氫能源汽車(chē)是新能源汽車(chē)的重要組成部分，其動(dòng)力系統性能直接關(guān)系到其生命力的強弱。本文介紹了氫能源汽車(chē)動(dòng)力系統集成原理，核心系統關(guān)鍵零部件的構成、技術(shù)參數及供應商信息等。

氫能源汽車(chē)采用氫氣作為動(dòng)力能源，在燃料電池系統里與氧氣發(fā)生化學(xué)反應產(chǎn)生電，經(jīng)過(guò)DC/DC（Direct Current/Direct Current，直流電升壓轉換器）電壓處理之后，三相高壓電驅動(dòng)電機，帶動(dòng)汽車(chē)行駛。氫氣與氧氣發(fā)生化學(xué)反應的產(chǎn)物只有熱量、水和電，不會(huì )有任何碳化物，實(shí)現了*，因此不會(huì )對環(huán)境產(chǎn)生污染。氫能源汽車(chē)除了環(huán)保以外，還有以下優(yōu)勢。

（1）加氫時(shí)間短。一般加滿(mǎn)所有氫瓶只需要3～5 min。

（2）續航里程可控。乘用車(chē)續航一般可以達到500 km以上，可以消除用戶(hù)的“續航焦慮癥"。續航里程與車(chē)載氫瓶數量直接相關(guān)，增大氫瓶容積可以增加續航里程。在考慮整車(chē)成本的情況下，可根據車(chē)輛續航要求調整氫瓶容積。

（3）地域局限性小。氫能源汽車(chē)目前可實(shí)現-20℃環(huán)境下冷啟動(dòng)，因此在北方也可以使用氫能源汽車(chē)。隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，已有廠(chǎng)家試驗-40℃低溫環(huán)境下冷啟動(dòng)，如果試驗成功，則高寒地區也可運行氫能源汽車(chē)。

（4）氫氣來(lái)源較廣。可通過(guò)熱化學(xué)制氫、水電解制氫、等離子體制氫、化石能源制氫、太陽(yáng)能制氫、生物質(zhì)制氫、核能制氫、含氫載體制氫、副產(chǎn)氫回收等多種方式制取氫氣，氫氣來(lái)源廣泛。

氫能源汽車(chē)的動(dòng)力系統關(guān)鍵是燃料電池系統。燃料電池提供了氫氣、氧氣化學(xué)反應的場(chǎng)所，并把電流集合、輸出。同時(shí)，系統需要給燃料電池供給氫氣、氧氣，提供冷卻，保證燃料電池正常高效運行。因此，燃料電池系統是一個(gè)復雜的電流發(fā)生系統，不同廠(chǎng)家給出了不同的系統原理圖，所介紹的系統原理如下圖所示。

為保證燃料電池正常高效運行，下圖設計了4條回路：

• 氫氣路——由高壓氫瓶、氫氣循環(huán)泵、閥組等組成。向電堆供給氫氣，并將高壓氫氣降壓至燃料電池所需壓力。

• 空氣路——由空濾、空壓機、中冷器、加濕器等組成。向電堆供給氧氣，使得氫氣在電堆內部充分發(fā)生化學(xué)反應。

• 冷卻水路——由膨脹水箱、去離子器、水泵、散熱器等組成。將電堆內部化學(xué)反應產(chǎn)生的熱量帶走，保證電堆持續工作在溫度。

• 電路——由DC/DC等組成。后接車(chē)輛各用電設備。

圖 燃料電池系統原理圖

圍繞4條回路介紹系統中涉及的關(guān)鍵零部件。

1）高壓氫瓶

圖 高壓氫瓶組

目前國內市場(chǎng)上主要有Ⅲ型瓶供汽車(chē)高壓供氫系統使用，如上圖所示。Ⅲ型瓶工作壓力為30~70MPa，使用壽命為15~20年；瓶身采用金屬鋁內膽。目前國內供應商主要有沈陽(yáng)斯林達、北京天海、張家港國富氫能等。也有廠(chǎng)家宣稱(chēng)已經(jīng)成功研制了Ⅳ型瓶，已按照國外氫瓶標準通過(guò)了實(shí)驗驗證。但目前我國沒(méi)有明確的法規標準，還不能應用于車(chē)輛上。

2）空壓機

空壓機為系統提供滿(mǎn)足壓力要求的空氣。燃料電池系統用空壓機可分為2大類(lèi)，即容積式和速度式（透平式）。容積式分為回轉式（包括螺桿式、滑片式、羅茨式）和往復式（包括活塞式、隔膜式）。速度式主要包括離心式、軸流式、噴射式、混流式。目前在氫能源汽車(chē)上使用的空壓機主要有4種類(lèi)型。

• 雙螺桿壓縮機。

  螺桿式制冷壓縮機具有轉速高、質(zhì)量輕，體積小、占地面積小以及排氣脈動(dòng)低等一系列優(yōu)點(diǎn)。但其轉子、機體等部件加工精度要求高，裝配要求比較嚴格；油路系統及輔助設備比較復雜；轉速高，噪聲比較大。

• 渦旋壓縮機。

  渦旋式壓縮機屬于容積式機械，在容積式流體機械中容積效率較高，且壓力與氣量連續可調，在寬的工況下都可以達到較高的效率。渦旋機械可設計成壓縮機—電機—膨脹機共軸的一體化結構型式，但與離心式相比尺寸和質(zhì)量較大。

• 羅茨壓縮機。

  目前只有豐田采用該壓縮機，這是一種利用兩個(gè)葉形轉子在氣缸內作相對運動(dòng)來(lái)壓縮和輸送氣體的回轉壓縮機。這種壓縮機靠轉子軸端的同步齒輪使兩轉子保持嚙合。

• 離心壓縮機。

  本田、通用汽車(chē)都在使用該壓縮機，這是一種速度式壓縮機，有諸多優(yōu)點(diǎn)，如排氣量大、排氣均勻、氣流無(wú)脈沖，轉速高、體積小、效率高、噪聲小，機內不需要潤滑，密封效果好、泄露現象少，有平坦的性能曲線(xiàn)，操作范圍較廣，易于實(shí)現自動(dòng)化和大型化，易損件少、維修量少、運轉周期長(cháng)。缺點(diǎn)主要是負荷變化大，氣流速度大，流道內的零部件有較大的摩擦損失，有喘振現象。

各型式空壓機性能對比見(jiàn)下表

表 空壓機性能對比

3）增濕器

圖 增濕器

空氣在進(jìn)入電堆之前需要加濕處理，確保質(zhì)子交換膜有合適的濕度。電堆內部的空氣濕度與電導率有密切關(guān)系，如果電堆內過(guò)于干燥會(huì )導致電導率大幅下降；如果濕度過(guò)大，電堆內有液態(tài)水流動(dòng)，會(huì )阻礙氫氣、氧氣接觸到催化劑發(fā)生化學(xué)反應產(chǎn)生電流；因此需要對電堆采取適當的增濕措施。增濕手段包括內增濕、外增濕。系統采用的外增濕器如上圖所示。目前增濕器的供應商主要來(lái)自國外。

（4）散熱器

散熱器由高溫散熱和低溫散熱兩部分組成，其中高溫散熱只供電堆使用。電堆對冷卻介質(zhì)性能要求較高，比如具有電導率極低、無(wú)污染性、熱容量高、凝固點(diǎn)低等特性，一般采用純水或者純水與乙二醇的混合物。低溫散熱采用兩條回路，空壓機、空壓機控制器為一條回路，電機、電機控制器、分電器、直流升壓轉換器為另一條回路。

（5）去離子器

去離子器（如下圖所示）在冷卻介質(zhì)循環(huán)過(guò)程中不斷將介質(zhì)去離子化，保證介質(zhì)的高純度，達到冷卻需求。一旦系統監測到介質(zhì)純度不滿(mǎn)足冷卻要求，則提醒更換新的冷卻介質(zhì)。

圖 去離子器

當前氫能源產(chǎn)業(yè)鏈還不成熟，氫能源動(dòng)力系統在零部件選型上空間較小，關(guān)鍵的零部件只能采用現存產(chǎn)品，這樣集成的動(dòng)力系統效率低下，因此國內目前沒(méi)有氫能源乘用車(chē)上市銷(xiāo)售。隨著(zhù)氫能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，越來(lái)越多的資源投入會(huì )聚焦到氫能源上，零部件技術(shù)會(huì )趨于成熟，氫能源動(dòng)力的關(guān)鍵技術(shù)會(huì )得到更好解決。不僅會(huì )在動(dòng)力系統技術(shù)上取得較大突破，而且其開(kāi)發(fā)周期、研發(fā)成本等方面都會(huì )大幅縮減。