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2 燃料电池汽车的结构原理
燃料电池汽车是一种节能、无污染、环保型汽车，是未来汽车发展的趋势。其关键技术燃料电池所具备的的优势，是内燃机所无法媲美的。随着近年来燃料电池的日趋成熟，燃料电池汽车的发展备受关注，世界各国政府和各大汽车厂商都纷纷投入巨资进行研究和开发。联合国发展计划署（UNDP）和全球环境基金（GEF）资助巴西的圣保罗、墨西哥的墨西哥城、中国北京和上海等大城市开张了燃料电池公交客车的运行示范工作，其目的在于促进燃料电池的商业化进程。美国能源部制定了“氢计划”，投入30亿美元用于开发氢燃料技术，并将燃料电池汽车产业化。政府还会对使用燃料电池汽车的用户给予一定的补贴，并减少用户纳税额。日本的发展目标是，要把汽车用燃料电池的价格降低到普通汽油机的水平，并且开始从政府部门开始普及燃料电池汽车。同时，政府为了5年在该计划上的预算为8800万美元，预计到2020年，政府共投资40亿美元。欧盟也制定了氢能发展策略，拨专款用于氢能和燃料电池的开发，欧洲数十个城市已经开始燃料电池公共汽车商业化载客示范运行。各大汽车厂商也都在从事燃料电池汽车的研发工作，并先后推出了各自的新型燃料电池汽车。我国也在积极开展对燃料电池汽车额研究和开发。“十五”期间，燃料电池及其关键技术的研究和样车开发，被列入国家“863”电动车重大专项中，予以重点资助。中科院大连化学物理研究所、同济大学、上汽集团、二汽集团等都在积极地研究和开发燃料电池汽车，并已经取得一定的成果。燃料电池汽车内部结构如图2-1所示。
图2-1 燃料电池汽车内部结构示意图
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2.1 燃料电池系统的组成和工作原理
燃料电池是一种把燃料氧化的化学能直接转化为电能的“发电装置”，是化学反应的发生器。燃料电池的反应机理是将燃料电池中的化学能不经燃烧而直接转化为电能。氢氧燃料电池实际上就是一个电解水的逆过程，通过氢氧的化学反应生成水并释放电能。氢气和氧气分别是燃料电池在电化学反应过程中的燃料和氧化剂。图2-2所示为燃料电池电化学反应原理示意图。
其反应过程如下：
图2-2 燃料电池原理示意图
（1）氢气通过管道或导气板到达阳极。
（2）在阳极催化剂的作用下，一个氢分子分解为两个氢原子，并且释放出两个电子，阳极反应为
H2→2H++2e-
（3）在电池的另一端，氧气（或者空气）通过管道或导气板到达阴极，同时，氢离子穿过电解质到达阴极，电子通过外电路也到达阴极。
（4）在阴极催化剂的作用下，氧和氢离子与电子发生反应生成水，阴极反应为
O2+2H++2e-→H2O
总的化学反应为
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H2+O2→H2O
与此同时，电子在外电路的连接下形成电流，通过适当连接可以向负载输出电能。
燃料电池的工作原理和普通电化学原电池和充电电池类似，都是通过电化学反应将化学能转换为电能，但两者之间还是有本质差别的。普通的原电池或充电电池是一个封闭系统。封装后它与外界只存在能量交换而没有物质交换。当内部的化学物质耗尽或反应条件发生变化时，系统就无法继续输出能量。只要保证物质供应的连续性，就可以保证能量输出的连续性。从这个意义上来讲，燃料电池本身是一个开放的发电装置，这正是燃料电池与普通的最大的区别。质子交换膜燃料电池原理如图2-3所示。
图2-3质子交换膜燃料电池原理图
燃料电池的种类较多。按燃料的类型可分为直接型、间接型和再生型三类，其中直接型和再生型燃料电池类似于一般的一次电池和二次电池，直接型燃料电池根据工作温度可分为低温型（＜100℃）、中温型（100～300℃）和高温型（500～1000℃）三种。按采用的电解质类型来分，燃料电池大致可分6种：碱性燃料电池（AFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、质子交换膜燃料电池（PEMFC）、直接甲醇燃料电池（DMFC）。表2-1是各种燃料电池的主要电化学反应。
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表2-1 燃料电池的种类及其基本电化学方程式
英文缩中文名称 写 碱性燃料电AFC 池 直接甲醇燃DMFC 料电池 熔融碳酸盐MCFC 燃料电池 质子交换膜PEMFC 燃料电池 固体氧化物SOFC 燃料电池 磷酸燃料电PAFC 池 H2→2H++2e- CH3OH+H2O→6H++6e-+CO2 H2+→H2O+CO2+2e- H+ 正极反应 的移动离子 H+ O2+2H2O+4e-→4OH- 通过电解质负极反应 H+ 3O2+6H++6e-→3H2O 2-O2+2CO2+4e-→2CO3 H2→2H++2e- H+ O2+H++4e→2H2O H2+O2-→H2O+2e- 2-CO3 O2+4e-→2O2- H2→2H++2e- O2- O2+4H2O+4e-→2H2O 2.2 燃料电池电动汽车的系统组成和工作原理
燃料电池电动汽车（FCEV）简称为燃料电池汽车，其定义是以燃料电池系统作为动力源或主动力源的车辆。燃料电池用于车辆驱动，为能源问题和环境污染问题提供了一个有的解决方案。随着燃料电池技术的不断发展，如何将燃料电池应用于车辆系统，解决它与车辆众多复杂子系统之间的匹配等问题随之出现。FCEV与其他电动汽车的根本区别是所用的动力源以燃料电池为主，而对于电机驱动、传动机构以及汽车所需的各种辅助功能等基本相同。
燃料电池汽车的结构有多种形式：按照驱动形式，可分为纯燃料电池驱动和混合驱动；按照燃料电池系统的能源来分，又可分为车载纯氢和燃料重整两种方式。由于燃料电池电动汽车正处在研究的初级阶段，所以各种技术竞相试用并各有优缺点。
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2.2.1 燃料电池单独驱动汽车动力系统
燃料电池的种类不同和选配的辅助电池组种类不同，构成了动力路线的多样性。燃料电池单独驱动车型驱动系统一般由燃料箱、燃料电池、电机控制器、电机、信号线路等组成，如图2-4所示。
图2-4 燃料电池单独驱动汽车动力传动系统结构图
燃料电池单独驱动汽车动力传动系统实为纯燃料电池驱动系统。燃料电池系统将氢气与氧气反应产生的电能通过总线床驱动电机，驱动电机将电能转化为机械能再传给传动系，从而驱动汽车前进。这种系统结构的优点如下：
（1）系统结构简单，便于实现系统控制和整体布置。 （2）系统部件少，有利于整车的轻量化。
（3）较少的部件使得整体的能量传递效率高，从而提高整车的燃料经济性。 但是，这种系统也对燃料电池提出了较高的要求： （1）为了减少整车成本，燃料电池必须有较低的价格。
（2）为了提高整车的经济性，燃料电池应在较大的输出范围内有较高的效率。
（3）燃料电池应具有较快的动态响应。 （4）燃料电池应具有较好的冷起动态能。
由于燃料电池无法充电，所以这种形式的结构燃料电池电动汽车无法实现制动能量回馈，这将影响系统能量效率的提高。单一燃料电池结构形式的汽车以巴拉德公司和戴姆勒-克莱斯勒公司的车型为代表。戴姆勒-克莱斯勒公司开发的燃
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