燃料電池汽車(chē)優(yōu)勢(shì)及技術(shù)現(xiàn)狀

王龍杰

摘 要：面對(duì)能源消耗和應(yīng)對(duì)氣候變化問(wèn)題等多重挑戰(zhàn)，世界主要國(guó)家都把發(fā)展燃料電池汽車(chē)提升到國(guó)家戰(zhàn)略高度。我國(guó)目前已經(jīng)初步具備發(fā)展氫燃料電池汽車(chē)的資源基礎(chǔ)、技術(shù)積累和市場(chǎng)空間，現(xiàn)需要大力推動(dòng)發(fā)展。氫燃料電池汽車(chē)具有動(dòng)力強(qiáng)勁、安全可靠、經(jīng)濟(jì)節(jié)能等優(yōu)勢(shì)，但目前我國(guó)發(fā)展氫燃料電池汽車(chē)也面臨著燃料電池堆、空壓機(jī)、車(chē)載儲(chǔ)氫系統(tǒng)等技術(shù)較落后的現(xiàn)象需大力政策扶持并加快發(fā)展，文章就上述問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)闡述。

關(guān)鍵詞：燃料電池汽車(chē);動(dòng)力強(qiáng)勁;安全可靠;經(jīng)濟(jì)節(jié)能;燃料電池堆;空壓機(jī);車(chē)載儲(chǔ)氫系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：U469.72+2? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1671-7988（2020）13-11-03

Advantages and Technical Status of Fuel Cell Vehicle

Wang Longjie

（ Sichuan Bus Manufacturing Co.， Ltd， Sichuan Chengdu 611330 ）

Abstract： Facing the multiple challenges of energy consumption and climate change， development of fuel cell vehicles have raised to a national strategic height in the main countries of the world. At present， China has the resource base， technology accumulation and market space to develop the hydrogen fuel cell vehicle. Hydrogen fuel cell vehicles have the advantages of strong power， safety and reliability， economy and energy saving， etc. However， the development of hydrogen fuel cell vehicles in China is also facing the problems such as fuel cell stack， air compressor， on-board hydrogen storage system and so on. These underdeveloped technologies need strong policy support and accelerated development. This paper expounds the above problems in detail.

Keywords： Fuel cell vehicle; Strong power; Safety and reliability; Economic energy saving; Fuel cell stack; Air com -pressor; On-board hydrogen storage system

前言

燃料電池汽車(chē)以燃料電池系統(tǒng)作為單一動(dòng)力源或者是以燃料電池系統(tǒng)與可充電儲(chǔ)能系統(tǒng)作為混合動(dòng)力源的電動(dòng)汽車(chē)[1]。氫能是新能源革命的重要領(lǐng)域，將成為支撐我國(guó)構(gòu)建一個(gè)綠色、高效、安全的新能源系統(tǒng)的關(guān)鍵支柱，而燃料電池汽車(chē)作為氫能利用的關(guān)鍵領(lǐng)域，將成為我國(guó)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要方向。發(fā)展燃料電池汽車(chē)有動(dòng)力強(qiáng)勁、安全可靠、經(jīng)濟(jì)節(jié)能等諸多優(yōu)勢(shì)[2]，但是也面臨著燃料電池堆（含質(zhì)子交換膜、催化劑、氣體擴(kuò)散層及雙極板）、空壓機(jī)、車(chē)載儲(chǔ)氫系統(tǒng)等技術(shù)現(xiàn)狀與國(guó)外技術(shù)有一定差距的現(xiàn)象，現(xiàn)將其優(yōu)勢(shì)和技術(shù)現(xiàn)狀分析如下。

1 燃料電池汽車(chē)優(yōu)勢(shì)

1.1 動(dòng)力強(qiáng)勁

燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)采用的是“電-電混合”技術(shù)路線，即將動(dòng)力電池和燃料電池并聯(lián)，由鋰電池提供車(chē)輛加速、減速等非穩(wěn)態(tài)下所需的大功率，而燃料電池則用來(lái)提供穩(wěn)定工況下的輸出功率[3]。這種方案不僅解決了燃料電池動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢的問(wèn)題，還可大大延長(zhǎng)燃料電池的壽命，同時(shí)能提供強(qiáng)勁的動(dòng)力。以燃料電池城市客車(chē)為例，最大爬坡度能達(dá)到22%（同等條件下傳統(tǒng)客車(chē)為20%），0-50km/h加速時(shí)間只需要8s而傳統(tǒng)客車(chē)需要30s，可見(jiàn)加速能力優(yōu)于傳統(tǒng)客車(chē)。

1.2 安全可靠

通過(guò)實(shí)際運(yùn)營(yíng)，燃料電池汽車(chē)的運(yùn)營(yíng)時(shí)間和里程遠(yuǎn)高于純電動(dòng)汽車(chē)，具有更高的安全性，如表1所示。

從表1中可以看出在全生命周期內(nèi)燃料電池乘用車(chē)和商用車(chē)均比純電動(dòng)乘用車(chē)和商用車(chē)有更長(zhǎng)的運(yùn)營(yíng)時(shí)間和里程，可見(jiàn)燃料電池汽車(chē)的耐久性和可靠性?xún)?yōu)于純電動(dòng)汽車(chē)，更安全可靠。

1.3 經(jīng)濟(jì)節(jié)能

1.3.1 全生命周期成本低

燃料電池汽車(chē)能耗成本低，國(guó)家政策補(bǔ)貼大，其全生命周期成本較低，如表2所示。

從表2中可以看出燃料電池汽車(chē)全生命周期的總成本遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)汽車(chē)和純電動(dòng)汽車(chē)，尤其是燃料成本遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)汽車(chē)，完全符合國(guó)家節(jié)能減排的政策方針。

1.3.2 能量轉(zhuǎn)化率高

燃料電池汽車(chē)能量轉(zhuǎn)換效率高。據(jù)戴克公司對(duì)NECAR4型燃料電池轎車(chē)的測(cè)試，其燃料電池堆的能量轉(zhuǎn)換效率為62%，如果除去燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)輔助系統(tǒng)的能耗（占16.4%）和電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的能耗（占8.1%），從“油箱到車(chē)輪”的效率為37.7%，遠(yuǎn)高于汽油機(jī)汽車(chē)16%～18%和柴油機(jī)汽車(chē)20%～24%的轉(zhuǎn)換效率[4]。

2 燃料電池汽車(chē)技術(shù)現(xiàn)狀

燃料電池汽車(chē)的動(dòng)力源是燃料電池系統(tǒng)，其核心技術(shù)也是在燃料電池系統(tǒng)，因此燃料電池系統(tǒng)的技術(shù)成熟與否決定了燃料電池汽車(chē)的發(fā)展前景，現(xiàn)將燃料電池系統(tǒng)的核心部件燃料電池堆（含質(zhì)子交換膜、催化劑、氣體擴(kuò)散層及雙極板）、空壓機(jī)、車(chē)載儲(chǔ)氫系統(tǒng)等的技術(shù)現(xiàn)狀敘述如下[5]。

2.1 燃料電池堆技術(shù)現(xiàn)狀

我國(guó)車(chē)用燃料電池堆整體發(fā)展程度仍處于起步階段，技術(shù)水平與國(guó)際先進(jìn)水平仍有差距，如表3所示。

從表3中可以看出國(guó)內(nèi)燃料電池系統(tǒng)功率普遍在60kW以下，燃料電池堆的功率密度不超過(guò)2.7kW/L，整車(chē)?yán)鋯?dòng)溫度最低為-20℃等技術(shù)指標(biāo)均低于國(guó)外技術(shù)[6]?，F(xiàn)分述其核心部件質(zhì)子交換膜、催化劑、氣體擴(kuò)散層、雙極板等的技術(shù)現(xiàn)狀。

2.1.1 質(zhì)子交換膜技術(shù)現(xiàn)狀

國(guó)際上已掌握了質(zhì)子交換膜基材及工藝的核心技術(shù)，并形成了一定的技術(shù)和市場(chǎng)壟斷。美國(guó)戈?duì)栐O(shè)計(jì)出超薄增強(qiáng)型質(zhì)子交換膜，最薄能達(dá)到7～10um，功率密度、機(jī)械耐久性及水汽擴(kuò)散自增濕效應(yīng)優(yōu)異，已廣泛應(yīng)用于乘用車(chē)上。

我國(guó)質(zhì)子交換膜技術(shù)近年來(lái)取得了一定的進(jìn)展。山東東岳開(kāi)發(fā)的DF260復(fù)合膜，膜厚度可達(dá)15um，在干濕循環(huán)和機(jī)械穩(wěn)定性方面，循環(huán)次數(shù)超過(guò)2萬(wàn)次?？傮w來(lái)說(shuō)，我國(guó)質(zhì)子交換膜多處于實(shí)驗(yàn)階段或小批量生產(chǎn)階段，技術(shù)與國(guó)際領(lǐng)先水平存在一定的差距。

未來(lái)質(zhì)子交換膜技術(shù)將趨于薄膜化，這有助于降低質(zhì)子傳遞的阻力，以達(dá)到較高的性能。

2.1.2 催化劑技術(shù)現(xiàn)狀

國(guó)際上，燃料電池催化劑技術(shù)已形成批量化生產(chǎn)能力。日本田中貴金屬研發(fā)的PV/C催化劑整體性能優(yōu)異，已運(yùn)用在本田燃料電池汽車(chē)上，其開(kāi)發(fā)的 PtCo/C 催化劑也開(kāi)始在燃料電池汽車(chē)上試運(yùn)行。

與國(guó)外相比，我國(guó)燃料電池催化劑尚處于實(shí)驗(yàn)研制階段，還未形成有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)業(yè)化產(chǎn)品。云南貴金屬集團(tuán)已研發(fā)出全系列（Pt質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%～70%）Pt/C催化劑，但還未實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)。我國(guó)科研機(jī)構(gòu)已開(kāi)展對(duì)催化劑的研究，進(jìn)展顯著。大連化學(xué)物理研究所研制的PtNi納米線合金催化劑質(zhì)量與面積比活性分別達(dá)到Pt/C的2.5倍和3.3倍，超小PtCu合金催化劑質(zhì)量比活性達(dá)到Pt/C的3.8倍。

由于Pt金屬昂貴、稀有，開(kāi)發(fā)低Pt化和無(wú)Pt化催化劑將是未來(lái)燃料電池催化劑的研究趨勢(shì)。

2.1.3 氣體擴(kuò)散層技術(shù)現(xiàn)狀

國(guó)際上氣體擴(kuò)散層的生產(chǎn)工藝已實(shí)現(xiàn)卷材生產(chǎn)，且生產(chǎn)工藝穩(wěn)定，能大批量供應(yīng)性能穩(wěn)定的產(chǎn)品。如德國(guó)西格里生產(chǎn)的氣體擴(kuò)散層具有很薄的基體層，其微孔層具有優(yōu)良的氣體透過(guò)率，受到國(guó)際上的較高認(rèn)可。

國(guó)內(nèi)產(chǎn)品尚處于小規(guī)模生產(chǎn)階段，氣體擴(kuò)散層的原材料如碳紙等多依賴(lài)進(jìn)口。中南大學(xué)提出了化學(xué)氣相沉積（CVD）熱解炭改性碳紙的新技術(shù)，發(fā)明了與變形機(jī)制高度適應(yīng)的異型結(jié)構(gòu)碳紙，采用干法成型、CVD、催化炭化和石墨化相結(jié)合的連續(xù)化生產(chǎn)工藝，其產(chǎn)品的耐久性和穩(wěn)定性有所提升。

未來(lái)碳紙技術(shù)將趨于薄膜化，以提高氣體擴(kuò)散能力，減少在高電流密度下的傳質(zhì)問(wèn)題。

2.1.4 雙極板技術(shù)現(xiàn)狀

國(guó)外已經(jīng)形成了成熟的雙極板產(chǎn)業(yè)鏈，在制造工藝、質(zhì)量、成本控制和批量化生產(chǎn)等方面均已形成成熟的產(chǎn)業(yè)化體系。其中金屬雙極板，其核心技術(shù)如極板設(shè)計(jì)、精密制造及耐蝕涂層開(kāi)發(fā)等均被視為占領(lǐng)燃料電池技術(shù)高地的核心機(jī)密，許多關(guān)鍵技術(shù)被各大企業(yè)以知識(shí)產(chǎn)權(quán)形式進(jìn)行技術(shù)壟斷。另外石墨雙極板，加拿大Ballard開(kāi)發(fā)的柔性石墨雙極板代表了國(guó)際先進(jìn)水平，極板厚度小于1mm，應(yīng)用在Ballard的燃料電池堆電流密度達(dá)2.5A/cm2，已累積無(wú)故障運(yùn)行超過(guò)20000小時(shí)。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)雙極板技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化能力已明顯提高。金屬雙極板涂層技術(shù)已實(shí)現(xiàn)突破，開(kāi)發(fā)了多種具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的石墨基、鈦鉻基納米復(fù)合涂層，并應(yīng)用于金屬極板。此外，金屬雙極板的設(shè)計(jì)技術(shù)也取得較大進(jìn)展，開(kāi)發(fā)出無(wú)須增濕金屬雙極板，利用波紋流場(chǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)板面流體進(jìn)行合理分配，并通過(guò)對(duì)波紋周期參數(shù)的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)不增濕條件下的堆內(nèi)保水。

我國(guó)石墨雙極板已初步實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，如上海弘楓研發(fā)的超薄石墨雙極板，已應(yīng)用于燃料電池客車(chē)上;廣東國(guó)鴻開(kāi)發(fā)的碳基復(fù)合雙極板，已應(yīng)用于物流車(chē)等領(lǐng)域。

未來(lái)創(chuàng)新性的流場(chǎng)設(shè)計(jì)、高效的制造工藝及嚴(yán)格的成本控制，是雙極板制造的趨勢(shì)。而對(duì)金屬雙極板而言，開(kāi)發(fā)低成本、高耐久性的耐腐蝕性涂層是金屬雙極板技術(shù)需重點(diǎn)突破的關(guān)鍵性問(wèn)題。

2.2 空壓機(jī)技術(shù)現(xiàn)狀

國(guó)外燃料電池汽車(chē)空壓機(jī)的研發(fā)起步較早，在轉(zhuǎn)子、軸承、控制器及高速電機(jī)等核心技術(shù)方面積累了較多的經(jīng)驗(yàn);同時(shí)，國(guó)外空壓機(jī)企業(yè)有與汽車(chē)零部件企業(yè)匹配的豐富經(jīng)驗(yàn)，正向開(kāi)發(fā)能力強(qiáng)，能針對(duì)整車(chē)企業(yè)的需求做針對(duì)性開(kāi)發(fā)。目前，螺桿式壓縮機(jī)已被廣泛運(yùn)用于美國(guó)和加拿大等汽車(chē)企業(yè)的燃料電池系統(tǒng)，瑞典OPCON開(kāi)發(fā)的螺桿式壓縮機(jī)，壓縮比達(dá)3.2，排氣流量從17g/s到400g/s，可實(shí)現(xiàn)燃料電池汽車(chē)在不同工況下的流量調(diào)節(jié)。

國(guó)內(nèi)空壓機(jī)的研發(fā)多為科研機(jī)構(gòu)及大學(xué)承擔(dān)的國(guó)家“863”和“973”課題，缺乏專(zhuān)業(yè)的制造企業(yè)參與，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展緩慢?？傮w來(lái)說(shuō)，我國(guó)空壓機(jī)企業(yè)與整車(chē)企業(yè)零部件配套經(jīng)驗(yàn)不足，正向開(kāi)發(fā)能力較弱，且國(guó)內(nèi)缺乏成熟的供應(yīng)鏈如軸承、控制器和高速電機(jī)等的支撐，空壓機(jī)關(guān)鍵零部件仍依賴(lài)進(jìn)口。

開(kāi)發(fā)大空氣流量、節(jié)能高效且能在全工況下快速響應(yīng)的空壓機(jī)將成為未來(lái)的發(fā)展方向。

2.3 車(chē)載儲(chǔ)氫系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀

國(guó)外儲(chǔ)氫系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈相對(duì)完善，制造技術(shù)已趨于成熟。在儲(chǔ)氫瓶方面，國(guó)外35MPa和70MPa的儲(chǔ)氫瓶技術(shù)成熟，已形成與整車(chē)配套生產(chǎn)能力，并成功應(yīng)用于燃料電池汽車(chē)上，如國(guó)外燃料電池乘用車(chē)多采用70MPa IV型儲(chǔ)氫瓶，儲(chǔ)氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)5.7%，100MPa的高壓儲(chǔ)氫容器已處于研制階段。

我國(guó)車(chē)載儲(chǔ)氫系統(tǒng)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化程度與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)水平有一定的差距，隨著車(chē)用氫能產(chǎn)業(yè)化的不斷發(fā)展，我國(guó)車(chē)載儲(chǔ)氫系統(tǒng)開(kāi)始逐漸由樣品試制、小批量生產(chǎn)轉(zhuǎn)向規(guī)?；a(chǎn)，產(chǎn)業(yè)配套體系也在逐步構(gòu)建。在儲(chǔ)氫瓶方面，我國(guó)已具備了35MPa鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞Ⅲ型高壓儲(chǔ)氫瓶技術(shù)和批量化生產(chǎn)能力，并陸續(xù)在國(guó)產(chǎn)燃料電池商用車(chē)和乘用車(chē)上實(shí)現(xiàn)搭載。由于儲(chǔ)氫瓶關(guān)鍵材料如碳纖維復(fù)合材料以及關(guān)鍵的精細(xì)化零部件（如閥門(mén)等）的國(guó)產(chǎn)化水平較低，主要依靠進(jìn)口，導(dǎo)致車(chē)載儲(chǔ)氫瓶成本較高的問(wèn)題比較突出。

未來(lái)車(chē)載高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)將向高壓化、輕量化和低成本化方向發(fā)展。

3 結(jié)語(yǔ)

氫燃料電池汽車(chē)無(wú)污染，可實(shí)現(xiàn)零排放，是新一代清潔汽車(chē)，我國(guó)應(yīng)大力發(fā)展氫燃料電池汽車(chē)。但是我國(guó)在燃料電池系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)等方面與發(fā)達(dá)國(guó)家存在一定差距，所以我們應(yīng)加大政策扶持盡快突破關(guān)鍵技術(shù);大力推進(jìn)示范營(yíng)運(yùn)，注重開(kāi)展示范效果評(píng)估;完善標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)體系，全面提高測(cè)試評(píng)價(jià)能力。相信我們通過(guò)刻苦專(zhuān)研、努力攻關(guān)，一定會(huì)盡快掌握核心技術(shù)，建立健全生產(chǎn)配套體系和法規(guī)體系，迎頭趕超發(fā)達(dá)國(guó)家。

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