燃料電池的案例
燃料電池漸成藍(lán)海，今年一季度我國(guó)燃料電池企業(yè)注冊(cè)量同比增長(zhǎng)86.5%
圖片來(lái)源：企查查
實(shí)際上，不僅是相關(guān)企業(yè)注冊(cè)量增多，去年以來(lái)，燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈的投融資金額也在大幅增加。中汽中心此前發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，2020年我國(guó)在氫燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈的投融資金額達(dá)515.2億元，同比增長(zhǎng)78.5%。其中氫燃料電池系統(tǒng)環(huán)節(jié)的投融資金額達(dá)196.8億元，約占當(dāng)年產(chǎn)業(yè)鏈總投資額的38%，其余投資為汽車、電堆、膜電極、雙極板等環(huán)節(jié)投資。
燃料電池企業(yè)投融資及企業(yè)注冊(cè)量大幅增長(zhǎng)背后是我國(guó)燃料電池汽車廣闊的發(fā)展前景。早在2019年，我國(guó)就已確定了氫燃料電池汽車將與純電動(dòng)汽車長(zhǎng)期并存、互為補(bǔ)充的地位。2020年，我國(guó)發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》還提出了氫燃料電池汽車的發(fā)展規(guī)劃，即到2025年，新能源汽車銷量將占總銷量20%左右，氫燃料電池汽車保有量要達(dá)到10萬(wàn)輛左右；到2035年，新能源汽車成為主流，占總銷量50%以上，氫燃料電池汽車保有量要達(dá)到100萬(wàn)輛左右，同時(shí)，該《路線圖》還對(duì)氫燃料電池及整車技術(shù)指標(biāo)作了具體要求。
此外，五部門發(fā)布的《關(guān)于開展燃料電池汽車示范應(yīng)用的通知》還明確將選擇符合條件的城市群，開展燃料電池汽車的示范應(yīng)用。根據(jù)最新報(bào)道，京滬粵冀豫等地?cái)M被納入燃料電池汽車示范應(yīng)用城市群。按照要求，這些城市將把此前報(bào)送的實(shí)施方案進(jìn)行修改之后在4月30日前上報(bào)給五部門，并由專家委員會(huì)進(jìn)行評(píng)審并確定最終名單。
根據(jù)相關(guān)報(bào)道，首批燃料電池汽車示范城市群名單有望在未來(lái)兩到三個(gè)月內(nèi)公布。
中汽中心今年預(yù)測(cè)，若今年上半年氫燃料電池汽車示范城市落地，基于各地氫燃料電池汽車發(fā)展規(guī)劃、部分地區(qū)對(duì)氫燃料電池汽車的支持力度以及2022年冬奧會(huì)影響，今年氫燃料電池汽車產(chǎn)量很有可能超過(guò)10000輛。
展開 車用燃料電池耐久性的解決策略 附燃料電池衣寶廉下載
車用燃料電池系統(tǒng)控制策略
燃料電池運(yùn)行過(guò)程中的反應(yīng)氣饑餓、動(dòng)態(tài)電位循環(huán)及高電位是引起催化劑及其載體等材料衰減的主要原因。此外，一些極限條件如零度以下儲(chǔ)存與啟動(dòng)、高污染環(huán)境也會(huì)造成燃料電池不可逆轉(zhuǎn)的衰減。歸納起來(lái)這些衰減因素主要包括在以下幾種車輛運(yùn)行的典型工況中：1)動(dòng)態(tài)循環(huán)工況；2)啟動(dòng)/停車過(guò)程；3)連續(xù)低載或怠速運(yùn)行；4)低溫貯存與啟動(dòng)過(guò)程。下面重點(diǎn)對(duì)四種工況下引起的衰減機(jī)理進(jìn)行分析，并介紹可能采取的解決對(duì)策。
動(dòng)態(tài)循環(huán)工況
動(dòng)態(tài)循環(huán)工況是指車輛運(yùn)行過(guò)程中由于路況不同燃料電池輸出功率隨載荷的變化過(guò)程。通常車用燃料電池系統(tǒng)是采用空壓機(jī)或鼓風(fēng)機(jī)供氣。研究顯示，燃料電池在加載瞬間，由于空壓機(jī)或鼓風(fēng)機(jī)的響應(yīng)滯后于加載的電信號(hào)，會(huì)引起燃料電池出現(xiàn)短期饑餓現(xiàn)象，即反應(yīng)氣供應(yīng)不能維持所需要的輸出電流，造成電壓瞬間過(guò)低。尤其是當(dāng)燃料電池堆各單節(jié)阻力分配不完全均勻時(shí)，會(huì)造成阻力大的某一節(jié)或幾節(jié)首先出現(xiàn)反極，在空氣側(cè)會(huì)產(chǎn)生氫氣，造成局部熱點(diǎn)，甚至失效。此外，動(dòng)態(tài)載荷循環(huán)工況也會(huì)引起燃料電池電位在0.5～0.9 V之間頻繁變化，在車輛5500h的運(yùn)行壽命內(nèi)，車用燃料電池要承受高達(dá)30萬(wàn)次電位動(dòng)態(tài)循環(huán)，這種電位頻繁變化，會(huì)使催化劑及炭載體加速衰減，因此需要針對(duì)動(dòng)態(tài)工況采用一定的控制策略減緩衰減。
采用二次電池、超級(jí)電容器等儲(chǔ)能裝置與燃料電池構(gòu)建電- 電混合動(dòng)力，既可減小燃料電池輸出功率變化速率，又可以避免燃料電池載荷的大幅度波動(dòng)。
展開 微量氧氣燃料電池傳感器檢測(cè)燃料電池式氧氣體分析儀中的氧含量
燃料電池是一種通過(guò)使燃料氣體和氧化劑氣體發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)而將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置，又稱電化學(xué)發(fā)電器。它是繼水力發(fā)電、熱能發(fā)電和原子能發(fā)電之后的第四種發(fā)電技術(shù)。由于燃料電池是通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)把燃料的化學(xué)能中的吉布斯自由能部分轉(zhuǎn)換成電能，不受卡諾循環(huán)效應(yīng)的限制，因此效率高。
另外，燃料電池用燃料和氧氣作為原料，當(dāng)樣氣中的氧進(jìn)入燃料電池后，將獲取電子轉(zhuǎn)換成離子態(tài)，再通過(guò)電解質(zhì)的傳遞最終與陽(yáng)極發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。反應(yīng)物之一是樣氣中的氧，另一反應(yīng)物是存儲(chǔ)在電池中的陽(yáng)極，綜合反應(yīng)是樣氣中的氧分子和陽(yáng)極發(fā)生氧化反應(yīng)，最終生成陽(yáng)極材料的氧化物。這種反應(yīng)類似于燃料電池的反應(yīng)機(jī)理，因此稱此類傳感器為燃料電池式。在化學(xué)反應(yīng)中，陽(yáng)、陽(yáng)極之間發(fā)生電子遷移，如用導(dǎo)線將共連接，將會(huì)有電流產(chǎn)生，該電流的大小與進(jìn)入傳感器中的氧分子數(shù)量成正比關(guān)系，因此只要準(zhǔn)確測(cè)量出陽(yáng)、陽(yáng)極之問(wèn)的電流便可得出樣氣中的氧含量。
燃料電池式氧氣體分析儀的核心部件是傳感器。傳感器是一種將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能的裝置，一般由陰極、陽(yáng)極和電解質(zhì)等組成。燃料電池式氧氣體分析儀的使用較為廣泛，既可用于測(cè)量微量氧，也可用于測(cè)量常量氧(區(qū)別在于滲透膜的厚度）。但在測(cè)量常量氧時(shí)其測(cè)量精度和長(zhǎng)期使用的穩(wěn)定性均不如磁式微量氧氣體分析儀，只適用于要求不高的場(chǎng)所。但在測(cè)量微量氧時(shí)，燃料電池式微量氧氣體分析儀則具有較大優(yōu)勢(shì)，測(cè)量下限可達(dá) 0.1 ×10-6，而磁式氧分析儀的測(cè)量下限一般為 0.1%。因此燃料電池式微量氧氣體分析儀一般應(yīng)用于專業(yè)的高純氣體生產(chǎn)以及對(duì)氧含量需精準(zhǔn)控制的電子生產(chǎn)廠家等。
事實(shí)上， 燃料電池氧傳感器是完全免維護(hù)的。但是在使用過(guò)程中，需要經(jīng)常校準(zhǔn)，確保其測(cè)試的準(zhǔn)確性工采網(wǎng)推薦美國(guó)AII 氧氣傳感器微量氧氣燃料電池 - PSR-12-223。
展開 乘車用燃料電池系統(tǒng)驗(yàn)證體系研究
1 前言
燃料電池汽車作為一種零污染的新能源汽車，被視為未來(lái)汽車的終極目標(biāo)。自從豐田發(fā)布第1款氫燃料電池汽車Mirai以來(lái)，本田研發(fā)了Clarity和現(xiàn)代研發(fā)了NEXO燃料電池車型。我國(guó)近幾年也加速了氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)鏈的布局，但主要應(yīng)用于商用車領(lǐng)域，截止2020年8月，中國(guó)進(jìn)入新能源汽車推廣目錄的氫燃料電池汽車車企總共43家。
目前已知?dú)?em>燃料電池汽車在乘用車領(lǐng)域的車企主要有上汽和廣汽，上汽在2010年世博會(huì)推出榮威950燃料電池乘用車，廣汽也于2020年推出了廣汽埃安AionLXFuelCell氫燃料車型。
隨著氫燃料電池汽車得到越來(lái)越多的國(guó)家和企業(yè)的重視，燃料電池汽車行業(yè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)也必須得到加強(qiáng)。
因此，開發(fā)1款高質(zhì)量的燃料電池車以及燃料電池系統(tǒng)，需要有嚴(yán)格的驗(yàn)證體系對(duì)燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，需要各車企以及相關(guān)燃料電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)廠家構(gòu)建嚴(yán)格全面可靠，且符合自身產(chǎn)品要求的燃料電池系統(tǒng)驗(yàn)證體系。
2 燃料電池系統(tǒng)驗(yàn)證體系的現(xiàn)狀
目前，世界各國(guó)紛紛制定相關(guān)政策和法規(guī)鼓勵(lì)燃料電池汽車的發(fā)展，且現(xiàn)已形成了比較完備的標(biāo)準(zhǔn)體系來(lái)規(guī)范和指引行業(yè)的發(fā)展。中汽研王芳等對(duì)燃料電池整車，燃料電池系統(tǒng)相關(guān)國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了對(duì)比分析，分析結(jié)果見表1。
由表1可知，我國(guó)國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)逐步完善，但是整車標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)欠缺，同時(shí)國(guó)內(nèi)外都需要加強(qiáng)對(duì)燃料電池系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)體系的梳理建立。
表2主要是燃料電池整車相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，一個(gè)完整的燃料電池整車測(cè)評(píng)體系應(yīng)該包括動(dòng)力性測(cè)試、經(jīng)濟(jì)性測(cè)試、安全性測(cè)試、環(huán)境適應(yīng)性測(cè)試和行駛特性測(cè)試6個(gè)維度的測(cè)試內(nèi)容。而目前的標(biāo)準(zhǔn)僅僅涉及了安全要求和最高車速試驗(yàn)的動(dòng)力性測(cè)試。
因此，燃料電池整車測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)需要進(jìn)一步完善。表3主要是車用燃料電池系統(tǒng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，目前車用燃料電池系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)也僅涉及燃料電池性能與氫氣排放相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，缺少完整全面的車用燃料電池系統(tǒng)開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)指引體系。
展開 
車用燃料電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)詳解
燃料電池，通常說(shuō)的是氫燃料電池（質(zhì)子交換膜燃料電池），是一種通過(guò)氫氣和氧氣進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電裝置。與一般的電池不同，燃料電池只需要提供穩(wěn)定的氫氣和氧氣，即可連續(xù)不斷的提供穩(wěn)定電能。
燃料電池作用機(jī)理
燃料電池工作時(shí)，陽(yáng)極的氫氣在催化劑的作用下分解出氫離子和電子，氫離子通過(guò)質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極，電子則沿著外部電路到達(dá)陰極（正極）產(chǎn)生電流。而在陰極，空氣中的氫氣與氫離子、電子反應(yīng)生成水。
單電池結(jié)構(gòu)組成
由于燃料電池的反應(yīng)物是氫氣和氧氣，唯一生成物是水，應(yīng)用在汽車上作為動(dòng)力源能有效減少其它燃油車造成的環(huán)境污染問(wèn)題，也因此，氫燃料汽車被認(rèn)為是真正環(huán)保的新能源汽車。
燃料電池堆圖示
在實(shí)際使用時(shí)，通常將多片燃料電池串聯(lián)起來(lái)組裝成燃料電池堆，以提供較大的用電需求。
燃料電池堆的主要部件
其中，由于燃料電池中的催化劑由鉑貴金屬構(gòu)成成本較高，約占整個(gè)燃料電池堆成本的26%。
燃料電池堆成本構(gòu)成
與傳統(tǒng)燃油車上的發(fā)動(dòng)機(jī)相同，燃料電池用作汽車動(dòng)力源時(shí)，也需要相應(yīng)的輔助系統(tǒng)，因此，燃料電池車上的燃料電池系統(tǒng)也稱為燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)，主要由燃料電池堆、空氣供應(yīng)系統(tǒng)、氫氣供應(yīng)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、配電管理系統(tǒng)和控制器等組成。
豐田Mirai燃料電池車
燃料電池堆
空氣壓縮機(jī)（空氣供應(yīng)系統(tǒng)的核心組件），其作用是將燃料電池堆發(fā)電所需的空氣壓縮后輸入電堆，在低流量時(shí)采用低壓壓縮，高流量時(shí)采用高壓壓縮，以提高效率。
空氣壓縮機(jī)
氫氣循環(huán)泵（氫氣供應(yīng)系統(tǒng)核心組件），將未反應(yīng)的氫氣循環(huán)使用，提高了氫氣的利用率。同時(shí)，也將生成的水進(jìn)行循環(huán)，實(shí)現(xiàn)燃料電池系統(tǒng)的自增濕功能。
展開 燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型與關(guān)鍵部件
1 燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)中的二次儲(chǔ)能電池可以有多種類型,包括鋰離子電池?鎳氫電池和超級(jí)電容器等?因此,燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)存在多種構(gòu)型方案,目前常用的燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型方案見表2?
表2 常用的燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型方案
1.1 單一燃料電池構(gòu)型
單一燃料電池構(gòu)型只包含燃料電池一個(gè)能量源,單一燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示,包括燃料電池系統(tǒng)?整車控制器?DC/DC?逆變器和電機(jī)等部件?汽車的所有功率負(fù)荷都由燃料電池承擔(dān)?燃料電池系統(tǒng)將氫氣與氧氣反應(yīng)產(chǎn)生的電能傳給驅(qū)動(dòng)電機(jī),驅(qū)動(dòng)電機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能再傳給傳動(dòng)系統(tǒng),從而驅(qū)動(dòng)汽車前進(jìn)?
圖1 單一燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)
燃料電池輸出電壓一般比電動(dòng)汽車動(dòng)力總線電壓要低,特性比較軟,即隨著輸出電流的增加,電壓下降幅度比較大,為實(shí)現(xiàn)燃料電池輸出電壓與動(dòng)力總線電壓匹配,就需要一個(gè)DC/DC(直流/直流)變換器?同時(shí),DC/DC變換器可以對(duì)燃料電池最大輸出電流和功率進(jìn)行控制,起到保護(hù)燃料電池系統(tǒng)的目的?
1.2 燃料電池+動(dòng)力蓄電池構(gòu)型
該種構(gòu)型有多種分類標(biāo)準(zhǔn),根據(jù)是香插電可分為插電型和不插電型:根據(jù)配備的燃料電池和動(dòng)力蓄電池的功率等級(jí)的差異,可分為能量混合型和功率混合型:根據(jù)燃料電池是否與直流母線直接連接,可分為直接型和間接型?
1.2.1 不插電型和插電型
不插電型燃料電池+動(dòng)力蓄電池構(gòu)型動(dòng)力系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5-2所示?該動(dòng)力系統(tǒng)中,燃料電池系統(tǒng)為主要?jiǎng)恿υ?動(dòng)力蓄電池配合燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行混合驅(qū)動(dòng),電能經(jīng)過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)化成機(jī)械能傳給傳動(dòng)系統(tǒng)?加速時(shí),電池組和燃料電池堆共同輸出能量,保證整車的加速性能,由于電池組提供了部分能量,減輕了電池堆瞬時(shí)加速時(shí)的負(fù)擔(dān),避免陰極“氧氣饑餓”現(xiàn)象的發(fā)生,可延長(zhǎng)電池堆壽命?制動(dòng)時(shí),電池組回收部分能量,此過(guò)程由電池管理系統(tǒng)控制?
圖2 不插電型燃料電池+動(dòng)力蓄電池構(gòu)型動(dòng)力系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
展開 燃料電池系統(tǒng)FCCU功能詳解
盡管理想豐滿，但是現(xiàn)實(shí)骨干，燃料電池系統(tǒng)具有許多優(yōu)點(diǎn)，但其在實(shí)際應(yīng)用中也面臨著諸多挑戰(zhàn)：1.燃料成本較高：目前，燃料電池所需的氫氣成本相對(duì)較高，就客戶端來(lái)說(shuō)與傳統(tǒng)燃油車相比沒(méi)有任何優(yōu)勢(shì)；2.存儲(chǔ)問(wèn)題：氫氣在一般溫度和壓力下是無(wú)法存儲(chǔ)的，需要在高壓、低溫環(huán)境下進(jìn)行貯存，這就給燃料電池出行帶來(lái)了不便；3.系統(tǒng)脆弱性：燃料電池系統(tǒng)中包含了許多復(fù)雜的組件，這些組件反應(yīng)敏感，極容易出現(xiàn)性能下降及失效；4.技術(shù)成本高：由于燃料電池技術(shù)相對(duì)成熟度較低，加之需要使用高清潔度的純化氫氣等高科技工藝, 燃料電池系統(tǒng)的研發(fā)、生產(chǎn)和維護(hù)成本均較高。
燃料電池系統(tǒng)直接將可再生資源轉(zhuǎn)換為電能，是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的潛在選擇之一。根據(jù)歐盟要求在2030年，到達(dá)“碳中和”的目標(biāo)。針對(duì)燃料電池面臨的挑戰(zhàn)，有關(guān)部門、科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)正在積極開展技術(shù)研究和創(chuàng)新，燃料電池技術(shù)面對(duì)的機(jī)遇和挑戰(zhàn)亟需政府、企業(yè)及社會(huì)各方共同攜手，推動(dòng)技術(shù)突破和成本降低，為未來(lái)能源可持續(xù)發(fā)展提供強(qiáng)力支撐。
文章來(lái)源：汽車動(dòng)力總成
展開 百年輪回，燃料電池與鋰電池之爭(zhēng)，“特斯拉”能否再次獲得命運(yùn)女神的眷顧
氫氣的運(yùn)輸成本居高不下，成為了制約氫燃料電池發(fā)展的一道障礙。
豐田在氫燃料電池持續(xù)的投入研發(fā)，攻克了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，豐田未來(lái)車型的上市，也預(yù)示著氫燃料電池開始正式登上新能源的舞臺(tái)，在固體電池尚未有質(zhì)的突破大環(huán)境下，也成為氫燃料電池逆襲的契機(jī)。
從國(guó)內(nèi)2018新能源補(bǔ)貼來(lái)看，已經(jīng)開始將氫燃料電池列為補(bǔ)貼對(duì)象，其用意顯然不愿在這一條新能源路線上落后對(duì)手太多，選擇了氫燃料電池與固體電池兩條腿走路，在政策的指引下，國(guó)內(nèi)車企以及諸多下級(jí)供應(yīng)商也加緊了在氫燃料電池行業(yè)的布局，但從短期來(lái)看，氫燃料電池汽車量產(chǎn)之路仍需時(shí)日。
無(wú)論如何，作為新能源技術(shù)的兩大領(lǐng)航者，特斯拉與豐田在新能源發(fā)展初期攻城略地，兩家企業(yè)看似其樂(lè)融融實(shí)則暗流涌動(dòng)，而豐田趁固體電池疲弱之際迅速崛起，尤其是中國(guó)這一汽車市場(chǎng)的加入，一時(shí)間聲勢(shì)大漲，固體電池也難以壓制其鋒芒，長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，特斯拉與豐田恩怨情仇還將繼續(xù)。
文章來(lái)源： 京燕網(wǎng)
展開 全球燃料電池汽車的情況
之前我有接到一個(gè)任務(wù)是跟蹤燃料電池最近的進(jìn)展，我其實(shí)個(gè)人對(duì)于燃料電池汽車在短期內(nèi)的發(fā)展還是持比較悲觀的態(tài)度。目前車企里面，比較堅(jiān)決還在搞這個(gè)領(lǐng)域的第一梯隊(duì)主要有豐田（BMW是跟著合作）、現(xiàn)代，第二梯隊(duì)本田&通用聯(lián)盟，Stellantis也在今年發(fā)布了一個(gè)燃料電池的技術(shù)發(fā)布。
第一部分 全球Q1燃料電池汽車的增量情況
根據(jù)SNE的數(shù)據(jù)來(lái)看，2021年第一季度全球氫能汽車銷量同比增長(zhǎng)89.2％，接近4,000輛。隨著豐田Mirai FCV第二代燃料電池車型的推出，豐田在第一季度售出2000臺(tái)，超過(guò)了現(xiàn)代汽車Nexo FCV的1800輛，本田的Clarity FCV的100+臺(tái)，這乘用車三兄弟就是全球4000臺(tái)的總量。
備注：SAE里面豐田的工程師把第二代Mirai FCV的各方面特性都描述的很清楚，等我整理完做一個(gè)梳理
圖1 全球乘用車燃料電池汽車的情況
圖2 第二代Mirai FCV
但是國(guó)內(nèi)燃料電池汽車今年處在一個(gè)低估，全國(guó)第一季度產(chǎn)銷分別為104輛和150輛，同比分別下降43.2%和27.6%。其實(shí)從2020年來(lái)看，疫情對(duì)燃料電池汽車的需求還是有很大的打擊，也側(cè)面反映出來(lái)當(dāng)前燃料電池車輛的需求階段。和純電動(dòng)開始獲得私人消費(fèi)的支撐，燃料電池這個(gè)階段主要是依靠2B的需求，也就是圍繞構(gòu)建燃料電池產(chǎn)業(yè)集群的地方所買單的（京滬粵冀豫等燃料電池汽車示范應(yīng)用城市）。
展開 阻礙中國(guó)燃料電池發(fā)展的“三座大山”
總理參觀豐田，就像信號(hào)一般，給燃料電池技術(shù)提振了士氣。各界紛紛加大對(duì)燃料電池技術(shù)的重視。
燃料電池，是一種古老的電池技術(shù)。如果仔細(xì)追溯，其歷史比鉛酸電池還要久遠(yuǎn)。從分類上，燃料電池分成堿性燃料電池（AFC）、磷酸燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）、質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）、直接甲醇燃料電池（DMFC）等等。在車上使用的主流技術(shù)，為質(zhì)子交換膜燃料電池，以下簡(jiǎn)稱PEMFC。
質(zhì)子交換膜燃料電池模擬圖
與其說(shuō)燃料電池是電池，不如說(shuō)燃料電池更像一臺(tái)發(fā)電機(jī)。所以也有人說(shuō)燃料電池是即水力發(fā)電、火力發(fā)電、核電之后的第四代發(fā)電系統(tǒng)。補(bǔ)充氫氣，即可續(xù)航，這和現(xiàn)在的燃油車加油的形式非常類似。因此，在形式上，相比鋰離子電池，燃料電池用于新能源汽車更加合適。
根據(jù)“第三代燃料電池技術(shù)”的要求，燃料電池電堆的功率密度要達(dá)到3.1kW/L，功率要求達(dá)到110kW以上，壽命達(dá)到5000小時(shí)……要在量產(chǎn)的前提下達(dá)到指標(biāo)要求，難度相當(dāng)大。有人說(shuō)制約國(guó)內(nèi)燃料電池技術(shù)發(fā)展的是關(guān)鍵材料，我同意，有人說(shuō)制約國(guó)內(nèi)燃料電池發(fā)展的是加工工藝，我也同意，但是，除此以外，讓我分享一下我心中燃料電池技術(shù)的三座大山吧。
第一座大山：氫偏見
氫氣，是一種易燃易爆的氣體，這是大部分人的認(rèn)識(shí)。實(shí)際也是這樣，氫氣的爆炸極限是4%到74%，非常寬泛。除此之外，氫氣管道還有一個(gè)特別危險(xiǎn)的現(xiàn)象：氫脆。氫脆可以認(rèn)為是氫氣對(duì)鋼材的一種腐蝕，導(dǎo)致表面出現(xiàn)裂紋甚至斷裂。
這讓大家有點(diǎn)聞氫色變。
德國(guó)PO公司生產(chǎn)的高壓氫氣罐
但是，我想問(wèn)大家一個(gè)問(wèn)題：氧氣瓶是否安全？
以下一些關(guān)于氧氣可能造成的傷害：
氧氣是強(qiáng)氧化劑，增加氧的純度和壓力會(huì)使氧化反應(yīng)顯著地加劇。物質(zhì)的燃點(diǎn)也會(huì)隨著氧氣壓力的增加而降低。
展開 馬里蘭大學(xué)Nature：高度耐用，焦化和耐硫，燃料靈活的質(zhì)子陶瓷燃料電池
【引言】
質(zhì)子陶瓷燃料電池，像它們的高溫固體氧化物燃料電池對(duì)應(yīng)物一樣，可以直接使用氫氣和碳?xì)浠衔?em>燃料以高于50％的效率發(fā)電。過(guò)去大部分的碳氧化合物燃料電池，主要關(guān)注于氧離子傳導(dǎo)電解質(zhì)的固體氧化物燃料電池。但是，當(dāng)這種燃料電池直接以含烴和/或含硫燃料運(yùn)行時(shí)會(huì)發(fā)生碳沉積（焦化）和硫中毒，導(dǎo)致隨著時(shí)間的推移嚴(yán)重的電池的性能下降。盡管研究表明碳?xì)浠衔?em>燃料質(zhì)子陶瓷燃料電池具有良好的性能和抗焦化能力，但還沒(méi)有關(guān)于長(zhǎng)期耐久性的系統(tǒng)研究。
【成果簡(jiǎn)介】
近日，美國(guó)馬里蘭大學(xué)的Chuancheng Duan和ryan O’Hayre（共同通訊）作者等人，研究了在500至600℃之間，11種不同燃料（氫氣，甲烷，家用天然氣（含和不含硫化氫），丙烷，正丁烷，異丁烷，異辛烷，甲醇，乙醇和氨）的質(zhì)子陶瓷燃料電池的長(zhǎng)期測(cè)試結(jié)果。經(jīng)過(guò)6000多個(gè)小時(shí)的電池測(cè)試，幾種燃料中都表現(xiàn)出優(yōu)異的性能和卓越的耐用性（在大多數(shù)情況下，每1000小時(shí)降解量低于1.5個(gè)百分點(diǎn)），而無(wú)需對(duì)電池組成或結(jié)構(gòu)進(jìn)行任何修正。電池可以容忍大幅度的溫度的波動(dòng)，即使經(jīng)過(guò)數(shù)千小時(shí)的運(yùn)行，也沒(méi)有觀察到焦化現(xiàn)象。同時(shí)，對(duì)于低溫和高溫燃料電池而言，硫磺是一種臭名昭著的毒物，當(dāng)與商用燃料一致供應(yīng)時(shí)，不會(huì)影響質(zhì)子陶瓷燃料電池的性能。質(zhì)子陶瓷燃料電池器件展現(xiàn)的燃料靈活性和長(zhǎng)期耐用性凸顯了該技術(shù)的前景以及其商業(yè)應(yīng)用的潛力。相關(guān)成果以“Highly durable, coking and sulfur tolerant, fuel-flexible protonic ceramic fuel cells”為題發(fā)表在Nature上。
展開 
燃料電池汽車整車控制策略設(shè)計(jì)
此燃料電池車工作狀態(tài)有如下幾種工況：
◆汽車起步:由于燃料電池從啟動(dòng)到對(duì)外做功，需要一些必要的準(zhǔn)備，這時(shí)由動(dòng)力電池給燃料電池系統(tǒng)提供啟動(dòng)電源；車輛純電行駛，同時(shí)當(dāng)動(dòng)力蓄電池SOC較高時(shí)，純電動(dòng)行駛。
◆輕載工況：若蓄電池SOC過(guò)低時(shí)，則燃料電池必須啟動(dòng)，燃料電池單獨(dú)提供能量驅(qū)動(dòng)車輛行駛同時(shí)給蓄電池充電。此時(shí)燃料電池的輸出功率等于負(fù)載功率和動(dòng)力電池充電功率之和。若蓄電池SOC在正常范圍，則盡量讓燃料電池工作在高效點(diǎn)，不足和多余部分由蓄電池補(bǔ)充或吸收。
◆重載工況：燃料電池高效工作點(diǎn)的輸出功率無(wú)法滿足整車動(dòng)力性要求，這時(shí)必須請(qǐng)求增大燃料電池的功率輸出來(lái)跟隨功率變化。
只要蓄電池SOC沒(méi)有達(dá)到上限，燃料電池除了滿足需求功率，還要給蓄電池充電。當(dāng)蓄電池SOC低于下限時(shí)，燃料電池工作在最大功率點(diǎn)附近，給蓄電池供電，以保護(hù)蓄電池。
蓄電池SOC在正常范圍時(shí)，燃料電池則在提供需求功率的同時(shí)以恒定功率給它充電。如果燃料電池峰值功率無(wú)法滿足功率需求，則讓蓄電池補(bǔ)充燃料電池峰值功率的不足。這時(shí)，蓄電池起到了覆蓋功率波動(dòng)，提高峰值功率和改善瞬態(tài)輸出特性的作用。
◆汽車制動(dòng):要求動(dòng)力電池盡量吸收全部的再生回饋電能，不考慮再生制動(dòng)對(duì)制動(dòng)性能及車輛穩(wěn)定性的影響。只有當(dāng)再生制動(dòng)已達(dá)到最大制動(dòng)能力但還不能滿足制動(dòng)要求時(shí)，機(jī)械制動(dòng)才起作用。
◆怠速充電：當(dāng)車輛怠速時(shí)，如果動(dòng)力電池SOC過(guò)低，則用燃料電池給動(dòng)力電池充電。在燃料電池系統(tǒng)工作時(shí)，其輸出功率一般不宜太大或太小，以保證燃料電池系統(tǒng)在高效率區(qū)工作，同時(shí)，燃料電池系統(tǒng)輸出功率的變化速率也不宜太大。
4整車控制策略的試驗(yàn)驗(yàn)證
為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的控制策略的正確性，將其進(jìn)行實(shí)車驗(yàn)證，如圖3。
展開 “雙碳”目標(biāo)下，氫燃料電池汽車步入快車道
氫燃料電池汽車作為氫能利用的重要方式，近年來(lái)發(fā)展迅速。在即將到來(lái)的北京冬奧會(huì)期間，張家口賽區(qū)共將投入625輛氫燃料電池車，為賽事提供交通運(yùn)輸服務(wù)保障。
氫燃料電池與鋰電池相比，具有哪些優(yōu)勢(shì)？
——續(xù)航更久、更環(huán)保，在固定路線、中長(zhǎng)途及高載重場(chǎng)景下更有優(yōu)勢(shì)
更環(huán)保
“雙碳”目標(biāo)驅(qū)動(dòng)下，氫能源得到更多關(guān)注。國(guó)際氫能委員會(huì)預(yù)測(cè)，到2050年，全球氫能產(chǎn)業(yè)將創(chuàng)造3000萬(wàn)個(gè)工作崗位，減少60億噸二氧化碳排放，創(chuàng)造2.5萬(wàn)億美元的市場(chǎng)規(guī)模，并在全球能源消費(fèi)占比達(dá)到18%。
氫燃料電池汽車是目前交通領(lǐng)域利用氫能的重要方式，以氫氣為燃料，通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)將燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽哂心芰哭D(zhuǎn)換效率高、零排放等特點(diǎn)。中國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)秘書長(zhǎng)助理兼技術(shù)部部長(zhǎng)王耀對(duì)記者表示，與鋰電池電動(dòng)車相比，氫燃料電池汽車?yán)m(xù)航足、加氫快、綠色環(huán)保。
“鋰電池自身并不能發(fā)電，屬于二次電池。而氫燃料可以直接作為汽車動(dòng)力來(lái)源，且加氫方便快速，平均5-8分鐘就能加滿。”王耀介紹，氫燃料電池的能量消耗、碳排放比鋰電池更環(huán)保，不僅沒(méi)有氮氧化物等有害氣體，甚至不會(huì)產(chǎn)生二氧化碳。此外，氫能源最大的優(yōu)勢(shì)就是可再生。除了工業(yè)副產(chǎn)品制氫外，還可通過(guò)煤制氫以及利用光伏、風(fēng)電等可再生能源電解水制氫。
續(xù)航更久
隆冬時(shí)節(jié)，400多輛氫燃料電池公交車已在張家口忙碌地運(yùn)行著。據(jù)悉，這批氫燃料電池公交車已經(jīng)實(shí)現(xiàn)零下30攝氏度極寒環(huán)境下的儲(chǔ)存和冷機(jī)啟動(dòng)以及開啟暖風(fēng)空調(diào)場(chǎng)景下300-450公里的長(zhǎng)續(xù)駛里程。北京冬奧會(huì)期間，更多氫燃料電池車將為張家口賽區(qū)提供交通運(yùn)輸服務(wù)保障，助力綠色冬奧。
對(duì)于消費(fèi)者來(lái)說(shuō)，最直觀的感受就是續(xù)航更久了。“氫的能量密度更高，在超高能量密度的支持下，氫燃料電池車輛的續(xù)航里程很容易就達(dá)到或者超過(guò)現(xiàn)有燃油汽車。
展開 中韓大咖如何看氫能和燃料電池車產(chǎn)業(yè)化？
國(guó)家信息中心副主任徐長(zhǎng)明：氫燃料電池在乘用車商用車均有機(jī)會(huì)
徐長(zhǎng)明表示，在必須發(fā)展新能源汽車緩解能源壓力和促進(jìn)環(huán)保的背景下，綜合考慮能耗、污染排放，以及與鋰動(dòng)力電池在載重量、續(xù)航里程、使用強(qiáng)度的對(duì)比情況，商用燃油車更適合用燃料電池車替換。
而從乘用車角度看，國(guó)內(nèi)鋰、鈷等原材料的缺乏，以及國(guó)際相關(guān)原材料價(jià)格居高不下也為該領(lǐng)域使用燃料電池創(chuàng)造了較積極的空間。
上汽集團(tuán)前瞻技術(shù)研究部程偉：2020年可實(shí)現(xiàn)氫燃料電池車萬(wàn)級(jí)保有量
程偉稱，燃料電池汽車行業(yè)大概兩到三年就會(huì)有一個(gè)波峰，有一個(gè)波谷，現(xiàn)在正處于峰頂。
在整個(gè)國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策要求推進(jìn)燃料電池研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的主導(dǎo)下，長(zhǎng)三角、珠三角、京津冀等地的批量示范，以及社會(huì)資本的介入，2020年萬(wàn)輛級(jí)氫燃料電池車保有的目標(biāo)可以實(shí)現(xiàn)。
宇通客車燃料電池開發(fā)高級(jí)經(jīng)理李飛強(qiáng)：氫燃料電池客車會(huì)優(yōu)先商業(yè)化
李飛強(qiáng)認(rèn)為，在政府大力支持下，整個(gè)燃料電池汽車行業(yè)里面燃料電池客車，特別公交車商業(yè)化會(huì)優(yōu)先發(fā)生。
因此，宇通客車正為發(fā)力該市場(chǎng)做充足準(zhǔn)備，著手開發(fā)第四代燃料電池客車產(chǎn)品。預(yù)計(jì)2020年，燃料電池客車壽命將達(dá)28000小時(shí)，要求燃料電池系統(tǒng)至少運(yùn)行28000小時(shí)，滿足消費(fèi)者八年使用要求。
國(guó)家信息中心經(jīng)濟(jì)咨詢中心副主任李偉利：氫能的乘用車／商用車市場(chǎng)化前景可期
李偉利指出，氫能源是不可或缺能源形式，但其推廣利用過(guò)程不可能一帆風(fēng)順，氫的制備、存儲(chǔ)，和加氫站基礎(chǔ)設(shè)施等都需要大力的技術(shù)創(chuàng)新和商業(yè)模式探索。未來(lái)市場(chǎng)化前景可以期待。
展開 氫燃料電池汽車邁開商業(yè)化步伐
在此前提下，目前GLCF-CELL的電池壽命為15-20萬(wàn)公里，下一代將提升至30-40萬(wàn)公里。目前下一代氫燃料電池已在研發(fā)當(dāng)中，研發(fā)周期為5-6年。
就氫燃料電池車的安全問(wèn)題，Mohrdieck表示其通過(guò)了包括碰撞在內(nèi)的各類實(shí)驗(yàn)，其中包括應(yīng)用氫氣泄露特性的實(shí)驗(yàn)，“GLCF-CELL的安全性與奔馳的燃油車表現(xiàn)一樣好。”
2015年豐田推出了第一款氫燃料電池車“未來(lái)”（Mirai），計(jì)劃2020年銷售3萬(wàn)輛。此后現(xiàn)代也推出其燃料電池版途勝，并在今年8月推出續(xù)航里程達(dá)580公里的第二代產(chǎn)品。今年3月，本田的氫燃料電池車Clarity在日本上市。
中國(guó)氫燃料電池車仍處商用階段
作為新能源汽車的領(lǐng)軍市場(chǎng)，中國(guó)也絲毫沒(méi)有放松對(duì)氫燃料電池路線的關(guān)注。
在今年4月公布的《汽車產(chǎn)業(yè)中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》中，2020年在特定地區(qū)的公共服務(wù)車輛領(lǐng)域進(jìn)行小規(guī)模示范應(yīng)用，燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)能不低于1000套；
2025年城市私人用車和公共服務(wù)用車領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)批量應(yīng)用，達(dá)到5萬(wàn)輛的規(guī)模，燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)能不低于1萬(wàn)套；
2030年私人乘用車、大型商用車領(lǐng)域進(jìn)行規(guī)模化推廣，燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)能不低于10萬(wàn)套。
同時(shí)在扶持政策上氫燃料電池車的補(bǔ)貼也并未退坡，其中乘用車補(bǔ)貼20萬(wàn)元。
但目前受氫燃料電池技術(shù)的制約，中國(guó)氫燃料電池主要應(yīng)用在公交、物流車、班車等范疇。自2008年上汽集團(tuán)推出第一代燃料電池車至今，已發(fā)展至第三代。2014年榮威品牌進(jìn)入到工信部氫燃料電池汽車生產(chǎn)目錄，并計(jì)劃2015年規(guī)模化1000輛，但最終并未完成規(guī)模化計(jì)劃。
國(guó)內(nèi)燃料電池系統(tǒng)的可靠性、耐久性、環(huán)境適應(yīng)性與國(guó)際仍有較大差距，且核心零部件缺失導(dǎo)致采購(gòu)成本高企，也缺乏相應(yīng)政策法規(guī)支持。
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