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汽车|典型车载燃料电池系统原理和结构设计的研究


来源 | 中国汽车技术研究中心有限公司；中汽研软件测评(天津)有限公司
来源 | 电动学堂
0引言
燃料电池汽车作为新能源汽车发展过程中的一项重要技术路线 ， 因其零排放、加氢快、续航里程长的优点 ， 被普遍认为是解决全球能源和环境问题的理想方案 。
从国外燃料电池电动汽车发展历程可以看出 ， 丰田、本田、现代、戴姆勒、通用等世界汽车行业龙头企业 ， 已基本完成了燃料电池汽车的性能研发工作 ， 整车性能已达到传统燃油汽车水平 。 根据国际自动机工程师学会(SocietyofAutomotiveEngineers ， SAE)统计 ， 国外车企如福特、丰田和本田均在燃料电池系统设计和开发上开展了大量的工作 ， 并将部分成果以文献形式发布 ， 如图1所示 。
我国燃料电池汽车行业起步较晚 ， 研发投入较高的上汽集团 ， 已完成前后四代氢燃料电池轿车的开发 ， 在氢能和燃料电池技术领域取得了较大进展 。 近期 ， 财政部、工信部、科技部、发改委等部门联合发布了《关于完善新能源汽车推广应用财政补贴政策》的通知 。 通知指出 ， 力争在4年内 ， 围绕燃料电池汽车关键零部件和核心技术攻关 ， 建立氢能和燃料电池汽车产业链 。 各个地区也纷纷出台了引导政策 ， 例如上海市计划新建5座加氢站 ， 推动燃料电池汽车的示范应用 ， 燃料电池汽车将迎来快速发展时期 。
汽车|典型车载燃料电池系统原理和结构设计的研究
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【汽车|典型车载燃料电池系统原理和结构设计的研究】燃料电池系统作为动力总成系统的核心 ， 核心零部件众多、设计方案复杂 ， 成为了制约国产燃料电池汽车研发和应用过程中的技术壁垒 。 本文作者对国外几款典型的燃料电池汽车的性能参数进行了对比分析 ， 对整车驱动方式进行了总结分析 。 同时对燃料电池系统方案进行了研究 ， 分析了各车型系统方案的原理、特点和整体发展趋势 ， 为国内整车燃料电池系统方案的制定提供了参考 。
1、整车集成及性能参数的研究
如表1所示 ， 通过国内外燃料电池乘用车性能参数对比 ， 可知其动力性、续驶里程及百公里加速时间等基本性能指标上 ， 与世界先进水平差距较小 。 但在电堆功率密度等关键性能指标方面 ， 还远远落后于世界先进水平 ， 并且核心部件大多依赖进口 ， 无法实现国产化 ， 相关技术水平至少落后发达国家5～10年 。
汽车|典型车载燃料电池系统原理和结构设计的研究
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目前国外燃料电池汽车广泛采用燃料电池系统与动力蓄电池混合驱动的方案 ， 即燃料电池混合动力车(FuelCellHybridVehicle ， FCHV) ， 如图2所示 。 该方案可解决燃料电池的性能和寿命问题 ， 但另一方面也会导致汽车自身质量增加 ， 影响整车动力性能;同时加大汽车架构设计难度 ， 产生了额外的投入成本 。
汽车|典型车载燃料电池系统原理和结构设计的研究
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2、燃料电池系统设计
2.1福特P2000燃料电池系统设计
早期福特P2000FCEV燃料电池系统示意图 ， 如图3所示 。 该系统由氢气供应、空气供应、去离子水管理和热管理4个子系统组成 。
氢气供应系统主要由储氢瓶、电磁阀、压力调节阀、加湿器、引射器组成 ， 是一个可实现氢气循环的闭合回路 。 电磁阀用来调节供氢通道的开通和关断 。 压力调节阀用来控制进入电堆的氢气压力和流量 。 氢气在经过几个减压阶段和加湿器加湿后被供应到燃料电池堆 。 引射器利用氢气消耗所产生的压降实现氢气循环 。
空气供应系统主要由空气压缩机、加湿器、压力调节阀组成 。 空气经空气压缩机压缩后 ， 通过过滤器和加湿器 ， 将空气供给燃料电池堆 。 与氢气供应相比 ， 空气供应系统是一个没有空气循环的开路 。 压力调节阀根据车辆的行驶工况 ， 控制空气以不同的流速和压力提供给电堆 。


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