2021年4月10日，2021年中小城市公交經(jīng)驗(yàn)交流論壇在廣東省中山市隆重召開。武漢科技大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院教授雷洪鈞博士應(yīng)邀作了《燃料電池公交車基本原理及技術(shù)特征》演講。

武漢科技大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院教授、博士 雷洪鈞

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2016-2020年間，我國(guó)燃料電池汽車的銷量分別為629輛、1275輛、1527輛、2737輛、0.1萬(wàn)輛，累計(jì)超7100輛。2019年沖高，但是2020年受到疫情影響，又跌落到1000輛水平。目前燃料電池汽車是主要是公交車，分布在河北省張家口、廣東佛山（云佛）、上海、江蘇等地區(qū)。

中國(guó)節(jié)能與新能源汽車開始示范總是選擇公交車，1997年天然氣公交車、2010年的混合動(dòng)力公交車、2012年純電動(dòng)公交車，2015年燃料電池公交車。一句話，公交公司一直是中國(guó)節(jié)能與新能源汽車示范的試驗(yàn)田。

示范一方面給公交公司添了不少麻煩，同時(shí)也提升公交公司技術(shù)水平，我國(guó)公交車檔次越來(lái)越高，與公交公司是中國(guó)節(jié)能與新能源汽車試驗(yàn)田也是分不開的。

在2020電動(dòng)汽車百人會(huì)論壇上，全國(guó)政協(xié)副主席、中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)主席萬(wàn)鋼在“中國(guó)電動(dòng)汽車百人會(huì)論壇（2020）”高層論壇上,提出中國(guó)新能源汽車發(fā)展戰(zhàn)略中,氫燃料電池汽車和純電動(dòng)汽車同等重要,長(zhǎng)期共存,在市場(chǎng)應(yīng)用中,它們也各有定位,互不替代，預(yù)計(jì)2020，氫燃料電池汽車預(yù)期產(chǎn)量可達(dá)1萬(wàn)輛。受疫情影響，完成了十分之一。

看2021年能不能實(shí)現(xiàn)？如果2021年5月份以前燃料電池汽車示范城市群能批下來(lái)，這個(gè)目標(biāo)是有可能實(shí)現(xiàn)。下面對(duì)燃料電池公交車基本原理及技術(shù)特征予以介紹和討論，供大家參考。

一、燃料電池的基本知識(shí)

燃料電池是一種能量轉(zhuǎn)化裝置，它將燃料的電化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能。它類似于常規(guī)電池一樣，也是電化學(xué)發(fā)電裝置，因此被學(xué)界稱為燃料電池。（注意：此電池不是比電池）

燃料電池單池包括七層結(jié)構(gòu)，最中間一層為質(zhì)子交換膜（又稱電解質(zhì)膜），然后兩側(cè)對(duì)稱地依次為陰/陽(yáng)極催化層、陰/陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層和陰/陽(yáng)極雙極板。

1）燃料電池與常規(guī)電池的異同點(diǎn)

a）燃料電池工作時(shí)，需要連續(xù)不斷地向電池內(nèi)輸入燃料和氧化劑，只要持續(xù)供應(yīng)，燃料電池就會(huì)不斷提供電能。輸入的氫氣和氧氣，輸出地是電流和水。

b）常規(guī)電池是儲(chǔ)電能裝置。電池的電能源于電網(wǎng)對(duì)其充電。輸入的電能、輸出的也電能。（注意：）燃料電池是發(fā)電裝置。）

c）燃料電池與常規(guī)電池物理結(jié)構(gòu)不同。

d）燃料電池與常規(guī)電池類似都是化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換裝置。

2）氫燃料電池工作原理

氫氣通過(guò)燃料電池的正極當(dāng)中的催化劑（鉑）分解成電子和氫離子（質(zhì)子）。其中質(zhì)子通過(guò)質(zhì)子交換膜（Proton Exchange Membrane）到達(dá)負(fù)極和氧氣反應(yīng)變成水和熱量。對(duì)應(yīng)的電子則從負(fù)極通過(guò)外電路流向正極產(chǎn)生電能。（即電流從正極通過(guò)負(fù)載流向負(fù)極）。

采用的是質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）技術(shù)。其系統(tǒng)組成通常為：

a）燃料電池堆

由一組電極和電解質(zhì)板構(gòu)成的燃料電池單池輸出電壓較低，電流密度較小，為獲得高的電壓和功率，通常將多個(gè)單電池串聯(lián)，構(gòu)成電堆棧。相鄰單電池間用雙極板隔開，雙極板用來(lái)串聯(lián)前后單電池和提供單電池的氣體流路。

b）氫氣儲(chǔ)罐

車載高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫氣瓶主要包括鋁內(nèi)膽纖維纏繞瓶（Ⅲ型） 和塑料內(nèi)膽纖維纏繞瓶（Ⅳ型） ，車載氣瓶具有體積、重量受限、充裝有特殊要求、使用壽命長(zhǎng)和使用環(huán)境多變等特點(diǎn)。因此，輕量化、高壓力、高儲(chǔ)氫質(zhì)量比和長(zhǎng)壽命是車載儲(chǔ)氫氣瓶的特點(diǎn)。

C）動(dòng)力電池

動(dòng)力電池即為工具提供動(dòng)力來(lái)源的電源，多指為電動(dòng)汽車、電動(dòng)列車、電動(dòng)自行車、高爾夫球車提供動(dòng)力的蓄電池。其主要區(qū)別于用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)的起動(dòng)電池。目前車用電池為磷酸鐵鋰蓄電池和三元電池。

d）燃料電池直流升壓轉(zhuǎn)換器

是將該燃料電池地輸出電壓升壓而向負(fù)載供電的升壓?jiǎn)卧?。DC/DC

其中有：

①主升壓部，具有開關(guān)和線圈，利用該開關(guān)相對(duì)于該線圈進(jìn)行開關(guān)動(dòng)作所產(chǎn)生的該線圈的反電動(dòng)勢(shì)使所述燃料電池地輸出電壓升壓；

②副升壓部，具有利用蓄電量來(lái)調(diào)整所述開關(guān)的兩極間的電位差的緩沖電容器，在所述開關(guān)動(dòng)作時(shí)，通過(guò)調(diào)整該緩沖電容器的蓄電量來(lái)減少該開關(guān)的開關(guān)損耗，所述副升壓部使減少所述緩沖電容器的蓄電量時(shí)放出的該緩沖電容器的電荷流到所述燃料電池以外的處理單元進(jìn)行處理。

C）動(dòng)力控制單元

純電動(dòng)汽車是由電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電源系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)等三部分組成。電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括控制器、功率轉(zhuǎn)換器、電動(dòng)機(jī)、機(jī)械傳動(dòng)裝置和車輪等。

電動(dòng)機(jī)就像是傳統(tǒng)汽車中的發(fā)動(dòng)機(jī)，其主要任務(wù)是在駕駛?cè)说目刂葡拢咝实貙?dòng)力電池存儲(chǔ)的電能轉(zhuǎn)化為車輪的動(dòng)能驅(qū)動(dòng)車輛，或者在制動(dòng)時(shí)將車輪上的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能反饋到動(dòng)力電池中以實(shí)現(xiàn)車輛的制動(dòng)能量回收。

電動(dòng)汽車必須通過(guò)一個(gè)整車控制系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行各子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，從而實(shí)現(xiàn)整車地最佳性能。電源系統(tǒng)包括蓄電池組、電池管理系統(tǒng)（BMS）等。輔助系統(tǒng)包括輔助動(dòng)力源、動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、空調(diào)器、照明裝置等。

e）動(dòng)力電機(jī)

目前領(lǐng)先的燃料電池堆的功率密度可達(dá)3.1kW/L，最大輸出功率可達(dá)114kW。由于每個(gè)燃料電池單體輸出電壓只有0.6~0.7V，因此需要配合直流升壓轉(zhuǎn)換器和動(dòng)力電池使用。從而讓電壓可以適配650V高壓，驅(qū)動(dòng)動(dòng)力電機(jī)。

三、燃料電池公交車技術(shù)特征

1）優(yōu)點(diǎn)：

燃料電池作為車用電源有效率高、污染小、傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；

2）缺點(diǎn)：

a）輸出特性偏軟

下圖是某 40kWV 燃料電池堆地輸出特性曲線，可以看出燃料電池地輸出特性。

必須采用直流變換器 DC/DC可以很好地起到阻抗匹配的作用，燃料電池和 DCDC合并作為車用動(dòng)力電源。

2) 啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)差、功率密度低

燃料電池作為單一電源，一是其啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較慢，無(wú)法滿足車輛運(yùn)行過(guò)程中負(fù)載的快速變化需求，二是燃料電池功率密度較低、成本高，若僅以燃料電池滿足峰值功率需求，勢(shì)必會(huì)造成整備質(zhì)量和成本的增加。

3）燃料電池?zé)o法吸收回饋能量

燃料電池發(fā)電裝置，不是儲(chǔ)能裝置，吸收回饋能量?；咀龇ㄊ窃谌剂想姵匕l(fā)動(dòng)機(jī)（FCE）和電機(jī)控制器之間增加峰值功率系統(tǒng)（PPS），不僅可以吸收回饋能量、降低成本，而且可以彌補(bǔ)FCE啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)差的缺點(diǎn)。

四、總結(jié)

1）電動(dòng)汽車是燃料電池的基礎(chǔ)。

2）燃料電池汽車也是電動(dòng)汽車。

3）目前燃料電池功率密度比較低。還不能滿足大型公交車的要求，必須用電動(dòng)電池予以彌補(bǔ)。

4）燃料電池比能量比較高，但是作為公交車而已，其比能量也不高，目前一次續(xù)航里程基本也是350公里以下?；驹蚴悄壳皻錃鈨?chǔ)罐35Mpa的，70Mpa還沒有標(biāo)準(zhǔn)支持。

5）燃料電池公交車的動(dòng)力控制系統(tǒng)，比電動(dòng)公交車更為復(fù)雜。

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