燃料電池商用車技術(shù)路線研究

田方，陳琳，耿志勇

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燃料電池商用車技術(shù)路線研究

田方，陳琳，耿志勇

（陜西汽車集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，陜西 西安 710043）

研究分析了適應(yīng)于商用汽車的燃料電池技術(shù)路線，著重對燃料電池原理、全功率型與電電混合型燃料電池技術(shù)路線進(jìn)行了分析，給出了燃料電池重型商用車未來技術(shù)路線的方向，可為其他燃料電池商用汽車產(chǎn)品的開發(fā)及燃料電池技術(shù)路線的選擇提供參考經(jīng)驗。

燃料電池；技術(shù)路線；商用汽車；產(chǎn)品開發(fā)

1 研究背景和意義

目前，各國對于燃料電池汽車技術(shù)重視程度在不斷提高，呈現(xiàn)出加大力度推進(jìn)的態(tài)勢。全球以日本、美國、歐盟和中國等都投入了大量資金和人力開展燃料電池汽車的研究。全球前幾大汽車公司均已經(jīng)開發(fā)出燃料電池車型并進(jìn)行示范運行。

對于中國來說，隨著汽車保有量不斷攀升，來自汽車產(chǎn)業(yè)的能源與環(huán)境壓力不斷增大：一方面，石油對外依存度逐年上升，已從本世紀(jì)初的26%增加至2018年的將近70%，對能源安全構(gòu)成了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，實施能源替代迫在眉睫；另一方面，能源結(jié)構(gòu)中化石能源居于絕對主體地位，環(huán)保壓力巨大，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)同樣刻不容緩。

氫能熱值較高，儲量豐富，來源多樣，應(yīng)用廣泛，特別是具有極佳的環(huán)境友好度，代表著人類能源“脫碳入氫”、徹底避免碳排放的可能前景，是理想的長期替代能源候選對象與中間能源儲存方式之一。從氫能的應(yīng)用角度看，燃料電池汽車是重點方向之一，如果氫能可以在規(guī)模龐大、影響廣泛的汽車產(chǎn)業(yè)得到規(guī)?；膽?yīng)用，必將產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。也就是說，發(fā)展燃料電池汽車對于改善中國能源結(jié)構(gòu)、推動交通領(lǐng)域低碳轉(zhuǎn)型以及提升重點產(chǎn)業(yè)國際競爭力和科技創(chuàng)新力具有特殊的戰(zhàn)略意義。正因如此，在《中國制造2025》等綱領(lǐng)性文件中，中國政府對燃料電池汽車及其相關(guān)技術(shù)提出了明確的發(fā)展規(guī)劃，重視程度不斷提升。

有鑒于此，本文對燃料電池原理、商用車技術(shù)路線等進(jìn)行了梳理與分析，并提出了現(xiàn)階段技術(shù)路線及發(fā)展趨勢。

2 燃料電池原理與技術(shù)路徑

2.1 燃料電池原理

燃料電池（Fuel Cell）是一種能夠持續(xù)通過發(fā)生在陽極和陰極的氧化還原反應(yīng)，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)化裝置。燃料電池與常規(guī)電池的區(qū)別在于它不儲存電能，它是一種發(fā)電裝置，它的還原劑（燃料）儲存在電池之外的儲罐，而氧化劑可由空氣中的氧來提供，燃料電池本身只決定輸出功率的大小，其貯能量由燃料罐的儲量來決定。燃料電池由于無需攜帶氧化劑，比常規(guī)化學(xué)電源具有更高的能量密度。燃料電池的工作原理如下圖1所示。

圖1 燃料電池的工作原理

2.2 燃料電池技術(shù)實現(xiàn)

按燃料類型分：氫燃料電池、甲烷燃料電池、甲醇燃料電池和汽油燃料電池；

按電解質(zhì)類型分：堿性燃料電池、酸性燃料電池、質(zhì)子交換膜燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池和固體氧化物燃料電池，見下表1所示。

表1 燃料電池的分類

2.3 車用燃料電池系統(tǒng)工作原理

其中，質(zhì)子交換膜燃料電池非常適合車用，其工作原理如圖2所示。

圖2 燃料電池系統(tǒng)工作原理

按燃料系統(tǒng)分為三個回路實現(xiàn)工作：氫回路、冷卻回路和空氣回路。氫系統(tǒng)由氫瓶、減壓閥、回流泵與管路組成，氫氣經(jīng)減壓閥進(jìn)入回流泵，再進(jìn)入燃料電池電堆進(jìn)行反應(yīng)，剩余氫氣進(jìn)入尾排回流。冷卻回路用來冷卻燃料電池電堆，由水泵帶動冷卻液進(jìn)入電堆帶走熱量，被加熱的冷卻液進(jìn)入散熱器散熱進(jìn)行散熱，水箱起補充冷卻液作用?？諝饣芈分饕獙⑦^濾過的空氣通過增濕器后，送入燃料電池堆，空氣中的氧氣與氫氣反應(yīng)產(chǎn)生電流的同時排出純凈水，剩余空氣進(jìn)入尾排。

3 燃料電池重型商用車技術(shù)路線

按照燃料電池電堆能源配比情況，燃料電池重型商用車可分為全功率型燃料電池車和混合動力式燃料電池車。

較為典型的例子是豐田與本田，在Mirai和Clarity上采用的燃料電池電堆功率均超過100kW，配合大功率動力電池組實現(xiàn)全功率輸出，在豐田的客車、牽引車上采用了114kW大功率堆兩個配小電量大功率動力電池組實現(xiàn)全功率燃料電池系統(tǒng)輸出。

表2 全功率燃料電池車型

國內(nèi)燃料電池商用車的代表宇通及福田，均采用了小功率堆配合較大電量動力電池組實現(xiàn)電電混合式燃料電池系統(tǒng)，如宇通的三代客車采用60kW燃料電池系統(tǒng)匹配64.5kWh磷酸鐵鋰電池組、福田采用60kW燃料電池系統(tǒng)匹配60kWh磷酸鐵鋰電池組組成動力系統(tǒng)，實現(xiàn)電電混合動力系統(tǒng)。

表3 混合功率式燃料電池車型

4 結(jié)論

受到目前國內(nèi)燃料電池零部件發(fā)展限制，國內(nèi)燃料電池技術(shù)路線將在一個比較長的時間內(nèi)以小功率堆配較大電量電池組按照電電混合的路線進(jìn)行，但隨著燃料電池技術(shù)的成熟以及電堆及相應(yīng)系統(tǒng)的商業(yè)化，全功率將是未來的發(fā)展方向。

[1] 李建秋,方川,徐梁飛.燃料電池汽車研究現(xiàn)狀及發(fā)展[J].汽車安全與節(jié)能學(xué)報,2014,5（1）:17-29.

[2] 節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖戰(zhàn)略咨詢委員會,中國汽車工程學(xué)會.節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖[M].北京:機械工業(yè)出版社, 2016.

[3] 王喜文.中國制造2025:從工業(yè)大國到工業(yè)強國[M].北京:機械工業(yè)出版社,2015.

[4] 方川,徐梁飛,李建秋,歐陽明高.典型燃料電池橋車動力系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)[J].汽車安全與節(jié)能學(xué)報,2016,7（2）:210-217.

Research on technical route of fuel cell commercial vehicles

Tian Fang, Chen Lin, Geng Zhiyong

（Technical Center, Shaanxi Automobile Group Co., Ltd., Shaanxi Xi'an 710043）

In this paper, technical route of fuel cell commercial vehicles was analyzed, with emphasis on the principle of fuel cell, and the technology of fuel cell for full-power and hybrid electric vehicles. Furthermore, the paper shed light on the future technical route of fuel cell for heavy commercial vehicles, providing reference for the development of other fuel cell commercial vehicles and for the selection of fuel cell technology.

fuel cell; technical route; commercial vehicle; product development

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1671-7988(2018)18-26-02

U469.7

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1671-7988(2018)18-26-02

CLC NO.: U469.7

田方，就職于陜西汽車集團(tuán)有限責(zé)任公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.18.010