淺析氫燃料電池車在中國新能源類車型中的發展前景

張浩亮

摘 要：隨著石油能源的枯竭和人類對于保護生態環境的日益重視，減少汽車尾氣對空氣污染發展新型環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，汽油燃燒后產生的是CO2、NO2等溫室氣體，氫氣只產生水，氫燃料電池車已成為汽車發展方向。本文對氫能源車的工作原理，整車布置，國內外發展現狀做了淺析，并分析了重點突破方向分析研究，預測了發展前景。

關鍵詞：中國汽車 新能源 氫燃料電池 整車布置 安全性和法律法規

1 概述

我國“十四五”規劃中明確提到聚焦新能源汽車等戰略性新興產業、在氫能等產業組織實施未來產業孵化與加速計劃等。2020年11月份，在國務院辦公廳印發的《新能源汽車產業發展規劃（2021-2035年）》明確了未來新能源汽車的發展目標，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，氫氣同氧氣發生化學反應產生水，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，當我們向水通電，產生氫離子和氧離子，最終產生氫氣和氧氣。

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

目前的氫燃料電池車Hydrogen Fuel Cell Vehicle，原理是將儲存在燃料（液態氫氣）和氧化劑中的化學能通過電極反應直接轉化為電能。一部分電能直接驅動汽車行駛，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“自帶氫燃料發電機的電動車” [2]。目前大多數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上說是水電解的一個逆裝置。是氫和氧通過電化學反應生成水，并釋放出電能的過程。與使用傳統能源的汽車相比，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，受到周圍結構充分保護。燃料電池堆不是電池而是發電設備，氫氣和氧氣在電池堆發生反應，產生對外輸出電能，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膜;

燃料電池升壓變頻器：緊靠燃料電池堆，負責將電壓升高，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，理論續航500公里

動力電池：燃料電池堆在穩定工況下效率最高，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。

動力控制單元和驅動電機：一般小型車輛整車設計時會布置在前艙，替代了原有內燃發動機位置，也有利于整車質量均布。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，后者作為整車驅動源。設計功率一般至少達到100KW，最大扭矩300NM。

4 國內外氫能源汽車發展現狀

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

內燃機型：顧名思義就是傳統內燃氣汽車改用氫氣燃料，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，在燃料電池堆產生電流和水的反應。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，泛亞技術中心負責整車系統集成的“鳳凰”氫燃料電池展示車項目，獲上汽集團技術創新成果一等獎。

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，僅在市區使用。設計搭載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技術周推出了其第一款上路的原型車。續航達到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業發展計劃。

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化的三個方向重點突破方向

2018.6.28.在清華大學舉辦的“氫能產業創新發展論壇”上萬鋼提出氫燃料電池汽車商業化需要突破三個重點方向：膜電極、空壓機和儲氫罐的產業化。能否實現氫燃料電池汽車成為行業挑戰者和超越者，這三條生命線的發展成為關鍵。

7 氫燃料電池汽車安全性和法律法規

由于氫氣具有可燃性，在空氣中點燃會發生爆炸。據世界衛生組織報告顯示2020 年135萬人汽車事故死亡，中國5萬多。（搜狐2020-12-18）。做為傳統汽車挑戰者的氫燃料車在設計制造中尤其注重安全準入。其中主要是對于儲氣罐的結構設計保護和使用操作規范和在加氣口、儲氣罐和管路上都有嚴格的安全規范要求。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規程GB4962用于指導各大企業氫燃料電池汽車設計試驗和生產的準入。

8 小結

氫燃料電池汽車做為未來汽車產業實現彎道超車的又一塊陣地正等待著有著發展眼光的科研企業的投入和實踐，可以預期在今后的20～30年內一旦實現質的突破，整個行業將發生天翻地覆的改變，做為終極環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，做為汽車人我們應該深刻理解并推進這項技術的發展。未來可期，未來已來。

9 結語

世界汽車發展100年，極大地改變了人類發展的進程。但隨著石油能源的逐漸枯竭和人類對于保護地球生態環境的日益重視，減少汽車尾氣對空氣污染發展新型環保綠色交通運輸工具成為世界各國政府、科學界、企業界的人類共識。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，汽油燃燒后產生的是CO2、NO2等溫室氣體，氫氣只產生水，所以氫燃料電池車作為一種零污染高能效的汽車發展方向，已被公認為是未來最理想地地面交通工具[3]。目標雖然已經清晰，道路還很漫長，但只要人類共同地努力，持續地科技進步，相信終有一天會實現清潔能源氫汽車產業化。

參考文獻：

[1]《中國氫能源及燃料電池產業白皮書》，中國氫能聯盟，2019.

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

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