燃料電池汽車研究現狀及發展

黃忠橋

摘 要：汽車尾氣污染一直是環境保護工作中需要重點考慮的問題，也是汽車生產相關工作中不可忽視的關鍵性問題，近年來車用燃料電池得到了廣泛的關注，這是一種新能源技術，具有高效與清潔的特征，近年來，國內外都對這一技術展開了研究，并將燃料電池應用到了其汽車的生產與施工中，該技術的應用優勢極為明顯，但是無論是研究現狀，還是應用情況，國內外都存在著一定的差異。文中將對燃料電池汽車的研究現狀展開探討，并簡要分析燃料電池汽車的技術應用現狀，最后提出燃料電池汽車的未來發展趨勢。

關鍵詞：燃料電池汽車：現狀：發展

近年來，隨著經濟與技術的發展，汽車的生產數量以及生產規模均呈現了上升的趨勢，但是傳統應用汽油、柴油為能源的汽車在使用的過程中會對環境造成嚴重的污染，繼而影響社會的健康發展以及人們的身心健康，為了提高汽車的性能，改善環境污染問題，燃料電池汽車的研究與使用工作得到了極大的重視，對此展開探討有著重要的現實意義。

1 燃料電池的優勢

（1）燃料電池對比燃油發動機，繼承了純電動汽車的零排放優勢，同樣能擺脫對石油的依耐性，節能減排這一點，我就略過了，擺脫對石油的依耐性，即是國家戰略的方向，也是全球石油短缺需要解決的問題。

（2）燃料電池對比純電動汽車，擺脫了續航里程不夠的短板。純電動汽車的最大短板，續航里程不夠，這是由多方面因素引起的，儲能裝置的能量密度問題是重點，鋰電池單位重量下的能量密度，遠低于氫氣。同樣的儲能重量下，氫氣能釋放更多的能量，如果需要增加單次加注的最大續航里程，增加氫氣罐更加方便。第二就是充電時間問題，由于城市電網以及車載線束的電流承受能力，限制了充電電流的上限，導致給鋰電池補充能量的時間相對較長，用目前常見的最大功率充電，120KW充電機，充滿一輛配備200KWH容量的中型卡車，需要超過1個半小時。燃料電池車補充能源的時候是加注氫氣。目前在美國有很多成熟的加氫站，一臺車的加注時間大約為3至5分鐘，等同于加注燃油，只要合理的設置車載氣罐的容量及加氫站的布置，就能滿足燃料電池汽車24小時無間斷運營，從根本上避免純電動里程不夠的問題。

（3）國內的純氫燃料電池走向，第一步是使用進口的燃料電池系統，系統包括幾個核心部件：電堆、供氫系統、進風系統、冷卻系統、加注系統、控制系統、升壓DC/DC。第二步是系統集成國產化，核心部件還是進口國外的，比如美國巴拉德（ BLDP）的電堆，美國的PLUG POWER電堆，其他部件盡量采購國產件，自己做系統。第三部，自己研發電堆及附件，目前國內已經有幾家成熟的電堆生產廠家，比如北京氫璞，新源動力，江蘇氫能。

2 燃料電池汽車的技術應用現狀

2.1 燃料電池轎車

與國外的相關研究與技術應用情況相比，我國燃料電池轎車的基本性能指標，如續駛里程、動力性等與之相差無異，每一百公里的加速時間約為IO秒到15秒，而最高車速則約為每小時150千米到170千米。而近年來，國外的技術研究取得了較大的圖片，他們開始應用車載儲氫系統（70兆帕），在該系統的支持下，燃料電池汽車可以得到較為充足的能源支持，因而其續駛里程每次加注的值都得到了較大的提升。同時，我國的電機轉矩輸出能力以及發動機自身的功率輸出能力均遠遠低于國外水準，具體來說，我國的燃料電池轎車發動機的自身功率輸出值為55千瓦，而國外則可以達到80千瓦，甚至是100千瓦，二者的差距是極大的；在功率輸出相同的情況下，國外的高轉矩輸出值高出我國50牛米到80牛米。

2.2 燃料電池客車

與國外的相關研究與技術應用情況相比，我國燃料電池客車的基本動力性能與最高車速，加速時間等與之相差不大。若時速不超過每小時50千米，那么加速時間則約為20秒；最高車速大多為每小時80千米；續駛里程在通常不低于250千米，不超過400千米；儲氫瓶壓力的最高值我國與國外均為35兆帕；在氫耗指標方面，我國還具有一定的優勢。在技術應用方面，電動輪驅動屬于最新的技術。

目前，除了電堆的研究外，氫氣加注口目前還都是采用進口，進風系統的風機是個技術難點，目前國內能做的廠家不多。升壓DC/DC是個難點，升壓比太大，國內正在研發的廠家也為數不多，隨著國內燃料電池汽車的量產化推進，配套的研發也趨向成熟，單個供件，產品的質量及成本存在很多問題。

目前國內的燃料電池電堆生產廠家，還都處于樣車階段，現在正在上量的還都是進口電堆，進口系統集成。目前也有正準備上量的進口電堆，國內集成，國產化目前處于第一步到第二步之間。

3 燃料電池汽車的發展趨勢

3.1 使燃料電池壽命得到延長

燃料電池自身的壽命會對燃料電池汽車行業的商業化發展造成較為直接的影響。從當前的國際燃料電池汽車行業發展來看，國外的研究與實踐取得了較多的成果與突破，但是在燃料電池壽命方面的技術研究仍舊不足，這對燃料電池汽車行業的發展造成了嚴重的消極影響，例如2009年德國戴姆勒集團生產的燃料電池客車，其使用壽命超過12000小時；而美國2011年生產的燃料電池混合動力汽車每臺單車的使用壽命均在11000小時以上。而這些車的使用壽命在5000小時以下，因而如果是燃料電池壽命得到延長是相關科研人員應當重點關注的問題。從電池自身來看，能夠對其壽命造成干擾的因素有多種，包括燃料電池整車、汽車動力系統、燃料電池系統設計的合理性；電堆結構以及電極材料等。為了使燃料電池的壽命可以得到有效延長，未來的研究與設計可以集中在以下幾個方面：第一，優化設計燃料電池動力系統，使其構型更加科學化合理化，科研人員應當確定好各種車輛的動力性指標，保證動力電池能夠與汽車各系統相匹配，并對控制邏輯予以重視；第二，應當對燃料電池系統予以優化設計，應用空氣再循環技術，保證工況可以得到穩定控制，并根據實際需求采取必要的啟停機策略；第三，要對電堆結構層次予以合理設計，保證系統具備較強的水汽交換、氣體擴散、內阻以及散熱功能；第四，要明確電極材料層次，保證膜的質子傳導能力以及催化劑活性的相應變化范圍具有合理性。

3.2 使系統成本得到降低

國外的研究認為，燃料電池系統生產成本與產量之間存在著負相關關系，也就是說，產量越高，則成本越低。近年來隨著生成技術水平的不斷提升，燃料電池系統的產量不斷增加，而系統成本降低了約50%，這對燃料電池行業以及燃料電池汽車行業的生產與發展來說是極為有利。在生產過程中，膜電極對應的成本在總成本中占據著較大的比例，其主要支出集中在催化劑方面，也就是說，要想實現對成本的有效控制，應當對膜電極生產中所需的原材料成本予以關注，加強對催化劑的研究與開發，使成本可以控制在較低的范圍內。另外也可以對燃料電池系統予以集成以及簡化處理，加強對相關技術的研究，國外已經展開了電子器件的一體化研究，這對降低故障發生頻率、降低生產成本來說有著重要意義。電磁閥以及高壓儲氫氣瓶也是增加系統成本的重要因素之一，因而應當關注對高壓氣瓶生產的關注，積極研發碳纖維纏繞復合瓶，使成本有效降低。

3.3 展開商業示范推廣

加強研發燃料電池汽車技術的最終目的在于將其大規模投入生產時間，因此展開商業示范推廣是十分必要且重要的。歐美等國家已經逐步加強了商業建設投入，展開租賃業務，讓燃料電池轎車可以應用到生產實踐中，示范運行的規模越來越大。這在一定程度上降低了產業化生產成本，并使得相應的基礎設計建設得到增強，使得商業化發展擁有了堅實的基礎。在我國的生產建設與實踐當中，也應當將商業示范推廣作為重點，燃料電池汽車在使用的過程中需要及時補充氫能源，因而為了保證燃料電池汽車的順利使用，應當積極做好基礎設施建設工作，保證加氫站數量的充足。截止2015年，日本建立了超過220個加氫站，這使得燃料電池汽車的大規模商業推廣得到了充足的基礎設施支持。我國應當以此為借鑒，保證我國的燃料電池汽車可以實現商業化、大規模發展。

4 結語

近年來國內外均對燃料電池汽車問題展開了研究，但是國外的研究相對深入、系統，且燃料電池的應用范圍較廣；而我國的研究仍處于較為初級的階段，雖然相關研究取得了理想的成果，甚至可以達到國際水準，但是也應當意識到我國的燃料電池汽車技術并沒有得到大范圍的推廣，只是進行了小規模的試驗。然而燃料電池汽車的技術的應用優勢明顯，可以實現近零排放，且其使用效率較高，因而其發展前景也是極為廣泛的。針對燃料電池汽車技術在我國的應用現狀，在未來可以將提高燃料電池壽命、降低系統成本、展開商業示范推廣作為發展的重點方向。