淺析氫燃料電池車在中國新能源類車型中的發(fā)展前景

張浩亮

摘 要：隨著石油能源的枯竭和人類對于保護生態(tài)環(huán)境的日益重視，減少汽車尾氣對空氣污染發(fā)展新型環(huán)保綠色交通運輸工具成為人類共識。汽油的熱值是0.46*108KJ/kg，氫氣的熱值是1.43*108KJ/kg 理論上氫氣的熱效能比汽油多3倍，汽油燃燒后產(chǎn)生的是CO2、NO2等溫室氣體，氫氣只產(chǎn)生水，氫燃料電池車已成為汽車發(fā)展方向。本文對氫能源車的工作原理，整車布置，國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀做了淺析，并分析了重點突破方向分析研究，預(yù)測了發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：中國汽車 新能源 氫燃料電池 整車布置 安全性和法律法規(guī)

1 概述

我國“十四五”規(guī)劃中明確提到聚焦新能源汽車等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)、在氫能等產(chǎn)業(yè)組織實施未來產(chǎn)業(yè)孵化與加速計劃等。2020年11月份，在國務(wù)院辦公廳印發(fā)的《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021-2035年）》明確了未來新能源汽車的發(fā)展目標(biāo)，提出到2025年純電動乘用車新車平均電耗降至12.0千瓦時/百公里;到2035年純電動汽車成為新銷售車輛的主流，公共領(lǐng)域用車全面電動化。在政策的推動下，未來我國新能源汽車的滲透率將會進一步提高[1]。

2 氫燃料電池汽車工作原理

眾所周知，氫是第一位元素，氫氣同氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生水，水占地球表面70%，人體中含有水也約占70%。

2H2+O2=2H2O伴隨能量釋放

逆向反應(yīng)，當(dāng)我們向水通電，產(chǎn)生氫離子和氧離子，最終產(chǎn)生氫氣和氧氣。

最初的內(nèi)燃機汽車將汽油柴油改用氫氣燃料，推動活塞和曲軸運動，從而驅(qū)動汽車行駛。如寶馬的氫能7系，本質(zhì)是內(nèi)燃機車;

目前的氫燃料電池車Hydrogen Fuel Cell Vehicle，原理是將儲存在燃料（液態(tài)氫氣）和氧化劑中的化學(xué)能通過電極反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化為電能。一部分電能直接驅(qū)動汽車行駛，一部分電能儲存于電池，在特殊工況中起補充作用，并可以對汽車其他電器供電。可以理解為是一輛“自帶氫燃料發(fā)電機的電動車” [2]。目前大多數(shù)氫燃料電池汽車使用壓縮氫氣或液化氫氣作為燃料。氫燃料電池裝置從本質(zhì)上說是水電解的一個逆裝置。是氫和氧通過電化學(xué)反應(yīng)生成水，并釋放出電能的過程。與使用傳統(tǒng)能源的汽車相比，無污染略競爭手段。

3 氫燃料電池汽車基本的整車布置

無論車型如何，基本的整套燃料電池車動力系統(tǒng)包括：燃料電池堆、燃料電池升壓變頻器、正副高壓儲氫罐、動力控制單元、電動機、動力電池等。

燃料電池堆：一般布置在車身中部，受到周圍結(jié)構(gòu)充分保護。燃料電池堆不是電池而是發(fā)電設(shè)備，氫氣和氧氣在電池堆發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生對外輸出電能，功率在100～200W。其工作原理：氫氣被分離成氫離子和電子，并在多層電解質(zhì)膜的作用下分離，其中電子運動，形成電流。氫離子和氧氣作用排出水。核心部分之一就是電解質(zhì)膜;

燃料電池升壓變頻器：緊靠燃料電池堆，負(fù)責(zé)將電壓升高，一般在600～700V，滿足高性能電動機使用;

氫燃料電池車中的高壓儲氫罐就相當(dāng)于燃油車的油箱，由于氫氣是密度最小的氣體，必須壓縮才能方便儲存，體積過大影響使用性。以Mirai.為例，其儲氫罐采用三層設(shè)計，分別為表層（玻璃纖維強化樹脂層），中間層（碳釬維強化樹脂），內(nèi)層（樹脂襯里），可承受700個大氣壓，Mirai. 正副高壓儲氫罐可存儲5kg氫氣，理論續(xù)航500公里

動力電池：燃料電池堆在穩(wěn)定工況下效率最高，但是車輛對于動力需求變化頻繁。所以會有動力電池來存儲燃料電池堆產(chǎn)生的富余電能，并在加速時為電機提供額外電能。同時具備存儲回收的制動能量功能。

動力控制單元和驅(qū)動電機：一般小型車輛整車設(shè)計時會布置在前艙，替代了原有內(nèi)燃發(fā)動機位置，也有利于整車質(zhì)量均布。前者控制燃料電池堆和動力電池的工作情況，使電力能被高效利用，后者作為整車驅(qū)動源。設(shè)計功率一般至少達到100KW，最大扭矩300NM。

4 國內(nèi)外氫能源汽車發(fā)展現(xiàn)狀

世界上最早開發(fā)氫能源的是豐田汽車公司，該公司從1992年開始研發(fā)氫能源技術(shù)。目前氫能源汽車可分為傳統(tǒng)內(nèi)燃機型和氫氣燃料電池型，主要運用在轎車和城市公交上。

內(nèi)燃機型：顧名思義就是傳統(tǒng)內(nèi)燃?xì)馄嚫挠脷錃馊剂?，目前主要有如寶馬的氫能7系;

氫氣燃料電池型：最主要是以氫氣為原料，在燃料電池堆產(chǎn)生電流和水的反應(yīng)。主要如：GM鳳凰phoenix、奧迪H-TRON、豐田Mirai米萊未來等。

2001年12月，以上汽通用GL8為原型，通用汽車提供燃料電池組，泛亞技術(shù)中心負(fù)責(zé)整車系統(tǒng)集成的“鳳凰”氫燃料電池展示車項目，獲上汽集團技術(shù)創(chuàng)新成果一等獎。

2014年12月15日在日本正式上市的豐田 Mirai. 氫燃料電池車。30.7萬人民幣。目前累計約10000輛。

2018年中國中鐵集團公司的子公司四方公司開發(fā)了世界上第一輛氫動力有軌電車。由氫燃料電池提供動力，目前最高時速為每小時70公里，僅在市區(qū)使用。設(shè)計搭載380名乘客。3分鐘的加氣時間，行駛里程為100公里。

2020年10月法國氫動力汽車制造商Hopium在巴黎Viva技術(shù)周推出了其第一款上路的原型車。續(xù)航達到1000km， 補能3分鐘;

2021年6月，上汽紅巖簽約交付500輛氫能重卡。

此外，長城、吉利都已推出了自己的氫氣燃料電池型產(chǎn)業(yè)發(fā)展計劃。

5 氫燃料電池汽車和磷酸鐵鋁電池比較

6 氫燃料電池汽車商業(yè)化的三個方向重點突破方向

2018.6.28.在清華大學(xué)舉辦的“氫能產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展論壇”上萬鋼提出氫燃料電池汽車商業(yè)化需要突破三個重點方向：膜電極、空壓機和儲氫罐的產(chǎn)業(yè)化。能否實現(xiàn)氫燃料電池汽車成為行業(yè)挑戰(zhàn)者和超越者，這三條生命線的發(fā)展成為關(guān)鍵。

7 氫燃料電池汽車安全性和法律法規(guī)

由于氫氣具有可燃性，在空氣中點燃會發(fā)生爆炸。據(jù)世界衛(wèi)生組織報告顯示2020 年135萬人汽車事故死亡，中國5萬多。（搜狐2020-12-18）。做為傳統(tǒng)汽車挑戰(zhàn)者的氫燃料車在設(shè)計制造中尤其注重安全準(zhǔn)入。其中主要是對于儲氣罐的結(jié)構(gòu)設(shè)計保護和使用操作規(guī)范和在加氣口、儲氣罐和管路上都有嚴(yán)格的安全規(guī)范要求。要確保80公里時速追尾實驗要求所有管路不漏氣。國家制定了氫氣使用安全技術(shù)規(guī)程GB4962用于指導(dǎo)各大企業(yè)氫燃料電池汽車設(shè)計試驗和生產(chǎn)的準(zhǔn)入。

8 小結(jié)

氫燃料電池汽車做為未來汽車產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)彎道超車的又一塊陣地正等待著有著發(fā)展眼光的科研企業(yè)的投入和實踐，可以預(yù)期在今后的20～30年內(nèi)一旦實現(xiàn)質(zhì)的突破，整個行業(yè)將發(fā)生天翻地覆的改變，做為終極環(huán)保交通運輸工具的氫燃料電池汽車前途將不可限量。未雨綢繆，做為汽車人我們應(yīng)該深刻理解并推進這項技術(shù)的發(fā)展。未來可期，未來已來。

9 結(jié)語

世界汽車發(fā)展100年，極大地改變了人類發(fā)展的進程。但隨著石油能源的逐漸枯竭和人類對于保護地球生態(tài)環(huán)境的日益重視，減少汽車尾氣對空氣污染發(fā)展新型環(huán)保綠色交通運輸工具成為世界各國政府、科學(xué)界、企業(yè)界的人類共識。汽油的熱值是0.46*108KJ/kg，氫氣的熱值是1.43*108KJ/kg 理論上氫氣的熱效能比汽油多3倍，汽油燃燒后產(chǎn)生的是CO2、NO2等溫室氣體，氫氣只產(chǎn)生水，所以氫燃料電池車作為一種零污染高能效的汽車發(fā)展方向，已被公認(rèn)為是未來最理想地地面交通工具[3]。目標(biāo)雖然已經(jīng)清晰，道路還很漫長，但只要人類共同地努力，持續(xù)地科技進步，相信終有一天會實現(xiàn)清潔能源氫汽車產(chǎn)業(yè)化。

參考文獻：

[1]《中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書》，中國氫能聯(lián)盟，2019.

[2][意] 帕斯夸里-科爾沃（PASQUALE CORBO）著《車用氫燃料電池》[M].機械工業(yè)出版社，2019.

[3]Alternative Energy Hydrogen Fuel 5.1 [OL]. 30th July， 2019 http：//www.alternative-energy-news.info/floating-solar-panels.