燃料電池汽車優(yōu)勢(shì) 燃料電池堆技術(shù)現(xiàn)狀

前言

燃料電池汽車以燃料電池系統(tǒng)作為單一動(dòng)力源或者是以燃料電池系統(tǒng)與可充電儲(chǔ)能系統(tǒng)作為混合動(dòng)力源的電動(dòng)汽車。氫能是新能源革命的重要領(lǐng)域，將成為支撐我國(guó)構(gòu)建一個(gè)綠色、高效、安全的新能源系統(tǒng)的關(guān)鍵支柱，而燃料電池汽車作為氫能利用的關(guān)鍵領(lǐng)域，將成為我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要方向。發(fā)展燃料電池汽車有動(dòng)力強(qiáng)勁、安全可靠、經(jīng)濟(jì)節(jié)能等諸多優(yōu)勢(shì) ，但是也面臨著燃料電池堆（含質(zhì)子交換膜、催化劑、氣體擴(kuò)散層及雙極板）、空壓機(jī)、車載儲(chǔ)氫系統(tǒng)等技術(shù)現(xiàn)狀與國(guó)外技術(shù)有一定差距的現(xiàn)象，現(xiàn)將其優(yōu)勢(shì)和技術(shù)現(xiàn)狀分析如下。

燃料電池汽車優(yōu)勢(shì)

1.1 動(dòng)力強(qiáng)勁

燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)采用的是“電-電混合”技術(shù)路線，即將動(dòng)力電池和燃料電池并聯(lián)，由鋰電池提供車輛加速、減速等非穩(wěn)態(tài)下所需的大功率，而燃料電池則用來提供穩(wěn)定工況下的輸出功率。這種方案不僅解決了燃料電池動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢的問題，還可大大延長(zhǎng)燃料電池的壽命，同時(shí)能提供強(qiáng)勁的動(dòng)力。以燃料電池城市客車為例，最大爬坡度能達(dá)到22%（同等條件下傳統(tǒng)客車為 20%），0-50km/h 加速時(shí)間只需要8s 而傳統(tǒng)客車需要 30s，可見加速能力優(yōu)于傳統(tǒng)客車。

1.2 安全可靠

通過實(shí)際運(yùn)營(yíng)，燃料電池汽車的運(yùn)營(yíng)時(shí)間和里程遠(yuǎn)高于純電動(dòng)汽車，具有更高的安全性，如表 1 所示。

表1 燃料電池汽車與純電動(dòng)汽車可靠性對(duì)比表

從表 1 中可以看出在全生命周期內(nèi)燃料電池乘用車和商用車均比純電動(dòng)乘用車和商用車有更長(zhǎng)的運(yùn)營(yíng)時(shí)間和里程，可見燃料電池汽車的耐久性和可靠性優(yōu)于純電動(dòng)汽車，更安全可靠。

1.3 經(jīng)濟(jì)節(jié)能

1.3.1 全生命周期成本低

燃料電池汽車能耗成本低，國(guó)家政策補(bǔ)貼大，其全生命周期成本較低，如表 2 所示。

表2 燃料電池汽車和傳統(tǒng)汽車及純電動(dòng)汽車全生命周期成本對(duì)比表

從表 2 中可以看出燃料電池汽車全生命周期的總成本遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)汽車和純電動(dòng)汽車，尤其是燃料成本遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)汽車，完全符合國(guó)家節(jié)能減排的政策方針。

1.3.2 能量轉(zhuǎn)化率高

燃料電池汽車能量轉(zhuǎn)換效率高。據(jù)戴克公司對(duì) NECAR4型燃料電池轎車的測(cè)試，其燃料電池堆的能量轉(zhuǎn)換效率為62%，如果除去燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)輔助系統(tǒng)的能耗（占 16.4%）和電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的能耗（占 8.1%），從“油箱到車輪”的效率為 37.7%，遠(yuǎn)高于汽油機(jī)汽車 16%～18%和柴油機(jī)汽車 20%～24%的轉(zhuǎn)換效率。

燃料電池汽車技術(shù)現(xiàn)狀

燃料電池汽車的動(dòng)力源是燃料電池系統(tǒng)，其核心技術(shù)也是在燃料電池系統(tǒng)，因此燃料電池系統(tǒng)的技術(shù)成熟與否決定了燃料電池汽車的發(fā)展前景，現(xiàn)將燃料電池系統(tǒng)的核心部件燃料電池堆（含質(zhì)子交換膜、催化劑、氣體擴(kuò)散層及雙極板)、空壓機(jī)、車載儲(chǔ)氫系統(tǒng)等的技術(shù)現(xiàn)狀敘述如下。

2.1 燃料電池堆技術(shù)現(xiàn)狀

我國(guó)車用燃料電池堆整體發(fā)展程度仍處于起步階段，技術(shù)水平與國(guó)際先進(jìn)水平仍有差距，如表 3 所示。

表3 國(guó)內(nèi)外燃料電池堆技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化對(duì)比情況表

從表 3 中可以看出國(guó)內(nèi)燃料電池系統(tǒng)功率普遍在 60kW以下，燃料電池堆的功率密度不超過 2.7kW/L，整車?yán)鋯?dòng)溫度最低為-20℃等技術(shù)指標(biāo)均低于國(guó)外技術(shù) ?，F(xiàn)分述其核心部件質(zhì)子交換膜、催化劑、氣體擴(kuò)散層、雙極板等的技術(shù)現(xiàn)狀。

2.1.1 質(zhì)子交換膜技術(shù)現(xiàn)狀

國(guó)際上已掌握了質(zhì)子交換膜基材及工藝的核心技術(shù)，并形成了一定的技術(shù)和市場(chǎng)壟斷。美國(guó)戈?duì)栐O(shè)計(jì)出超薄增強(qiáng)型質(zhì)子交換膜，最薄能達(dá)到 7～10um，功率密度、機(jī)械耐久性及水汽擴(kuò)散自增濕效應(yīng)優(yōu)異，已廣泛應(yīng)用于乘用車上。我國(guó)質(zhì)子交換膜技術(shù)近年來取得了一定的進(jìn)展。山東東岳開發(fā)的 DF260 復(fù)合膜，膜厚度可達(dá) 15um，在干濕循環(huán)和機(jī)械穩(wěn)定性方面，循環(huán)次數(shù)超過 2 萬次?？傮w來說，我國(guó)質(zhì)子交換膜多處于實(shí)驗(yàn)階段或小批量生產(chǎn)階段，技術(shù)與國(guó)際領(lǐng)先水平存在一定的差距。未來質(zhì)子交換膜技術(shù)將趨于薄膜化，這有助于降低質(zhì)子傳遞的阻力，以達(dá)到較高的性能。

2.1.2 催化劑技術(shù)現(xiàn)狀

國(guó)際上，燃料電池催化劑技術(shù)已形成批量化生產(chǎn)能力。日本田中貴金屬研發(fā)的 PV/C 催化劑整體性能優(yōu)異，已運(yùn)用在本田燃料電池汽車上，其開發(fā)的 PtCo/C 催化劑也開始在燃料電池汽車上試運(yùn)行。

與國(guó)外相比，我國(guó)燃料電池催化劑尚處于實(shí)驗(yàn)研制階段，還未形成有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)業(yè)化產(chǎn)品。云南貴金屬集團(tuán)已研發(fā)出全系列（Pt 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 30%～70%）Pt/C 催化劑，但還未實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)。我國(guó)科研機(jī)構(gòu)已開展對(duì)催化劑的研究，進(jìn)展顯著。大連化學(xué)物理研究所研制的 PtNi 納米線合金催化劑質(zhì)量與面積比活性分別達(dá)到 Pt/C 的 2.5 倍和 3.3 倍，超小 PtCu合金催化劑質(zhì)量比活性達(dá)到 Pt/C 的 3.8 倍。

由于 Pt 金屬昂貴、稀有，開發(fā)低 Pt 化和無 Pt 化催化劑將是未來燃料電池催化劑的研究趨勢(shì)。

2.1.3 氣體擴(kuò)散層技術(shù)現(xiàn)狀

國(guó)際上氣體擴(kuò)散層的生產(chǎn)工藝已實(shí)現(xiàn)卷材生產(chǎn)，且生產(chǎn)工藝穩(wěn)定，能大批量供應(yīng)性能穩(wěn)定的產(chǎn)品。如德國(guó)西格里生產(chǎn)的氣體擴(kuò)散層具有很薄的基體層，其微孔層具有優(yōu)良的氣體透過率，受到國(guó)際上的較高認(rèn)可。

國(guó)內(nèi)產(chǎn)品尚處于小規(guī)模生產(chǎn)階段，氣體擴(kuò)散層的原材料如碳紙等多依賴進(jìn)口。中南大學(xué)提出了化學(xué)氣相沉積(CVD)熱解炭改性碳紙的新技術(shù)，發(fā)明了與變形機(jī)制高度適應(yīng)的異型結(jié)構(gòu)碳紙，采用干法成型、CVD、催化炭化和石墨化相結(jié)合的連續(xù)化生產(chǎn)工藝，其產(chǎn)品的耐久性和穩(wěn)定性有所提升。

未來碳紙技術(shù)將趨于薄膜化，以提高氣體擴(kuò)散能力，減少在高電流密度下的傳質(zhì)問題。

2.1.4 雙極板技術(shù)現(xiàn)狀

國(guó)外已經(jīng)形成了成熟的雙極板產(chǎn)業(yè)鏈，在制造工藝、質(zhì)量、成本控制和批量化生產(chǎn)等方面均已形成成熟的產(chǎn)業(yè)化體系。其中金屬雙極板，其核心技術(shù)如極板設(shè)計(jì)、精密制造及耐蝕涂層開發(fā)等均被視為占領(lǐng)燃料電池技術(shù)高地的核心機(jī)密，許多關(guān)鍵技術(shù)被各大企業(yè)以知識(shí)產(chǎn)權(quán)形式進(jìn)行技術(shù)壟斷。另外石墨雙極板，加拿大 Ballard 開發(fā)的柔性石墨雙極板代表了國(guó)際先進(jìn)水平，極板厚度小于 1mm，應(yīng)用在 Ballard 的燃料電池堆電流密度達(dá) 2.5A/cm 2 ，已累積無故障運(yùn)行超過 20000 小時(shí)。

近年來，國(guó)內(nèi)雙極板技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化能力已明顯提高。金屬雙極板涂層技術(shù)已實(shí)現(xiàn)突破，開發(fā)了多種具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的石墨基、鈦鉻基納米復(fù)合涂層，并應(yīng)用于金屬極板。此外，金屬雙極板的設(shè)計(jì)技術(shù)也取得較大進(jìn)展，開發(fā)出無須增濕金屬雙極板，利用波紋流場(chǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)板面流體進(jìn)行合理分配，并通過對(duì)波紋周期參數(shù)的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)不增濕條件下的堆內(nèi)保水。

我國(guó)石墨雙極板已初步實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，如上海弘楓研發(fā)的超薄石墨雙極板，已應(yīng)用于燃料電池客車上；廣東國(guó)鴻開發(fā)的碳基復(fù)合雙極板，已應(yīng)用于物流車等領(lǐng)域。未來創(chuàng)新性的流場(chǎng)設(shè)計(jì)、高效的制造工藝及嚴(yán)格的成本控制，是雙極板制造的趨勢(shì)。而對(duì)金屬雙極板而言，開發(fā)低成本、高耐久性的耐腐蝕性涂層是金屬雙極板技術(shù)需重點(diǎn)突破的關(guān)鍵性問題。

2.1 空壓機(jī)技術(shù)現(xiàn)狀

國(guó)外燃料電池汽車空壓機(jī)的研發(fā)起步較早，在轉(zhuǎn)子、軸承、控制器及高速電機(jī)等核心技術(shù)方面積累了較多的經(jīng)驗(yàn)；同時(shí)，國(guó)外空壓機(jī)企業(yè)有與汽車零部件企業(yè)匹配的豐富經(jīng)驗(yàn)，正向開發(fā)能力強(qiáng)，能針對(duì)整車企業(yè)的需求做針對(duì)性開發(fā)。目前，螺桿式壓縮機(jī)已被廣泛運(yùn)用于美國(guó)和加拿大等汽車企業(yè)的燃料電池系統(tǒng)，瑞典 OPCON 開發(fā)的螺桿式壓縮機(jī)，壓縮比達(dá) 3.2，排氣流量從 17g/s 到 400g/s，可實(shí)現(xiàn)燃料電池汽車在不同工況下的流量調(diào)節(jié)。

國(guó)內(nèi)空壓機(jī)的研發(fā)多為科研機(jī)構(gòu)及大學(xué)承擔(dān)的國(guó)家“863”和“973”課題，缺乏專業(yè)的制造企業(yè)參與，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展緩慢。總體來說，我國(guó)空壓機(jī)企業(yè)與整車企業(yè)零部件配套經(jīng)驗(yàn)不足，正向開發(fā)能力較弱，且國(guó)內(nèi)缺乏成熟的供應(yīng)鏈如軸承、控制器和高速電機(jī)等的支撐，空壓機(jī)關(guān)鍵零部件仍依賴進(jìn)口。

開發(fā)大空氣流量、節(jié)能高效且能在全工況下快速響應(yīng)的空壓機(jī)將成為未來的發(fā)展方向。

2.3 車載儲(chǔ)氫系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀

國(guó)外儲(chǔ)氫系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈相對(duì)完善，制造技術(shù)已趨于成熟。在儲(chǔ)氫瓶方面，國(guó)外 35MPa 和 70MPa 的儲(chǔ)氫瓶技術(shù)成熟，已形成與整車配套生產(chǎn)能力，并成功應(yīng)用于燃料電池汽車上，如國(guó)外燃料電池乘用車多采用 70MPa IV 型儲(chǔ)氫瓶，儲(chǔ)氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá) 5.7%，100MPa 的高壓儲(chǔ)氫容器已處于研制階段。

我國(guó)車載儲(chǔ)氫系統(tǒng)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化程度與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)水平有一定的差距，隨著車用氫能產(chǎn)業(yè)化的不斷發(fā)展，我國(guó)車載儲(chǔ)氫系統(tǒng)開始逐漸由樣品試制、小批量生產(chǎn)轉(zhuǎn)向規(guī)模化生產(chǎn)，產(chǎn)業(yè)配套體系也在逐步構(gòu)建。在儲(chǔ)氫瓶方面，我國(guó)已具備了 35MPa 鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞Ⅲ型高壓儲(chǔ)氫瓶技術(shù)和批量化生產(chǎn)能力，并陸續(xù)在國(guó)產(chǎn)燃料電池商用車和乘用車上實(shí)現(xiàn)搭載。由于儲(chǔ)氫瓶關(guān)鍵材料如碳纖維復(fù)合材料以及關(guān)鍵的

精細(xì)化零部件（如閥門等）的國(guó)產(chǎn)化水平較低，主要依靠進(jìn)口，導(dǎo)致車載儲(chǔ)氫瓶成本較高的問題比較突出。

未來車載高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)將向高壓化、輕量化和低成本化方向發(fā)展。

結(jié)語(yǔ)

氫燃料電池汽車無污染，可實(shí)現(xiàn)零排放，是新一代清潔汽車，我國(guó)應(yīng)大力發(fā)展氫燃料電池汽車。但是我國(guó)在燃料電池系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)等方面與發(fā)達(dá)國(guó)家存在一定差距，所以我們應(yīng)加大政策扶持盡快突破關(guān)鍵技術(shù)；大力推進(jìn)示范營(yíng)運(yùn)，注重開展示范效果評(píng)估；完善標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)體系，全面提高測(cè)試評(píng)價(jià)能力。相信我們通過刻苦專研、努力攻關(guān)，一定會(huì)盡快掌握核心技術(shù)，建立健全生產(chǎn)配套體系和法規(guī)體系，迎頭趕超發(fā)達(dá)國(guó)家。

編輯：黃飛

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