第1章 燃料電池汽車及其能量轉換

1.1 燃料電池汽車

1.1.1 車輛電動化路徑

能源的可持續使用和高效利用是推動社會發展的重要動力。當今，化石燃料的使用占據世界能源的70%左右，大規模使用化石能源直接導致不可再生的資源消耗，同時也會造成氣候變化、環境污染，這一點在中國尤為突出。在交通領域，目前主導的車用動力系統仍依賴于誕生于一個多世紀以前的內燃機技術。雖然經過百年的發展，內燃機的效率在持續提高，并已經逐步減少了各類污染物的排放，但是在碳中和的背景下，交通能源和動力全鏈條實現低排放乃至零排放仍是最為艱巨的挑戰。

在汽車發展的歷史進程中，電動汽車曾經曇花一現。化石能源的短缺和燃油汽車無法最終解決氣候變化、環境污染的問題，使得汽車工業重新將目光投回到電動汽車上。中華人民共和國科學技術部（簡稱科技部）在2000年啟動的“863”電動汽車重大專項中提出了“三縱三橫”的技術框架，如圖1-1所示。“三縱”是三種動力系統的技術路線，包括混合動力、純電動和燃料電池三種類型；三橫是共性關鍵技術，包括電池及其管理系統、電機及其控制系統、多能源動力總成控制系統，業界簡稱為電池、電機和電控。

圖1-1 電動汽車“三縱三橫”技術框架

在這張三縱三橫的圖表中，三種動力系統使用不同的能源，混合動力汽車仍然使用汽油/柴油，純電動汽車使用的是電能，燃料電池汽車使用的是氫能。（氫）燃料電池作為一種高效、清潔的能量轉換裝置，可以直接將燃料和氧化劑的化學能轉化為電能，且其反應產物僅為水，具有高效率和零排放方面的優良基因，因而受到了人們的廣泛關注。燃料電池已經初步體現出了其在下一代交通工具動力系統、便攜式電源和固定式發電應用中具有取代諸多傳統能源應用的巨大潛力。