燃料电池电动车（FCEV）技术详解

汽车 2024-09-26 08:48 上海

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作者 | 北湾南巷

出品 | 汽车电子与软件

随着全球能源结构的调整和环保意识的提升，新能源汽车技术正迅速成为全球汽车产业的关注焦点。在众多新能源汽车技术中，燃料电池电动汽车（FCEV）因其零排放、高能效和长续航的特性，日益受到业内外的广泛关注。

9月5日，宝马宣布计划于2028年推出首款量产燃料电池电动车（FCEV），为客户提供一种全新的电动动力总成选择，实现真正的零本地排放。这标志着宝马在可持续出行领域的又一重大突破，进一步丰富其电动化产品线。值得注意的是，该项目背后是宝马与丰田汽车公司的深度合作，双方结合各自的创新力量与技术优势，共同推动燃料电池技术的落地应用。两家公司都希望通过这一合作，加速氢燃料电池技术的普及，助力全球氢经济的发展，推动这一零排放解决方案迈向新的高度。

宝马集团管理委员会主席奥利弗·齐普塞表示，“这是汽车历史上的一个里程碑：全球高端制造商首次提供系列生产的燃料电池车辆。它由氢气驱动，由我们合作的精神驱动，它将强调技术进步如何塑造未来的移动性，将预示着燃料电池电动车需求的显著时代。”

#01

FCEV(燃料电池电动汽车)介绍

FCEV (Fuel Cell Electric Vehicle) 的核心技术是燃料电池系统，据丰田燃料电池集成小组的高级工程经理Jackie Birdsall所说：“这是一个电化学反应，这意味着没有燃烧发生。没有活塞，没有压缩室…它是一种化学反应，按需生成电能。” 通过氢气和氧气的化学反应将能量转化为电能，驱动车辆前行。

这个过程唯一的副产品是水，FCEV因此被视为真正的零排放环保汽车。相比纯电动汽车（BEV）和插电式混合动力汽车（PHEV），FCEV具备充能时间短、续航里程长、以及能源多样化等显著优势，尤其适合长途出行和高频率使用的场景。

随着燃料电池技术的不断进步和成本的逐渐下降，FCEV有望在未来成为汽车市场的重要组成部分。其加氢速度与传统燃油车相近，特别适合商用车、长途运输等高使用率场景。同时，随着加氢基础设施的逐步完善，FCEV在私人乘用车市场也将逐渐扩大影响力。

宝马AG董事会成员、研发负责人克劳斯·弗勒利希就曾表示：“我们坚信，未来各种替代动力系统将并存，因为没有一种单一解决方案能够满足全球客户移动需求的全部范围。氢燃料电池技术完全有可能成为我们动力系统组合中的第四大支柱。我们极为受欢迎的X家族的高端车型将特别适合采用这种技术。” 自2013年以来，宝马集团一直与丰田汽车公司合作开发燃料电池技术。

从产业链的角度来看，FCEV的发展不仅为汽车制造商提供了新的增长机会，也推动了相关产业链的升级。氢气生产、储存、运输以及燃料电池制造等技术的发展，将带动整个汽车产业的变革。与此同时，FCEV技术的推广对全球能源转型、减少碳排放和环境保护具有重要的战略意义。

1.1 FCEV定义

燃料电池电动汽车（FCEV）是一种以氢气为燃料，通过电化学反应将其转化为电能驱动车辆的新型新能源汽车。其核心技术是燃料电池系统，该系统不仅能实现零排放，排放物仅为水，同时具备高能效和长续航的优势，使其在当前的新能源汽车市场中占据重要位置。

FCEV以其高效的能量转换率和较短的加氢时间，解决了传统纯电动汽车（BEV）在充电时间和续航里程上的局限性，特别适合长途行驶和对续航要求高的场景。宝马AG董事会成员、研发负责人克劳斯·弗勒利希曾表示：“我们相信，未来各种替代动力系统将并存，因为没有单一解决方案能够满足全球客户移动需求的全部范围。”

特点	电池电动汽车（BEV）	氢燃料电池汽车（FCEV）
全生命周期效率	能量利用率高，约70-80%，电能转换为机械能的效率较高，损失少。	能量转换效率较低，氢气生产和运输过程中的损耗较大，能源效率不及BEV。
运营成本	低运营成本，电力相对廉价，维护需求小，享受政策补贴，长期使用费用较低。	运营成本略高，氢气成本和燃料电池维护成本较高，但在重型车辆等应用中更具经济性。
排放	行驶过程零排放，无有害气体排放，有助于改善空气质量和减少温室气体。	零排放，仅产生水作为副产品，环境友好，适合长途运输和重载应用。
效率	电动机效率高，电能转化效率达85%-90%，车辆响应速度快，加速性能卓越。	整体系统效率不如BEV，但在长时间行驶和高负荷工况下仍具备优势，适合远程运输。
驱动方式	电动机具备出色的扭矩输出和控制精度，支持再生制动，驾驶更平稳、灵活。	电动机驱动，类似BEV，但燃料电池系统增加了能量存储和输出复杂性。
城市适应性	适合城市交通，频繁起停的工况下表现优越，有助于改善空气质量和减少噪音污染。	更适合长途运输或城市公共交通，如公交车和出租车，长续航优势显著。
噪音	低噪音，行驶过程中几乎无噪音，尤其在低速时更为明显。	运行时噪音略高于BEV，但仍远低于传统内燃机车辆。
车型适应性	广泛适用于各种车型，从小轿车到重型卡车均可使用，公共交通、出租车、物流等领域表现优越。	适用于长途运输、高负载车辆，如卡车、大巴等，具有长续航和快速加氢优势。
基础设施成本	初始充电设施成本较低，充电桩可灵活部署在居民区、办公楼等场所，使用便捷。	初期加氢站建设成本高，但随着时间推移基础设施成本会降低，适合大规模推广。
续航能力	续航能力适中，适合城市短途通勤，一次充电可满足日常使用需求。	续航能力强，适合长途运输和高负荷应用，续航里程通常比BEV更长。
加氢/充电时间	充电时间较长，快充需要数十分钟，慢充可能需要数小时。	加氢时间快，类似加油，仅需几分钟即可完成加氢过程。
能源多样化与环保性	主要依赖电网供电，环保性能取决于电力来源，若使用可再生能源供电则实现更高的环保效益。	使用氢气作为能源，氢气可通过多种可再生方式生产，燃料电池仅排放水，具备高度环保性。
能源转型潜力	推动城市电网绿色化，助力清洁能源发展和碳排放减少。	推动氢能产业链发展，助力全球碳中和目标，适应未来能源转型需求。

综合比较：

电池电动汽车（BEV）适合短途通勤、城市交通，具备高效率、低运营成本和良好的城市适应性。

氢燃料电池汽车（FCEV）在长途运输、重型车辆应用中优势明显，特别是加氢快速、续航里程长。宝马集团副总裁尤尔根·古尔德纳表示，BMW i Hydrogen NEXT的燃料电池能从氢气和空气中的氧气反应产生125千瓦（170马力）的电能，仅排放水蒸气。车辆配备的电力转换器能适配电动系统和峰值功率电池的电压，后者利用制动和燃料电池能量。车上的700bar储氢罐共可存六公斤氢气，确保长续航，且加氢快速，只需三至四分钟。第五代eDrive单元也整合到了该车型中。

两者相辅相成，分别适用于不同的应用场景，共同推动新能源汽车产业的发展。加上氢气资源的多样性和储运的便捷性，FCEV有望成为未来汽车市场的重要动力解决方案之一。

1.2 FCEV工作原理

FCEV的核心工作环节包括氢气供应、电化学反应、电能输出和驱动系统：

1.氢气供应：氢气通过高压储氢罐或液态储氢装置安全、稳定地输送至燃料电池堆。

如图，展示了高压氢气罐的技术特点，包括其圆柱形和圆顶结构、多层复合材料（塑料衬里、玻璃纤维和碳纤维增强塑料层）以及技术参数（70 MPa工作压力、5.7 wt%储存密度、1224 L体积、5.0 kg氢气储存）。创新点在于改进塑料衬里和分层模式，减少40%碳纤维用量，提高效率和降低成本，新技术在端部圆顶设计上优于传统技术。

2.电化学反应：在燃料电池堆中，氢气与氧气发生电化学反应，生成水并释放电能。这一过程高效、环保，唯一的副产品是水，实现零排放。

燃料电池技术的进步，包括结构优化和性能提升。左侧示意图显示新电池采用了更轻薄的气体扩散层，提高了气体扩散性能两倍以上；电解质膜厚度减少三分之一，质子传导率提升三倍；催化剂层使用高活性铂/钴合金，活性提高1.8倍。右侧对比图显示新电池在相同电流密度下电压输出更高，电流密度比2008年模型提高了2.4倍，达到世界顶级水平。这些改进显著提升了燃料电池的整体性能。

3.电能输出：生成的电能通过电力电子控制系统调节，确保电能高效传输至驱动电机。该系统优化电能管理，调控电机转速与功率，提升整车性能。

组件名称	描述
分离器（Separator）	燃料电池堆栈中的关键组件，分隔阳极和阴极区域，防止气体混合，确保电化学反应有效进行。
空气清洁器（Air cleaner）	包括多个过滤器，净化进入燃料电池系统的空气。
除尘滤芯（Dust removing filter）	去除空气中较大的颗粒物。
保护滤芯（Protection filter）	过滤较小的颗粒物，保护化学滤芯。
化学滤芯（Chemical filter）	去除空气中的有害化学物质或污染物。
另一个保护滤芯（Protection filter）	再次过滤以确保空气质量。
外壳（Housing）	空气清洁器的容器，用于安装和维护滤芯。
离子交换器（Ion exchanger）	允许氢离子通过而阻止其他分子，维持燃料电池的电荷平衡。
燃料电池堆栈（Fuel cell stack）	由多个单电池单元组成的模块化结构，每个单元包含阳极、阴极和电解质膜，将氢气和氧气转化为电能，产生水作为副产品。

如图展示了，燃料电池汽车的核心组成部分和工作流程，从空气净化到能量转换，再到最终的电力输出，为电动汽车提供了清洁高效的能源解决方案。

4.驱动系统：电机将电能转化为机械能，驱动车辆行驶。相比传统内燃机，电机具备更高效的能量转换、更低噪音及较少的维护需求。

序号	步骤	描述
1	空气（氧气）吸入	车辆前端有进气口从外部环境吸入空气（主要为氧气），类似传统内燃机的进气系统，但无需大规模燃烧。
2	氧气与氢气供应到燃料电池堆栈	吸入的空气输送到燃料电池堆栈的氧气侧，高压氢气罐供应氢气到堆栈的另一侧。在堆栈内部，氢气与氧气反应产生电能和水。
3	电能和水的生成	在燃料电池堆栈中，氢气通过催化剂释放电子，与氧气结合生成水。这一过程产生的电能用于驱动车辆，整个过程无燃烧，零排放，副产品为水。
4	电能传输至电动机	电能通过电力电子系统传输至车辆的电动机，系统对电能进行调节和优化以确保高效、平稳的运转。
5	电动机激活并驱动车辆	电动机接收电能并转化为机械能，驱动车辆前进。电动机响应更快、效率更高，噪音和震动显著减少。
6	水的排放	氢气与氧气反应产生的唯一副产品是水，通常以蒸汽或液态形式从车辆尾部排出，完全无害环境。
7	氢气加注	车主可通过氢气加注站为车辆快速补充氢气，类似传统汽油车加油，加注过程仅需数分钟，远快于电动汽车充电时间。
8	电池辅助供电	车辆电池在加速或高速行驶时可提供额外电力支持，混合供电方式提升了电动机的输出效率，确保车辆在各种工况下稳定运行。
9	电能存储	生成的电能可储存在车载电池中，供启动、急加速等瞬间使用，提升车辆性能。

氢燃料电池汽车通过化学反应产生电能驱动车辆，实现零排放。其能量供应和管理系统支持高效转换、快速加注和长续航，适合长途运输和高负载场景。

1.3 FCEV的优势

高效零排放：通过电化学反应实现清洁能源转换，副产品仅为水，真正零排放。

高效能源管理：精密的电力电子控制系统优化能量使用，提升整车效率。

低噪音及维护需求：电机取代内燃机，带来安静的驾驶体验和较少的机械磨损。

FCEV的独特工作原理使其成为应对能源危机和环境污染的重要技术。随着技术进步和成本下降，FCEV有望在未来成为主流汽车类型之一。

#02

FCEV关键技术介绍

氢燃料电池电动汽车的关键组件包括氢燃料电池堆、氢气储存系统、电池管理系统、电动机以及电力电子控制器。这些组件相互协同，共同为汽车提供清洁、高效的能源动力。

组件名称	描述
辅助电池（Battery(auxiliary)）	在电动驱动车辆中，低压辅助电池在启动车辆之前提供电力；它还负责为车辆附件供电。
电池组（Battery pack）	这个高压电池存储来自再生制动的能量，并为电动牵引电机提供补充动力。
DC/DC转换器（DC/DC converter）	这个设备将牵引电池组的高电压直流电转换为运行车辆附件和为辅助电池充电所需的低电压直流电。
电动牵引电机（Electric traction motor (FCEV)）	使用来自燃料电池和牵引电池组的电力，这个电机驱动车辆的车轮。一些车辆使用既能驱动又能再生功能的电机发电机。
燃料电池堆栈（Fuel cell stack）	由单个膜电极组成的装配，使用氢气和氧气产生电能。
燃料加注口（Fuel filler）	燃料分配器的喷嘴连接到车辆上的接收器以填充油箱。
燃料箱（氢气）（Fuel tank (hydrogen)）	在车辆上储存氢气，直到燃料电池需要使用。
电力电子控制器（Power electronics controller (FCEV)）	这个单元管理燃料电池和牵引电池提供的电能流动，控制电动牵引电机的速度和它产生的扭矩。
热管理系统（冷却）（Thermal system (cooling) - (FCEV)）	这个系统维持燃料电池、电动电机、电力电子和其他组件适当的操作温度范围。
变速器（电动）（Transmission (electric)）	变速器将电动牵引电机的机械动力传递给驱动车轮。

燃料电池电动车（FCEV）依赖于多个关键技术，包括燃料电池技术、氢燃料制备与储存、电力电子控制和驱动电机技术，这些技术直接影响FCEV的性能和市场竞争力。

2.1 燃料电池技术

质子交换膜燃料电池（PEMFC- Proton Exchange Membrane Fuel Cell）是FCEV中最广泛应用的技术，因其高效、环保且工作温度适中。PEMFC的核心部件包括膜电极组件（由质子交换膜、催化剂层和气体扩散层组成）。质子交换膜选择性透过质子，阻止电子和气体，通过催化剂层（通常为铂基催化剂）加速氢气和氧气的反应。

部件/概念	说明
H₂ Anode（氢气阳极）	氢气进入并通过催化剂层分解为氢离子（H⁺）和电子（e⁻）。
O₂ Cathode（氧气阴极）	氧气进入并通过催化剂层与电子和氢离子结合生成水。
PEM Membrane（质子交换膜）	允许氢离子通过，阻止电子通过，维持电路中的电子流动。
Flow Field Plate（流场板）	均匀分布气体和电解液，确保电化学反应的有效进行。
Gas Diffusion Layer（气体扩散层）	帮助气体均匀地分布在电极表面，提高催化效率。
Electric Circuit（电路）	电子从阳极流向阴极，为外部电器设备提供动力。
Output（输出）	主要输出是水，同时还包括未使用的氢气和产生的热能。

2.2 氢燃料制备与储存

1.氢燃料制备主要通过天然气重整、电解水和生物质气化等方法。电解水制氢因其工艺简单、无污染而受到关注，但能耗较高，需稳定电力供应。

2.氢燃料储存技术包括高压气态储氢、液态储氢和固态储氢。高压储氢技术成熟且成本较低，但安全性和储氢密度有限；液态储氢密度高，但能耗大且储存容器特殊；固态储氢安全性好，储氢密度高，但仍在研发阶段。

2.3 电力电子控制技术

主要负责将燃料电池产生的直流电转换为交流电，以驱动车辆。此外，它还涉及电池组充放电管理、能量回收和电机控制等方面。随着技术的发展，电力电子控制系统将变得更加智能和高效，提高整车性能和可靠性。

2.4 驱动电机技术

主要使用永磁同步电机或感应异步电机，这些电机具有高效率、高功率密度和低噪音等优点，满足FCEV对动力性能和舒适性的要求。

FCEV的关键技术涉及多个领域，这些技术相互关联并影响整车性能。为了实现FCEV的商业化应用，需要突破技术瓶颈，推动技术研发和创新，促进技术的协同发展和优化。

#03

模块化概念在燃料电池系统中的应用

模块化概念在燃料电池系统的设计和安装中具有重要意义，主要体现在以下几个方面：

3.1 简化设计和安装

模块化概念通过将燃料电池系统分解为多个功能独立的模块，消除了为每个组件单独绘制设计图的需求。设计师只需处理模块的设计和接口标准，而不是每个组件的详细图纸。这种方法简化了设计过程，提高了设计效率。

部件名称	功能描述
冷却系统（Cooling system）	调节和控制燃料电池堆栈的温度，确保其高效运行。通常包括散热器、水泵等组件。
高压冷却泵（High-voltage coolant pump）	负责循环冷却液以维持燃料电池堆栈和其他关键部件在适宜的工作温度下。
媒体接口单元（Media interface unit）	连接车辆与外部设备或网络的接口模块，用于数据传输和管理。
氢气管线（Hydrogen line）	输送氢气到燃料电池堆栈的管道系统。
控制单元（Control unit）	车辆的电子控制系统，负责监控和调节所有电气和机械系统的性能。
燃料电池堆栈（Fuel cell stack）	燃料电池的核心部分，由多个单电池组成，通过电化学反应产生电能。
燃料电池（Fuel cells）	单个的燃料电池单元，它们共同构成燃料电池堆栈。
电压转换器（Voltage converter）	调整电源输出电压，以满足不同负载的需求。
压缩机（Compressor）	为空气供给系统提供压缩空气，以提高氧气浓度，从而提高燃料电池效率。
加湿器和进气冷却器（Humidifier with charge air cooler）	增加进入燃料电池的空气湿度，防止电解质干燥，同时降低进气温度，提高反应效率。
空气滤清器（Air filter）	过滤掉空气中杂质和颗粒物，保护燃料电池不受污染。

3.2 减少连接点

模块化设计整合了多个组件，使得模块之间的连接点显著减少。通过标准化接口和连接方式，减少了手动连接的复杂性，降低了安装时可能出现的错误和故障风险。简化的连接点还提升了系统的可靠性和维护性。

3.3 便捷的安装和维护

由于模块化设计使得组件安装更加统一和标准化，安装过程变得更加简便和高效。模块化系统的组装和更换也变得更加快捷，减少了对专业技术人员的需求，提高了系统的可维护性和灵活性。

3.4 提高系统的可扩展性

模块化设计允许根据需求轻松添加或更换组件，便于系统的扩展和升级。用户可以根据实际需求调整模块配置，以优化系统性能或适应不同的应用场景。

组件名称	功能描述
FC stack（燃料电池堆栈）	整个系统的核心部分，由多个单体的燃料电池单元组成。通过电化学反应将氢气和氧气转化为电能、水和热能。
Air compressor（空气压缩机）	负责为燃料电池提供所需的氧气或空气，提高进入燃料电池的空气压力，以增加反应效率。
Water pump（水泵）	用于循环冷却液来维持燃料电池的温度在一个适宜的操作范围内，防止过高的温度影响性能和寿命。
Cooling device（冷却装置）	通常包括散热器等设备，帮助带走燃料电池运行过程中产生的多余热量，确保系统稳定工作。
Hydrogen supply（氢气供应）	提供纯净的氢气作为燃料电池的反应物之一，氢气需要经过净化处理以确保不含杂质。
Hydrogen pump（氢气泵）	提升氢气的压力，使其能够有效地输送到燃料电池堆栈中进行反应。
FC boost converter（燃料电池升压转换器）	调节和控制从燃料电池输出的电压和电流，以满足不同负载的需求。
Electrical output（电力输出）	最终生成的直流电可以通过逆变器转换为交流电，供外部电路使用。
Air cleaner（空气净化器）	过滤掉空气中可能对燃料电池有害的颗粒和污染物，保证进入燃料电池的空气质量。

3.5 降低成本

模块化概念通过减少设计、制造和安装的复杂性，有助于降低总体成本。标准化的模块和接口减少了定制工作和部件采购成本，同时提高了生产效率。

模块化概念通过简化设计和减少连接点，提升了燃料电池系统的安装便利性、可靠性和可维护性。这种设计方法不仅降低了系统安装和维护的成本，还提高了系统的灵活性和可扩展性，有助于推动燃料电池技术的应用和发展。

#04

总结

FCEV作为清洁高效的新能源汽车，在交通领域有巨大应用潜力。宝马集团管理董事会成员、研发负责人克劳斯·弗洛里希表示:在我们看来，氢作为能源载体，首先必须通过绿色电力以具有竞争力的价格大量生产。随后，氢将主要用于那些无法直接电动化的应用领域，例如长途重型运输。

城市公交采用FCEV，实现零排放、低噪音，提供环保出行体验，且线路固定便于氢燃料补给。出租车行业也适合FCEV，满足长续航和环保需求，提升乘客舒适度。FCEV也适用于长途客运和物流，提高效率降低成本。技术进步和成本降低将推动FCEV更广泛应用，政府和企业的支持及基础设施建设是关键。FCEV推广还有助于优化能源结构和保护环境，减少不可再生资源消耗和温室气体排放，促进社会可持续发展。

FCEV以其零排放特性和水蒸气排放，与传统燃油车形成对比，减少大气污染，改善空气质量。

Mohammed Shafi曾在全球商业平台Brink上发表一篇比较了BEV和FCEV可行性的论文。Shafi表示，FCEV在环保方面优于BEV和内燃机车辆，生产过程更清洁，原材料需求少，且更容易回收。不过，当前FCEV的压缩氢气罐体积较大，是一个技术缺陷。未来可能用氢金属或非金属氢化物替代重型氢气罐，但氢气蒸发仍是需要解决的技术难题。

同时，FCEV运行噪音低，提高城市居住品质。其能源转换效率高，续航长，运营成本低。尽管初期投资成本较高，但随着技术进步和规模化生产，成本将降低，政府扶持和基础设施建设将促进FCEV经济性提升。长远来看，FCEV将是交通领域的重要发展方向。

FCEV在环保和能效上具有优势，但面临技术、基础设施、成本和市场接受度等挑战。氢燃料制备和储存技术需突破，续航和加氢便利性有待提升。高成本仍是商业化障碍，但随着科技进步和政策支持，这些问题有望解决。FCEV的发展将推动智能交通和可再生能源技术创新，成为未来交通的重要部分。尽管挑战存在，FCEV的发展前景看好，将为全球能源转型和环境保护作出贡献。

参考：

Hydrogen cars a good idea or not? | LinkedIn
(1) What is the future for Hydrogen in the mobility sector? | LinkedIn
Alternative Fuels Data Center: How Do Fuel Cell Electric Vehicles Work Using Hydrogen? (energy.gov)
BMW starts making fuel-cell stacks for iX5 Hydrogen (greencarreports.com)
Toyota develops compact hydrogen fuel cell module - Toyota UK Magazine
Hydrogen Pioneers: BMW Group and Toyota Motor Corporation take collaboration to the next level to offer Fuel Cell Electric Vehicle (FCEV) options for passenger cars.
Three reasons why Hydrogen Fuel Cells wont be driving our future mobility - EVSE Australia
BMW Group reaffirms commitment to hydrogen fuel cell technology (bmwblog.com)
Products for Electric Vehicles | Unit Components | Business/Products | Toyota Boshoku Corporation (toyota-boshoku.com)
(1) Toyota's fuel cell stack in detail | LinkedIn
Toyota, BMW to co-develop and share a fuel cell system | Automotive Dive
Plug-in hybrid and other electric vehicles | BMW.com
Hydrogen fuel cell cars: what you need to know | BMW.com
What about hydrogen and FCEVs? - Auto Service World

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