最近燃料電池汽車比較火，今天從三個方面來談談個人的認識。
什麼是燃料電池汽車？
燃料電池是一種將化學能轉化為電能的裝置，其特點是環保、供電能力強、無噪聲、效率高。純燃料電池動力系統由於功率響應速率較慢、無法存儲電能等原因，無法單獨滿足車輛行駛要求，一般與蓄電池組成混合動力為車輛提供動力。
在眾多的燃料電池中，質子交換膜燃料電池具有溫度適中，啟動速度快，比能量高、效率高等特點，是燃料電池汽車的最佳選擇。
質子交換膜燃料電池主要通過電化學反應，將儲存在氫氧燃料中的電化學轉化為電能，驅動車輛行駛，是未來清潔能源汽車發展的重要趨勢。燃料電池工作基本反應式如下：
負極為：2H2-4eˉ=4H
正極為：O2+4eˉ+2H2O=4OHˉ
具體工作原理如下圖：
燃料電池汽車結構圖一般如下圖所示，燃料電池系統（FCS）發電後通過DCDC升壓，可以直接驅動電機，也可以給電池充電。
燃料電池汽車發展面臨哪些問題？
當前燃料電池汽車依然面臨嚴峻的挑戰，需要解決好以下幾方面問題。
成本
目前燃料電池系統和儲氫系統佔據整車成本的65%，遠高於鋰離子純電動汽車的電池成本佔比。另外，燃料電堆催化劑主要為鉑金屬，成本較高，大大制約了燃料電池汽車的發展。
目前燃料電池汽車公司正在從兩個方面進行研究。
1）減少燃料電池中催化劑中鉑金的使用量。通用公司生產的新一代燃料電池電堆，單堆的鉑金使用量從 80g降低到了30g，減少約 2/3。豐田公司研發的燃料電池電堆，其催化劑中鉑金的用量已經降低到原先電堆中鉑金用量的30%。當然，如何可以尋找可替代鉑金的催化劑材料，也將有利於燃料電池成本的降低。
2）提高催化劑的抗毒性，延長催化劑的使用壽命。在催化劑抗毒性研究方面，國外已有相關研究組織嘗試提升催化劑的抗毒性，從而使燃料電池直接使用粗氫工作，也可以從燃料來源上降低成本。
下圖為豐田旗下的Mirai燃料電池汽車，大約為 6萬美元/輛，確實很貴。
配套
目前，全球各燃料電池配套設備建設主要依靠國家引導推進。日本預計到 2025 年之前建設 1000 個加氫站；韓國則預計在 2020 年基於已建的 13 座加氫站，將加氫站擴展到 168 座，同時架設氫氣高速公路。截止2019年年底，我國在建和已建的加氫站有120多座，其中有51座已經建成，投入運營的加氫站有41座。
一方面，加氫站的建設成本普遍在1500萬元左右，另一方面，國內燃料電池車保有量小，運營利潤較低，導致加氫站配套建設受到較大的制約。
壽命
目前國外燃料電池壽命普遍在5000h左右，國內燃料電池壽命在3000h左右，遠遠達不到車輛使用的要求。車輛複雜的工況運行是導致燃料電池壽命較低的最主要原因。由於車輛動態運行過程中對需求功率是不斷變化的，引起電壓波動以及材料性能衰減，尤其在啟動、停車、大油門等動態變化劇烈的過程中材料性能會加速衰減，電堆壽命會收到較大影響。
安全
氫系統的部件主要包括加氫口、氫氣過濾器、單向閥、減壓閥、電磁閥、排空口、限流閥、安全閥、針閥、溫度傳感器、壓力傳感器和氫系統控制器等，系統結構圖如下。
加氫安全、儲氫安全、氫洩露和碰撞安全是燃料電池汽車不得不考慮的問題。
加氫：加氫過程比較複雜，為了實現氫氣的安全快速加註，需要車載氫管理系統與加氫站通過紅外信號實時通訊，監測加註過程中的異常情況。
儲氫：氫瓶壓力一般達到幾十兆帕，氫管理系統需要實時監測氫瓶內的溫度、壓力等信息，遇到異常壓力情況需要及時進行安全處理。
氫洩露：由於氫氣的易燃易爆特性，對氫洩露也需要及時監測與處理。
碰撞：車輛出現碰撞等緊急狀態，需要立即停止供氫並報警提示。
控制
燃料電池汽車是一個複雜的汽車系統，控制上也存在很多需要優化的問題。
1）燃料電池本身控制
質子交換膜燃料電池是一個多輸入、多輸出的非線性時變系統，其系統比較複雜，難以精確建模，會受到進氣壓力、溫度、溼度、電流密度等多種因素的影響。因此，為了提高系統的工作性能，保持良好的運行狀態，恰當的控制策略依然是未來很長一段時間內的研究課題。
2）冷啟動控制
當環境溫度較低時，啟動燃料電池會出現結冰現象，破壞電堆結構，影響電堆壽命。一般通過關機時吹掃和開機時加熱兩種方法輔助進行冷啟動。如何在保護電堆的前提下縮短冷啟動時間，也是對燃料電池汽車發展過程中不得不優化的問題。
3）整車控制
燃料電池從本質上講是一臺發電機，不能儲存電能，一般與電池一起作為車輛的能量源，所以燃料電池汽車等價於一臺增程式電動汽車，只是用燃料電池代替了發動機。由於燃料電池效率隨負載變化、功率響應較慢等等原因，導致在整車動力性、經濟性優化控制上依然存在較大提升空間。
國內外燃料電池汽車發展現狀如何？
國外燃料電池汽車也是毫無意外地走在世界前列。日本豐田汽車1992年開始研究燃料電池，於2014年Mirai量產；韓國現代汽車2013年推出ix35FCV，2018年推出第三代燃料電池車NEXO，加氫5分鐘續駛里程超800km。其他汽車集團如大眾、寶馬等，也在積極進行技術儲備，具有隨時量產的水平。
國內僅上汽、一汽有小批量示範運行，其他汽車廠商還處於探索研究階段。與美歐日等先進汽車生產國相比，我國在燃料電池的功率密度、壽命、冷啟動性能、系統成本、相關配套基礎設施建設以及政策導向等方面都存在較大差距。
從2017年年底開始，國家層面開始重視燃料電池發展，提出了以下三個目標：
轉眼2020年已經到來，以上3個目標依然任重而道遠。
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