燃料电池客车研发进展分析

高 敏

（清华大学汽车工程系，北京 100084）

1 概述

电动汽车作为汽车动力源的一次根本性革命，对解决能源短缺、改善空气污染起着积极的推动作用。其中燃料电池电动汽车以氢为燃料，通过氢和氧的反应直接将化学能转换为电能，其能量转化率高，燃料经济性好，行驶过程中没有任何污染物排放，而且氢的来源广泛，因此，被普遍认为是解决环境污染和能源问题的理想途径。自上世纪90年代起，各国政府和各大汽车公司都在关注燃料电池城市客车的研发和示范。我国经过“十五”和“十一五”国家高技术研究发展计划（863计划）项目的实施，在燃料电池客车（FCB）研发方面也取得了显著进步，部分研发成果达到国际先进水平[1]。

目前采用质子交换膜燃料电池（PEMFC）作为动力源的燃料电池汽车具有如下特点：

1）能量转换效率可达60%～80%，为内燃机的2～3倍。

2）燃料电池本身工作无噪声、转动与振动，其电极无损耗。

3）燃料电池的生成物是清洁的水，是“零排放”的汽车[2-3]。

早期的燃料电池系统体积大、功率小，要获得足够的动力需增加辅助动力电池，还要有车载供氢装置，而大客车空间大、易布置。城市客车在市区道路行驶速度不高，对加速、爬坡能力要求不严，且定时、定线行驶，便于建立集中加氢及维修设施。人口稠密、交通拥挤的市区对汽车废气排放与噪声要求严格，而FCB是“零排放”的汽车，容易得到公众支持和政府补贴，交通运输部门愿意推广。FCB也有流动宣传效应，可向公众展示新型清洁能源的优点。开发FCB的市场风险相对较小，同时也可为新技术验证提供便利条件，因此，FCB被认为是最有可能率先实现产业化的车型之一[4]。由于FCB的关键技术仍处在研发示范阶段，离实现产业化的差距较大，因此，本文通过分析国内外FCB研发及产业化进程中遇到的难点，提出FCB今后研发重点。

2 国外FCB发展及现状

全球第一辆FCB是1993年由加拿大巴拉德动力系统公司研制成功的[5]，采用PEMFC，车长9.7 m，功率92 kW，可乘20人。1994年4月，美国乔治城大学也开发了一辆采用磷酸型燃料电池、车长为9 m的FCB。1998年，巴拉德公司分别与芝加哥和温哥华公交局合作，为每个城市分别研制3辆12 m长的FCB，并开始进行两年左右的载客示范运行。此后世界各国掀起了研制FCB的热潮，戴-克公司、丰田公司、美国ISE公司等纷纷研制出各自的FCB样车，并取得令人瞩目的成就。1998-2000年，有6辆FCB在美国芝加哥和加拿大温哥华进行商业化示范运行，6辆车共运行11.5万km，乘客约20万人次。加拿大哥伦比亚省惠斯勒投入使用了20辆FCB，为参加2010年冬季奥运会的运动员和观众提供了服务。丰田公司1999年开始研制FCB，并于2003年8月29日在东京都有明加氢站周围地区公交线路投入试运行，在2005年爱知万博会投入8辆FCB在其2个会场间运行[6]。欧洲10城市FCB示范项目于2001年11月启动。在欧洲不同的气候、地形和交通条件下的实际运行中，36辆FCB表现出良好的性能，运行里程超过2200000 km，运行时间超过140000 h。

从世界范围来看，美国已成为世界上开展FCB示范最广、规模最大的国家。截至目前，仍有30辆FCB在9个地点开展示范运行，并相继有下一步示范运行工作提上日程。美国能源部曾联合国防部、交通部、国家科学基金会、NASA和商务部，与8个国家实验室、2所大学和19个公司签署研发合同，支持5个汽车与能源公司构成的产业联盟，进行了燃料电池汽车车队和基础设施示范。由于燃料电池技术开发难度大，持续突破预期有所减弱，产业化的进程受到严重影响。奥巴马政府执政后，拟取消或减少燃料电池技术发展计划的投入。2009年10月16日，美国国会通过了“能源与水资源法案”，2010年，美国能源部用于氢与燃料电池研发项目的资金重新得到批准，燃料电池及氢能工业将重新获得1.74亿美元的政府支持资金，目标是到2015年使FCB占到新增城市客车的10%。

寿命、成本、供氢设施建设是FCB实现产业化所面临的三大技术难题。各国政府和企业在继续进行示范的同时，重新将研发的重点转向应用基础研究。2009年1月，美国能源部提交的国会报告中，车用燃料电池的寿命仅接近2000 h，经过各大汽车公司积极致力于燃料电池技术的研究，近期取得较大进步。美国联合技术公司与美国AC Transit运输公司合作，在加州奥克兰市成功地进行了FCB示范运行。截至2010年6月底，其120 kW的燃料电池系统在没有更换任何部件的条件下，已经运行了7000 h，远超过美国能源部制定的2015年的5000 h寿命目标。这是一个令人鼓舞的结果，标志着FCB向商业化方向迈出了可喜的一步[7-8]。燃料电池系统成本也在逐渐下降，2002年燃料电池发动机的价格为275美元/kW，2006年下降为110美元/kW，2010年已下降至73美元/kW，美国能源部提出的目标是2015年降到30美元/kW，与目前汽油机的价格水平相当[9]。

在供氢基础设施建设方面，欧美日等国也在积极推动，设定了未来5～10年的加氢站建设计划。德国的清洁能源伙伴计划（CEP）将于2010年前在柏林和汉堡各建设5～10座加氢站，并规划2015年加氢站的数量将达到500座。美国的加州氢能高速公路计划中，计划2010年前将建成100座加氢站。日本政府将把加氢站示范从目前的东京地区扩大到中部地区，预计在2012年之前建成60座加氢站。法国液化空气集团在全球建设的加氢站数量已超过40座，他们不但参与加氢站的设计、建造，还负责运营和维护。该公司建造了世界上最大的一座加氢站，每天可为23辆FCB提供燃料。

3 我国FCB的研发进展

我国电动汽车的研发始于上世纪90年代，几乎与国外同步。但真正开始FCB的研发是在本世纪初，国家863计划“十五”电动汽车专项和“十一五”节能与新能源汽车重大项目支持国内企业、研究院所和高校开展氢能及燃料电池汽车研发[10-12]。从2002年底由清华大学联合国内多家企业及研究院所成功研制出国内第一辆FCB起，经过近10年的研发，已陆续研制出多辆FCB。表1列出四代FCB的基本情况及特点。

国内研制的FCB尽管多次参与各种展示活动，但因燃料电池寿命和成本等问题还达不到产业化要求。

从表1可以看出，国内研发的FCB均采用混合驱动和车载纯氢的模式，混合驱动是在燃料电池的基础上再增加蓄电池作为另一动力源。混合驱动的优点：可以放宽对燃料电池功率的要求，降低燃料电池成本；可实现制动能量回收；可以延长燃料电池的寿命，采取一定的控制策略可以使燃料电池在恒定工况工作，减缓燃料电池的衰减。

表1 国内FCB基本情况及特点

表2为“中国燃料电池公共汽车（FCB）商业化示范项目”北京项目一期与二期中奔驰公司纯燃料电池客车与国产混合动力燃料电池客车在同一线路和同样长达1年的示范运行情况。

表2 纯燃料电池客车与混合动力燃料电池客车示范情况对比

从表2可以看出，采用混合动力燃料电池系统使国产FCB的燃料经济性明显优于奔驰公司纯燃料电池客车40%，动力性相当。

“中国FCB商业化示范项目”是我国科技部与联合国开发计划署（UNDP）和全球环境基金（GEF）共同支持、合作的科技示范项目。北京项目（一期）招标采购了奔驰公司3辆纯燃料电池客车，示范运行发现FCB使用成本特别是燃料成本过高、车辆可靠性偏低等问题，北京项目（一期）于2007年10月正式结束。北京项目（二期）采用的是清华大学与北汽福田共同研制的混合动力FCB，在示范使用中，虽然维修和燃料成本比奔驰车有所降低，但总的成本依然较高，而且故障率比传统车要高。

奔驰公司第二代燃料电池客车于2009年推出，参数对比见表3。

表3 奔驰公司第二代燃料电池客车与国产燃料电池客车参数对比

由此看出，奔驰公司第二代燃料电池客车采用混合动力燃料电池系统后氢耗量明显改善。

由新源动力和上海神力科技研制的PEMFC发动机经过多年在FCB上的试验、应用与改进，已取得长足进步。特别是近年来，针对炭纸、质子交换膜、电催化剂和双极板等关键材料和部件开展了大量的研究，在结构优化、电性能、热性能和机械强度等方面都取得了明显的进步[13-14]。国产化材料降低了燃料电池的成本，增强了实用性。在2008-2009年为期一年的载客示范运行中得以验证，故障率比初期大为减少，平均故障间隔里程达到2880 km。但是燃料电池系统的耐久性、可靠性和环境适应性依然是影响FCB产业化的关键因素，尚需继续进行深入研究[15]。

在供氢基础设施方面，我国已经自主研发出具有外供氢和天然气重整制氢多种功能的固定式加氢站，也有工业副产氢提纯装置和移动加氢车等多种供氢设施。这些设施曾成功完成北京奥运会和北京公交示范的燃料电池车的加氢以及上海世博会用车辆的加氢任务。国产车载高压储氢瓶已研制成功，使用的铝内胆旋压收口工艺和高压储氢瓶碳纤维缠绕工艺均已较为成熟。在氢系统方面采取了一系列的安全保护措施，可实现对储氢和供氢系统的泄漏、超温、超压、过流等危险状况的实时多重监控及预警。

4 FCB实现产业化的努力方向

从上述分析可以看出，尽管国内外在FCB的研发及示范上取得了明显的进展，但相对于纯电动汽车而言，燃料电池汽车的缺点主要体现在燃料电池的运行寿命短，系统的成本高，氢气的制备、储存相应基础设施要求复杂，是制约其能在近期内实现产业化的瓶颈问题，仍需要持续加强关键技术研发[15-16]。

燃料电池的寿命研究是一项系统工程，它不仅与燃料电池堆本身的结构、材料等有关，还与燃料电池发动机系统结构有关，可通过“提高发动机支持系统的增湿系统能力，尽可能提高其全工况条件增湿能力和增湿条件的稳定性；优化发动机热管理系统，使发动机运行温度稳定在热机状态；开发更为有效的空气除杂质技术，降低电堆反应气的硫化物浓度等”[14]手段延长燃料电池发动机系统的寿命。只有进行产学研联合攻关，才能早日实现产业化。

降低燃料电池系统成本的研究工作一直受到各国政府和各大燃料电池系统生产企业的重视，主要是双极板、质子交换膜和催化剂铂等材料的成本过高，需要研制价格低的新型材料作为替代品，并保证性能不变或得到进一步提高。据《自然·化学》杂志报道，德国柏林工业大学研究人员和来自美国的学者合作，共同研发出一种新型铂合金，这种新型催化剂可节约大量的贵金属铂，使氢燃料电池的化学反应成本降低80%[17]。

氢气来源广泛，但真正能够用于燃料电池汽车的氢气纯度要求高，储存的容器要求高，尤其在客车上是以高压的形式储存以减小体积，保证足够的续驶里程，所以制氢和储氢的成本都高，形成产业化瓶颈。虽然已取得一些进展，但还需要采用更经济、更环保的方法解决制氢和储氢技术。

尽管FCB可能是最有希望率先实现产业化的车型，但寿命、成本和供氢基础设施建设仍然是其产业化的瓶颈，还需要进行长期坚持不懈的努力才能有所突破。各国政府和各大汽车公司并没有因金融危机而放弃对燃料电池技术的研发，相反受能源和环境问题的影响，更加积极地增加投入，增加研发力度，以期尽快掌握未来市场竞争的主动权。国内FCB的研发虽然取得了一定的成果，但与欧美日等国的实力相比，还有一定的差距，需要继续加大研发力度，以期加快产业化的进程。

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