燃料電池汽車優勢及技術現狀

王龍杰

摘 要：面對能源消耗和應對氣候變化問題等多重挑戰，世界主要國家都把發展燃料電池汽車提升到國家戰略高度。我國目前已經初步具備發展氫燃料電池汽車的資源基礎、技術積累和市場空間，現需要大力推動發展。氫燃料電池汽車具有動力強勁、安全可靠、經濟節能等優勢，但目前我國發展氫燃料電池汽車也面臨著燃料電池堆、空壓機、車載儲氫系統等技術較落后的現象需大力政策扶持并加快發展，文章就上述問題進行了詳細闡述。

關鍵詞：燃料電池汽車;動力強勁;安全可靠;經濟節能;燃料電池堆;空壓機;車載儲氫系統

中圖分類號：U469.72+2? 文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）13-11-03

Advantages and Technical Status of Fuel Cell Vehicle

Wang Longjie

（ Sichuan Bus Manufacturing Co.， Ltd， Sichuan Chengdu 611330 ）

Abstract： Facing the multiple challenges of energy consumption and climate change， development of fuel cell vehicles have raised to a national strategic height in the main countries of the world. At present， China has the resource base， technology accumulation and market space to develop the hydrogen fuel cell vehicle. Hydrogen fuel cell vehicles have the advantages of strong power， safety and reliability， economy and energy saving， etc. However， the development of hydrogen fuel cell vehicles in China is also facing the problems such as fuel cell stack， air compressor， on-board hydrogen storage system and so on. These underdeveloped technologies need strong policy support and accelerated development. This paper expounds the above problems in detail.

Keywords： Fuel cell vehicle; Strong power; Safety and reliability; Economic energy saving; Fuel cell stack; Air com -pressor; On-board hydrogen storage system

前言

燃料電池汽車以燃料電池系統作為單一動力源或者是以燃料電池系統與可充電儲能系統作為混合動力源的電動汽車[1]。氫能是新能源革命的重要領域，將成為支撐我國構建一個綠色、高效、安全的新能源系統的關鍵支柱，而燃料電池汽車作為氫能利用的關鍵領域，將成為我國汽車產業轉型發展的重要方向。發展燃料電池汽車有動力強勁、安全可靠、經濟節能等諸多優勢[2]，但是也面臨著燃料電池堆（含質子交換膜、催化劑、氣體擴散層及雙極板）、空壓機、車載儲氫系統等技術現狀與國外技術有一定差距的現象，現將其優勢和技術現狀分析如下。

1 燃料電池汽車優勢

1.1 動力強勁

燃料電池動力系統采用的是“電-電混合”技術路線，即將動力電池和燃料電池并聯，由鋰電池提供車輛加速、減速等非穩態下所需的大功率，而燃料電池則用來提供穩定工況下的輸出功率[3]。這種方案不僅解決了燃料電池動態響應速度慢的問題，還可大大延長燃料電池的壽命，同時能提供強勁的動力。以燃料電池城市客車為例，最大爬坡度能達到22%（同等條件下傳統客車為20%），0-50km/h加速時間只需要8s而傳統客車需要30s，可見加速能力優于傳統客車。

1.2 安全可靠

通過實際運營，燃料電池汽車的運營時間和里程遠高于純電動汽車，具有更高的安全性，如表1所示。

從表1中可以看出在全生命周期內燃料電池乘用車和商用車均比純電動乘用車和商用車有更長的運營時間和里程，可見燃料電池汽車的耐久性和可靠性優于純電動汽車，更安全可靠。

1.3 經濟節能

1.3.1 全生命周期成本低

燃料電池汽車能耗成本低，國家政策補貼大，其全生命周期成本較低，如表2所示。

從表2中可以看出燃料電池汽車全生命周期的總成本遠低于傳統汽車和純電動汽車，尤其是燃料成本遠低于傳統汽車，完全符合國家節能減排的政策方針。

1.3.2 能量轉化率高

燃料電池汽車能量轉換效率高。據戴克公司對NECAR4型燃料電池轎車的測試，其燃料電池堆的能量轉換效率為62%，如果除去燃料電池發動機輔助系統的能耗（占16.4%）和電機及其驅動系統的能耗（占8.1%），從“油箱到車輪”的效率為37.7%，遠高于汽油機汽車16%～18%和柴油機汽車20%～24%的轉換效率[4]。

2 燃料電池汽車技術現狀

燃料電池汽車的動力源是燃料電池系統，其核心技術也是在燃料電池系統，因此燃料電池系統的技術成熟與否決定了燃料電池汽車的發展前景，現將燃料電池系統的核心部件燃料電池堆（含質子交換膜、催化劑、氣體擴散層及雙極板）、空壓機、車載儲氫系統等的技術現狀敘述如下[5]。

2.1 燃料電池堆技術現狀

我國車用燃料電池堆整體發展程度仍處于起步階段，技術水平與國際先進水平仍有差距，如表3所示。

從表3中可以看出國內燃料電池系統功率普遍在60kW以下，燃料電池堆的功率密度不超過2.7kW/L，整車冷啟動溫度最低為-20℃等技術指標均低于國外技術[6]。現分述其核心部件質子交換膜、催化劑、氣體擴散層、雙極板等的技術現狀。

2.1.1 質子交換膜技術現狀

國際上已掌握了質子交換膜基材及工藝的核心技術，并形成了一定的技術和市場壟斷。美國戈爾設計出超薄增強型質子交換膜，最薄能達到7～10um，功率密度、機械耐久性及水汽擴散自增濕效應優異，已廣泛應用于乘用車上。

我國質子交換膜技術近年來取得了一定的進展。山東東岳開發的DF260復合膜，膜厚度可達15um，在干濕循環和機械穩定性方面，循環次數超過2萬次。總體來說，我國質子交換膜多處于實驗階段或小批量生產階段，技術與國際領先水平存在一定的差距。

未來質子交換膜技術將趨于薄膜化，這有助于降低質子傳遞的阻力，以達到較高的性能。

2.1.2 催化劑技術現狀

國際上，燃料電池催化劑技術已形成批量化生產能力。日本田中貴金屬研發的PV/C催化劑整體性能優異，已運用在本田燃料電池汽車上，其開發的 PtCo/C 催化劑也開始在燃料電池汽車上試運行。

與國外相比，我國燃料電池催化劑尚處于實驗研制階段，還未形成有競爭力的產業化產品。云南貴金屬集團已研發出全系列（Pt質量分數為30%～70%）Pt/C催化劑，但還未實現批量化生產。我國科研機構已開展對催化劑的研究，進展顯著。大連化學物理研究所研制的PtNi納米線合金催化劑質量與面積比活性分別達到Pt/C的2.5倍和3.3倍，超小PtCu合金催化劑質量比活性達到Pt/C的3.8倍。

由于Pt金屬昂貴、稀有，開發低Pt化和無Pt化催化劑將是未來燃料電池催化劑的研究趨勢。

2.1.3 氣體擴散層技術現狀

國際上氣體擴散層的生產工藝已實現卷材生產，且生產工藝穩定，能大批量供應性能穩定的產品。如德國西格里生產的氣體擴散層具有很薄的基體層，其微孔層具有優良的氣體透過率，受到國際上的較高認可。

國內產品尚處于小規模生產階段，氣體擴散層的原材料如碳紙等多依賴進口。中南大學提出了化學氣相沉積（CVD）熱解炭改性碳紙的新技術，發明了與變形機制高度適應的異型結構碳紙，采用干法成型、CVD、催化炭化和石墨化相結合的連續化生產工藝，其產品的耐久性和穩定性有所提升。

未來碳紙技術將趨于薄膜化，以提高氣體擴散能力，減少在高電流密度下的傳質問題。

2.1.4 雙極板技術現狀

國外已經形成了成熟的雙極板產業鏈，在制造工藝、質量、成本控制和批量化生產等方面均已形成成熟的產業化體系。其中金屬雙極板，其核心技術如極板設計、精密制造及耐蝕涂層開發等均被視為占領燃料電池技術高地的核心機密，許多關鍵技術被各大企業以知識產權形式進行技術壟斷。另外石墨雙極板，加拿大Ballard開發的柔性石墨雙極板代表了國際先進水平，極板厚度小于1mm，應用在Ballard的燃料電池堆電流密度達2.5A/cm2，已累積無故障運行超過20000小時。

近年來，國內雙極板技術與產業化能力已明顯提高。金屬雙極板涂層技術已實現突破，開發了多種具有自主知識產權的石墨基、鈦鉻基納米復合涂層，并應用于金屬極板。此外，金屬雙極板的設計技術也取得較大進展，開發出無須增濕金屬雙極板，利用波紋流場結構對板面流體進行合理分配，并通過對波紋周期參數的調節實現不增濕條件下的堆內保水。

我國石墨雙極板已初步實現產業化，如上海弘楓研發的超薄石墨雙極板，已應用于燃料電池客車上;廣東國鴻開發的碳基復合雙極板，已應用于物流車等領域。

未來創新性的流場設計、高效的制造工藝及嚴格的成本控制，是雙極板制造的趨勢。而對金屬雙極板而言，開發低成本、高耐久性的耐腐蝕性涂層是金屬雙極板技術需重點突破的關鍵性問題。

2.2 空壓機技術現狀

國外燃料電池汽車空壓機的研發起步較早，在轉子、軸承、控制器及高速電機等核心技術方面積累了較多的經驗;同時，國外空壓機企業有與汽車零部件企業匹配的豐富經驗，正向開發能力強，能針對整車企業的需求做針對性開發。目前，螺桿式壓縮機已被廣泛運用于美國和加拿大等汽車企業的燃料電池系統，瑞典OPCON開發的螺桿式壓縮機，壓縮比達3.2，排氣流量從17g/s到400g/s，可實現燃料電池汽車在不同工況下的流量調節。

國內空壓機的研發多為科研機構及大學承擔的國家“863”和“973”課題，缺乏專業的制造企業參與，產業化進展緩慢。總體來說，我國空壓機企業與整車企業零部件配套經驗不足，正向開發能力較弱，且國內缺乏成熟的供應鏈如軸承、控制器和高速電機等的支撐，空壓機關鍵零部件仍依賴進口。

開發大空氣流量、節能高效且能在全工況下快速響應的空壓機將成為未來的發展方向。

2.3 車載儲氫系統技術現狀

國外儲氫系統產業鏈相對完善，制造技術已趨于成熟。在儲氫瓶方面，國外35MPa和70MPa的儲氫瓶技術成熟，已形成與整車配套生產能力，并成功應用于燃料電池汽車上，如國外燃料電池乘用車多采用70MPa IV型儲氫瓶，儲氫質量分數達5.7%，100MPa的高壓儲氫容器已處于研制階段。

我國車載儲氫系統技術和產業化程度與國外先進技術水平有一定的差距，隨著車用氫能產業化的不斷發展，我國車載儲氫系統開始逐漸由樣品試制、小批量生產轉向規模化生產，產業配套體系也在逐步構建。在儲氫瓶方面，我國已具備了35MPa鋁內膽碳纖維全纏繞Ⅲ型高壓儲氫瓶技術和批量化生產能力，并陸續在國產燃料電池商用車和乘用車上實現搭載。由于儲氫瓶關鍵材料如碳纖維復合材料以及關鍵的精細化零部件（如閥門等）的國產化水平較低，主要依靠進口，導致車載儲氫瓶成本較高的問題比較突出。

未來車載高壓氣態儲氫技術將向高壓化、輕量化和低成本化方向發展。

3 結語

氫燃料電池汽車無污染，可實現零排放，是新一代清潔汽車，我國應大力發展氫燃料電池汽車。但是我國在燃料電池系統關鍵技術等方面與發達國家存在一定差距，所以我們應加大政策扶持盡快突破關鍵技術;大力推進示范營運，注重開展示范效果評估;完善標準法規體系，全面提高測試評價能力。相信我們通過刻苦專研、努力攻關，一定會盡快掌握核心技術，建立健全生產配套體系和法規體系，迎頭趕超發達國家。

參考文獻

[1] GB/T 19596-2017，電動汽車術語[S].北京：中國標準出版社，2017：2.

[2] 王望予，張建文，閔海濤，等.汽車設計[M].4版.北京：機械工業出版社，2017：21～24.

[3] 張進華，侯福深，趙宏祥，等.世界氫能與燃料電池汽車產業發展報告[M].北京：社會科學文獻出版社，2019：102.

[4] 王菊，鄭賀悅，尤可為，等.燃料電池汽車技術政策研究[M].北京：北京理工大學出版社，2013：10.

[5] GB/T 24548-2009，燃料電池電動汽車術語[S].北京：中國標準出版社，2010：4.

[6] 張進華，侯福深，王菊，等.世界氫能與燃料電池汽車產業發展報告[M].北京：機械工業出版社，2020：23.