燃料电池商用车技术路线研究

田方，陈琳，耿志勇



燃料电池商用车技术路线研究

田方，陈琳，耿志勇

（陕西汽车集团有限责任公司技术中心，陕西 西安 710043）

研究分析了适应于商用汽车的燃料电池技术路线，着重对燃料电池原理、全功率型与电电混合型燃料电池技术路线进行了分析，给出了燃料电池重型商用车未来技术路线的方向，可为其他燃料电池商用汽车产品的开发及燃料电池技术路线的选择提供参考经验。

燃料电池；技术路线；商用汽车；产品开发

1 研究背景和意义

目前，各国对于燃料电池汽车技术重视程度在不断提高，呈现出加大力度推进的态势。全球以日本、美国、欧盟和中国等都投入了大量资金和人力开展燃料电池汽车的研究。全球前几大汽车公司均已经开发出燃料电池车型并进行示范运行。

对于中国来说，随着汽车保有量不断攀升，来自汽车产业的能源与环境压力不断增大：一方面，石油对外依存度逐年上升，已从本世纪初的26%增加至2018年的将近70%，对能源安全构成了严峻挑战，实施能源替代迫在眉睫；另一方面，能源结构中化石能源居于绝对主体地位，环保压力巨大，优化能源结构同样刻不容缓。

氢能热值较高，储量丰富，来源多样，应用广泛，特别是具有极佳的环境友好度，代表着人类能源“脱碳入氢”、彻底避免碳排放的可能前景，是理想的长期替代能源候选对象与中间能源储存方式之一。从氢能的应用角度看，燃料电池汽车是重点方向之一，如果氢能可以在规模庞大、影响广泛的汽车产业得到规模化的应用，必将产生深远影响。也就是说，发展燃料电池汽车对于改善中国能源结构、推动交通领域低碳转型以及提升重点产业国际竞争力和科技创新力具有特殊的战略意义。正因如此，在《中国制造2025》等纲领性文件中，中国政府对燃料电池汽车及其相关技术提出了明确的发展规划，重视程度不断提升。

有鉴于此，本文对燃料电池原理、商用车技术路线等进行了梳理与分析，并提出了现阶段技术路线及发展趋势。

2 燃料电池原理与技术路径

2.1 燃料电池原理

燃料电池（Fuel Cell）是一种能够持续通过发生在阳极和阴极的氧化还原反应，将化学能转化为电能的能量转化装置。燃料电池与常规电池的区别在于它不储存电能，它是一种发电装置，它的还原剂（燃料）储存在电池之外的储罐，而氧化剂可由空气中的氧来提供，燃料电池本身只决定输出功率的大小，其贮能量由燃料罐的储量来决定。燃料电池由于无需携带氧化剂，比常规化学电源具有更高的能量密度。燃料电池的工作原理如下图1所示。

图1 燃料电池的工作原理

2.2 燃料电池技术实现

按燃料类型分：氢燃料电池、甲烷燃料电池、甲醇燃料电池和汽油燃料电池；

按电解质类型分：碱性燃料电池、酸性燃料电池、质子交换膜燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池，见下表1所示。

表1 燃料电池的分类

2.3 车用燃料电池系统工作原理

其中，质子交换膜燃料电池非常适合车用，其工作原理如图2所示。

图2 燃料电池系统工作原理

按燃料系统分为三个回路实现工作：氢回路、冷却回路和空气回路。氢系统由氢瓶、减压阀、回流泵与管路组成，氢气经减压阀进入回流泵，再进入燃料电池电堆进行反应，剩余氢气进入尾排回流。冷却回路用来冷却燃料电池电堆，由水泵带动冷却液进入电堆带走热量，被加热的冷却液进入散热器散热进行散热，水箱起补充冷却液作用。空气回路主要将过滤过的空气通过增湿器后，送入燃料电池堆，空气中的氧气与氢气反应产生电流的同时排出纯净水，剩余空气进入尾排。

3 燃料电池重型商用车技术路线

按照燃料电池电堆能源配比情况，燃料电池重型商用车可分为全功率型燃料电池车和混合动力式燃料电池车。

较为典型的例子是丰田与本田，在Mirai和Clarity上采用的燃料电池电堆功率均超过100kW，配合大功率动力电池组实现全功率输出，在丰田的客车、牵引车上采用了114kW大功率堆两个配小电量大功率动力电池组实现全功率燃料电池系统输出。

表2 全功率燃料电池车型

国内燃料电池商用车的代表宇通及福田，均采用了小功率堆配合较大电量动力电池组实现电电混合式燃料电池系统，如宇通的三代客车采用60kW燃料电池系统匹配64.5kWh磷酸铁锂电池组、福田采用60kW燃料电池系统匹配60kWh磷酸铁锂电池组组成动力系统，实现电电混合动力系统。

表3 混合功率式燃料电池车型

4 结论

受到目前国内燃料电池零部件发展限制，国内燃料电池技术路线将在一个比较长的时间内以小功率堆配较大电量电池组按照电电混合的路线进行，但随着燃料电池技术的成熟以及电堆及相应系统的商业化，全功率将是未来的发展方向。

[1] 李建秋,方川,徐梁飞.燃料电池汽车研究现状及发展[J].汽车安全与节能学报,2014,5（1）:17-29.

[2] 节能与新能源汽车技术路线图战略咨询委员会,中国汽车工程学会.节能与新能源汽车技术路线图[M].北京:机械工业出版社, 2016.

[3] 王喜文.中国制造2025:从工业大国到工业强国[M].北京:机械工业出版社,2015.

[4] 方川,徐梁飞,李建秋,欧阳明高.典型燃料电池桥车动力系统的关键技术[J].汽车安全与节能学报,2016,7（2）:210-217.

Research on technical route of fuel cell commercial vehicles

Tian Fang, Chen Lin, Geng Zhiyong

（Technical Center, Shaanxi Automobile Group Co., Ltd., Shaanxi Xi'an 710043）

In this paper, technical route of fuel cell commercial vehicles was analyzed, with emphasis on the principle of fuel cell, and the technology of fuel cell for full-power and hybrid electric vehicles. Furthermore, the paper shed light on the future technical route of fuel cell for heavy commercial vehicles, providing reference for the development of other fuel cell commercial vehicles and for the selection of fuel cell technology.

fuel cell; technical route; commercial vehicle; product development

A

1671-7988(2018)18-26-02

U469.7

A

1671-7988(2018)18-26-02

CLC NO.: U469.7

田方，就职于陕西汽车集团有限责任公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.18.010