摘要：目前国内外发展新能源汽车是应对气候变化、推动绿色能源发展的战略举措。随着国内外的氢燃料电池技术的逐渐成熟，氢燃料电池在汽车已经得到了应用。本文从氢燃料电池技术，氢燃料汽车动力系统结构原理展开研究，加深人们对于氢燃料汽车应用技术认识，为职业教育及汽车维修行业提供技术参考。

关键词：氢燃电池 汽车应用 技术研究

前言

国务院办公厅于2020年12月发布了《关于印发新能源汽车产业发展规划（2021-2035年）的通知》指出，发展新能源汽车是我国从汽车大国迈向汽车强国的必由之路，是应对气候变化、推动绿色发展的战略举措。

随着我国社会经济的持续增长，能源消费需求总量不断上升，石油、天然气等进口依存度持续走高，2022年我国原油进口5.08亿吨、同比下降1.0%，对外依存度降至71.2%；天然气进口量在多年连续大幅增长的情况下，2022年进口量1520.7亿立方米、同比下降10.4%，对外依存度降为40.2%。能源进口依存度高，已成为我国能源安全的巨大挑战，能源结构转型势在必行。

汽车产业作为世界主要工业国家的支柱产业，是衡量一个国家综合实力和发达程度的重要标志。氢燃料电池汽车不仅在能源发展方面具有重要作用，而且具有优秀的环保性能和能量转化效率。与纯电动汽车相比，具有排放零污染、加注时间短、续航里程长等优势，被认为是未来汽车工业可持续化发展的重要方向。

1.氢燃料电池性能

氢燃料电池是一种将储存在燃料（氢）和氧化剂（氧）中的化学能通过电化学反应直接转化为电能的装置，电化学反应过程，产生电能和水；氢燃料电池运行平稳，无振动和噪音。

由于氢燃料电池能将燃料的化学能直接转化为电能，因此，它没有像通常的火力发电机那样通过锅炉、汽轮机、发电机的能量形态变化，可以避免中间的转换的损失，达到很高的发电效率，同时排放物是水，对环境没有造成任何污染，被认为是21世纪的绿色能源。燃料电池技术在汽车上的应用，给汽车产业发展带来了革命性的突破，同时也推动了自身的发展。

燃料电池可以用作汽车的动力电源，也可以用作辅助电源。事实上，人们考虑更多的是氢燃料电动汽车（FCEV），它不同于传统汽车，其动力来自燃料电池，而不是内燃机，可以减少燃料消耗，产生更少的污染物排放，当以氢作燃料时，能真正实现汽车的“零排放”，因此更符合人们的经济环保观念。此外，在能量耗尽后，燃料电动汽车不像传统的蓄电池电动汽车（BEV）那样需要长时间充电，而只需补充燃料即可继续工作，这一点对汽车驾驶者来说尤为方便。

2.氢燃料电池结构原理

氢燃料电池（也称，氢燃料电池电堆）是发生电化学反应的场所，是氢燃料电池系统的核心部件，维系着整个燃料电池系统的能量输出过程。氢燃料电池电堆由多片单电池组成，工作时氢气和氧气分别经电堆气体主通道，分配至各单电池的双极板，经双极板导流均匀分配至电极，通过电极支撑体与催化剂接触进行电化学反应，产生电能向氢燃料动力汽车的驱动电机输入，作为汽车的主要动力，驱动汽车行驶。

2.1 氢燃料动力电池的基本组成

燃料电池电堆由多个燃料电池单体以串联方式层叠组合构成。双极板与膜电极MEA交替叠合，各单体之间嵌入密封件，经前、后端板压紧后用螺杆紧固拴牢，即构成燃料电池电堆。2014年款，燃料电池单体370节，2020款330节。

2.2 氢燃料电池电堆主要组成

氢燃料电池电堆主要由双极板、膜电极组件、密封垫片、气体扩散层（排热板）、集电极（集流板）、绝缘板、端板等零件组成。

2.2.1双极板

双极板作为燃料电池的核心部件，在燃料电池中，起到了膜电极结构支撑、分隔氢气和氧气、收集电子、传导热量、提供氢气和氧气通道、排出反应生成的水、提供冷却液流道诸多重要作用。

在燃料电池堆内，双极板主要具有的作用：支撑MEA；分隔各单电池；分隔阴极、阳极反应气体，防止其相互混合；提供电气连接；输送反应气体并使之均匀分配；传导反应热量；去除水副产物；承受组装预紧力。

2.2.2膜电极组件

膜电极组件是保证电化学反应的核心膜电极组件（MEA），包括质子交换膜、催化剂层和气体扩散层。是将质子交换膜、催化层电极、扩散层在浸润Nafion 液后，在一定温度和压力下，热压而成的三合一组件，是保证电化学反应能高效进行的核心，质子交换膜（Proton Exchange Membrane Fuel，PEM）是氢燃料电池的最核心部件，是燃料电池电解质和催化剂进行电化学反应的基地。

质子交换膜是PEM燃料电池中一个非常重要的组件，它兼有隔膜和电解质的作用。其隔膜作用就是阻止阴阳极之间气体相通，防止氢氧混合发生爆炸；其电解质的作用是仅使质子通过，而使电子传递受阻，这样电子就被迫通过外电路流动向外输出电能。

催化剂层的作用是使燃料和氧化剂发生电化学反应的物质，催化剂的好坏直接影响到燃料电池性能的好坏，目前催化剂多采用铂（Pt），在催化电解水时表现出较高的电子传输能力和较小的过电势以及比较适宜的氢原子吸附自由能，可以温和地吸附氢原子并将氢气从表面脱附，过电位接近零。

气体扩散层是导电材料制成的多孔合成物，它一方面为气体从流道扩散到催化层提供通道，另一方面对燃料电池的催化层起支撑的作用，气体扩散层孔隙率和孔径是其两个重要的参数。

在质子交换膜两面敷设催化层与气体扩散层，5层整个厚度约1mm，组成膜电极组件，组件有外框。

集电极板为铜板制作，安装在电池堆两端，是电池堆的电力输出端。

密封垫片是为了防止工作气体与冷却液的泄露，在所有叠装的零件之间都要垫密封垫片，密封垫片由专用橡胶片切成。目前许多燃料电池生产已不使用密封垫片，采用燃料电池专用密封胶粘合叠装的零件，提高生产效率。我们的模型仍采用密封垫片，方便拆卸。

排热板：由于燃料电池的发电效率为50%至60%，剩余能量变为热量，所以大功率燃料电池散热非常重要，一般采用在两块单极板之间插入排热板来散热。排热板由铝材制作，板上有排热液流道，流道可采用多种类型，但为了减小流体阻力，多采用平行流道，流道两端有冷却液通道孔，冷却液从一个孔进，另一个孔出。排热板可单独使用也可两块面对面粘合成一块使用。

绝缘垫片安装在集电极板与端盖之间，防止端盖带电。由绝缘性好，有一定弹性的合成材料制成。

两块端板安装在燃料电池电堆两端，通过螺栓压紧电池堆。本模型端板由厚铝板制作，板上有氢气入口管、氢气出口管、氧气入口管、氧气出口管、冷却液入口管、冷却液出口管与安装螺栓孔。

2.3氢燃料电池工作原理

氢燃料电池车的工作原理是：将氢气送到燃料电池的阳极板（负极），经过催化剂（铂）的作用，氢原子中的一个电子被分离出来，失去电子的氢离子（质子）穿过质子交换膜，到达燃料电池阴极板（正极），而电子是不能通过质子交换膜的，这个电子，只能经外部电路，到达燃料电池阴极板，从而在外电路中产生电流。电子到达阴极板后，与氧原子和氢离子重新结合为水。

3.氢燃料动力电池汽车技术应用

丰田的第一代Miria氢燃料电池汽车动力系统结构（如图2所示）。在驾驶舱底部布置着的燃料电池堆栈是整套系统的核心。在车身后桥部分放置着一个镍氢动力电池组和前后两个高压储氢罐，Mirai唯一需要消耗的“燃料”就是氢气。加满5公斤氢气就可以连续跑上650公里。

3.1燃料电池堆

燃料电池堆是通过氢气和氧气的化学反应发电的装置，安装在地板下面。利用氢气罐提供的氢气和从车外吸入的空气中的氧气，产生370v以上电压。燃料电池组使用单体电池发电，单体电池由一个电解质膜夹在隔板中组成，370个单体电池连在一起产生高电压。

单体电池装在金属壳体内，不易接触。在发电过程中，通过氢气和氧气的化学反应生成水，水通过排水口排出。

3.2氢气罐

氢气罐安装位置（如图1所示）。环境温度在15℃时，氢气罐内储存氢气的最高气压可达到70MPa，这些氢气输送燃料电池堆。氢气罐由碳纤维增强塑料制成，位于地板下方。用于检测氢气泄漏的氢气探测器位于氢气罐附近。如果检测到规定浓度的氢气泄漏，燃料电池系统将切断氢气供应。每个氢气罐配备有一个热减压阀，车辆发生故障时，防止氢气温度太高发生爆炸。温度在大约110℃时将会打开热减压阀，把氢气罐中的氢气释放到车辆外部。一辆汽车会安装多个氢气罐。

3.3氢气泵

氢气泵将会使氢气罐给燃料电池堆循环供应氢气。氢气泵有一个内置电机，电机由燃料电池水泵与氢气泵逆变器的高电压运转。氢气泵安装在燃料电池堆侧面的盖子下面。如图4

3.4氢气管

氢气管连接燃料电池堆和氢气罐等储存和使用氢气的零部件，氢气管位于汽车地板下部，高压氢气管用红色标识。

3.5燃料电池水泵和氢气泵逆变器

燃料电池水泵和氢气泵逆变器将动力蓄高压电池的直流电转换为交流电，并将该电流输送到燃料电池水泵和氢气泵。燃料电池水泵和氢气泵逆变器安装在车辆前方的电机舱内，如

3.6燃料电池升压转换器

燃料电池升压转换器将燃料电池堆产生的直流电压升高到最大650V，用于电机运行，然后将该电流输送到带／转换器的逆变器。根据来自车辆控制ECU的需求，连接和断开燃料电池主继电器，并控制电源，以匹配电源需求指定值。燃料电池升压转换器安装在舱外侧的中央通道。

3.7燃料电池空气压缩机

燃料电池空气压缩机向燃料电池堆供应氧气。燃料电池空气压缩机有一个内置电机，该电机由逆变器／转换器高达650V的输出电压驱动，安装在电机舱内。

3.8燃料电池水泵

燃料电池水泵循环冷却液，以便冷却燃料电池堆和燃料电池空气压缩机产生的压缩空气。燃料电池水泵有一个内置电机，该电机使用燃料电池水泵和氢气泵逆变器的高电压驱动。燃料电池水泵安装在电机舱内

4.丰田第二代MIRAI氢燃料电池轿车应用实例

第一、二代Mirai的燃料电池系统采用了燃料电池技术和混合动力技术。燃料电池系统特性：370v燃料电池组、245v镍氢电池、MG2驱动电机和Q410变速驱动桥

2022年9月，丰田第二代MIRAI氢能豪华轿车，将于年底以进口车方式导入广汽丰田渠道开启销售。零售价为74.8万元起。

丰田的第一代Miria于2014年正式推出，自推出以来，其销量超过10000台。而第二代Mirai在第一代的基础上，在造型、动力性、操控性及安全性等多方面均进行了升级和优化。

4.1 燃料电池系统（TFCS）

丰田第二代Mirai搭载的燃料电池系统在第一代的基础上进行了大幅改进和优化，在轻量化、布置紧凑性、集成度等各方面均做了明显提升和改善。

4.2二者的差异

主要体现在储氢罐的增加和燃料电池堆的布置方面。

4.2.1储氢罐

在储氢罐方面，第二代Mirai储氢罐数量由第一代的2个变为3个，3个高压储氢罐呈“T”字形布置，增大了后排乘客的腿部空间，最重要的是，将储氢量由第一代的4.6kg增加至5.6kg，提升了车辆的续航里程。

4.2.2燃料电池堆

缩减了燃料电池堆的尺寸，第一代Mirai将燃料电池堆布置在了的前排座椅下方，第二代Mirai将其移动到了引擎盖的下方。

4.2.3提升续航里程

续航里程短一直是电动车的主要问题，对于燃料电池汽车来说，增加续航里程的关键措施是增加储氢罐的储氢能力，以及降低行驶阻力。

在提升续航里程方面，第二代Mirai采取了以下措施：储氢罐数量由第一代的两个变为三个，储氢质量由第一代的4.6kg增加5.6kg；将三个储氢罐呈“T”形布置并安装在车辆底板下方，降低车身高度；采用完整的车身底板，平滑通过车辆下方的气流；在不牺牲车辆造型的前提下为冷却系统散热提供足够的进气量；选用低滚动阻力的轮胎，实现制动距离、道路噪音、操控性和乘坐舒适性之间的最佳平衡。

5.氢燃料电池技术汽车应用的主要问题

目前国内的氢燃料电池汽车发展，主要存在这方面问题：氢燃料电池质子交换膜大多采用全氟化聚合物材料合成，开发和生产难度很大，制造成本过高、售价昂贵；从事氢气提纯的企业较少，生产规模不大，车用高纯氢产量不足，而且分布不均；制氢、储运成本较高；加氢的基础设施、加氢站的建设尚未完善和普及。由于以上主要问题，氢燃料电池汽车销量难以扩大。

6.结论

氢燃料电池汽车，相对目前纯电动汽车而言，具有续航里程长、加氢燃料时间短、绿色环保等优势，目前的氢能燃料汽车需要进一步改进燃料电池和氢气储能技术，提高其续航里程、动力性能和燃料效率的同时，主要氢燃料动力汽车制造和氢燃料制取的减少成本是关键。

加快氢燃料加氢站的建设，推广氢燃料电池汽车在公共交通、物流、出租车等领域的应用，方便消费者使用。

.发挥政策支持作用。政府需要加大政策扶持力度，支持氢燃料电池汽车的研发、生产和销售，为消费者提供购车税收优惠、加油费用补贴等鼓励政策，以满足消费者对氢能源汽车的需求。

附注：1.主要参考资料：进口2016-2021丰田Mirai FCV 燃料电池车维修手册（英文版），在阅读翻译过程中，在专业名词和理解程度有所出入，有不足的问题，敬请读者、专家指正，在此表示感谢。

2.本文，广州城建职业学院校级重点科研课题（2020Zzk04）；作者：陈伙南老师，工程师，汽车维修高级技师；刘桂光老师，副教授；翁创杰，新能源汽车专业专本同读学生。