燃料电池汽车研究现状及发展

黄忠桥

摘 要：汽车尾气污染一直是环境保护工作中需要重点考虑的问题，也是汽车生产相关工作中不可忽视的关键性问题，近年来车用燃料电池得到了广泛的关注，这是一种新能源技术，具有高效与清洁的特征，近年来，国内外都对这一技术展开了研究，并将燃料电池应用到了其汽车的生产与施工中，该技术的应用优势极为明显，但是无论是研究现状，还是应用情况，国内外都存在着一定的差异。文中将对燃料电池汽车的研究现状展开探讨，并简要分析燃料电池汽车的技术应用现状，最后提出燃料电池汽车的未来发展趋势。

关键词：燃料电池汽车：现状：发展

近年来，随着经济与技术的发展，汽车的生产数量以及生产规模均呈现了上升的趋势，但是传统应用汽油、柴油为能源的汽车在使用的过程中会对环境造成严重的污染，继而影响社会的健康发展以及人们的身心健康，为了提高汽车的性能，改善环境污染问题，燃料电池汽车的研究与使用工作得到了极大的重视，对此展开探讨有着重要的现实意义。

1 燃料电池的优势

（1）燃料电池对比燃油发动机，继承了纯电动汽车的零排放优势，同样能摆脱对石油的依耐性，节能减排这一点，我就略过了，摆脱对石油的依耐性，即是国家战略的方向，也是全球石油短缺需要解决的问题。

（2）燃料电池对比纯电动汽车，摆脱了续航里程不够的短板。纯电动汽车的最大短板，续航里程不够，这是由多方面因素引起的，储能装置的能量密度问题是重点，锂电池单位重量下的能量密度，远低于氢气。同样的储能重量下，氢气能释放更多的能量，如果需要增加单次加注的最大续航里程，增加氢气罐更加方便。第二就是充电时间问题，由于城市电网以及车载线束的电流承受能力，限制了充电电流的上限，导致给锂电池补充能量的时间相对较长，用目前常见的最大功率充电，120KW充电机，充满一辆配备200KWH容量的中型卡车，需要超过1个半小时。燃料电池车补充能源的时候是加注氢气。目前在美国有很多成熟的加氢站，一台车的加注时间大约为3至5分钟，等同于加注燃油，只要合理的设置车载气罐的容量及加氢站的布置，就能满足燃料电池汽车24小时无间断运营，从根本上避免纯电动里程不夠的问题。

（3）国内的纯氢燃料电池走向，第一步是使用进口的燃料电池系统，系统包括几个核心部件：电堆、供氢系统、进风系统、冷却系统、加注系统、控制系统、升压DC/DC。第二步是系统集成国产化，核心部件还是进口国外的，比如美国巴拉德（ BLDP）的电堆，美国的PLUG POWER电堆，其他部件尽量采购国产件，自己做系统。第三部，自己研发电堆及附件，目前国内已经有几家成熟的电堆生产厂家，比如北京氢璞，新源动力，江苏氢能。

2 燃料电池汽车的技术应用现状

2.1 燃料电池轿车

与国外的相关研究与技术应用情况相比，我国燃料电池轿车的基本性能指标，如续驶里程、动力性等与之相差无异，每一百公里的加速时间约为IO秒到15秒，而最高车速则约为每小时150千米到170千米。而近年来，国外的技术研究取得了较大的图片，他们开始应用车载储氢系统（70兆帕），在该系统的支持下，燃料电池汽车可以得到较为充足的能源支持，因而其续驶里程每次加注的值都得到了较大的提升。同时，我国的电机转矩输出能力以及发动机自身的功率输出能力均远远低于国外水准，具体来说，我国的燃料电池轿车发动机的自身功率输出值为55千瓦，而国外则可以达到80千瓦，甚至是100千瓦，二者的差距是极大的；在功率输出相同的情况下，国外的高转矩输出值高出我国50牛米到80牛米。

2.2 燃料电池客车

与国外的相关研究与技术应用情况相比，我国燃料电池客车的基本动力性能与最高车速，加速时间等与之相差不大。若时速不超过每小时50千米，那么加速时间则约为20秒；最高车速大多为每小时80千米；续驶里程在通常不低于250千米，不超过400千米；储氢瓶压力的最高值我国与国外均为35兆帕；在氢耗指标方面，我国还具有一定的优势。在技术应用方面，电动轮驱动属于最新的技术。

目前，除了电堆的研究外，氢气加注口目前还都是采用进口，进风系统的风机是个技术难点，目前国内能做的厂家不多。升压DC/DC是个难点，升压比太大，国内正在研发的厂家也为数不多，随着国内燃料电池汽车的量产化推进，配套的研发也趋向成熟，单个供件，产品的质量及成本存在很多问题。

目前国内的燃料电池电堆生产厂家，还都处于样车阶段，现在正在上量的还都是进口电堆，进口系统集成。目前也有正准备上量的进口电堆，国内集成，国产化目前处于第一步到第二步之间。

3 燃料电池汽车的发展趋势

3.1 使燃料电池寿命得到延长

燃料电池自身的寿命会对燃料电池汽车行业的商业化发展造成较为直接的影响。从当前的国际燃料电池汽车行业发展来看，国外的研究与实践取得了较多的成果与突破，但是在燃料电池寿命方面的技术研究仍旧不足，这对燃料电池汽车行业的发展造成了严重的消极影响，例如2009年德国戴姆勒集团生产的燃料电池客车，其使用寿命超过12000小时；而美国2011年生产的燃料电池混合动力汽车每台单车的使用寿命均在11000小时以上。而这些车的使用寿命在5000小时以下，因而如果是燃料电池寿命得到延长是相关科研人员应当重点关注的问题。从电池自身来看，能够对其寿命造成干扰的因素有多种，包括燃料电池整车、汽车动力系统、燃料电池系统设计的合理性；电堆结构以及电极材料等。为了使燃料电池的寿命可以得到有效延长，未来的研究与设计可以集中在以下几个方面：第一，优化设计燃料电池动力系统，使其构型更加科学化合理化，科研人员应当确定好各种车辆的动力性指标，保证动力电池能够与汽车各系统相匹配，并对控制逻辑予以重视；第二，应当对燃料电池系统予以优化设计，应用空气再循环技术，保证工况可以得到稳定控制，并根据实际需求采取必要的启停机策略；第三，要对电堆结构层次予以合理设计，保证系统具备较强的水汽交换、气体扩散、内阻以及散热功能；第四，要明确电极材料层次，保证膜的质子传导能力以及催化剂活性的相应变化范围具有合理性。

3.2 使系统成本得到降低

国外的研究认为，燃料电池系统生产成本与产量之间存在着负相关关系，也就是说，产量越高，则成本越低。近年来随着生成技术水平的不断提升，燃料电池系统的产量不断增加，而系统成本降低了约50%，这对燃料电池行业以及燃料电池汽车行业的生产与发展来说是极为有利。在生产过程中，膜电极对应的成本在总成本中占据着较大的比例，其主要支出集中在催化剂方面，也就是说，要想实现对成本的有效控制，应当对膜电极生产中所需的原材料成本予以关注，加强对催化剂的研究与开发，使成本可以控制在较低的范围内。另外也可以对燃料电池系统予以集成以及简化处理，加强对相关技术的研究，国外已经展开了电子器件的一体化研究，这对降低故障发生频率、降低生产成本来说有着重要意义。电磁阀以及高压储氢气瓶也是增加系统成本的重要因素之一，因而应当關注对高压气瓶生产的关注，积极研发碳纤维缠绕复合瓶，使成本有效降低。

3.3 展开商业示范推广

加强研发燃料电池汽车技术的最终目的在于将其大规模投入生产时间，因此展开商业示范推广是十分必要且重要的。欧美等国家已经逐步加强了商业建设投入，展开租赁业务，让燃料电池轿车可以应用到生产实践中，示范运行的规模越来越大。这在一定程度上降低了产业化生产成本，并使得相应的基础设计建设得到增强，使得商业化发展拥有了坚实的基础。在我国的生产建设与实践当中，也应当将商业示范推广作为重点，燃料电池汽车在使用的过程中需要及时补充氢能源，因而为了保证燃料电池汽车的顺利使用，应当积极做好基础设施建设工作，保证加氢站数量的充足。截止2015年，日本建立了超过220个加氢站，这使得燃料电池汽车的大规模商业推广得到了充足的基础设施支持。我国应当以此为借鉴，保证我国的燃料电池汽车可以实现商业化、大规模发展。

4 结语

近年来国内外均对燃料电池汽车问题展开了研究，但是国外的研究相对深入、系统，且燃料电池的应用范围较广；而我国的研究仍处于较为初级的阶段，虽然相关研究取得了理想的成果，甚至可以达到国际水准，但是也应当意识到我国的燃料电池汽车技术并没有得到大范围的推广，只是进行了小规模的试验。然而燃料电池汽车的技术的应用优势明显，可以实现近零排放，且其使用效率较高，因而其发展前景也是极为广泛的。针对燃料电池汽车技术在我国的应用现状，在未来可以将提高燃料电池寿命、降低系统成本、展开商业示范推广作为发展的重点方向。