燃料电池汽车的构造与知识拓展

燃料电池汽车是以燃料电池作为动力源的电动汽车。燃料电池是利用氢气和氧气（或空气）在催化剂的作用下经电化学反应直接产生电能的装置，燃料电池汽车就是利用这种电能实现车辆驱动的。但现阶段，燃料电池的许多关键技术还处于研发试验阶段。此外，燃料电池的理想燃料——氢气，在制备、供应、储运等方面距离产业化还有大量的技术与经济问题有待解决。

一、燃料电池汽车的优点

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没有机油泄漏带来的水污染。

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。

与其他新能源汽车相比，燃料电池汽车具有以下优点：

①燃料电池的反应结果会产生极少的二氧化碳和氮氧化物，副产品主要是水，因此被称为绿色新型环保汽车。

②一般情况下，氢燃料电池车每行驶m，大约需要g氢气。一般车型可储存约g的压缩氢气。理论上，在加满氢的状态下续航里程达到m。

③燃料补充时间与燃油车的相当。氢燃料电池车加注氢气的过程非常快速、便捷，专用的加氢设备可在几分钟之内加满氢原料。相对于纯电动车较长的充电等待时间，优势极其明显。

④动力性能可与汽油车媲美。奥迪Aportback h-tron quattro概念车搭载氢燃料电池动力系统，这套系统的最大功率为230马力，最大扭矩为·m。其0～m/h加速仅为7.，极速可以达到m/h。同时，该系统也应用了奥迪独有的quattro系统。

二、燃料电池汽车的结构与工作原理

燃料电池电动汽车的基本构成如图12-3所示。燃料电池汽车主要由高压氢储存罐（燃料箱）、燃料电池组、蓄电池、电动机、空气压缩机、能量控制单元等部件组成。

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图12-3　燃料电池汽车的基本构成

下面以丰田未来燃料电池电动汽车为例介绍其工作原理。丰田Mirai燃料电池电动汽车是以燃料电池堆栈为核心组件的一套复杂动力系统，除燃料电池堆栈外，还包括燃料电池升压器、高压储气罐及驱动电动机等，如图12-4所示。

图12-4　丰田未来燃料电池电动汽车

1.氢燃料电池堆栈

氢燃料电池堆栈位于车身下部，是氢气与氧气进行反应的场所，也是氢燃料电池电动汽车的关键。氢燃料电池堆栈反应原理如图12-5所示。在燃料电池堆栈里，将进行氢与氧相结合的反应，其中存在电荷转移，从而产生电流。与此同时，氢与氧化学反应后生成水。燃料电池堆栈作为一个化学反应池，其最关键的技术核心在“质子交换薄膜”。在这层薄膜的两侧紧贴着催化剂层，将氢气分解为带电离子状态。随后携带电子的氢通过这道薄膜，留下电子，变成正价氢质子，并通过薄膜到达另一端。接着，氢质子与氧在薄膜的另一端结合，同时所丢失的电子被“还给”它，产生水。随着氧化反应的进行，电子不断发生转移，就形成了驱动汽车所需的电流。

图12-5　氢燃料电池堆栈反应原理示意

2.燃料电池升压器

在燃料电池堆栈中，排布了诸多薄膜，可以产生大量的电子转移，形成供车辆行驶所需的电流。一般情况下，这些电流所产生的整体电压为左右，不足以带动一台车用大功率电动机。因此，像丰田未来这样的氢燃料电池车还装备了升压器，将电压升至以上，从而顺利推动电动机。

3.储氢罐

储氢罐用来存储产生电能所需的氢原料。由于氢气在一般气压下的密度较低，并且为气体状态，想要得到足够的氢气来供应燃料电池堆栈，就需要进行压缩，因此储氢罐的设计与强度也十分重要。

4.蓄电池

蓄电池平时将氢燃料堆栈所产生的多余电能储存起来，在汽车制动时，回收并储存电能。

5.驱动电动机

驱动电动机的作用是将电源的电能转化为机械能，通过传动装置或直接驱动车轮工作。

从氢燃料电池电动汽车的工作原理可以看出，其实就是在发明一种新型发电机作为汽车的动力源。