燃料电池汽车关键技术介绍及其应用

燃料电池汽车关键技术介绍及其应用

齐同仑

（上海汽车集团股份有限公司乘用车公司上海市201800）

摘要：新能源汽车主要包括纯电动汽车，插电式混合动力电动汽车和燃料电池乘用车。由于燃料电池乘用车的唯一排放物是水，没有污染物排放，加氢时间段、续航里程长，能量转化效率高，被认为最有前景的新能源汽车发展方向之一。作为新能源汽车的重要技术方向，发展燃料电池乘用车对稳定能源供给，发展低碳交通，保持汽车产业持续发展，具有非常重要的意义。为此，在接下来的文章中，将围绕燃料电池汽车关键技术介绍及其应用方面展开分析，希望能够给相关人士提供重要的参考价值。

关键词：燃料电池乘用车；燃料电池电堆；储氢瓶；发展趋势

引言：燃料电池经过近半个世纪的发展，已经在全球逐步得到应用，尤其是在汽车行业发展空前迅速，各国政府大力推行燃料电池相关示范项目，从机场摆渡车到城市公交再到家用轿车。关于燃料电池汽车研发一直稳步推进，全球整车企业已经进入产业化燃料电池汽车的准备，燃料电池汽车2015年将进入量产阶段。目前中国车载燃料电池的研究与国际先进水平还有一定差距，受寿命、成本与性能的制约，至今中国燃料电池汽车还处于车辆性能改进和小规模应用阶段。为了更好的在汽车领域内应用燃料电池，就必须加强对燃料电池汽车关键技术的研究。

1.燃料电池乘用车关键零部件介绍

1.1车载供氢系统

在燃料电池乘用车上，车载供氢系统的功能类似于传统内燃机汽车的燃油储存与供给系统，其作用就是为燃料电池发动机提供燃料供给。其组成主要包含三部分，第一部分是氢气的储存及供给系统，包括储氢瓶、减压阀、管路等。第二部分是氢气管理系统，主要用于和整车控制器的通信，包括储氢瓶电磁阀开关、储氢瓶内气体温度的采集与显示、储氢瓶内气体压力的采集与显示等。第三部分是氢安全部分，包括氢气的泄漏检测以及一些氢安全装置，如溢流阀、安全阀等。

1.2冷却水循环管理系统

冷却水循环系统主要包括冷却水泵、散热器、散热风扇、冷凝器、去离子器、三通阀等零部件，主要用途是保障燃料电池电堆化学反应的过程中产生的热量能被及时的带走，保证电化学反应的正常运行。

1.3DCDC变换器

DC/DC变换器主要作用是把低电压转换为高电压。由于燃料电池电堆输出电压通常小于300V，低于电动汽车的电驱动系统的电压输入范围（一般电驱动系统电压输入范围为250~500V），且燃料电池的输出电压随负载变化明显，所以需通过DC/DC变换器，将燃料电池变化的低电压转换为稳定的高电压，以确保系统稳定及高效率运行。

1.4氢气存储瓶

目前主流燃料电池乘用车厂商均采用高压储氢作为车载储氢方法。综合考虑续航里程、储罐安全等因素，车载储氢系统的压力一般分为35Mpa和70Mpa两个等级。车用气瓶一共分为四个类型：Ⅰ型（全金属气瓶）、Ⅱ型（金属内胆纤维环向缠绕气瓶）、Ⅲ型（金属内胆纤维全缠绕气瓶）及Ⅳ型（非金属内胆纤维全缠绕气瓶）。其中，Ⅰ型和Ⅱ型气瓶容重比较大，储氢密度较低，目前燃料电池车用储氢容器为III型气瓶和IV气瓶。由于IV型气瓶具有质量轻、储氢密度高的优点，国际主流产品多数采用70MPa的IV型气瓶。受制于储氢容器的内胆加工成型工艺技术，国内企业以生产35MPa的III型瓶为主。

1.5燃料电池乘用车的优势

第一，低排放。燃料电池通过电化学的方法，将氢和氧结合，直接产生电和热，副产物只有水，没有一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物、二氧化硫、烟尘微粒等副产物产生。第二，燃料获得途径的多样性，燃料电池电堆所需要的氢气主要有四种获取途径，分别是化石燃料制氢、工业副产物制氢、甲醇裂解制氢和电解水制氢。综合考虑全生命周期碳排放、环境污染、制氢效率、工艺的实现难易程度等因素，电解水制氢在未来氢能产业链发展比较完善的情况下，具有巨大的发展潜力。第三，系统效率高。传统汽车内燃机经过了一百多年的发展，热效率一直徘徊在40％左右。然而根据国内主流乘用车燃料电池系统技术路线图规划，到2025年，燃料电池系统的最高效率将达到50％~55％，是传统内燃机效率的1.25~1.37倍，具有较大性能优势。第四，加氢时间短，续航里程长。氢燃料电池汽车3min内可加满氢气，续航里程可达到500km以上，无疑解决了纯电汽车充电时间长（快充30min,慢充8h）,续航里程短（200~300km）等一系列问题，可以给驾驶员带来更好的驾乘体验。第五，全寿命周期碳排放量少。燃料电池乘用车每公里碳排放量只有200g不到，比插电式混合动力汽车和纯电动汽车的每公里碳排放量还少，是新能源汽车中排放最少的一类汽车，可以有效缓解全球温室效应问题。

1.6燃料电池乘用车的不足

其一，燃料电池耐久性问题。以车用燃料电池的基本要求为例，乘用车燃料电池系统的运行寿命必须达到3000-5000h。国内相关企业氢燃料电池的稳定寿命还在3000h左右。其二，关键材料及核心零部件薄弱。我国燃料电池乘用车技术发展不平衡，关键核心材料技术基本由国外公司掌控，如燃料电池乘用车使用的质子交换膜，超过95％的产品是由美国戈尔公司提供，丰田Mirai、本田Clarity均采用该公司的增强复合膜。其三，氢气存储问题。国内企业采用Ⅲ型（金属内胆纤维全缠绕气瓶）储氢密度为3.9％，而Ⅳ型（非金属内胆纤维全缠绕气瓶）的储氢密度可以达到5.5％。国内在35MPaIII型瓶有成熟产品，但是35MPa气瓶的续航里程上对比纯电动车没有优势，必须采用70MPaIII型在燃料电池乘用车上才有续航里程的优势，但是在70MPaIII型瓶国内仅有个别厂家具有成熟产品。第四，氢安全问题。氢气具有易燃性、易泄露性、易扩散性和氢脆等特点，所以车载供氢系统必须充分考虑氢气安全设计。在空气中、氢气的燃烧范围很宽，当氢体积比浓度为4％~75％时都能燃烧。同时由于氢是自然界最轻的元素，如果发生泄漏氢气会立即上升。第五，配套基础设施极度不完善。截至2017年底，我国仅有7座加氢站。而截止到2017年1月，全球正在运营的加氢站达274座。加氢站的不足，严重制约了燃料电池乘用车的发展。

2.燃料电池汽车技术发展趋势介绍

首先，性能进一步优化。燃料电池电堆将应用新型材料，如低铂、高性能膜电极、金属双极板等来优化结构。比功率将提升至3.5kw/L，效率提升至65％，耐高温性提升至85℃，电堆-40℃低温启动技术将得到有效应用，寿命将提升至5000~10000小时左右。另外，高度集成化。电堆与空压机等附件集成，电堆与驱动电机和电机控制器集成，电堆与DCDC集成等。同时，平台化。燃料电池在整车动力能源占比将不断提升，35kw小电堆,70kw中电堆，100kw全功率电堆将系列化，但是体积保持不断。还有寿命提升。通过优化电堆设计，提高电堆关键零部件的一致性，通过优化电堆水管理技术，提升燃料电池电堆的寿命，争取在2025年燃料电池电堆寿命达到5000h以上。

结论

文章主要就燃料电池乘用车的质子交换膜燃料电池电堆，车载供氢系统等核心零部件工作原理及关键技术进行了介绍，同时指出了当前我国燃料电池乘用车发展存在的瓶颈以及未来的发展方向。

参考文献

[1]曹殿学，王贵领，吕艳卓，等.燃料电池系统[M].北京:北京航空航天大学出版社，2016

[2]伊藤慎介.日本汽车界的国家能源战略[R].东京:经济产业省制造产业局汽车课，2016