我國燃料電池電動自行車技術發展趨勢研究

摘要：在環保意識持續增強和新能源技術不斷進步的背景下，燃料電池電動自行車作為響應中國“雙碳”目標和能源結構轉型的綠色交通方式，正在引起市場的廣泛關注。憑借其快速補能、零排放和長續航能力等顯著優勢，燃料電池電動自行車被視為緩解城市交通擁堵和降低環境污染的有效手段。文章綜述了燃料電池電動自行車技術的最新進展，包括燃料電池系統、儲氫技術、鋰電池、直流-直流（DC/DC）變換器、驅動電機、車體設計以及控制器等方面，結合當前的發展動態，對燃料電池電動自行車相關的氫能源產業、基礎設施建設以及整車生產的趨勢進行了預測，同時提出了相應的發展建議。

關鍵詞：燃料電池；電動自行車；氫能；發展趨勢

中圖分類號：U484文獻標志碼：A

0引言

電動自行車作為我國市民出行的主要方式之一，具有便宜、便攜、易操控等優點。目前，市面上的電動自行車動力源主要是鉛酸電池和鋰離子電池，續航里程普遍在40～60千米，充電速度慢，充電的過程中存在安全隱患，新聞報道的充電事故也屢見不鮮［1］。

同時，在“雙碳”背景下，我國愈加重視氫能行業的發展，利用氫能改善能源結構，已經成為我國能源轉型的重要方向之一。因此，加大氫能的利用程度、增加氫能的利用場景成為當前能源轉型的重要任務。燃料電池電動自行車應運而生。

燃料電池電動自行車相較傳統電動自行車具有補能速度快、排放無污染、能量轉化效率高等優點，同時，其低溫性能更優，解決了傳統電動自行車在寒冷天氣情況下續航里程短的問題。但是由于種種原因，燃料電池電動自行車距離走進千家萬戶還有一段時間。本文就國內燃料電池電動自行車的技術現狀、發展趨勢進行探討，并提出相應的建議和要求。

1燃料電池電動自行車技術現狀

燃料電池電動自行車的主要構成部分是燃料電池、儲氫瓶、鋰電池、直流-直流（DC/DC）變換器、電機、車體、控制器等，燃料電池電動自行車的技術研究重點就是這幾個部分。

1.1燃料電池

燃料電池為電動自行車的主要動力源。燃料電池有多個種類，通常是根據電池電解質的材料不同進行分類，包括堿性燃料電池、直接甲醇燃料電池、磷酸燃料電池、固體氧化物燃料電池、質子交換膜燃料電池、陰離子交換膜燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池等。各類燃料電池的技術狀態指標如表1所示。

其中，質子交換膜燃料電池具有較高的功率密度和較快的啟動速度，發電過程無燃燒和污染，能量轉換率較高，結構簡單、體型小、質量輕、可靠性高；同時，工作溫度低，對材料的耐熱性和穩定性要求不高。因此，質子交換膜燃料電池特別適合應用在燃料電池電動自行車領域。

1.2儲氫瓶

儲氫瓶廣泛應用于燃料電池電動汽車、固定式儲能系統以及移動式加氫站等領域。儲氫瓶種類繁多，按照儲存氫氣的物理狀態分為高壓氣態儲氫瓶、液態儲氫瓶以及固態儲氫瓶，3種儲氫瓶的特點如表2所示。

常見的氣態氫或者液態氫由于狀態原因，在運輸及存儲方面極其困難，具有較高的安全風險［2］?？紤]到安全性與便攜性的需求，燃料電池電動自行車普遍配備固態儲氫瓶。

1.3鋰電池

電池廣泛應用于各類產品中。其主要由2大部件構成：電芯和保護板。電芯是電池的能量存儲單元，主要由正負極材料、電解液、隔膜和外殼構成。保護板則負責監控和控制電池的工作狀態，確保電池安全高效運行。

當前，動力鋰離子電池技術正展現出一種多元化的技術路徑特征。鋰電池按正極材料的不同，可以分為磷酸鐵鋰、錳酸鋰、鈷酸鋰及三元鋰［3］。此外，還可以依據電池的封裝形式不同，分為軟包電池、方形電池、圓柱電池，也可以按照電解質的類型劃分為液態電池和固態電池。

鋰電池的技術發展主要聚焦在快充和材料創新。當前，鋰電池充電速率最高已經突破至6C級別，7C級別充電技術正在預研。此外，復合集流體材料的問世提高了電芯能量密度、電池安全性、生產效率，降低了材料成本。目前，已有一些領先的電池產品如廣汽埃安彈匣電池2.0、寧德時代麒麟電池采用了復合集流體技術。

1.4電機

電機是電動自行車上將電能轉換為機械能關鍵部件。電動自行車采用的電動機分為2類，有刷直流電機和無刷直流電機。

有刷電機是一種含有電刷裝置的電機，它能夠將電能轉換成機械能。有刷電機有著簡單的結構和控制方式，啟動快、制動及時、可在大范圍內平滑調速。因此，它們在家電、電動工具、玩具等許多領域都有廣泛的應用。但也有使用壽命較短、需要定期維護、噪聲大等缺點。

無刷電機通常由定子和轉子2大部分組成。定子是靜止部分，上面有繞組，通入電流后可以產生磁場；轉子是旋轉部分，上面裝有色磁體的永磁體或電磁鐵，在定子磁場的作用下產生旋轉動力。無刷電機具有效率高、壽命長和低噪音的特點，已被廣泛應用于多個領域，如家用電器、電動工具、汽車等。

1.5直流-直流（DC/DC）變換器

在燃料電池系統架構中，直流-直流（DC/DC）變換器發揮著至關重要的接口角色，它橋接了燃料電池與后續電力負載之間的電能傳遞，可以實現由燃料電池生成的直流電轉換成適用于電動自行車的電機和輔助設備的用電需求的多種電壓。

當前，行業內的研究與開發焦點集中在提升變換器的能量轉換效率及其整體性能上，同時，為了符合車輛對續航能力及動力輸出日益增長的要求，更高效的熱管理技術亦在積極探索之列。

1.6控制器

電動自行車的操控主要由控制器負責。根據配套電機的不同，控制器可劃分為有刷和無刷2大類。

目前，無刷直流電機在電動自行車領域得到了廣泛的采用，這種電機的控制系統由3個主要部件組成，包括邏輯換向控制、功率驅動電路以及一些附加的輔助電路。這3大部分共同作用，確保了電流的轉換與傳輸、電機速度的調節的穩定實現。同時，在智能化方面也開發了很多功能，如GPS定位、防盜報警、車輛健康監測等。例如，利用GSM通信技術及GPS定位技術可實時監控電動自行車的位置，并實時上傳電動自行車運行軌跡供用戶查詢，從而避免電動車被盜丟失的問題［4］。

1.7車體

電動自行車車體的主要結構可以分為4個部分：骨架、車把手、車輪以及制動閘，有些還裝配有鏈輪［5］。隨著技術的進步和消費者對安全、舒適、便捷要求的提高，電動自行車車身設計正朝著輕量化、智能化的方向發展。

在材料的選擇上注重減輕重量并提高強度，電動自行車車身正在使用更多輕質高強度材料，如鋁合金、碳纖維等。在車身結構設計上，隱藏線束、電池等組件，從而達到更好的整體和諧性和實用性。

2燃料電池電動自行車的發展趨勢

在國家能源結構的深度轉型之際。燃料電池電動自行車作為新能源領域的分支，其發展承載著新能源替代傳統能源的歷史使命。

2.1電動自行車對氫能行業發展提出的要求

2.1.1降低制氫成本

燃料電池電動自行車的推廣受到氫氣生產成本高的制約，故氫能源領域亟須探索更經濟的制氫方案。包括對現有電解水工藝進行優化，利用可再生能源（例如太陽能和風能）產生的電力來分解水，開發新型催化劑以減少氫氣生產的費用。

2.1.2燃料電池小型化

隨著電子設備向更小、更輕的趨勢發展，燃料電池系統亦應實現類似的小型化以滿足電動自行車的空間要求。燃料電池的小型化有助于縮小安裝空間，減輕整個系統的重量，進而提升電動自行車的續航能力。

2.1.3延長燃料電池壽命

燃料電池的耐久性是其商業應用成功的關鍵因素。為了延長燃料電池的使用壽命，廠商需采用高質量材料及先進制造技術，以確保電池的可靠性與耐用性。同時，通過調整操作參數，合理控制氫燃料電池的工作溫度、壓力和電流密度等，避免極端工況下的過度應力，可以有效延長其使用壽命，從而提高用戶接受度。

2.1.4提高儲氫瓶儲氫密度

為了增加電動自行車的續航距離，必須研發具有更高儲氫密度的儲氫瓶。這需要儲氫瓶在有限空間內存儲更多的氫氣。運用新型儲氫材料和技術，如金屬有機框架技術，實現更高的儲氫效率。

2.2建立完善的公共充能體系

隨著燃料電池電動自行車的推廣和技術發展，一個完善的公共充能體系的建立顯得尤為重要。這一體系不僅需要廣泛的加氫站網絡，還應該涵蓋針對燃料電池電動自行車的應急救援服務。

2.2.1完善加氫網絡

為了有效降低燃料電池電動自行車用戶的里程焦慮并提高他們的出行便利性，至關重要的一步是建立廣泛便捷的加氫站網絡。這個網絡的建立需要滿足幾個關鍵特點。

首先，它必須具有廣泛的覆蓋范圍，確保無論在城市還是鄉村地區，用戶都能在合理的距離內找到加氫點。其次，這個網絡應該實現與現有交通系統的互聯互通，例如與公共交通和共享電動車站點相連，為用戶提供無縫銜接的出行方案。最后，加氫服務的價格應當經濟實惠，既能夠吸引用戶使用，又能夠維持運營成本，保證商業模式的可持續性。

此外，為了推動加氫站網絡的建設與升級，政府與企業應攜手合作，鼓勵加油（氣）站和加氫站共同建設等方式，利用現有的加油站資源構建綜合能源服務站的運營模式，這樣不僅節約了土地資源和建設成本，也有利于加氫站的普及［6］。

2.2.2建立燃料電池車應急救援網絡

燃料電池車應急救援網絡的救助對象不僅包含燃料電池電動自行車，更應該廣泛地包括燃料電池轎車、卡車、物流車等，這樣才能更好地平衡成本，建立有效的運營模式。應急救援網絡應具有幾個特點。

應急救援網絡應在關鍵節點覆蓋，并與現有設施整合。在城市主干道的關鍵交叉路口以及偏遠地區的重要交通節點建立應急救援站點。同時，與加氫站、車輛維修點等現有設施合作，利用它們的地理位置和部分設施建立救援站點。

應急救援網絡應建立信息管理系統。該信息管理系統能做到車輛狀態實時監測、故障上報和車輛定位，確保一旦發生故障，救援中心能夠立即收到通知，并根據故障等級作出相應反應。同時，該系統可以優化救援資源的分配，確保最快速度派遣最近的救援團隊前往現場。

2.3整車制造朝綠色和智能方向發展

2.3.1供應鏈的綠色化轉型

在燃料電池電動自行車的整車制造體系中，供應鏈的綠色化是實現全生命周期環保戰略的核心環節。因此，從原材料采購的源頭開始，就要嚴格選擇具有可追溯性和可持續性的供應源。例如，對于電池電堆所需的氫氣，應確保來源于清潔能源（如風能、太陽能）的轉化。

此外，供應鏈的每一環節均須致力于減少碳足跡。通過優化物流路徑，減少運輸過程中的二氧化碳排放；采用電動或氫燃料運輸工具替代傳統燃油車輛，進一步降低環境影響。

2.3.2生產過程的智能化升級

隨著工業4.0和人工智能技術的飛速發展，燃料電池電動自行車的生產流程亟需轉型。在這一轉型中，生產線引入先進的機器人技術和自動化設備，精準執行焊接、裝配、測試等復雜任務，不僅提升了生產效率，還減少了人為錯誤，確保了產品質量的穩定性。

智能化生產還體現在利用大數據和云計算技術對生產數據進行實時監控和分析，從而預測維護需求，優化資源配置，減少停機時間，通過持續的過程改進提升生產靈活性。

3結語

隨著國家對環保和能源轉型的重視，燃料電池電動自行車技術在我國的發展迎來了新的機遇。電動自行車搭配燃料電池這一方案，對于我國“雙碳”目標的完成能起到積極影響。在當前的時代背景下，燃料電池電動自行車行業需不斷向綠色和智能方向轉型，同時，配套基礎設施也應更加便利化，制氫用氫成本需不斷降低。只有這樣，燃料電池電動自行車行業的市場才能不斷做大，燃料電池電動自行車行業才能良性發展，為城市交通帶來更加綠色、高效的解決方案。

參考文獻

［1］王順權.電動自行車用氫燃料電池動力系統研究［J］.電動自行車，2020（1）：41-44.

［2］楊敏，裴向前，鄭建龍.單兵電源新技術［J］.電源技術，2016（2）：477-480.

［3］于海.新能源汽車動力電池簡介［J］.汽車維修技師，2023（5）：106.

［4］張啟帆，王哲.基于GPS與GSM的電動車智能防盜系統［J］.電子制作，2018（9）：33-34.

［5］阮立，張恒靖，朱故瓊，等.關于我國電動自行車的技術路線建議［J］.小型內燃機與車輛技術，2019（4）：94-96.

［6］翟吉順.加氫站網點建設及運營管理研究［J］.車用能源儲運銷技術.2024（1）：45-50.

（編輯何琳）Research on the development trend of fuel cell electric bicycle technology in ChinaZHI" Xinsheng

（Ramp;D Center，Hangzhou pure-hydrogen Technology Co.， Ltd.， Hangzhou 310009， China）Abstract： Against the backdrop of continuous improvements in environmental protection awareness and advancements in new energy technologies， fuel cell electric bicycles， as a green transportation method that responds to China’s “Carbon Peaking and Carbon Neutrality Goals” and energy structure transition， are gaining widespread market attention. With their significant advantages such as rapid charging， zero emissions， and long range， fuel cell electric bicycles are considered potential strategies for alleviating urban traffic congestion and reducing environmental pollution. This article reviews the latest progress in fuel cell electric bicycle technology， including aspects such as fuel cell systems， hydrogen storage， lithium battery integration， DC-DC converters， drive motors， body design， and controllers， and combines current development trends to predict future directions in related industries such as hydrogen sources， infrastructure construction， and vehicle manufacturing. It also offers corresponding development suggestions.

Key words： fuel cell; electric bicycle; hydrogen energy; development trend