燃料電池客車研發進展分析

高 敏

（清華大學汽車工程系，北京 100084）

1 概述

電動汽車作為汽車動力源的一次根本性革命，對解決能源短缺、改善空氣污染起著積極的推動作用。其中燃料電池電動汽車以氫為燃料，通過氫和氧的反應直接將化學能轉換為電能，其能量轉化率高，燃料經濟性好，行駛過程中沒有任何污染物排放，而且氫的來源廣泛，因此，被普遍認為是解決環境污染和能源問題的理想途徑。自上世紀90年代起，各國政府和各大汽車公司都在關注燃料電池城市客車的研發和示范。我國經過“十五”和“十一五”國家高技術研究發展計劃（863計劃）項目的實施，在燃料電池客車（FCB）研發方面也取得了顯著進步，部分研發成果達到國際先進水平[1]。

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

1）能量轉換效率可達60%～80%，為內燃機的2～3倍。

2）燃料電池本身工作無噪聲、轉動與振動，其電極無損耗。

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體積大、功率小，要獲得足夠的動力需增加輔助動力電池，還要有車載供氫裝置，而大客車空間大、易布置。城市客車在市區道路行駛速度不高，對加速、爬坡能力要求不嚴，且定時、定線行駛，便于建立集中加氫及維修設施。人口稠密、交通擁擠的市區對汽車廢氣排放與噪聲要求嚴格，而FCB是“零排放”的汽車，容易得到公眾支持和政府補貼，交通運輸部門愿意推廣。FCB也有流動宣傳效應，可向公眾展示新型清潔能源的優點。開發FCB的市場風險相對較小，同時也可為新技術驗證提供便利條件，因此，FCB被認為是最有可能率先實現產業化的車型之一[4]。由于FCB的關鍵技術仍處在研發示范階段，離實現產業化的差距較大，因此，本文通過分析國內外FCB研發及產業化進程中遇到的難點，提出FCB今后研發重點。

2 國外FCB發展及現狀

全球第一輛FCB是1993年由加拿大巴拉德動力系統公司研制成功的[5]，采用PEMFC，車長9.7 m，功率92 kW，可乘20人。1994年4月，美國喬治城大學也開發了一輛采用磷酸型燃料電池、車長為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，為每個城市分別研制3輛12 m長的FCB，并開始進行兩年左右的載客示范運行。此后世界各國掀起了研制FCB的熱潮，戴-克公司、豐田公司、美國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在美國芝加哥和加拿大溫哥華進行商業化示范運行，6輛車共運行11.5萬km，乘客約20萬人次。加拿大哥倫比亞省惠斯勒投入使用了20輛FCB，為參加2010年冬季奧運會的運動員和觀眾提供了服務。豐田公司1999年開始研制FCB，并于2003年8月29日在東京都有明加氫站周圍地區公交線路投入試運行，在2005年愛知萬博會投入8輛FCB在其2個會場間運行[6]。歐洲10城市FCB示范項目于2001年11月啟動。在歐洲不同的氣候、地形和交通條件下的實際運行中，36輛FCB表現出良好的性能，運行里程超過2200000 km，運行時間超過140000 h。

從世界范圍來看，美國已成為世界上開展FCB示范最廣、規模最大的國家。截至目前，仍有30輛FCB在9個地點開展示范運行，并相繼有下一步示范運行工作提上日程。美國能源部曾聯合國防部、交通部、國家科學基金會、NASA和商務部，與8個國家實驗室、2所大學和19個公司簽署研發合同，支持5個汽車與能源公司構成的產業聯盟，進行了燃料電池汽車車隊和基礎設施示范。由于燃料電池技術開發難度大，持續突破預期有所減弱，產業化的進程受到嚴重影響。奧巴馬政府執政后，擬取消或減少燃料電池技術發展計劃的投入。2009年10月16日，美國國會通過了“能源與水資源法案”，2010年，美國能源部用于氫與燃料電池研發項目的資金重新得到批準，燃料電池及氫能工業將重新獲得1.74億美元的政府支持資金，目標是到2015年使FCB占到新增城市客車的10%。

壽命、成本、供氫設施建設是FCB實現產業化所面臨的三大技術難題。各國政府和企業在繼續進行示范的同時，重新將研發的重點轉向應用基礎研究。2009年1月，美國能源部提交的國會報告中，車用燃料電池的壽命僅接近2000 h，經過各大汽車公司積極致力于燃料電池技術的研究，近期取得較大進步。美國聯合技術公司與美國AC Transit運輸公司合作，在加州奧克蘭市成功地進行了FCB示范運行。截至2010年6月底，其120 kW的燃料電池系統在沒有更換任何部件的條件下，已經運行了7000 h，遠超過美國能源部制定的2015年的5000 h壽命目標。這是一個令人鼓舞的結果，標志著FCB向商業化方向邁出了可喜的一步[7-8]。燃料電池系統成本也在逐漸下降，2002年燃料電池發動機的價格為275美元/kW，2006年下降為110美元/kW，2010年已下降至73美元/kW，美國能源部提出的目標是2015年降到30美元/kW，與目前汽油機的價格水平相當[9]。

在供氫基礎設施建設方面，歐美日等國也在積極推動，設定了未來5～10年的加氫站建設計劃。德國的清潔能源伙伴計劃（CEP）將于2010年前在柏林和漢堡各建設5～10座加氫站，并規劃2015年加氫站的數量將達到500座。美國的加州氫能高速公路計劃中，計劃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擴大到中部地區，預計在2012年之前建成60座加氫站。法國液化空氣集團在全球建設的加氫站數量已超過40座，他們不但參與加氫站的設計、建造，還負責運營和維護。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FCB的研發進展

我國電動汽車的研發始于上世紀90年代，幾乎與國外同步。但真正開始FCB的研發是在本世紀初，國家863計劃“十五”電動汽車專項和“十一五”節能與新能源汽車重大項目支持國內企業、研究院所和高校開展氫能及燃料電池汽車研發[10-12]。從2002年底由清華大學聯合國內多家企業及研究院所成功研制出國內第一輛FCB起，經過近10年的研發，已陸續研制出多輛FCB。表1列出四代FCB的基本情況及特點。

國內研制的FCB盡管多次參與各種展示活動，但因燃料電池壽命和成本等問題還達不到產業化要求。

從表1可以看出，國內研發的FCB均采用混合驅動和車載純氫的模式，混合驅動是在燃料電池的基礎上再增加蓄電池作為另一動力源。混合驅動的優點：可以放寬對燃料電池功率的要求，降低燃料電池成本；可實現制動能量回收；可以延長燃料電池的壽命，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 國內FCB基本情況及特點

表2為“中國燃料電池公共汽車（FCB）商業化示范項目”北京項目一期與二期中奔馳公司純燃料電池客車與國產混合動力燃料電池客車在同一線路和同樣長達1年的示范運行情況。

表2 純燃料電池客車與混合動力燃料電池客車示范情況對比

從表2可以看出，采用混合動力燃料電池系統使國產FCB的燃料經濟性明顯優于奔馳公司純燃料電池客車40%，動力性相當。

“中國FCB商業化示范項目”是我國科技部與聯合國開發計劃署（UNDP）和全球環境基金（GEF）共同支持、合作的科技示范項目。北京項目（一期）招標采購了奔馳公司3輛純燃料電池客車，示范運行發現FCB使用成本特別是燃料成本過高、車輛可靠性偏低等問題，北京項目（一期）于2007年10月正式結束。北京項目（二期）采用的是清華大學與北汽福田共同研制的混合動力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，而且故障率比傳統車要高。

奔馳公司第二代燃料電池客車于2009年推出，參數對比見表3。

表3 奔馳公司第二代燃料電池客車與國產燃料電池客車參數對比

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

由新源動力和上海神力科技研制的PEMFC發動機經過多年在FCB上的試驗、應用與改進，已取得長足進步。特別是近年來，針對炭紙、質子交換膜、電催化劑和雙極板等關鍵材料和部件開展了大量的研究，在結構優化、電性能、熱性能和機械強度等方面都取得了明顯的進步[13-14]。國產化材料降低了燃料電池的成本，增強了實用性。在2008-2009年為期一年的載客示范運行中得以驗證，故障率比初期大為減少，平均故障間隔里程達到2880 km。但是燃料電池系統的耐久性、可靠性和環境適應性依然是影響FCB產業化的關鍵因素，尚需繼續進行深入研究[15]。

在供氫基礎設施方面，我國已經自主研發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，也有工業副產氫提純裝置和移動加氫車等多種供氫設施。這些設施曾成功完成北京奧運會和北京公交示范的燃料電池車的加氫以及上海世博會用車輛的加氫任務。國產車載高壓儲氫瓶已研制成功，使用的鋁內膽旋壓收口工藝和高壓儲氫瓶碳纖維纏繞工藝均已較為成熟。在氫系統方面采取了一系列的安全保護措施，可實現對儲氫和供氫系統的泄漏、超溫、超壓、過流等危險狀況的實時多重監控及預警。

4 FCB實現產業化的努力方向

從上述分析可以看出，盡管國內外在FCB的研發及示范上取得了明顯的進展，但相對于純電動汽車而言，燃料電池汽車的缺點主要體現在燃料電池的運行壽命短，系統的成本高，氫氣的制備、儲存相應基礎設施要求復雜，是制約其能在近期內實現產業化的瓶頸問題，仍需要持續加強關鍵技術研發[15-16]。

燃料電池的壽命研究是一項系統工程，它不僅與燃料電池堆本身的結構、材料等有關，還與燃料電池發動機系統結構有關，可通過“提高發動機支持系統的增濕系統能力，盡可能提高其全工況條件增濕能力和增濕條件的穩定性；優化發動機熱管理系統，使發動機運行溫度穩定在熱機狀態；開發更為有效的空氣除雜質技術，降低電堆反應氣的硫化物濃度等”[14]手段延長燃料電池發動機系統的壽命。只有進行產學研聯合攻關，才能早日實現產業化。

降低燃料電池系統成本的研究工作一直受到各國政府和各大燃料電池系統生產企業的重視，主要是雙極板、質子交換膜和催化劑鉑等材料的成本過高，需要研制價格低的新型材料作為替代品，并保證性能不變或得到進一步提高。據《自然·化學》雜志報道，德國柏林工業大學研究人員和來自美國的學者合作，共同研發出一種新型鉑合金，這種新型催化劑可節約大量的貴金屬鉑，使氫燃料電池的化學反應成本降低80%[17]。

氫氣來源廣泛，但真正能夠用于燃料電池汽車的氫氣純度要求高，儲存的容器要求高，尤其在客車上是以高壓的形式儲存以減小體積，保證足夠的續駛里程，所以制氫和儲氫的成本都高，形成產業化瓶頸。雖然已取得一些進展，但還需要采用更經濟、更環保的方法解決制氫和儲氫技術。

盡管FCB可能是最有希望率先實現產業化的車型，但壽命、成本和供氫基礎設施建設仍然是其產業化的瓶頸，還需要進行長期堅持不懈的努力才能有所突破。各國政府和各大汽車公司并沒有因金融危機而放棄對燃料電池技術的研發，相反受能源和環境問題的影響，更加積極地增加投入，增加研發力度，以期盡快掌握未來市場競爭的主動權。國內FCB的研發雖然取得了一定的成果，但與歐美日等國的實力相比，還有一定的差距，需要繼續加大研發力度，以期加快產業化的進程。

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