燃料電池車的構成

燃料電池車主要由燃料電池、動力電池、高壓儲氣罐、燃料電池升壓器、電機、動力控制裝置（包括 DC/AC 轉換器）等組成。

燃料電池并非直接燃燒燃料產(chǎn)生動力，而是利用電化學將燃料的化學能轉化為電能。換言之，燃料電池車相當于是自帶電化學發(fā)電機的電動車。燃料電池理論上可在接近100%的熱效率下運行，具有很高的經(jīng)濟性。目前實際運行的各種燃料電池，由于種種技術因素的限制，再考慮整個裝置系統(tǒng)的耗能，總的轉換效率多在45%-60%范圍內(nèi)，如考慮排熱利用可達80%以上。根據(jù)電解質(zhì)類型的不同，當前燃料電池主要分為以下6種：質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）、甲醇燃料電池（DMFC）、磷酸鹽燃料電池（PAFC）、堿性燃料電池（AFC）、熔融鹽燃料電池（MCFC）和固體氧化物燃料電池（SOFC）。從實際應用情況觀察，質(zhì)子交換膜以其功率密度大、重量輕、體積小、壽命長、工藝成熟、可低溫下快速啟動等突出優(yōu)點，被認為是車用燃料電池的理想型技術方案，也是當前應用廣泛且較為成熟的技術路徑，近3年全球裝機量占總裝機量的比重穩(wěn)定保持在75%以上。

動力電池主要是把燃料電池多余的電量和車輛行駛過程中回收的電能儲存起來，以便車輛急加速時使用，以及供車載用電器使用。

高壓儲氣罐主要是存儲氫氣，用高壓儲氣瓶儲存氫氣時要用低溫保溫裝置來保持低溫，低溫保溫裝置是一套復雜的系統(tǒng)。

燃料電池系統(tǒng)中，發(fā)出的電能還需要經(jīng)過燃料電池升壓器的升壓才能供給電機使用。最終的輸出電壓必須達到一定數(shù)值，從而滿足電機的最大輸出需求。

動力控制裝置主要由燃料電池發(fā)動機管理系統(tǒng)（FCE-ECU）、蓄電池管理系統(tǒng)（BMS）、動力控制系統(tǒng)（PCU）及整車控制系統(tǒng)（VMS）組成。

1、發(fā)動機管理系統(tǒng)。燃料電池發(fā)動機管理系統(tǒng)按整車控制器的功率設定值控制燃料電池發(fā)動機的功率輸出，監(jiān)測發(fā)動機的工作狀態(tài)，保證發(fā)動機穩(wěn)定可靠地運行，同時進行故障診斷及管理。系統(tǒng)具體組成包括供氫系統(tǒng)、供氧系統(tǒng)、水循環(huán)及冷卻系統(tǒng)。

2、蓄電池管理系統(tǒng)。蓄電池管理系統(tǒng)分上下兩級，下級 LECU 負責蓄電池組電壓、溫度等物理參數(shù)的測量，進行過充電過放電保護及組內(nèi)組間均衡；上級 CECU 負責動力蓄電池組的電流檢測及剩余電量（SOC）估算，以及相關的故障診斷，同時運行高壓漏電保護策略。

3、動力控制系統(tǒng)。動力控制系統(tǒng)包含 DC/DC 轉換器、DC/AC 轉換器、 DCL 和空調(diào)控制器及空調(diào)壓縮機變頻器，以及電機冷卻系統(tǒng)控制器。DC/DC 轉換器和 DC/AC 轉換器的作用如前所述，DCL 負責將高壓電源轉換為系統(tǒng)零部件所需的 12V/24V 低壓電源，電機冷卻系統(tǒng)控制器負責電機及PCU 的水冷卻系統(tǒng)控制。

4、整車控制系統(tǒng)。整車控制系統(tǒng)的核心是多能源控制系統(tǒng)（包括制動能量回饋功能），它一方面接收來自駕駛人的需求信息（如點火開關、加速踏板、制動踏板、檔位信息等）實現(xiàn)整車工況控制；另一方面基于反饋的實際工況（如車速、制動、電機轉速等），以及動力系統(tǒng)的狀況（燃料電池及蓄電池的電壓、電流等），根據(jù)預先匹配好的多能源控制系統(tǒng)進行能量分配調(diào)節(jié)控制。

氫燃料電池車工作原理

氫燃料電池是將氫氣與氧氣的化學能直接轉換成電能的發(fā)電裝置，氫燃料電池車與現(xiàn)有能源車型相比性能優(yōu)勢顯著。

圖 1?氫燃料電池車與其他車型性能

氫燃料電池基本原理是電解水的逆反應，將氫和氧分別供給陰陽兩極（陽極反應：2H2+2O2-→2H2O+4e-；陰極反應：O2+4e-→2O2-；整體電池反應：2H2+O2→2H2O），氫通過陽極向外擴散和電解質(zhì)發(fā)生反應后，放出電子通過外部的負載到達陰極。因此，氫燃料電池車依靠氫發(fā)電，再通過車內(nèi)電動機驅(qū)動汽車行進。氫能具有節(jié)能環(huán)保、低碳高效等特點，氫燃料電池車與現(xiàn)有能源車型相比，在安全性、補能效率、續(xù)航里程、低溫啟動、能量轉換效率、回收和排放等方面具備一定的優(yōu)勢，未來有望迎來大規(guī)模市場推廣。

圖 2?氫燃料電池車工作原理

為何氫燃料電池車目前無法大規(guī)模推廣？

當下限制氫燃料電池車推廣的核心因素是成本居高不下。（1）成本一方面來源于車輛購置成本高，以長安汽車為例，其新車型深藍SL03提供純電動、增程式和氫燃料三種型號，價格分別在20萬元、17萬元和70萬元，由此可見同一車型，氫燃料版本價格遠高于其他車型。根據(jù)測算，車輛購置成本較高的主要原因在于核心部件燃料電池電堆的制造成本較高，燃料電池電堆成本占整車成本超60%，電堆中的質(zhì)子交換膜、催化劑和氣體擴散層等核心原材料的國產(chǎn)化進程緩慢，大部分產(chǎn)品仍依靠國外進口，伴隨著國內(nèi)廠商技術突破帶動國產(chǎn)替代，未來成本有望逐步下探；

（2）成本另一方面源于車輛使用過程中的運營成本，制氫層面，現(xiàn)階段傳統(tǒng)煤制氫對環(huán)境污染較高，工業(yè)副產(chǎn)氫以及更先進的電解水制氫成本較高。氫儲運層面，傳統(tǒng)20MPa氣氫貨車托運模式難以滿足大需求、長距離運輸，國際先進水平通常采用50MPa高壓儲氫方式，未來液氫運輸和管道運輸更易滿足長距離、大容量運輸需求。氫加注層面，目前單個加氫站的建設成本是相同規(guī)格加油站的2-3倍。加總看，目前價格較低的案例有張家口望山的電解水制氫一體站，加氫協(xié)議價為30元/kg，較高的案例有上海的外供氫加氫站，價格在60-70元/kg。相比于目前燃油與充電價格，未來仍有較大的下降空間。

圖 3 左：燃料電池車成本構成；右：燃料電池電堆成本構成

未來市場前景

政策利好與技術進步推動產(chǎn)品平價，市場有望逐步成長。如同電動車產(chǎn)業(yè)在發(fā)展初期依賴于補貼政策，國家對氫燃料電池車的政策扶持在行業(yè)發(fā)展的初期也具有重大意義。在《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021-2035年）》中，國家明確指出要有序推進氫燃料電池汽車供給體系建設，包括提高氫燃料制儲運經(jīng)濟性和推進加氫基礎設施建設。此外，財政部、工信部、科技部和發(fā)改委于2020年聯(lián)合發(fā)布《關于完善新能源汽車推廣應用財政補貼政策的通知》，指出將當前對燃料電池汽車的購置補貼，調(diào)整為選擇有基礎、有積極性、有特色的城市或區(qū)域，重點圍繞關鍵零部件的技術攻關和產(chǎn)業(yè)化應用開展示范，中央財政將采取“以獎代補”方式對示范城市給予獎勵。當下，燃料電池電堆中的核心零部件已逐步實現(xiàn)國產(chǎn)替代，伴隨著國內(nèi)企業(yè)技術突破以及產(chǎn)品體量逐漸規(guī)模化帶來的降本效果，未來成本有望逐步下探，推動市場化應用。

編輯：黃飛

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