燃料电池汽车结构介绍及发展现状

对于大多数不了解的消费者来说，燃料电池车听起来极其复杂和精密。然而，当燃料电池车被分解成各个模块时，它其实是非常简单的。正因为这种简单性，燃料电池技术已经被广泛应用于各种车型。本文会介绍不同车辆类型和及燃料电池技术在不同车型中的潜在应用前景。这将为深入分析燃料电池在某些车型的应用奠定基础，并提供一个逻辑入口。首先，让我们介绍一下燃料电池车的基本部件，并解释一下它们的简单工作原理。我们还将比较和对比燃料电池车、纯电动车以及传统燃油车之间的零部件差异。

如图11所示，与大部分现代化汽车一样，燃料电池车由四个基本模块组成：动力系统、底盘、汽车电子系统和车身。动力系统通过燃料电池系统和电动机为汽车提供动力。这种能量来源于氢，氢储存在车辆的压力罐中。燃料电池堆将这些能量转化为电能，并由电池作为辅助一同驱动电动机。这与纯电动车的原理没有太大不同，但是燃料电池车的电池容量要小得多。因为纯电动车的电池用于储存驱动汽车所需的全部能量，而燃料电池车只需使用电池来辅助稳定燃料电池的输出功率：在功率需求较低时吸收额外的电力，在功率需求大时释放电力。

从理论上讲，纯电动车具有更高的能源效率，但是过大的电池重量降低了这种优势，特别是对于长途运输用的重型车辆。纯电动车必须为每多行驶一英里增加更多的电池容量，从而给车辆增加额外的重量 。比如在特斯拉的电动重卡模型中，预计其电池重量可以达到4.5吨。而燃料电池车就没有这样的问题，因为其所携带的氢气质量远小于同等能量所需的电池质量。这是因为氢具有更高的比能 — 大约120MJ/kg，而电池的比能是5MJ/kg。

除了动力系统，车辆的其他部件基本上是相同的。车辆底盘包括传动、转向、制动和行驶系统。车辆电子系统主要由底盘控制系统，安全系统和车辆电子产品，比如信息娱乐/通信，高级驾驶辅助系统（“ADAS”）以及传感器等构成。最后，车身包括车身主体、座椅和内饰。

在燃料电池车中，燃料电池系统由燃料电池组和辅助系统组成。如下图12所示，燃料电池堆是核心部件，它将化学能转化为电能为汽车提供动力。

燃料电池系统除燃料电池堆外，还有四个辅助系统：供氢系统、供气系统、水管理系统和热管理系统。供氢系统将氢从氢气罐输送到燃料电池堆；由空气过滤器、空气压缩机和加湿器组成的供气系统为燃料电池堆提供氧气；水热管理系统采用独立的水和冷却剂回路来消除废热和反应产物（水）。通过热管理系统，可以从燃料电池中获取热量来加热车辆的驾驶室等，提高车辆的效率。

燃料电池系统产生的电力通过动力控制单元（“PCU”）传到电动机，在电池的辅助下，在需要时提供额外的电力。

如图13所示，燃料电池车与其他车辆的主要区别在于动力系统。所有其他零部件本质上是相似的，因此这里没有突出显示。燃料电池车和纯电动车通过电动机将电能转化为动能，而汽油和柴油车在内燃机中将燃料燃烧产生的热能转化为动能。燃料电池车和纯电动汽车的主要区别在于电的来源。与燃料电池车不同的是，纯电动汽车的全部能量来自其电池组，电池组在充电站进行外部充电。

如前所述，燃料电池车由于其简单性和灵活性而具有广泛的应用场景。燃料电池车和电动车都是为了促进零排放和可持续交通系统所采用的传统燃油车的替代方案 。如图14所示，许多国家都出台了禁止燃油车的政策 106 。使用燃料电池车和电动车这类的清洁能源汽车已经成为不可否认的未来趋势。

与燃料电池车相比，纯电动车的开发和应用在大多数场景中更加成熟，但由于电池重量和续航里程问题而受到限制。如图15所示，纯电动车的真实环境续航里程通常比其官方公布的实验路况下的续航里程有较大的折扣。电池性能也容易受到外界环境的影响，如图16所示，低温对续航里程影响较大 。

注释：*以雷诺ZOE Z.E. 40 为实验样本，**实际里程基准线

自本世纪初以来，不同类别的燃料电池车已经开始逐步进入了原型设计和生产阶段，经过政府和业内人士多年的努力，现在几乎所有车辆类型都有燃料电池车的产品或原型（图17）。对于乘用车而言，燃料电池车已经可以进行商业化应用了，但由于加氢基础设施有限，且购置成本高，因而当前使用率仍较低。在商用车领域，叉车、公交车、轻型和中型卡车一直处于燃料电池商用车应用的前沿。

第一款由商业流水线量产的氢燃料电池乘用车可以追溯到2014年的丰田Mirai。然而，在美国、欧洲和日本，当前燃料电池乘用车的每年采购量只有几百或几千辆。燃料电池乘用车提供了一个在使用性上与传统燃油车相似的零排放解决方案。燃料电池车只需要3-5分钟就可以充满氢燃料，单次加氢可以行驶250-350英里，与燃油车相当。早期使用燃料电池车的主要是租赁公司、车队运营商、政府机构和企业客户。由于缺乏广泛的加氢基础设施的限制，个人客户较少。然而，随着基础设施的增加，预计未来个人消费将会大大增加。

注释：*CHIC：欧洲城市清洁氢项目; **JIVE：欧洲氢燃料汽车联合倡议; ***NFCBP：国家燃料电池公交车计划; ****TIGGER：减少温室气体和能源消耗交通投资项目

目前，燃料电池公交车是应用最广泛的燃料电池车车型之一。这是因为它们大多是对公众运营，并有非常稳定可预测的运营模式。公交车的典型特征是有规律、可预测的路线，因此它们只需要很少的加氢站。此外，政府部门所采取的提倡措施对公交运营商的影响也很大，这使得公交车成为燃料电池技术早期应用的绝佳选择。燃料电池公交车还是一个对社会有展示意义的绿色社会所倡议的绿色公共交通方式的模板。然而，燃料电池公交车的广泛应用仍面临挑战。首先，与化石燃料相比，氢的价格仍然很昂贵。其次，虽然燃料电池系统总体上是可靠的，但与内燃机相比，由于技术相对较新，可能会出现技术问题，导致操作人员效率低下；这同样适用于维修和零部件更换，不过这些问题预计会随着技术应用的成熟而得到缓解。

注释：*H2ME：欧洲氢能源交通出行项目

在我们研究的主要市场中，围绕轻型和中型燃料电池卡车的部署采取了各类方案和行动，且大多由私营部门主导（尽管有政府的支持） ，这与公交车形成了有趣的对比。主要由于以下几点原因：燃料电池技术被认为是一个同城和城际物流强有力的竞争者。从技术角度来看，燃料电池卡车的续航里程通常超过150公里，这使得它们能够完成大部分同城和城际的货物运输。其次，燃料电池卡车可以满足城市地区更严格的环境要求和噪音法规，这鼓励了政府和车队运营商加速采用燃料电池车。第三，与纯电动车相比，燃料电池车加氢时间非常短，大大提高了物流车队的作业效率。货运占城区交通流量的很大一部分（例如在欧洲占8-15% ），这使得燃料电池技术很有希望成为一种主要的城市减排方式。预计在不久的将来，轻型和中型燃料池卡车在同城和城际物流中的应用将会继续增长，尤其是在中国，其商业基础设施的发展速度非常快  。

注释：*H2-Share：针对重型运输的氢解决方案，旨在减少欧洲西北部的排放

叉车是燃料电池技术的前沿应用。首先，叉车在技术要求和基础设施方面比其他车型有优势，叉车所需的最大输出功率仅为乘用车的十分之一。此外，由于叉车主要在仓库等小范围区域作业，因此对加氢站数量需求不高。第三，燃料电池叉车比其他类型的清洁能源叉车有优势， 随着时间的推移电池放电会使得电压下降，导致叉车的速度减慢及生产效率下降。如电动叉车工作4小时后，再继续工作4小时的话速度会平均下降14%，而燃料电池叉车可以实现稳定的工作效率。最后，由于燃料电池车辆没有污染排放，因此非常适用于空间封闭的仓库，尤其食品饮料仓库等有较高卫生要求的仓库。燃料电池叉车正处于商业化阶段，尤其是在美国，燃料电池叉车的保有量已超过2.5万辆。在中国，燃料电池叉车的使用目前还比较有限，但是已经有很多公司开始对燃料电池叉车进行相关的开发，这也得到了各地区政府法规的支持。

燃料电池技术在采矿车上的应用现状

• 理论上，它可以达到与柴油车相同的机动性、动力和安全性能。同时，它一方面享有与电动车一样的清洁性，而另一方面又可以在更短的时间内进行加氢，并运营更长的续航里程 。

• 与柴油矿车相比，燃料电池采矿设备不会在地下环境中排放有害气体，从而减少对矿工健康的影响。

三、结 论

正如在本文中所看到的，燃料电池车由于其简单性和灵活性而具有广泛的在各种类型汽车上的应用前景。在本文中，我们重点介绍了从乘用车到采矿车的各种车辆类型，并展示了每种类型的燃料电池车型在全球各个市场的应用情况。那么，燃料电池车究竟是如何被运营者使用的呢？这些运营的实际总成本是多少？随着技术的不断成熟，这些又会如何变化？让我们在下一篇文章中探讨这些相关的问题。

以上全文节选自：德勤中国《氢能源及燃料电池交通解决方案白 皮 书系列》系列一，旨在普及氢能源及燃料电池基本知识，如有不妥，请联系微 信号：wuqingguo6544删除。

全文完~