燃料電池汽車結構介紹及發展現狀

對於大多數不瞭解的消費者來說，燃料電池車聽起來極其複雜和精密。然而，當燃料電池車被分解成各個模組時，它其實是非常簡單的。正因為這種簡單性，燃料電池技術已經被廣泛應用於各種車型。本文會介紹不同車輛型別和及燃料電池技術在不同車型中的潛在應用前景。這將為深入分析燃料電池在某些車型的應用奠定基礎，並提供一個邏輯入口。首先，讓我們介紹一下燃料電池車的基本部件，並解釋一下它們的簡單工作原理。我們還將比較和對比燃料電池車、純電動車以及傳統燃油車之間的零部件差異。

一、燃料電池車的結構介紹

如圖11所示，與大部分現代化汽車一樣，燃料電池車由四個基本模組組成：動力系統、底盤、汽車電子系統和車身。動力系統透過燃料電池系統和電動機為汽車提供動力。這種能量來源於氫，氫儲存在車輛的壓力罐中。燃料電池堆將這些能量轉化為電能，並由電池作為輔助一同驅動電動機。這與純電動車的原理沒有太大不同，但是燃料電池車的電池容量要小得多。因為純電動車的電池用於儲存驅動汽車所需的全部能量，而燃料電池車只需使用電池來輔助穩定燃料電池的輸出功率：在功率需求較低時吸收額外的電力，在功率需求大時釋放電力。

從理論上講，純電動車具有更高的能源效率，但是過大的電池重量降低了這種優勢，特別是對於長途運輸用的重型車輛。純電動車必須為每多行駛一英里增加更多的電池容量，從而給車輛增加額外的重量 。比如在特斯拉的電動重卡模型中，預計其電池重量可以達到4。5噸。而燃料電池車就沒有這樣的問題，因為其所攜帶的氫氣質量遠小於同等能量所需的電池質量。這是因為氫具有更高的比能 — 大約120MJ/kg，而電池的比能是5MJ/kg。

除了動力系統，車輛的其他部件基本上是相同的。車輛底盤包括傳動、轉向、制動和行駛系統。車輛電子系統主要由底盤控制系統，安全系統和車輛電子產品，比如資訊娛樂/通訊，高階駕駛輔助系統（“ADAS”）以及感測器等構成。最後，車身包括車身主體、座椅和內飾。

在燃料電池車中，燃料電池系統由燃料電池組和輔助系統組成。如下圖12所示，燃料電池堆是核心部件，它將化學能轉化為電能為汽車提供動力。

燃料電池系統除燃料電池堆外，還有四個輔助系統：供氫系統、供氣系統、水管理系統和熱管理系統。供氫系統將氫從氫氣罐輸送到燃料電池堆；由空氣過濾器、空氣壓縮機和加溼器組成的供氣系統為燃料電池堆提供氧氣；水熱管理系統採用獨立的水和冷卻劑迴路來消除廢熱和反應產物（水）。透過熱管理系統，可以從燃料電池中獲取熱量來加熱車輛的駕駛室等，提高車輛的效率。

燃料電池系統產生的電力透過動力控制單元（“PCU”）傳到電動機，在電池的輔助下，在需要時提供額外的電力。

如圖13所示，燃料電池車與其他車輛的主要區別在於動力系統。所有其他零部件本質上是相似的，因此這裡沒有突出顯示。燃料電池車和純電動車透過電動機將電能轉化為動能，而汽油和柴油車在內燃機中將燃料燃燒產生的熱能轉化為動能。燃料電池車和純電動汽車的主要區別在於電的來源。與燃料電池車不同的是，純電動汽車的全部能量來自其電池組，電池組在充電站進行外部充電。

二、燃料電池車，純電動汽車和燃油車在不同車輛型別中的應用

如前所述，燃料電池車由於其簡單性和靈活性而具有廣泛的應用場景。燃料電池車和電動車都是為了促進零排放和可持續交通系統所採用的傳統燃油車的替代方案。如圖14所示，許多國家都出臺了禁止燃油車的政策 106 。使用燃料電池車和電動車這類的清潔能源汽車已經成為不可否認的未來趨勢。

與燃料電池車相比，純電動車的開發和應用在大多數場景中更加成熟，但由於電池重量和續航里程問題而受到限制。如圖15所示，純電動車的真實環境續航里程通常比其官方公佈的實驗路況下的續航里程有較大的折扣。電池效能也容易受到外界環境的影響，如圖16所示，低溫對續航里程影響較大 。

此外，燃料電池車提供了與傳統燃油車類似的加油體驗 — 不需要充電站基礎設施，而這種充電站基礎設施在住宅區和高速公路沿線是很難實現的。純電動車及其充電站基礎設施的全面商業化將對電網系統產生影響。英國國家電網預測，到2050年，電動車的電力需求將在45太瓦時左右，約佔全國電力需求的10%。

註釋：*以雷諾ZOE Z。E。 40 為實驗樣本，**實際里程基準線

自本世紀初以來，不同類別的燃料電池車已經開始逐步進入了原型設計和生產階段，經過政府和業內人士多年的努力，現在幾乎所有車輛型別都有燃料電池車的產品或原型（圖17）。對於乘用車而言，燃料電池車已經可以進行商業化應用了，但由於加氫基礎設施有限，且購置成本高，因而當前使用率仍較低。在商用車領域，叉車、公交車、輕型和中型卡車一直處於燃料電池商用車應用的前沿。

燃料電池乘用車（圖18）

第一款由商業流水線量產的氫燃料電池乘用車可以追溯到2014年的豐田Mirai。然而，在美國、歐洲和日本，當前燃料電池乘用車的每年採購量只有幾百或幾千輛。燃料電池乘用車提供了一個在使用性上與傳統燃油車相似的零排放解決方案。燃料電池車只需要3-5分鐘就可以充滿氫燃料，單次加氫可以行駛250-350英里，與燃油車相當。早期使用燃料電池車的主要是租賃公司、車隊運營商、政府機構和企業客戶。由於缺乏廣泛的加氫基礎設施的限制，個人客戶較少。然而，隨著基礎設施的增加，預計未來個人消費將會大大增加。

註釋：*CHIC：歐洲城市清潔氫專案； **JIVE：歐洲氫燃料汽車聯合倡議； ***NFCBP：國家燃料電池公交車計劃； ****TIGGER：減少溫室氣體和能源消耗交通投資專案

燃料電池公交車應用現狀概述（圖19）

目前，燃料電池公交車是應用最廣泛的燃料電池車車型之一。這是因為它們大多是對公眾運營，並有非常穩定可預測的運營模式。公交車的典型特徵是有規律、可預測的路線，因此它們只需要很少的加氫站。此外，政府部門所採取的提倡措施對公交運營商的影響也很大，這使得公交車成為燃料電池技術早期應用的絕佳選擇。燃料電池公交車還是一個對社會有展示意義的綠色社會所倡議的綠色公共交通方式的模板。然而，燃料電池公交車的廣泛應用仍面臨挑戰。首先，與化石燃料相比，氫的價格仍然很昂貴。其次，雖然燃料電池系統總體上是可靠的，但與內燃機相比，由於技術相對較新，可能會出現技術問題，導致操作人員效率低下；這同樣適用於維修和零部件更換，不過這些問題預計會隨著技術應用的成熟而得到緩解。

註釋：*H2ME：歐洲氫能源交通出行專案

輕型和中型燃料電池卡車應用現狀概述（圖20）

在我們研究的主要市場中，圍繞輕型和中型燃料電池卡車的部署採取了各類方案和行動，且大多由私營部門主導（儘管有政府的支援） ，這與公交車形成了有趣的對比。主要由於以下幾點原因：燃料電池技術被認為是一個同城和城際物流強有力的競爭者。從技術角度來看，燃料電池卡車的續航里程通常超過150公里，這使得它們能夠完成大部分同城和城際的貨物運輸。其次，燃料電池卡車可以滿足城市地區更嚴格的環境要求和噪音法規，這鼓勵了政府和車隊運營商加速採用燃料電池車。第三，與純電動車相比，燃料電池車加氫時間非常短，大大提高了物流車隊的作業效率。貨運占城區交通流量的很大一部分（例如在歐洲佔8-15% ），這使得燃料電池技術很有希望成為一種主要的城市減排方式。預計在不久的將來，輕型和中型燃料池卡車在同城和城際物流中的應用將會繼續增長，尤其是在中國，其商業基礎設施的發展速度非常快 。

註釋：*H2-Share：針對重型運輸的氫解決方案，旨在減少歐洲西北部的排放

過載燃料電池卡車應用現狀概述（圖21）

考慮到高汙染和溫室氣體排放，過載卡車被認為是開發零排放汽車的一個非常有前景的細分市場。燃料電池重型卡車的發展相對滯後於其他應用，大多數主要的製造商都處於研發階段，只有有限的產品推出或測試。燃料電池重型卡車發展相對緩慢，這是由於車輛成本高、氫燃料成本高（長途運輸重負荷）和有限的加氫基礎設施造成的。從積極的方面來看，與純電動卡車相比，燃料電池重型卡車可以提供更快的加氫時間，這對於車隊減少日常運營中的等待時間至關重要。與相同規格的純電動卡車相比，燃料電池重型卡車也具有更長的續航里程。燃料電池技術正變得越來越成熟，並針對重型車輛的應用進行了最佳化。最終，燃料電池重型卡車可以提供接近傳統車輛的續航里程和充能時間，同時還有零排放的優勢。這為燃料電池重型卡車在長期內取代柴油和純電動重型卡車提供了巨大的潛力。

燃料電池叉車應用現狀概述（圖22）

叉車是燃料電池技術的前沿應用。首先，叉車在技術要求和基礎設施方面比其他車型有優勢，叉車所需的最大輸出功率僅為乘用車的十分之一。此外，由於叉車主要在倉庫等小範圍區域作業，因此對加氫站數量需求不高。第三，燃料電池叉車比其他型別的清潔能源叉車有優勢， 隨著時間的推移電池放電會使得電壓下降，導致叉車的速度減慢及生產效率下降。如電動叉車工作4小時後，再繼續工作4小時的話速度會平均下降14%，而燃料電池叉車可以實現穩定的工作效率。最後，由於燃料電池車輛沒有汙染排放，因此非常適用於空間封閉的倉庫，尤其食品飲料倉庫等有較高衛生要求的倉庫。燃料電池叉車正處於商業化階段，尤其是在美國，燃料電池叉車的保有量已超過2。5萬輛。在中國，燃料電池叉車的使用目前還比較有限，但是已經有很多公司開始對燃料電池叉車進行相關的開發，這也得到了各地區政府法規的支援。

燃料電池技術在採礦車上的應用現狀

那些面臨嚴重降低碳排放挑戰的採礦公司逐漸認識到，燃料電池採礦卡車是一種很好的零排放替代方案。與傳統柴油礦車和純電動礦車相比，燃料電池採礦裝置具有以下優點：

理論上，它可以達到與柴油車相同的機動性、動力和安全效能。同時，它一方面享有與電動車一樣的清潔性，而另一方面又可以在更短的時間內進行加氫，並運營更長的續航里程 。

與柴油礦車相比，燃料電池採礦裝置不會在地下環境中排放有害氣體，從而減少對礦工健康的影響。

但目前市場上燃料電池礦車產品有限，尚沒有廣泛的試點，說明燃料電池礦車的發展仍處於初級階段。幾家公司正在開發燃料電池礦車，例如在中國，濰柴集團於2018年與多家行業合作伙伴合作開發了200噸燃料電池礦車。在美國，英美資源集團也在研究新的採礦技術，包括燃料電池礦車。目前來看，燃料電池採礦車的應用還需要進一步的技術研究和政府支援 。

三、結 論

正如在本文中所看到的，燃料電池車由於其簡單性和靈活性而具有廣泛的在各種型別汽車上的應用前景。在本文中，我們重點介紹了從乘用車到採礦車的各種車輛型別，並展示了每種型別的燃料電池車型在全球各個市場的應用情況。那麼，燃料電池車究竟是如何被運營者使用的呢？這些運營的實際總成本是多少？隨著技術的不斷成熟，這些又會如何變化？讓我們在下一篇文章中探討這些相關的問題。

以上全文節選自：德勤中國《氫能源及燃料電池交通解決方案白皮書系列》系列一，旨在普及氫能源及燃料電池基本知識