燃料電池汽車關鍵技術介紹及其應用

馮旭翀

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州，510000）

1 燃料電池乘用車的發展必要性及戰略意義

新能源汽車主要包括純電動汽車（BEV），插電式混合動力電動汽車（PHEV）和燃料電池乘用車（FCEV）。由于燃料電池乘用車的唯一排放物是水，沒有污染物排放，加氫時間段、續航里程長，能量轉化效率高，被認為最有前景的新能源汽車發展方向之一。作為新能源汽車的重要技術方向，發展燃料電池乘用車對穩定能源供給，發展低碳交通，保持汽車產業持續發展，具有非常重要的意義。

2 燃料電池乘用車關鍵零部件介紹

2.1 燃料電池電堆

燃料電池主要有四種類型，分別是堿性燃料電池（AFC）、磷酸燃料電池（PAFC），固體氧化物燃料電池（SOFC），質子交換膜燃料電池（PEMFC），從燃料的種類、工作的溫度、質量功率密度和燃料電池特性等因素綜合考慮，質子交換膜燃料電池具有功率密度高、體積小、啟動速度快，低腐蝕性、反應溫度適中等特點，因此最適合應用于燃料電池乘用車領域。

質子交換膜燃料電池的基本反應原理是氫氣在陽極發生氧化反應分解成H+和，電子不斷地輸出到外部回路進行供電，氧離子穿過電解質膜到達陰極，陽極發生的化學反應為：→ 2+ 2。陰極發生的是原反應，氧氣和氫離子在陰極結合產生水，陰極發生的化學反應為+ 2+ 2→ 2 HO 。質子交換膜燃料電池的總反應2為 ：+O →HO 。2 2

燃料電池電堆由端板、絕緣板、集流板以及多個單電池組成。單電池主要由雙極板和膜電極組成。膜電極包含了質子交換膜、催化劑和氣體擴散層。單電池雙極板主要作用是隔絕燃料和空氣、收集電流、傳遞熱量，同時為反應氣體提供通道。質子交換膜主要作用是為電解質提供氫離子通道，隔離陰陽極反應氣體，同時對催化劑層起支撐作用。質子交換膜用催化劑為Pt基催化劑，最常用的是商業化Pt/C催化劑。氣體擴散層主要作用為支撐催化層，穩定電極結構,提供氣、電、熱量的通道。

圖1 燃料電池乘用車結構

2.2 車載供氫系統

在燃料電池乘用車上，車載供氫系統的功能類似于傳統內燃機汽車的燃油儲存與供給系統，其作用就是為燃料電池發動機提供燃料供給。其組成主要包含三部分，第一部分是氫氣的儲存及供給系統，包括儲氫瓶、減壓閥、管路等。第二部分是氫氣管理系統，主要用于和整車控制器的通信，包括儲氫瓶電磁閥開關、儲氫瓶內氣體溫度的采集與顯示、儲氫瓶內氣體壓力的采集與顯示等。第三部分是氫安全部分，包括氫氣的泄漏檢測以及一些氫安全裝置，如溢流閥、安全閥等。

2.3 冷卻水循環管理系統

冷卻水循環系統主要包括冷卻水泵、散熱器、散熱風扇、冷凝器、去離子器、三通閥等零部件，主要用途是保障燃料電池電堆化學反應的過程中產生的熱量能被及時的帶走，保證電化學反應的正常運行。

2.4 DCDC變換器

DC/DC變換器主要作用是把低電壓轉換為高電壓。由于燃料電池電堆輸出電壓通常小于300 V，低于電動汽車的電驅動系統的電壓輸入范圍（一般電驅動系統電壓輸入范圍為250~500V），且燃料電池的輸出電壓隨負載變化明顯，所以需通過DC/DC變換器，將燃料電池變化的低電壓轉換為穩定的高電壓，以確保系統穩定及高效率運行。

2.5 氫氣存儲瓶

目前主流燃料電池乘用車廠商均采用高壓儲氫作為車載儲氫方法。綜合考慮續航里程、儲罐安全等因素，車載儲氫系統的壓力一般分為35Mpa和70Mpa兩個等級。車用氣瓶一共分為四個類型：Ⅰ型（全金屬氣瓶）、Ⅱ型（金屬內膽纖維環向纏繞氣瓶）、Ⅲ型（金屬內膽纖維全纏繞氣瓶）及Ⅳ型（非金屬內膽纖維全纏繞氣瓶）。其中，Ⅰ型和Ⅱ型氣瓶容重比較大，儲氫密度較低，目前燃料電池車用儲氫容器為III型氣瓶和IV氣瓶。由于IV型氣瓶具有質量輕、儲氫密度高的優點，國際主流產品多數采用70MPa的IV型氣瓶。受制于儲氫容器的內膽加工成型工藝技術，國內企業以生產35 MPa的III型瓶為主。

2.6 燃料電池乘用車的優勢

（1）低排放。燃料電池通過電化學的方法，將氫和氧結合，直接產生電和熱，副產物只有水，沒有一氧化碳、碳氫化合物、氮氧化合物、二氧化硫、煙塵微粒等副產物產生。（2）燃料獲得途徑的多樣性，燃料電池電堆所需要的氫氣主要有四種獲取途徑，分別是化石燃料制氫、工業副產物制氫、甲醇裂解制氫和電解水制氫。綜合考慮全生命周期碳排放、環境污染、制氫效率、工藝的實現難易程度等因素，電解水制氫在未來氫能產業鏈發展比較完善的情況下，具有巨大的發展潛力。（3）系統效率高。傳統汽車內燃機經過了一百多年的發展，熱效率一直徘徊在40%左右。然而根據國內主流乘用車燃料電池系統技術路線圖規劃，到2025年，燃料電池系統的最高效率將達到50%~55%，是傳統內燃機效率的1.25~1.37倍，具有較大性能優勢。（4）加氫時間短，續航里程長。氫燃料電池汽車3min內可加滿氫氣，續航里程可達到500km以上，無疑解決了純電汽車充電時間長（快充30min,慢充8h）,續航里程短（200~300km）等一系列問題，可以給駕駛員帶來更好的駕乘體驗。（5）全壽命周期碳排放量少。燃料電池乘用車每公里碳排放量只有200g不到，比插電式混合動力汽車和純電動汽車的每公里碳排放量還少，是新能源汽車中排放最少的一類汽車，可以有效緩解全球溫室效應問題。

2.7 燃料電池乘用車的不足

（1）燃料電池耐久性問題。以車用燃料電池的基本要求為例，乘用車燃料電池系統的運行壽命必須達到3000-5000h。國內相關企業氫燃料電池的穩定壽命還在3000h左右。（2）關鍵材料及核心零部件薄弱。我國燃料電池乘用車技術發展不平衡，關鍵核心材料技術基本由國外公司掌控，如燃料電池乘用車使用的質子交換膜，超過95%的產品是由美國戈爾公司提供，豐田Mirai、本田Clarity均采用該公司的增強復合膜。（3）氫氣存儲問題。國內企業采用Ⅲ型（金屬內膽纖維全纏繞氣瓶）儲氫密度為3.9%，而Ⅳ型（非金屬內膽纖維全纏繞氣瓶）的儲氫密度可以達到5.5%。國內在35 MPa III型瓶有成熟產品，但是35 MPa氣瓶的續航里程上對比純電動車沒有優勢，必須采用70MPa III型在燃料電池乘用車上才有續航里程的優勢，但是在70MPa III型瓶國內僅有個別廠家具有成熟產品。（4）氫安全問題。氫氣具有易燃性、易泄露性、易擴散性和氫脆等特點，所以車載供氫系統必須充分考慮氫氣安全設計。在空氣中、氫氣的燃燒范圍很寬，當氫體積比濃度為4%~75%時都能燃燒。同時由于氫是自然界最輕的元素，如果發生泄漏氫氣會立即上升。（5）配套基礎設施極度不完善。截至2017年底，我國僅有7座加氫站。而截止到2017年1月，全球正在運營的加氫站達274座。加氫站的不足，嚴重制約了燃料電池乘用車的發展。同時，國外已發展到70 Mpa的車載氫系統和對應的工作站，我國目前普遍是35 Mpa，限制了車載氫系統的儲氫能力。

3 燃料電池汽車技術發展趨勢介紹

（1）性能進一步優化。燃料電池電堆將應用新型材料，如低鉑、高性能膜電極、金屬雙極板等來優化結構。比功率將提升至3.5kw/L，效率提升至65%，耐高溫性提升至85℃，電堆-40℃低溫啟動技術將得到有效應用，壽命將提升至5000~10000小時左右。（2）高度集成化。電堆與空壓機等附件集成，電堆與驅動電機和電機控制器集成，電堆與DCDC集成等。（3）平臺化。燃料電池在整車動力能源占比將不斷提升，35kw小電堆,70kw中電堆，100kw全功率電堆將系列化，但是體積保持不斷。（4）壽命提升。通過優化電堆設計，提高電堆關鍵零部件的一致性，通過優化電堆水管理技術，提升燃料電池電堆的壽命，爭取在2025年燃料電池電堆壽命達到5000h以上。（5）成本降低。通過降低關鍵材料的使用量和使用低成本關鍵材料和部件，降低制造成本。