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燃料电池电动车（FCEV）技术详解

2024-09-26 10:02:28·  来源：汽车电子与软件  
　

#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：

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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。


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    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。

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    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。


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    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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