的新（xīn）型永磁同步電機（圖2-8），與上一代（dài）相比，整體動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，實現了輕質小型化和高功率的高度統一。此外，節能性提高20%，續（xù）航裏程提高30%。
圖2-8 Honda FCX Clarity永磁同步電動機
永磁電機結構（gòu）特點
本田FCX所使用（yòng）的電（diàn）動機是一款（kuǎn）永磁同步電動機，其與普通的電動機相比，永磁（cí）同步電動機裝有轉自永磁體位置檢測器，用來檢測磁極（jí）位（wèi）置，並以此對電（diàn）樞電（diàn）流進行控製，達到（dào）對永磁同步電動機驅動控製的目的。
永磁同步電（diàn）機相比於其它電動機（jī）的優勢則主要表現在因為永磁體取代了（le）繞組，所以結構更加簡單且可靠；因為電機轉速與電源頻率保持同步關（guān）係，所以通過控製電源就可以控製電動機轉速。再加上體積小、質量小並（bìng）且結構堅固等特點（diǎn），以及（jí）相對而言較低的成本，使得永磁同步電機十（shí）分（fèn）適合在電動汽車上應用（yòng）。
同時，永磁電機由於永磁體無需電流勵磁，轉子沒有損耗，提高了電機效率；同時因取消了滑環和電刷，簡化了轉子結構，提高了電機的可靠性。但電機必須由變頻器供電加上轉子位置檢測閉環控製係統才能運行。
當反電勢和供電電流的（de）波形都（dōu）是正弦波時，稱為永磁同步電動機(PMSM)，它與電勵磁同步電動機有相似的內（nèi）部電（diàn）磁關係。當反（fǎn）電勢和供電電流的波形都是矩（jǔ）形波時，稱為矩形（xíng）波永磁同步電動機，其內部的電磁過程和直流（liú）電動機類似，因（yīn）此又稱為無刷直流（liú）電動機（BLDC）。
