燃料電池客車研發(fā)進(jìn)展分析

高 敏

（清華大學(xué)汽車工程系，北京 100084）

1 概述

電動(dòng)汽車作為汽車動(dòng)力源的一次根本性革命，對(duì)解決能源短缺、改善空氣污染起著積極的推動(dòng)作用。其中燃料電池電動(dòng)汽車以氫為燃料，通過(guò)氫和氧的反應(yīng)直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能，其能量轉(zhuǎn)化率高，燃料經(jīng)濟(jì)性好，行駛過(guò)程中沒(méi)有任何污染物排放，而且氫的來(lái)源廣泛，因此，被普遍認(rèn)為是解決環(huán)境污染和能源問(wèn)題的理想途徑。自上世紀(jì)90年代起，各國(guó)政府和各大汽車公司都在關(guān)注燃料電池城市客車的研發(fā)和示范。我國(guó)經(jīng)過(guò)“十五”和“十一五”國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）項(xiàng)目的實(shí)施，在燃料電池客車（FCB）研發(fā)方面也取得了顯著進(jìn)步，部分研發(fā)成果達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平[1]。

目前采用質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）作為動(dòng)力源的燃料電池汽車具有如下特點(diǎn)：

1）能量轉(zhuǎn)換效率可達(dá)60%～80%，為內(nèi)燃機(jī)的2～3倍。

2）燃料電池本身工作無(wú)噪聲、轉(zhuǎn)動(dòng)與振動(dòng)，其電極無(wú)損耗。

3）燃料電池的生成物是清潔的水，是“零排放”的汽車[2-3]。

早期的燃料電池系統(tǒng)體積大、功率小，要獲得足夠的動(dòng)力需增加輔助動(dòng)力電池，還要有車載供氫裝置，而大客車空間大、易布置。城市客車在市區(qū)道路行駛速度不高，對(duì)加速、爬坡能力要求不嚴(yán)，且定時(shí)、定線行駛，便于建立集中加氫及維修設(shè)施。人口稠密、交通擁擠的市區(qū)對(duì)汽車廢氣排放與噪聲要求嚴(yán)格，而FCB是“零排放”的汽車，容易得到公眾支持和政府補(bǔ)貼，交通運(yùn)輸部門愿意推廣。FCB也有流動(dòng)宣傳效應(yīng)，可向公眾展示新型清潔能源的優(yōu)點(diǎn)。開(kāi)發(fā)FCB的市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較小，同時(shí)也可為新技術(shù)驗(yàn)證提供便利條件，因此，F(xiàn)CB被認(rèn)為是最有可能率先實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的車型之一[4]。由于FCB的關(guān)鍵技術(shù)仍處在研發(fā)示范階段，離實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的差距較大，因此，本文通過(guò)分析國(guó)內(nèi)外FCB研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中遇到的難點(diǎn)，提出FCB今后研發(fā)重點(diǎn)。

2 國(guó)外FCB發(fā)展及現(xiàn)狀

全球第一輛FCB是1993年由加拿大巴拉德動(dòng)力系統(tǒng)公司研制成功的[5]，采用PEMFC，車長(zhǎng)9.7 m，功率92 kW，可乘20人。1994年4月，美國(guó)喬治城大學(xué)也開(kāi)發(fā)了一輛采用磷酸型燃料電池、車長(zhǎng)為9 m的FCB。1998年，巴拉德公司分別與芝加哥和溫哥華公交局合作，為每個(gè)城市分別研制3輛12 m長(zhǎng)的FCB，并開(kāi)始進(jìn)行兩年左右的載客示范運(yùn)行。此后世界各國(guó)掀起了研制FCB的熱潮，戴-克公司、豐田公司、美國(guó)ISE公司等紛紛研制出各自的FCB樣車，并取得令人矚目的成就。1998-2000年，有6輛FCB在美國(guó)芝加哥和加拿大溫哥華進(jìn)行商業(yè)化示范運(yùn)行，6輛車共運(yùn)行11.5萬(wàn)km，乘客約20萬(wàn)人次。加拿大哥倫比亞省惠斯勒投入使用了20輛FCB，為參加2010年冬季奧運(yùn)會(huì)的運(yùn)動(dòng)員和觀眾提供了服務(wù)。豐田公司1999年開(kāi)始研制FCB，并于2003年8月29日在東京都有明加氫站周圍地區(qū)公交線路投入試運(yùn)行，在2005年愛(ài)知萬(wàn)博會(huì)投入8輛FCB在其2個(gè)會(huì)場(chǎng)間運(yùn)行[6]。歐洲10城市FCB示范項(xiàng)目于2001年11月啟動(dòng)。在歐洲不同的氣候、地形和交通條件下的實(shí)際運(yùn)行中，36輛FCB表現(xiàn)出良好的性能，運(yùn)行里程超過(guò)2200000 km，運(yùn)行時(shí)間超過(guò)140000 h。

從世界范圍來(lái)看，美國(guó)已成為世界上開(kāi)展FCB示范最廣、規(guī)模最大的國(guó)家。截至目前，仍有30輛FCB在9個(gè)地點(diǎn)開(kāi)展示范運(yùn)行，并相繼有下一步示范運(yùn)行工作提上日程。美國(guó)能源部曾聯(lián)合國(guó)防部、交通部、國(guó)家科學(xué)基金會(huì)、NASA和商務(wù)部，與8個(gè)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、2所大學(xué)和19個(gè)公司簽署研發(fā)合同，支持5個(gè)汽車與能源公司構(gòu)成的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，進(jìn)行了燃料電池汽車車隊(duì)和基礎(chǔ)設(shè)施示范。由于燃料電池技術(shù)開(kāi)發(fā)難度大，持續(xù)突破預(yù)期有所減弱，產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程受到嚴(yán)重影響。奧巴馬政府執(zhí)政后，擬取消或減少燃料電池技術(shù)發(fā)展計(jì)劃的投入。2009年10月16日，美國(guó)國(guó)會(huì)通過(guò)了“能源與水資源法案”，2010年，美國(guó)能源部用于氫與燃料電池研發(fā)項(xiàng)目的資金重新得到批準(zhǔn)，燃料電池及氫能工業(yè)將重新獲得1.74億美元的政府支持資金，目標(biāo)是到2015年使FCB占到新增城市客車的10%。

壽命、成本、供氫設(shè)施建設(shè)是FCB實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化所面臨的三大技術(shù)難題。各國(guó)政府和企業(yè)在繼續(xù)進(jìn)行示范的同時(shí)，重新將研發(fā)的重點(diǎn)轉(zhuǎn)向應(yīng)用基礎(chǔ)研究。2009年1月，美國(guó)能源部提交的國(guó)會(huì)報(bào)告中，車用燃料電池的壽命僅接近2000 h，經(jīng)過(guò)各大汽車公司積極致力于燃料電池技術(shù)的研究，近期取得較大進(jìn)步。美國(guó)聯(lián)合技術(shù)公司與美國(guó)AC Transit運(yùn)輸公司合作，在加州奧克蘭市成功地進(jìn)行了FCB示范運(yùn)行。截至2010年6月底，其120 kW的燃料電池系統(tǒng)在沒(méi)有更換任何部件的條件下，已經(jīng)運(yùn)行了7000 h，遠(yuǎn)超過(guò)美國(guó)能源部制定的2015年的5000 h壽命目標(biāo)。這是一個(gè)令人鼓舞的結(jié)果，標(biāo)志著FCB向商業(yè)化方向邁出了可喜的一步[7-8]。燃料電池系統(tǒng)成本也在逐漸下降，2002年燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的價(jià)格為275美元/kW，2006年下降為110美元/kW，2010年已下降至73美元/kW，美國(guó)能源部提出的目標(biāo)是2015年降到30美元/kW，與目前汽油機(jī)的價(jià)格水平相當(dāng)[9]。

在供氫基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面，歐美日等國(guó)也在積極推動(dòng)，設(shè)定了未來(lái)5～10年的加氫站建設(shè)計(jì)劃。德國(guó)的清潔能源伙伴計(jì)劃（CEP）將于2010年前在柏林和漢堡各建設(shè)5～10座加氫站，并規(guī)劃2015年加氫站的數(shù)量將達(dá)到500座。美國(guó)的加州氫能高速公路計(jì)劃中，計(jì)劃2010年前將建成100座加氫站。日本政府將把加氫站示范從目前的東京地區(qū)擴(kuò)大到中部地區(qū)，預(yù)計(jì)在2012年之前建成60座加氫站。法國(guó)液化空氣集團(tuán)在全球建設(shè)的加氫站數(shù)量已超過(guò)40座，他們不但參與加氫站的設(shè)計(jì)、建造，還負(fù)責(zé)運(yùn)營(yíng)和維護(hù)。該公司建造了世界上最大的一座加氫站，每天可為23輛FCB提供燃料。

3 我國(guó)FCB的研發(fā)進(jìn)展

我國(guó)電動(dòng)汽車的研發(fā)始于上世紀(jì)90年代，幾乎與國(guó)外同步。但真正開(kāi)始FCB的研發(fā)是在本世紀(jì)初，國(guó)家863計(jì)劃“十五”電動(dòng)汽車專項(xiàng)和“十一五”節(jié)能與新能源汽車重大項(xiàng)目支持國(guó)內(nèi)企業(yè)、研究院所和高校開(kāi)展氫能及燃料電池汽車研發(fā)[10-12]。從2002年底由清華大學(xué)聯(lián)合國(guó)內(nèi)多家企業(yè)及研究院所成功研制出國(guó)內(nèi)第一輛FCB起，經(jīng)過(guò)近10年的研發(fā)，已陸續(xù)研制出多輛FCB。表1列出四代FCB的基本情況及特點(diǎn)。

國(guó)內(nèi)研制的FCB盡管多次參與各種展示活動(dòng)，但因燃料電池壽命和成本等問(wèn)題還達(dá)不到產(chǎn)業(yè)化要求。

從表1可以看出，國(guó)內(nèi)研發(fā)的FCB均采用混合驅(qū)動(dòng)和車載純氫的模式，混合驅(qū)動(dòng)是在燃料電池的基礎(chǔ)上再增加蓄電池作為另一動(dòng)力源。混合驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)：可以放寬對(duì)燃料電池功率的要求，降低燃料電池成本；可實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量回收；可以延長(zhǎng)燃料電池的壽命，采取一定的控制策略可以使燃料電池在恒定工況工作，減緩燃料電池的衰減。

表1 國(guó)內(nèi)FCB基本情況及特點(diǎn)

表2為“中國(guó)燃料電池公共汽車（FCB）商業(yè)化示范項(xiàng)目”北京項(xiàng)目一期與二期中奔馳公司純?nèi)剂想姵乜蛙嚺c國(guó)產(chǎn)混合動(dòng)力燃料電池客車在同一線路和同樣長(zhǎng)達(dá)1年的示范運(yùn)行情況。

表2 純?nèi)剂想姵乜蛙嚺c混合動(dòng)力燃料電池客車示范情況對(duì)比

從表2可以看出，采用混合動(dòng)力燃料電池系統(tǒng)使國(guó)產(chǎn)FCB的燃料經(jīng)濟(jì)性明顯優(yōu)于奔馳公司純?nèi)剂想姵乜蛙?0%，動(dòng)力性相當(dāng)。

“中國(guó)FCB商業(yè)化示范項(xiàng)目”是我國(guó)科技部與聯(lián)合國(guó)開(kāi)發(fā)計(jì)劃署（UNDP）和全球環(huán)境基金（GEF）共同支持、合作的科技示范項(xiàng)目。北京項(xiàng)目（一期）招標(biāo)采購(gòu)了奔馳公司3輛純?nèi)剂想姵乜蛙嚕痉哆\(yùn)行發(fā)現(xiàn)FCB使用成本特別是燃料成本過(guò)高、車輛可靠性偏低等問(wèn)題，北京項(xiàng)目（一期）于2007年10月正式結(jié)束。北京項(xiàng)目（二期）采用的是清華大學(xué)與北汽福田共同研制的混合動(dòng)力FCB，在示范使用中，雖然維修和燃料成本比奔馳車有所降低，但總的成本依然較高，而且故障率比傳統(tǒng)車要高。

奔馳公司第二代燃料電池客車于2009年推出，參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 奔馳公司第二代燃料電池客車與國(guó)產(chǎn)燃料電池客車參數(shù)對(duì)比

由此看出，奔馳公司第二代燃料電池客車采用混合動(dòng)力燃料電池系統(tǒng)后氫耗量明顯改善。

由新源動(dòng)力和上海神力科技研制的PEMFC發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)多年在FCB上的試驗(yàn)、應(yīng)用與改進(jìn)，已取得長(zhǎng)足進(jìn)步。特別是近年來(lái)，針對(duì)炭紙、質(zhì)子交換膜、電催化劑和雙極板等關(guān)鍵材料和部件開(kāi)展了大量的研究，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化、電性能、熱性能和機(jī)械強(qiáng)度等方面都取得了明顯的進(jìn)步[13-14]。國(guó)產(chǎn)化材料降低了燃料電池的成本，增強(qiáng)了實(shí)用性。在2008-2009年為期一年的載客示范運(yùn)行中得以驗(yàn)證，故障率比初期大為減少，平均故障間隔里程達(dá)到2880 km。但是燃料電池系統(tǒng)的耐久性、可靠性和環(huán)境適應(yīng)性依然是影響FCB產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵因素，尚需繼續(xù)進(jìn)行深入研究[15]。

在供氫基礎(chǔ)設(shè)施方面，我國(guó)已經(jīng)自主研發(fā)出具有外供氫和天然氣重整制氫多種功能的固定式加氫站，也有工業(yè)副產(chǎn)氫提純裝置和移動(dòng)加氫車等多種供氫設(shè)施。這些設(shè)施曾成功完成北京奧運(yùn)會(huì)和北京公交示范的燃料電池車的加氫以及上海世博會(huì)用車輛的加氫任務(wù)。國(guó)產(chǎn)車載高壓儲(chǔ)氫瓶已研制成功，使用的鋁內(nèi)膽旋壓收口工藝和高壓儲(chǔ)氫瓶碳纖維纏繞工藝均已較為成熟。在氫系統(tǒng)方面采取了一系列的安全保護(hù)措施，可實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)氫和供氫系統(tǒng)的泄漏、超溫、超壓、過(guò)流等危險(xiǎn)狀況的實(shí)時(shí)多重監(jiān)控及預(yù)警。

4 FCB實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的努力方向

從上述分析可以看出，盡管國(guó)內(nèi)外在FCB的研發(fā)及示范上取得了明顯的進(jìn)展，但相對(duì)于純電動(dòng)汽車而言，燃料電池汽車的缺點(diǎn)主要體現(xiàn)在燃料電池的運(yùn)行壽命短，系統(tǒng)的成本高，氫氣的制備、儲(chǔ)存相應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施要求復(fù)雜，是制約其能在近期內(nèi)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的瓶頸問(wèn)題，仍需要持續(xù)加強(qiáng)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)[15-16]。

燃料電池的壽命研究是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，它不僅與燃料電池堆本身的結(jié)構(gòu)、材料等有關(guān)，還與燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有關(guān)，可通過(guò)“提高發(fā)動(dòng)機(jī)支持系統(tǒng)的增濕系統(tǒng)能力，盡可能提高其全工況條件增濕能力和增濕條件的穩(wěn)定性；優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)，使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行溫度穩(wěn)定在熱機(jī)狀態(tài)；開(kāi)發(fā)更為有效的空氣除雜質(zhì)技術(shù)，降低電堆反應(yīng)氣的硫化物濃度等”[14]手段延長(zhǎng)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的壽命。只有進(jìn)行產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合攻關(guān)，才能早日實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

降低燃料電池系統(tǒng)成本的研究工作一直受到各國(guó)政府和各大燃料電池系統(tǒng)生產(chǎn)企業(yè)的重視，主要是雙極板、質(zhì)子交換膜和催化劑鉑等材料的成本過(guò)高，需要研制價(jià)格低的新型材料作為替代品，并保證性能不變或得到進(jìn)一步提高。據(jù)《自然·化學(xué)》雜志報(bào)道，德國(guó)柏林工業(yè)大學(xué)研究人員和來(lái)自美國(guó)的學(xué)者合作，共同研發(fā)出一種新型鉑合金，這種新型催化劑可節(jié)約大量的貴金屬鉑，使氫燃料電池的化學(xué)反應(yīng)成本降低80%[17]。

氫氣來(lái)源廣泛，但真正能夠用于燃料電池汽車的氫氣純度要求高，儲(chǔ)存的容器要求高，尤其在客車上是以高壓的形式儲(chǔ)存以減小體積，保證足夠的續(xù)駛里程，所以制氫和儲(chǔ)氫的成本都高，形成產(chǎn)業(yè)化瓶頸。雖然已取得一些進(jìn)展，但還需要采用更經(jīng)濟(jì)、更環(huán)保的方法解決制氫和儲(chǔ)氫技術(shù)。

盡管FCB可能是最有希望率先實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的車型，但壽命、成本和供氫基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)仍然是其產(chǎn)業(yè)化的瓶頸，還需要進(jìn)行長(zhǎng)期堅(jiān)持不懈的努力才能有所突破。各國(guó)政府和各大汽車公司并沒(méi)有因金融危機(jī)而放棄對(duì)燃料電池技術(shù)的研發(fā)，相反受能源和環(huán)境問(wèn)題的影響，更加積極地增加投入，增加研發(fā)力度，以期盡快掌握未來(lái)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的主動(dòng)權(quán)。國(guó)內(nèi)FCB的研發(fā)雖然取得了一定的成果，但與歐美日等國(guó)的實(shí)力相比，還有一定的差距，需要繼續(xù)加大研發(fā)力度，以期加快產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。

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