燃料电池汽车的关键技术

1. 燃料电池汽车的关键技术

电动汽车的关键能源动力技术包括电池技术、电机技术、控制器技术。电池技术、电机技术和控制器技术是电动汽车所特有的技术，这3项技术也是一直制约电动汽车大规模进入市场的关键因素。 电池是电动汽车的动力源泉，也是一直制约电动汽车发展的关键因素。电动汽车用电池的主要性能指标是比能量(E) 、能量密度(Ed)、比功率(P)、循环寿命(L)和成本(C)等。要使电动汽车能与燃油汽车相竞争，关键就是要开发出比能量高、比功率大、使用寿命长的高效电池。电动汽车用电池经过了3代的发展，已经取得了突破性进展。第1代是铅酸电池，目前主要是阀控铅酸电池(VRLA) ，由于其比能量较高、价格低和能高倍率放电， 因此是目前惟一能大批量生产的电动汽车用电池。第2代是碱性电池，主要有镍镉、镍氢、钠硫、锂离子和锂聚合物等多种电池，其比能量和比功率都比铅酸电池高，因此大大提高了电动汽车的动力性能和续驶里程，但其价格却比铅酸电池高。第3代是以燃料电池为主的电池，燃料电池直接将燃料的化学能转变为电能，能量转变效率高，比能量和比功率都高，并且可以控制反应过程，能量转化过程可以连续进行，因此是理想的汽车用电池还处于研制阶段，一些关键技术还有待突破。广泛应用于电动汽车的燃料电池是一种称为质子交换膜的燃料电池(PEMFC) ，它以纯氢为燃料，以空气为氧化剂，不经历热机过程，不受热力循环限制，因此能量的转换效率高，是普通内燃机热效率的2～3倍。同时，它还具有噪音低、无污染、寿命长、启动迅速、比功率大和输出功率可随时调整等特性，使得PEMFC非常适合用作交通工具的动力源。 美国和加拿大是燃料电池研发和示范的主要区域，在美国能源部（DOE）、交通部（DOT）和环保局（EPA）等政府部门的支持下，燃料电池技术取得了很大的进步，通用汽车、福特汽车、丰田、戴姆勒奔驰、日产、现代等整车企业均在美国加州参加燃料电池汽车的技术示范运行，并培育了美国的UTC（联合技术公司）、加拿大的巴拉德（Ballad）等国际知名的燃料电池研发和制造企业美国通用汽车公司2007 年秋季启动的Project Driveway 计划，将100 辆雪佛兰Equinox 燃料电池汽车投放到消费者手中，2009 年总行驶里程达到了160万km。同年，通用汽车宣布开发全新的一代氢燃料电池系统，新系统与雪佛兰Equinox 燃料电池车上的燃料电池系统相比，新一代氢燃料电池体积缩小了一半，质量减轻了100 kg，铂金用量仅为原来的1/3。通用汽车新一代燃料电池汽车的铂金用量已经下降到30 g，按照目前国际市场价格，铂金为300~400 元/g，100 kW燃料电池的铂金成本约为1 万元人民币，燃料电池的成本大幅度下降。预计到2017 年，100 kW燃料电池发动机的铂金用量将下降到10~15 g，达到传统汽油机三效催化器的铂金用量水平。美国在2006 年专门启动了国家燃料电池公共汽车计划（National Fuel Cell City Bus Program，NFCBP），进行了广泛的车辆研发和示范工作，2011 年美国燃料电池混合动力公共汽车实际道路示范运行单车寿命超过1.1 万h 。美国在燃料电池混合动力叉车方面也进行了大规模示范，截至2011 年，全美大约有3000 台燃料电池叉车，寿命达到了1.25 万h 的水平。燃料电池叉车在室内空间使用，具有噪音低、零排放的优点。 欧洲的燃料电池客车示范计划，完成了第6 框架计划（Framework Program，2002—2006）和第7 框架计划（2007—2012），目的是突破燃料电池和氢能发展的一些关键性技术难点，在CUTE (Clean Urban Transport for Europe, 欧洲清洁都市交通）及欧盟其他相关项目支持下，各个城市开展燃料电池公共汽车示范运行，今年新的计划 CHIC（ Clean Hydrogen in European Cities, 欧洲清洁都市交通）开始实施，包括阿姆斯特丹、巴塞罗那、汉堡、伦敦、卢森堡、 马德里、波尔图、斯德哥尔摩、斯图加特、冰岛以及澳大利亚珀斯， 即澳大利亚STEP 项目（Sustainable Transport Energy Program，可持续交通能源计划）等，欧洲在燃料电池汽车的可靠性和成本控制等方面取得了长足的进步。在德国，2012 年6 月，主要的汽车和能源公司与政府一起承诺，建立广泛的全国氢燃料加注网络，支持发展激励计划，即到2015 年，全国建成50 个加氢站，为全国5000 辆燃料电池汽车提供加氢服务[7] 。戴姆勒奔驰于2011 年开展燃料电池汽车的全球巡回展示，验证了燃料电池轿车性能已经达到了传统轿车的性能，具备了产业化推广的能力。戴姆勒集团参与“ Hy FLEET：CUTE（2003-2009）”项目。36 辆梅赛德斯－奔驰Citaro 燃料电池客车已由20 个交通运营商进行运营使用，运营时间超过14 万h、行驶里程超过220 万km。但是第一代纯燃料电池的客车，寿命只有2 000 h，经济性较差。戴姆勒集团与2009 年开始推出第二代轮边电机驱动的燃料电池客车，主要性能达到了国际先进水平，其经济性大幅度改善，燃料电池耐久性达到1. 2 万h。德国西门子公司研发的燃料电池，已经成功地应用于德国的214 型潜艇上（氢氧型） [11] 。2007 年德国戴姆勒奔驰公司，美国福特汽车公司和加拿大Ballard公司合作， 成立AFCC 公司（Automotive Fuel Cell Cooperation，车用燃料电池公司），以研发和推广车用燃料电池。2013 年年初，宝马公司决定与燃料电池技术排名第一的企业——丰田汽车公司合作，由丰田公司向宝马公司提供燃料电池技术。 从全球范围看，日本和韩国的燃料电池研发水平处于全球领先，尤其是丰田、日产和现代汽车公司，在燃料电池汽车的耐久性，寿命和成本方面逐步超越了美国和欧洲。丰田公司的2008 版FCHV-Adv 在实际测试中，实现了在－37 ℃顺利启动，一次加氢行驶里程达到了830km，单位里程耗氢量0.7 kg/（100 km），相当于汽油3L/（100 km），如图3 所示 [12] 。2013 年11 月，丰田在“第43 届东京车展2013”上，展出了计划在2015 年投放市场的燃料电池概念车，作为技术核心的燃料电池组目前实现了当时公开的全球最高的3 kW/L 功率密度。该燃料电池组去掉了加湿模块，不但降低了成本、车质量和体积，还减少了燃料电池的热容量，有利于燃料电池在低温条件下迅速冷启动。如图5所示为丰田公司的FCHV-Adv。目前丰田汽车公司在扩大混合动力汽车的同时，重点针对燃料电池汽车的产业化进行准备，拟在2015年投放新一代燃料电池轿车，进行批量生产；2016 年生产（与日野合作）新一代燃料电池客车。和丰田汽车公司类似，日产汽车也投入巨资开展燃料电池电堆和轿车的研发，2011 年日产的燃料电池电堆，功率90 kW，质量仅43 kg，2012 年，日产汽车公司研发的电堆功率密度达到了2.5 kW/L，这在当时是国际最高水平[14] 。另外，本田公司新开发的FCX Clarity燃料电池汽车，能够在－ 30℃顺利启动，续驶里程达到620 km[15] ，2014 年，本田宣布的新一代燃料电池堆功率密度也达到3 kW/L。韩国现代从2002 开始研发燃料电池汽车，2005 年采用巴拉德的电堆组装了32 辆运动型多功能车(sports utility vehicle，SUV)，2006 年推出了自主研发的第一代电堆，组装了30 台SUV，4 辆大客车，并进行了示范运行；2009—2012 年间，开发了第2 代电堆，装配100 台SUV，开始在国内进行示范和测试，并对电堆性能进行改进；2012 年，推出了第3 代燃料电池SUV 和客车，开始全球示范；2013 年，韩国现代宣布将提前2年开展千辆级别的燃料电池SUV（现代ix35）生产，在全球率先进入燃料电池千辆级别的小规模生产阶段。该SUV 采用了100 kW燃料电池，24 kW锂离子电池，100 kW电机，70 MPa 的氢瓶可以储存5.6 kg 氢气， 新欧洲行驶循环（New European Drive Cycle，NEDC) 循环工况续驶里程588 km，最高车速160 km/h。 在中国国家“八六三”高技术项目、“十五规划”的电动汽车重大科技专项与“十一五规划”节能与新能源汽车重大项目的支持下，通过产学研联合研发团队的刻苦攻关，中国的燃料电池汽车技术研发取得重大进展，初步掌握了整车、动力系统与核心部件的核心技术，基本建立了具有自主知识产权的燃料电池轿车与燃料电池城市客车动力系统技术平台，也初步形成了燃料电池发动机、动力电池、DC/DC 变换器、驱动电机、供氢系统等关键零部件的配套研发体系，实现了百辆级动力系统与整车的生产能力。中国燃料电池汽车正处于商业化示范运行考核与应用的阶段，已在北京奥运燃料电池汽车规模示范、上海世博燃料电池汽车规模示范、UNDP（United Nations Development Programme， 联合国开发计划)燃料电池城市客车示范以及“十城千辆”、广州亚运会、深圳大运会等示范应用中取得了良好的社会效益中国燃料电池轿车采用独具特色的“电—电混合”动力系统平台技术方案，具有“动力系统平台整车适配、电—电混合能源动力控制、车载高压储氢系统、工业副产氢气纯化利用”的技术特征。在“十五规划”研发的基础上，“十一五规划”新一代燃料电池轿车动力系统结合整车平台的改变，采用扁平化的动力系统布置方式，燃料电池发动机氢气子系统、空气子系统与冷却系统采用模块化分散布置的模式，增加了动力系统与整车适配的柔性，明显提升整车的人机工程性能。同时，优化集成DC/DC 变换器、DC/AC控制器以及电动空调和低压变换器等功率元器件的动力系统控制单元，在提升模块化的同时方便集中处理电磁兼容、系统冷却以及电安全等问题，体现了电动汽车动力系统集成设计的方向。与“十五规划”燃料电池轿车动力系统相比，新一代动力系统的性能得到进一步优化与提高。主要表现在：燃料电池发动机功率从40 kW 提高到55 kW；动力蓄电池容量从48 kWh 减小到26 kWh ；电机功率从60 kW 提高到90 kW；电机控制器(DC/AC) 功率提高35%，体积比功率增加12.5%。同时，动力系统继续保持燃料经济性的技术优势，在车辆整备质量增加近250 公斤的前提下整车动力性明显提高，燃料经济性则仍然保持在1.2 kg/(100 km) 的原有水平。中国国家“八六三”高技术项目持续支持燃料电池汽车的技术研发工作，“十二五规划”期间为保持中国电动汽车技术制高点，继续保持了对燃料电池汽车的支持力度。从产业界来看，即使在“十五、十一五规划”燃料电池汽车全球产业化热潮期间，中国汽车工业界并没有在燃料电池汽车方面有明显投入，进入“十二五规划”后，在燃料电池汽车产业化趋于理性化的大背景下，上汽集团制定了燃料电池汽车发展的五年规划，以新源动力为燃料电池电堆供应商，开始投入大量资金研发燃料电池汽车，目前正进行第3 代燃料电池轿车FCV 的开发，在2011 年必比登比赛中，上汽开发的FCV 在燃料电池轿车组别中，名列第3。同济大学已开展多轮燃料电池轿车的研发工作，研制的燃料电池轿车已在奥运会、世博会进行大规模示范运行。在“十二五规划”期间，同济大学将为中国第一汽车集团公司、东风汽车公司、奇瑞汽车股份有限公司和中国长安汽车集团股份有限公司集成燃料电池轿车。在中国城市循环条件下，代表性燃料电池混合动力轿车的技术参数如表6 所示。

2. 燃料电池的研究进展

科学家研发展动力燃料电池：替代铂进行催化韩国高丽大学的一个科学家组概述了一个用人尿内的碳原子制造廉价电力的计划。这些研究人员称，他们会用天然存在于人尿中的碳取代燃料电池内昂贵的铂。燃料电池是一项通过氢氧反应把化学能变成电能的很有发展前途的技术。 根据这项技术，把氢气送到燃料电池一侧、带有负电荷的阳极上，同时氧被送到燃料电池另一侧、带有正电荷的阴极上。在阳极上，一种通常是铂的催化剂把氢原子的电子分离出来，留下带正电荷的氢离子和自由电子。阳极和阴极之间的一张膜只允许氢离子通过。这意味着电子只有沿着外电路移动，继而产生电流。 科学家希望燃料电池将来有机会得到广泛应用，为汽车和住宅提供电力。问题是燃料电池内的催化剂过于昂贵，而且它的高成本现已抑制这项技术的商业发展。但通过用具有相似特性的碳代替铂，韩国研究人员认为他们可能大幅降低燃料电池的成本。 生物质燃料低温电池2014年2月9日，美国科学家开发出一种直接以生物质为原料的低温燃料电池。这种燃料电池只需借助太阳能或废热就能将稻草、锯末、藻类甚至有机肥料转化为电能，能量密度比基于纤维素的微生物燃料电池高出近100倍。这种技术，在室温下就能对生物质进行处理，对原材料的要求极低，几乎适用于所有生物质，如淀粉、纤维素、木质素，甚至柳枝稷、锯末、藻类以及禽类加工的废料都能被用来发电。如果缺乏上述原料，水溶性生物质或悬浮在液体中的有机材料也没有问题。该设备既可以在偏远地区以家庭为单位小规模使用，也可以在生物质原料丰富的城市大规模使用。实验显示，这种燃料电池的运行时间长达20小时，这表明POM催化剂能够再利用而无需进一步的处理。研究人员报告称，这种燃料电池的最大能量密度可达每平方厘米0.72毫瓦，比基于纤维素的微生物燃料电池高出近100倍，接近目前效能最高的微生物燃料电池。邓玉林认为，在对处理过程进行优化后应该还有5倍到10倍的提升空间，未来这种生物质燃料电池的性能甚至有望媲美甲醇燃料电池。 直接甲酸燃料电池科研人员通过向普通的碳黑中掺杂磷化镍(Ni2P)获得了一种简单廉价的复合载体，然后将钯负载在该复合载体上得到直接甲酸燃料电池用阳极电催化剂。据介绍，该类催化剂在酸性环境中的活性、寿命、抗中毒能力及长效工作稳定性方面均优于商业催化剂和其他已经报道的催化剂。其中，利用该体系中的Pd-Ni2P/C作为DFAFC催化剂时其功率密度高达550mW/cm2，较商业性能提高2.5倍，是目前所见文献报道的DFAFC的最高性能，相关研究成果发表于日前的《德国应用化学》上。

3. 燃料电池行业深度报告：燃料电池汽车处于爆发前夕

   1、氢能源：下一代基础性能源材料  
    国际能源转型一直沿着从高碳到低碳、从低密度到高密度的路径进行，而氢气是目前公认 的最为理想的能量载体和清洁能源提供者。氢气无毒无害，反应物为水，绿色清洁，热值高， 相当于汽油的三倍，被誉为“21 世纪的终极能源”。 
       短期：降低 汽车 尾气排放，城市环境保护。   以北京市为例，机动车排放了全市 58％的氮 氧化物、40％的挥发性有机物和 22％的细颗粒物。氢能源自柴油发动机应用的车辆市场 具有推广价值，而柴油发动机车辆在港口/码头、城市公交、跨城货运等领域带来显著的 污染。 
       中长期：降低石化能源对外依赖。   中国石油集团经济技术研究院发布《2018 年国内外油 气行业发展报告》中提到，2018 年中国的石油进口量为 4.4 亿吨，石油对外依存度升至 69.8％；天然气进口量 1254 亿立方米，对外依存度升至 45.3%。 
        2、我国具有全球最大规模的氢资源  
     工业氢气提纯具备充足的氢资源，我国氢气产能规模全球最大。   从氢气生产来源来看， 化石资源制氢居主导地位，全球主要人工制氢原料的 96%以上都来源于传统化石资源的热化学 重整，仅有 4%左右来源于电解水。从地域分布上看，亚太地区的氢气产能最大，而我国是目 前氢气产能最大的国家，也是氢气生产分布最广的国家。目前国际制氢年产量 6300 万吨左右， 我国每年产氢约 2200 万吨，占世界氢产量的三分之一，是世界第一产氢大国。 
        我国的煤炭和天然气资源储备丰富，以上两者也是我国人工制氢的主要原料，占比分别 为 62%和 19%。   随着煤制合成气、煤制油产业的发展，煤制氢产量逐年增多，其规模较大、成 本较低，制氢成本约 20 元/kg，煤气化制氢具有较大发展潜力。电解水制氢在我国氢气占比中 仅占约 4%，但在日本氢工业中占有特殊的地位，其盐水电解制氢的产能占日本所有人工制氢 总产能的 63%。 
        我国氢能资源在全球范围具有一定性价比优势。   目前我国加氢气成本大约在 70 元/kg， 较美国和日本在成本上仍较高，然而我国的汽油成本显著高于美国，从氢油比（氢气成本/汽 油成本）角度考虑有一定性价比优势。 
        我国氢能源的使用仍有极大待开发潜力。   当前我国大部分氢气应用于工业领域，主要被 合称氨、合成甲醇、石油炼化、回炉助燃灯消耗，属于自产自消的模式。每年仅有不到 500 吨的氢气对外部市场供应和销售，氢资源利用潜力巨大。 
        各类氢气来源存在一定的技术和成本差别，电解制氢与煤炭、天然气制氢成本仍有较大 差距。   氢气的制备主要可分为制取氢气和提纯氢气两大类，煤炭制氢成本最低，为 0.8 1.1 元/立方米，天然气制氢成本为 0.9 1.5 元/立方米，我国的电解制氢发展仍处早期，成本在 3 元/立方米左右，未来还有较大下降空间。 
        地方政府和能源企业对于工业氢气的利用有切实的发展意愿   。我国每年弃光、弃风、弃 水等大约有 1000 亿度电，工业副产氢也有 1000 万吨以上，对于这两个“1000”的利用，全国 多地政府和能源企业都已积极开展相应布局。 
     我国氢能利用已具备一定技术基础，从航天、军用逐渐向民用推广，在华北、华东和华 南等地区形成了氢能源区域产业集群。  
       航天领域：   航天 科技 集团六院北京 11 所研制的 YF-75 氢氧发动机。迄今为止，YF-75 发 动机已参加 97 次飞行任务。2004 年探月工程正式开展后，YF-75 发动机是嫦娥系列任务 中主力装备。2019 年嫦娥四号探测器首次在月球背面预选区域着陆，也由来自装备 YF-75 氢氧发动机的长三甲系列火箭完成。 
       军用领域：   中国船舶重工集团开发的燃料电池潜艇，从斯特林发动机替换为氢燃料电池， 基于质子交换膜燃料电池和金属储氢技术。 
       先进技术的民用化推广。   航天 科技 集团六院长期致力于氢能在火箭发动机领域的研究和 应用，在燃料电池技术领域，拥有质子交换膜燃料电池系统动力应用、可再生能源储能 应用及泵阀关键部件技术，具备了百千瓦级氢氧/氢空及再生燃料电池系统研制能力。中 船重工七一二所研发的首台 58 千瓦燃料电池发动机， 2019 年 5 月顺利通过中汽中心天   津   汽车 检测中心的强制性检验，这款型号为 CSIC712-FCE58A 的发动机，采用氢空质子交 换膜燃料电池电堆，是七一二所面向城市客车开发的燃料电池发动机。 
     1、氢能源的重要应用-燃料电池  
     氢能源为电力能源的重要载体   。电能替代是 社会 能源消费的长期趋势 ，氢能源最终通过 电力能源实现。合理利用氢能，一方面能提高能源利用效率，减少能源浪费，另一方面可以控 制环境污染，降低大气污染和温室气体排放。从中长期来看，加大氢能的发展利用将进一步保 障我国能源安全。 氢能源的单位热值远高于汽油、柴油、焦炭等，将满足电力能源的供给需求错配。 
     氢能 源的热值较高，通过大型移动的运输设备，未来将会使能源消耗错配做到极致。   氢能既可作为 化学能源形式的长周期储备，又可于交通领域应用在长途运输、大卡车、海洋运输等环节，还 可以应用在高温加热的工艺产业上。清华大学教授毛宗强在氢能行业会议上表示，氢能的应用 是多方面的，也是未来有望代替石油和天然气的清洁能源。 
        
        燃料电池 汽车 是氢能源利用极具成长性的下游行业。   虽然氢燃料电池 汽车 （ FCEVs ）在 我国目前处于起步阶段，但燃料电池 汽车 性能的优秀不可否认，目前国外大规模销售的 FCEVs 各方面性能与内燃机 汽车 不相上下，有些远优于电动 汽车 （BEVs）。燃料电池具有环境友好、 发电效率高、噪音低、可用燃料范围广等优点，当前我国燃料电池产业的主要发展瓶颈在于生 产成本高（铂催化剂价格高昂）、技术水平较国际落后以及氢产业链配套设施不够成熟，远期 的发展空间巨大。 
        燃料电池 汽车 具有能源补给的时间优势和经济性劣势，运营市场将会是起步阶段重点发 展领域。   燃料电池 汽车 的续航里程普遍在 500 公里以上，和目前中高端纯电动 汽车 续航相当， 而从能源补给时间角度，燃料电池 汽车 加氢仅需不到 3 分钟，远低于插电混动或纯电动 汽车 。 由于目前燃料电池 汽车 产业发展仍处于初期阶段，加氢站等基础设施投入以及整车制造成本都 较高，短期来看燃料电池 汽车 比较适合的应用场景预计会是运营市场。 
        质子交换膜燃料电池对我国氢能产业发展更具有现实意义。   氢燃料电池按不同电解质可 分为碱性燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池和质子交换膜 燃料电池(PEMFC)。其中，质子交换膜燃料电池的工作温度最低，还具有响应速度快和体积小 等特点，目前最契合新能源 汽车 的使用，被认为是未来燃料电池 汽车 最重要的发展方向之一。 
     锂电池在乘用车领域更具优势。   锂电池产品较燃料电池有更简单的产品结构，更清晰的 发展路径和更成熟的产业化分工，当前产品系列性能也区域丰富。锂电池性能的不断提升，正 逐渐蚕食众多原本燃料电池具有领先优势的应用领域。在 2019 年燃料电池行业会议中，上海 捷氢 科技 有限公司系统开发部总监表示，他们对比了纯电动车型和氢燃料电池 汽车 型在未来的 竞争优势，从成本上来说，乘用车续航里程 400 公里以下，燃料电池相对纯电动是没有优势的。 
     燃料电池的产业化应用，尚处于中长期能源战略布局的地位。  
       商用车领域燃料电池驱动定位为辅助能源：   潍柴动力董事长谭旭光表示：发展新能 源车并不是要完全取代柴油车，而是应用在适合采用新能源车辆的工况中。比如城 市公交、港口牵引车等，推广新能源车辆，使其与柴油车搭配工作，能够兼顾经济 效益与 社会 环保。他甚至预言，未来 20-30 年，氢将成为能源结构的重要组成部分， 但市占率不会超过 10%。 
       当前船舶动力 95%是柴油体系，尚未实现天然气化，燃料电池中长期或存增长空间   。 受成本、安全、寿命等多种因素影响，燃料电池在民用船舶领域目前尚不具备大规 模商业化应用的条件，但是随着国际公约法规对船舶排放要求的日益严格，燃料电 池系统卓越的排放性能有可能将其推向船舶动力市场的新风口，尤其是豪华游轮在 船舶行业逐渐崛起的今天，燃料电池系统噪音低的优势完美满足了豪华游轮对舒适 度的要求。 
     2、氢能源利用涉及到的关键技术  
     氢能源制取-混合气体的变压吸附技术（PSA）。  
      基本原理：变压吸附的基本原理是：利用吸附剂对气体的吸附有选择性，即不同的 气体（吸附质）在吸附剂上的吸附量有差异和一种特定的气体在吸附剂上的吸附量 随压力变化而变化的特性，实现气体混合物的分离和吸附剂的再生。 
      当前应用：变压吸附技术在石油化工、医药、食品饮料等行业具有广泛应用，四川 天一 科技 、上海化工研究所和北大先锋公司是国内领先的变压吸附系统设计建设机 构。在石化领域，PSA 法得到的氢气纯度可达到 99.9%以上水平（燃料电池需求纯度 为 99.99%）。上市公司：天科股份（西化院下属）。 
        氢能源运输-从拖车输送到管道输送。   目前钢企副产氢气是加氢站氢气的主要来源，其被 使用高压氢气瓶集束拖车运输。举例来说，若 1 辆拖车装有 18 个高压氢气瓶，每次可以以 20MPa 的压力运送 4000Nm3的氢气。平时站区里停泊 2 辆拖车，另有 1辆拖车往返加氢站和氢源之间， 运送氢气，并替换站内空车。基于 200km 左右运输距离和每天 10 吨的运输规模来测算，气氢 拖车的成本可以达到 2.02 元/kg。 
        氢能源运输-从高压气罐到管道输送。  
       高压气罐：   依托 LNG 产业基础，一般长管储氢压为 15 20MPa，一般单管储氢量为 17 20k，将 CNG 储气管进行产品升级可实现。 
       液氢储罐：   依托航天工业技术基础，单次送氢量为气罐 10 倍以上。额外增加氢气液 化和液氢罐成本，目前测算单日加氢量达到 1000kg 以上具有比较经济性。 
       管道运输：   依托天然气产业基础，瓶颈在成本。在美国，现有的氢气管道系统约为 2400 公里，而在欧洲已有近 1600 公里，中国的管道运氢量在 400 公里。中石油管道 局 2014年完成国内最大氢气管道建设施工：投资1.54亿，长度25km，设计压力 4Mpa， 年输氢量 10.04 万吨。单位投资为天然气管道 2 倍左右。 
        氢能源储存加注：   加氢站内的储氢罐通常采用低压(20 30MPa)、中压(30 40MPa)、高 压(40 75MPa)三级压力进行储存。有时氢气长管拖车也作为一级储气(10 20MPa)设施，构成 4 级储气的方式。国外市场大多采用的 70MPa 氢气，国内大部分采用了 35MPa 氢气压力标准。 目前中国的加氢站加氢能力最高的为 1000-2000kg/d，最低的为 100kg/d。 
       站内制氢   ：原材料为天然气，重整制氢气。单个站投资规模会在 300~500 万美元的 水平。 
       外供加氢   ：中国主要的加氢站方式。单个站投资规模在

4. 燃料电池汽车的核心技术

被誉为新一代环保车型的燃料电池汽车可不使用传统化石燃料，而以来源丰富的氢气作为燃料，运行后的排放物只有水，且不排放CO2。燃料电池汽车通过电机驱动车辆，可兼顾静音性与良好的行驶性能，燃料填充时间较短，并能确保与内燃机汽车相近的续航里程。各汽车制造商目前正在积极开展针对燃料电池汽车的研发与推广工作。介绍了丰田公司燃料电池系统(TFCS)及燃料电池堆的结构、设计与控制。着重阐述了燃料电池系统的1项核心技术，即“水管理控制技术”，以及基于燃料电池堆的设计过程与燃料电池堆内部状态的可视化及计测技术。
0 前言
近年来，由于地球温室效应日益加剧，石油资源也在日渐枯竭，能源安全(尤指稳定供应能源等)问题得以不断凸显，运行中不产生CO2的新能源汽车逐渐引起了广泛关注。丰田公司于近期设立了“CO2零排放目标”，并提出到2050年，提高新能源汽车的销售比例，目前正在对此开展相关研究(图1)。

FCV 具有以下特点：(1)以氢气作为燃料，氢气可通过化石燃料在内的多种能源进行制取，来源广泛；(2)行驶中的排放物只有水；(3)由于主要驱动装置是电机，所以可充分兼顾静音性与良好的行驶性能；(4)具有较短的燃料填充时间，同时能确保与内燃机汽车相近的续航里程。目前，社会各界正迫切希望该类环保车型得以实用化。考虑到FCV的诸多优点，研究人员认为FCV同样也可满足中长距离的运输需求(图2)。丰田公司于2014年在世界范围内首开先河，上市销售了量产型FCV“MIRAI”车型。此外，丰田公司于2018年上市销售了沿用了该燃料电池系统的新型燃料电池城市客车“SORA”(图3)，而且针对轻型货车的验证评审也正在逐步开展中(图4)。



 
1 丰田公司燃料电池系统
丰田公司将混合动力技术定位成新能源汽车的核心技术，将混合动力系统的发动机替换为燃料电池系统，将燃油箱替换为丰田公司的燃料电池系统(TFCS)(图5)。

燃料电池系统由进行发电的燃料电池堆、供应氢燃料的氢气系统、供应氧气的空气系统，以及冷却系统所构成(图6)。燃料电池堆发出的电能通过燃料电池升压转换器向主驱动电机及高电压蓄电池等高压系统供电(图7)。就对燃料电池堆发电有着重要影响的电解质传导性而言，其灵敏度会随着附近环境的相对湿度而发生显著变化。不仅如此，反应过程中生成的水会影响到燃料电池堆内的燃料供应过程，因而对生成水的管理可谓至关重要。本文论述了基于燃料电池堆水管理而进行的相关设计与系统控制。


 
2 燃料电池堆
燃料电池堆通过设计单电池的电极面积和单电池数量，从而获得所需的电能。在通常情况下，单电池由作为氢气与氧气反应部位的膜电极总成(MEA)、显微渗透层(MPL)、气体扩散层(GDL)、用于从外部供应氢气和空气的气体通道，以及隔板等部件构成(图8)。

丰田公司通过对燃料电池流道及MEA 进行改进，使燃料电池系统实现了高密度化。此外，由于对单电池内部弹簧机构的有效应用，简化了电池的连接构件。同时，由于电池本身的薄型化，缩小了体积尺寸。而且，随着隔板材质的调整，电池全重有效减轻了，使电池具备较高的功率密度(3.1 kW/L 与2.0 kW/kg，图9)。结果表明，燃料电池电极铂催化剂的使用量还降低了(图10)。不仅如此，为避免降低接触阻力并确保耐蚀性，隔板的表面处理工艺也从电镀金处理调整为较廉价的聚合非晶碳镀层(PAC)，从而显著降低了成本。


2.1 高电流密度化
电池性能是由理论起动电压的损失(超电压)所决定的。超电压总体可分为以下3类：源于催化反应的“活性化超电压”，源于电子、质子移动的“电阻超电压”和源于反应过程的“浓度超电压”(图11)。就聚合物电解质燃料电池(PEFC)而言，由于发电过程中生成的水处于液相状态，单电池内的气体扩散受阻会导致浓度超电压进一步恶化。另一方面，在易于形成蒸汽的高温区，由于电解质附近的相对湿度有所降低，作为质子移动电阻的电阻超电压也会相应增加。通过以上分析，如要实现燃料电池的高电流密度化，针对发电过程中生成的水而开展的构件设计及控制是至关重要的，为燃料电池水管理技术的核心理念。

2.2 降低浓度超电压
在低温及普通运转温度区，由于发电而生成的水会滞留于空气极侧的电池流道、GDL、MPL 及MEA中，从而产生浓度超电压。在通常情况下，与气体流道不接触的GDL及MEA内容易积存液态水。而在丰田的MIRAI车型上配装的燃料电池堆的单元流道结构，采用了3D细网格状结构。在优化了氧气供应并排出液态水的同时，由于隔板表面具有一定亲水性，将液态水导向流道表面，进而降低了浓度超电压(图12、图13)。此外，在GDL内，通过调整碳素纤维与黏合剂的比例以实现最优化。而在MPL方面，通过实现碳黑颗粒的粗颗粒化而降低透水压力，使气体扩散性提高约2倍，进而降低了浓度超电压。


2.3 降低电阻超电压
为了确保PEFC中电解质的质子传导性能，需使电解质周围环境保持湿润状态。在常规的燃料电池系统中，通过加湿器可排出反应中生成的水，将其返回燃料电池堆并进行加湿处理。配装在MIRAI车型上的TFCS，可通过结构简化以提高可靠性。丰田公司以降低成本为目标，取消了该类加湿器，基于自加湿理念而对各个构件进行设计，由此实现了与以往相似的高温性能(图14)。自加湿的工作机理是在干燥的空气入口处通过氢气极对空气进行加湿。该设计方式不仅兼顾了各个构件，而且与冷却水流量及氢循环泵流量等系统实现了有机结合。

燃料电池在高温状态下运转时，空气极入口湿度会相对较低。在MEA 内部的催化剂附近，质子传导性会逐渐恶化，进而会使电阻超电压有所增加。在外观上，催化剂有效表面积减少，使燃料电池性能恶化。通过增加包覆催化剂电解质官能团的方式，以确保催化剂有效表面积的不变。在提高质子传导性的同时，通过电解质/载体碳比率的最佳化及催化剂载体碳的实心化，即使在低湿度环境下，也能有效增加催化剂的表面积。同时，通过该措施还实现了单电池流道形状的最佳化，有效抑制了空气极入口处的干燥趋向。除了针对上述构件的设计过程外，由于系统自身运转条件得以最佳化，即便在高温环境下，单电池的发电过程也可处于稳定运行状态，从而将超电压的发生可能性控制在最小限度以内(15、图16)。


另一方面，由于燃料电池在低湿度条件下进行发电会出现游离基浓缩现象，导致电解质化学性能逐步老化。同时，由于薄膜化会引起机械特性降低，进而导致薄膜裂纹等问题。研究人员采取的对策包括向电极添加游离基淬灭材料，降低铁离子污染，以及利用3D细网流道使电极表面压力均匀化，以此确保了其耐久性能(图17)。

 
3 燃料电池堆的水管理控制
为使燃料电池堆的发电性能时常保持在最佳状态，研究人员根据交流阻抗法，并通过车载装置计测了MEA构件的电阻，进而对燃料电池的运转条件进行调整。
3.1 基于交流阻抗法的含水量计测
图18示出了常规燃料电池的等效电路。图中Rohm为电解质膜的电阻，Rvoid为GDL的电阻，Rion为电解质的电阻。这些电阻会随着含水率的不同而发生变化。在处于适度的湿润状态时，各部位电阻值均保持在较低状态。在冷却过程中，由于GDL内部液态水大量存在，导致扩散阻力有所增加，所以Rvoid值会相应增大。相反，在高温运转时等含水率较低的状态下，Rohm和Rion会有所增大，并产生电阻超电压。

燃料电池升压转换器(图7)的直流指令电流值是通过重叠高频与低频的2种正弦波电流值而进行计测的。Rohm是通过高频正弦波重叠电流计测的阻抗值(HFR)而计算得出的。另一方面，Rvoid是根据LFR，再针对Rohm及Rion进行计算而得出的。
3.2 燃料电池堆的自加湿控制
TFCS在高温状态下运转时，改变氢气极的工作条件以进行水管理。为使水得以有效分配到氢气极表面，根据相关运转条件，可通过控制氢气泵以增加氢循环量。在确保了必要的氢循环量之后，通过降低氢气极入口压力的方式，促使氢气极表面的水实现不断流动。由于上述对策的运用，催化剂附近环境较为湿润，即便不采用外部加湿处理，也能有效提高系统运转时的环境温度(图19)。

3.3 燃料电池高温运转时的水管理控制
以计测方式得出的阻抗值为基础，控制MIRAI车型氢气泵流量、燃料电池水温等参数，由此进行水管理。图20表示进行水管理控制时车辆在较陡坡道上高速行驶时的评价结果。图21则示出了在未进行水管理控制的条件下，车辆在较陡坡道上高速行驶时的评价结果。在进行水管理控制的条件下，Rohm数值较为稳定，冷却水温度上升情况受到抑制，由此可以得到燃料电池堆的输出功率。另一方面，在未进行水管理控制的条件下，由于受到冷却水温度的影响，阻抗值出现了较大的变动，同时也无法确保同样的输出功率。此时，燃料电池堆的电池特性也面临着同样问题，即在全电流区的阻抗值较高，无法输出规定的电压。可认为该现象是电解质膜等部件的电阻超电压有所增加的原因之一(图22)。另外，由于电压降低，燃料电池堆的发热情况也会逐步加剧，进而导致冷却水温度上升。该结果表明，电解质及电解质膜的含水率有所降低，导致燃料电池发电特性面临着进一步恶化的现象。



由以上分析可知，水管理控制可使电解质膜等部件处于稳定状态并得以润湿，同时改善燃料电池堆的发电特性，并能有效抑制冷却水温度的上升。
3.4 0 ℃下起动时的水管理控制
燃料电池系统在0 ℃下起动时面临的主要问题是燃料电池系统内部的残留水及由于发电过程中生成的水会出现冻结现象，无法向MEA 及时供应工作所需的氢气与氧气。由此面临的最恶劣情况即为燃料电池无法正常发电。
图23示出了在0 ℃环境下的系统控制流程图。在0 ℃环境下燃料电池系统采用的水管理技术理念主要是确保起动时气体供应系统得以正常运转。在水即将冻结时，采用可使燃料电池系统升温到0 ℃以上的“快速暖机”控制系统。

3.5 降低含水量控制
通过测量阻抗值，可以计算出燃料电池堆发电部位的含水量。GDL内的含水量能充分利用Rvoid进行管理。降低含水量控制是在运转过程中及系统停止运行时，控制冷却水温度、空气流量、氢气循环量等参数，并合理调节阻抗值，以便即使在0 ℃以下的环境内进行起动时，也不会面对由于气体扩散所导致的问题，从而使燃料电池实现顺利起动(图24)。

3.6 快速暖机控制
在燃料电池堆的温度处于0 ℃以下时，发电特性比正常运转时更低。同时，由于生成的水逐渐冻结，导致燃料电池堆无法实现持续发电(图25)。因此，当冷起动时的温度在0 ℃以下时，为了能继续发电，须使燃料电池堆的温度处于0 ℃以上。
燃料电池堆在发电时，随着各类能量损失的出现，会同时出现发热现象。燃料电池堆处于正常运转工况时，须使发热量处在最小限度内，并高效运转。如需实现燃料电池堆的快速升温，应降低反应过程所需的空气量，进而逐渐增大浓度超电压(图26)。


图27示出了在-15 ℃温度环境下的快速暖机控制。根据燃料电池温度为-15 ℃时的实际车辆评价结果，从系统校验后的8 s开始，燃料电池堆即可进行发电。由于一方面须维持一定的输出功率，另一方面须缓慢地降低电压，使燃料电池堆的发热量有所增加，最终将燃料电池输出功率控制为5~90 kW。此外，目前已确认了燃料电池堆可在32 s左右的时间内增温至0 ℃以上。

 
4 结语
本文以燃料电池系统的1项核心技术“水管理”为研究对象。运用可视化及计测技术，实现了定量化处理，将该技术有效运用于燃料电池堆的设计与系统控制过程中。水管理是燃料电池堆的1项关键技术，今后还将依据相关原理，对燃料电池堆的运作机理进行说明，从而推进燃料电池堆系统的小型化、低成本化,以及性能提升等方面的工作。
注：本文发表于《汽车与新动力》杂志2020年第3期
作者：[日]?今西啓之等
整理：彭惠民
编辑：伍赛特
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5. 售价 46 万美元 首款甲醇燃料电池汽车将于 2021 年交付

据外媒报道，奥迪运动（Audi Sport）部门前主管 Roland Gumpert 创办了一家汽车公司，该公司生产了全球首辆以甲醇为燃料的汽车-Gumpert Nathalie。预计该款车将于 2021 年推出。

Gumpert Nathalie车型采用了 Gumways 和爱驰汽车（Aiways）的最新设计，并采用了甲醇燃料电池。该车原计划在 2020 年日内瓦车展上展出。但由于冠状病毒，导致日内瓦车展取消。
Gumpert Nathalie 配备的四电机最大马力可达 536 匹，百公里加速时间仅需 2.5 秒。最高时速可达 300km/h。65 升的甲醇燃料箱在装满甲醇的情况下，续航里程可达 820 公里。该车限量 500?辆，售价 46?万美元（约合人民币 321.73?万），将于 2021?年交付。
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6. 现代再推氢燃料电池技术，并将与美国展开合作

在刚刚过去的2019年，全球氢能产业持续发展，燃料电池出货量涨幅达40%，全球范围内，采用燃料电池的乘用车销量也达到了创纪录的7500辆，对比2018年同期暴增近90%，不难看出，即使燃料电池在乘用车上的发展充满了争议，但这个细分市场还是在2019年给出了一份令人惊讶的答卷。

另外值得关注的是，氢燃料车销量大部分都来自单一车型：那就是现代Nexo、丰田FC Mirai以及本田Clarity Fuel Cell，韩日三巨头几乎完成了垄断。
可见目前市场上还很缺少氢燃料车型，主要原因在于电池技术的不完备，就连信誓旦旦的奔驰GLC FC都难成气候，也就不怪其它车企只能做做样子。所以2019年氢燃料车市场能够保持增长，除了两家日本企业，现代功不可没，一方面是韩国市场的高速发展，加上韩国政府在推动氢能汽车产业上发挥的巨大作用。

作为燃料电池最大的单一市场，美国近年来在乘用车的发展上似乎有所停滞，甚至出现了倒退的情况，只有少数几个地区需要基础设施来保证它们的正常行驶，加氢站也很少。根据加州氢能使用合作组织的统计，2019年美国市场卖出了2089辆氢燃料车，对比2018年下降了12%，氢能电池汽车与消费者之间有一场硬仗，这些无需充电的电动汽车背后的技术仍然很重要，足以让美国政府继续进行研究。

近日，现代汽车表示，正在加大与美国能源部在氢电池汽车研究方面的伙伴关系，该汽车制造商将交付五辆Nexo FCEV，并帮助在华盛顿地区建立一个加氢站。这些车辆和加氢站是美国能源部氢能电池计划的一部分，该计划研究与运输有关的技，现代曾在2019年派往了能源部首辆Nexo SUV，此次的这五辆新款Nexo汽车将加入行列。
说到现代，很多人可能立刻会把它与过去的经济和实用型汽车关联起来，但现实并非这样，现代Nexo是该品牌的首辆氢能电池汽车，Nexo代表了现代日益增长的生态汽车的核心技术，也象征着现代拥有了业界最多样化的动力总成选项。

它采用了特殊的车辆结构建造，拥有更大的内部空间，可将电池置于后备箱中，尽管搭载了氢燃料电池、氢罐和电池系统，Nexo的重量也只有1800公斤。由于电池被迁移到后备箱，加上改进的电池系统布局，Nexo的一个显著优势就是它的续航得到了极大提升，可达595.5公里。
而且Nexo的电池组有更多净功率输送给电机，能生产135kW（181bhp）的动力，只需9.5秒就能将从0提升到100km/h。 而且，与常规电动汽车不同的是，电动汽车充满电可能需要4小时，而Nexo只需要不到5分钟就能充分补充氢。
Nexo还配备了创新的安全配置，如盲点影像探测器，它在能在中控屏上显示出车体的后方和侧面影像，通过在车辆多方位安装广角环绕影像监视器，能够监视传统后视镜无法看到的区域。

它还配备了LFA，这是现代的最新技术，它自动修正方向，以保持Nexo时刻处在道路的中央，LFA与HDA合作，该系统利用传感器和地图数据确保在有限的环境中安全运行和自动控制速度，以辅助驾驶员更安全、更方便地长途跋涉。现代Nexo还配备了智能远程停车辅助设备，使其能够自动停车或从停车位被召唤出来。
自2004年以来，现代和联邦政府一直在氢技术方面进行合作，该公司曾提供33辆氢能电池汽车组成车队用于基础设施示范和验证项目。该声明发布的时机很奇怪，就在同一天，特朗普政府宣布了新的预算，将削减用于汽车制造先进技术贷款项目的资金，这个项目成功地向特斯拉和日产提供了巨额贷款，用于开发Model S和Leaf。

最近，现代还计划向Lordstown Motors提供数百万美元贷款，该公司希望改造已关闭的通用汽车俄亥俄州工厂，以制造电动皮卡和其它车型。当然，与一家成熟的汽车制造商合作并获得一些车辆并不等同于为初创公司获得贷款，两家公司的发展轨迹都是更清洁的交通能源，所以目前这个小规模的项目值得关注。

美国能源部副部长马克·w·梅内塞斯(Mark W. Menezes)在一份声明中表示:“美国能源部很荣幸能与现代汽车在氢电池项目上合作，并为其提供帮助，这也是我们承诺向清洁能源转型所做出的努力。”梅内塞斯继续说:“为了完成这一承诺，我们必须与工业界合作，我们很高兴与现代汽车合作，帮助推进氢能技术的进步，确保我国交通在未来的可持续性。”
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7. 国内燃料电池汽车的研发有什么进展？

上海神力科技有限公司创建于1998年｡在短短的时间里它示范了用40kW燃料电池的小公共汽车､汽车､摩托车和电动自行车｡现在正在研究在面包车上装用80kW的质子交换膜燃料电池发动机｡
上海汽车集团与同济大学合作

8. 燃料电池研究进展的介绍

科学家研发展动力燃料电池：替代铂进行催化  韩国高丽大学的一个科学家组概述了一个用人尿内的碳原子制造廉价电力的计划。这些研究人员称，他们会用天然存在于人尿中的碳取代燃料电池内昂贵的铂。燃料电池是一项通过氢氧反应把化学能变成电能的很有发展前途的技术。   根据这项技术，把氢气送到燃料电池一侧、带有负电荷的阳极上，同时氧被送到燃料电池另一侧、带有正电荷的阴极上。在阳极上，一种通常是铂的催化剂把氢原子的电子分离出来，留下带正电荷的氢离子和自由电子。阳极和阴极之间的一张膜只允许氢离子通过。这意味着电子只有沿着外电路移动，继而产生电流。   科学家希望燃料电池将来有机会得到广泛应用，为汽车和住宅提供电力。问题是燃料电池内的催化剂过于昂贵，而且它的高成本现已抑制这项技术的商业发展。但通过用具有相似特性的碳代替铂，韩国研究人员认为他们可能大幅降低燃料电池的成本。   生物质燃料低温电池  2014年2月9日，美国科学家开发出一种直接以生物质为原料的低温燃料电池。这种燃料电池只需借助太阳能或废热就能将稻草、锯末、藻类甚至有机肥料转化为电能，能量密度比基于纤维素的微生物燃料电池高出近100倍。  这种技术，在室温下就能对生物质进行处理，对原材料的要求极低，几乎适用于所有生物质，如淀粉、纤维素、木质素，甚至柳枝稷、锯末、藻类以及禽类加工的废料都能被用来发电。如果缺乏上述原料，水溶性生物质或悬浮在液体中的有机材料也没有问题。该设备既可以在偏远地区以家庭为单位小规模使用，也可以在生物质原料丰富的城市大规模使用。  实验显示，这种燃料电池的运行时间长达20小时，这表明POM催化剂能够再利用而无需进一步的处理。研究人员报告称，这种燃料电池的最大能量密度可达每平方厘米0.72毫瓦，比基于纤维素的微生物燃料电池高出近100倍，接近目前效能最高的微生物燃料电池。邓玉林认为，在对处理过程进行优化后应该还有5倍到10倍的提升空间，未来这种生物质燃料电池的性能甚至有望媲美甲醇燃料电池。   直接甲酸燃料电池  科研人员通过向普通的碳黑中掺杂磷化镍(Ni2P)获得了一种简单廉价的复合载体，然后将钯负载在该复合载体上得到直接甲酸燃料电池用阳极电催化剂。  据介绍，该类催化剂在酸性环境中的活性、寿命、抗中毒能力及长效工作稳定性方面均优于商业催化剂和其他已经报道的催化剂。其中，利用该体系中的Pd-Ni2P/C作为DFAFC催化剂时其功率密度高达550mW/cm2，较商业性能提高2.5倍，是目前所见文献报道的DFAFC的最高性能，相关研究成果发表于日前的《德国应用化学》上。