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氢燃料电池技术在现代汽车领域的应用研究

发表时间：2020/8/24 来源：《基层建设》2020年第10期作者：曾文高

[导读] 摘要：由于成本颇高，氢燃料电池最初主要应用于航天领域。

        惠州交投巴士有限公司
        摘要：由于成本颇高，氢燃料电池最初主要应用于航天领域。近年来，随着氢燃料电池成本的不断下降，现阶段已经应用在新一代汽车领域。本文主要对氢燃料电池的技术特点及在汽车领域的应用展开探讨，可供同行技术参考。
        关键词：氢燃料电池；技术特点；汽车领域；公交车；应用
        前言
        燃料电池汽车作为新能源汽车三大技术路线之一，以其真正零排放、续驶里程长，具有最大的发展潜力。2018年工信部发布的《新能源汽车推广应用推荐车型目录》（2018年第8批），氢燃料电池汽车产品共有19个型号，有9户企业厂家。这标志中国氢燃料电池汽车推广应用即将全面铺开。2019年10月，由北汽福田、清华大学和亿华通共同研发的“氢燃料电池客车关键技术及应用”项目获得了2019年“中国汽车工业科技进步奖”一等奖。据了解，北汽福田与亿华通之间的合作早在十年之前就已开始。2006年，北汽福田与清华大学、北京亿华通承担国家863计划--氢燃料电池客车的研发工作，两年后推出了国内首款公告型氢燃料电池客车，服务于2008年北京奥运会，并在北京384车队开展为期一年的示范运营。2014年，第二代12米氢燃料电池客车解决了生产成本高、燃料电池寿命短等瓶颈问题。目前，北汽福田正在研发续驶里程超过450km的第四代氢燃料电池客车，计划于2020年底实现量产。目前，业界对氢燃料电池汽车推广应用，还是仁者见仁、智者见智。下文主要对氢燃料电池的技术特点及在公交汽车领域的应用展开探讨，可供同行参考。
        1.氢燃料电池的技术特点分析
        氢燃料电池是使用氢这种化学元素，制造成储存能量的电池。其基本原理是电解水的逆反应，把氢和氧分别供给阴极和阳极，氢通过阴极向外扩散和电解质发生反应后，放出电子通过外部的负载到达阳极。
        1.1无污染燃料电池对环境无污染。它是通过电化学反应，而不是采用燃烧（汽、柴油）或储能（蓄电池）方式--最典型的传统后备电源方案。燃烧会释放象COx、NOx、SOx气体和粉尘等污染物。如上所述，燃料电池只会产生水和热。如果氢是通过可再生能源产生的（光伏电池板、风能发电等），整个循环就是彻底的不产生有害物质排放的过程。
        1.2无噪声燃料电池运行安静。噪声大约只有55dB，相当于人们正常交谈的水平。这使得燃料电池适合于室内安装，或是在室外对噪声有限制的地方。
        1.3高效率燃料电池的发电效率可以达到50%以上。这是由燃料电池的转换性质决定的，直接将化学能转换为电能，不需要经过热能和机械能（发电机）的中间变换。
        氢燃料电池严格地说是一种发电装置，像发电厂一样，是把化学能直接转化为电能的电化学发电装置。另外，氢燃料电池的电极用特制多孔性材料制成，这是氢燃料电池的一项关键技术，它不仅要为气体和电解质提供较大的接触面，还要对电池的化学反应起催化作用。
        2.氢燃料电池在现代汽车领域的应用
        氢能是二次能源，基本应用领域有分布式电站、或者便捷式电源，但是在中国交通领域应用是氢能发展主要的趋势。对于未来氢燃料电池公交车的发展前景，北汽福田工程研究总院副院长秦志东曾经说过：“氢能利用是一个大的产业链，并非一个领域、一个企业能够完全解决的，需要多方合作；只有把上下游打通，成本、设施等困扰行业发展的问题才能得到系统解决。

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”
        当下，我国新能源公交车用于公共事业，无论是购车还是运营，基本上由政府买单或补贴。而长途客运不是公共事业，没有补贴。目前氢燃料电池发动机系统成本较高，长途客运企业目前还不具备采购能力。市面上的氢能源公交车车辆都是无级变速的，开起来比较轻松，噪音比较小。不过，氢燃料电池公交车的仪表数据系统等与普通公交车有一定区别，驾驶员要经过专业培训才能上岗。因其排放的是水，没有环境污染，对城市环保相当有益。
        随着科技的进步，曾经困扰氢燃料电池发展的诸如安全性、氢燃料的贮存技术等问题已经逐步攻克并不断完善，然而成本问题依然是阻碍氢燃料电池车发展的最大瓶颈。据媒体报道：东方电气在2018年年报中披露了氢燃料电池公交车的运营数据：“单车最长运营里程4万公里，累计近28万公里，载客40万人次。”某客车公司介绍：车辆通过氢气发电，推动电机运行。正常运行下，车辆充一次氢气可以跑500公里左右，但氢燃料电池公交车的成本不低。如果成本能下来，氢燃料电池客车的理性定位是10－12米级的长途运营客车，而不是目前的公交车；氢燃料电池卡车的理性定位是像LNG大卡车。
        中国氢燃料电池汽车发展技术路线近期仍是以锂电池和氢燃料电池相结合的“电电混合”形式为主。目前，电动公交车续航里程已经能超300公里，这个指标已经超过了大部分城市对公交车一天运营里程要求。目前东风纯电动轻卡续航里程已经实现了300公里。300公里运营场景下，基本上可以做到白天运营，晚上充电。
        氢燃料电池车的工作原理是：将氢气送到燃料电池的阳极板（负极），经过催化剂（铂）的作用，氢原子中的一个电子被分离出来，失去电子的氢离子（质子）穿过质子交换膜，到达燃料电池阴极板（正极），而电子是不能通过质子交换膜的，这个电子，只能经外部电路，到达燃料电池阴极板，从而在外电路中产生电流。电子到达阴极板后，与氧原子和氢离子重新结合为水。由于供应给阴极板的氧，可以从空气中获得，因此只要不断地给阳极板供应氢，给阴极板供应空气，并及时把水（蒸气）带走，就可以不断地提供电能。燃料电池发出的电，经逆变器、控制器等装置，给电动机供电，再经传动系统、驱动桥等带动车轮转动，就可使车辆在路上行驶。与传统汽车相比，燃料电池车能量转化效率高达60-80%，为内燃机的2～3倍。燃料电池的燃料是氢和氧，生成物是清洁的水，它本身工作不产生一氧化碳和二氧化碳，也没有硫和微粒排出。因此，氢燃料电池汽车是真正意义上的零排放、零污染的车，氢燃料是完美的汽车能源。
        公交企业在采购氢燃料电池公交车时，我个人认为除了要关注车辆的品质外，还要重点考量的一个重点就是售后质保的因素。我国公交车强制报废年限是13年，一般情况下，车用到8年或是行驶40万公里以上，基本就会考虑更换新车了。对于氢燃料电池公交车来说，由于缺乏有效的借鉴，因此我们如果要采用更应看重车辆的质保年限。因此，在车辆招标时，我们会要求核心零部件的质保年限必须要达到8年以上。
        3.结束语
        近年来，氢燃料电池应用的领域和数量都在随着电池成本的不断下降而拓展和上升，良性循环初步形成，未来有望进入更多应用领域。以当前燃料电池技术研发方向看，氢燃料电池与锂电池将会在相当长的时间内，形成互补共存的状态。作为汽车领域工程技术人员，未来我们应该不断学习国际先进理论与技术，不断总结经验，在吸取日、美等国经验的基础上，不断推动我国氢燃料电池技术的发展。
        参考文献：
        [1]张伟.氢燃料电池在汽车上的应用展望[J].科技信息.2019.09.
        [2]佚名.关于氢燃料电池汽车应用的主攻方向及市场定位分析详解[J].汽车电子.2018.06.