2.4 燃料电池
FCEV是燃料电池电动汽车的简称，全称是Fuel Cell Electric Vehicle，是一种用车载燃料电池装置产生的电力作为动力的汽车。FCEV的核心系统是车载燃料电池装置（燃料电池发动机），简称燃料电池，是能将高纯度氢气（或含氢燃料）和氧气通过电化学反应直接转化为电能的发电装置。其过程不涉及燃烧，无机械损耗，能量转化率高，产物仅为电、热和水，运行平稳，噪音低。在如今的发展过程中，燃料电池多采用氢气作为能量来源，本章就以氢燃料电池为例来讨论。
电堆是车载燃料电池装置的核心部件，是氢气与氧气发生化学反应产生电能的场所。电堆由双极板和膜电极两大部分组成，催化剂、质子交换膜和碳布/碳纸构成了膜电极。电堆跟氢气供给循环系统、空气供给系统、水热管理系统、电控系统及数据采集系统共同组成了一个完整的车载燃料电池装置，如图2-1所示。
电极反应如下：
负极：H2+2OH-=2H2O+2e-
正极：1/2O2+H2O+2e-=2OH-
电池反应：H2+1/2O2=H2O
另外，燃料电池必须有一套相应的辅助系统才能完成工作，包括反应剂供给系统、排热系统、排水系统、电性能控制系统及安全装置等。
图2-1 氢燃料电池电堆原理示意图
借助近年来新能源汽车产业的兴起浪潮，国内车用燃料电池产业发展势头强劲，至2017年年底，国内注册的燃料电池汽车相关企业数量已超过220家，业务涵盖车用燃料电池产业的上游（氢能设施，如制氢、运输、储存、加注设备等）、中游（燃料电池动力系统及其关键部件，如空压机、氢泵、加湿器、车载氢瓶等，燃料电池电堆及其关键材料和部件，如膜电极、双极板、催化剂、质子膜、扩散层等）和下游（燃料电池汽车，如乘用车、商用车、专用车等）。
车用燃料电池产业的发展动力主要来自产业下游的燃料电池汽车开发需求的爆发式增长，最明显的标志是2016年上海汽车、宇通客车、北汽福田、东风汽车等整车企业布局燃料电池乘用车和客车开发，2017年已经陆续开始商业化运营。
在燃料电池乘用车开发方面，进展最为明显的是上海汽车集团。基于自主的燃料电池动力系统、整车集成技术，上汽集团开发了荣威750和荣威950燃料电池轿车，2017年已有60余辆荣威950燃料电池轿车投放市场，其中40辆用于分时租赁。上汽大通是目前国内唯一通过工信部39号令的燃料电池车生产企业，2017年11月国内第一款运用工信部最新准入标准的燃料电池轻客车FCV80正式上市，其拥有技术先进、超长续航、绿色环保、环境耐受性强、安全可靠等诸多优势，已经陆续交付100辆进行商业化运营。
我国车用燃料电池技术在国家科技和产业政策的支持和推动下得到了快速发展，以上汽、北汽等为代表的整车企业已成功开发出燃料电池轿车和客车等车型，以清华大学、同济大学、大连化学物理研究所等单位为代表的研究机构，在燃料电池动力系统及燃料电池材料基础研究方面已与国外科研机构同步发展，以新源动力股份有限公司、北京亿华通科技股份有限公司为代表的制造企业已经具备车用燃料电池的工程开发和批量制造能力，以山东东岳集团、上海治臻、云南贵金属集团和广东广顺为代表的企业已经在工程化开发适用于燃料电池的关键材料和零部件。
现阶段国内各厂家以开发生产燃料电池客车和物流车为主，乘用车规模较小，中车唐山开发了一款燃料电池有轨电车。通过对比工信部发布的《道路机动车辆生产企业及产品公告》中的各厂家燃料电池公告，2017年至2018年4月第306批次公告，行业燃料电池产品公告共35款，包括燃料电池客车公告24款，燃料电池物流车公告11款，燃料电池轿车3款。35款燃料电池汽车产品公告由亿华通、广东国鸿、南通百应、广东鸿运、上海重塑、东方电气、江苏兴邦、大连新源、江苏清能、爱德曼氢、加拿大博能和安徽易智等燃料电池企业配套。
从市场适应性来看，燃料电池汽车有望在客车和专用车领域率先突破，因此，有较多企业布局客车和专用车开发。在广东佛山、云浮首批28辆燃料电池公交车已经投入营运，2017年已经有500辆青年汽车和东风汽车开发的氢燃料电池物流车进入试营运阶段。2018年1月，福田客车49辆、宇通客车25辆中标张家口市区公交车辆采购项目，这74辆燃料电池客车将在2022年张家口冬奥会期间为市民提供出行服务。
目前，我国已掌握了关键材料、核心部件及动力系统的关键技术，建立了具有自主知识产权的车用燃料电池动力技术平台，累计开发数百辆燃料电池汽车和数百套燃料电池系统。在产业层面，我国燃料电池产业链不完善，燃料电池质子交换膜、双极板等关键材料依赖进口，从事燃料电池相关业务企业的技术开发和制造能力与国际主流水平差距比较明显。此外，与国际先进水平相比，我国车用燃料电池技术在工程设计与验证能力、关键材料和零部件水平等方面仍存在不少问题，耐久性、可靠性是目前我国燃料电池汽车快速发展的技术瓶颈。
由于汽车使用条件的复杂多样性和载荷动态频繁性，容易发生燃料电池电堆的水热管理失效、欠气等问题，从而导致燃料电池电堆材料衰减，降低燃料电池耐久性。燃料电池电堆的发电是一个包含气体传递、电化学反应、热量管理等不同动态特性的多物理量耦合过程。燃料电池动力系统的动态特性直接影响到燃料电池电堆的性能、寿命及可靠性。因此，要求燃料电池动力系统具有良好的动态响应能力和可靠性，包括关键零部件（空气和燃料的供给、控制组件）和系统控制策略。