浅析氢燃料电池车在中国新能源类车型中的发展前景

张浩亮

摘 要：随着石油能源的枯竭和人类对于保护生态环境的日益重视，减少汽车尾气对空气污染发展新型环保绿色交通运输工具成为人类共识。汽油的热值是0.46*108KJ/kg，氢气的热值是1.43*108KJ/kg 理论上氢气的热效能比汽油多3倍，汽油燃烧后产生的是CO2、NO2等温室气体，氢气只产生水，氢燃料电池车已成为汽车发展方向。本文对氢能源车的工作原理，整车布置，国内外发展现状做了浅析，并分析了重点突破方向分析研究，预测了发展前景。

关键词：中国汽车 新能源 氢燃料电池 整车布置 安全性和法律法规

1 概述

我国“十四五”规划中明确提到聚焦新能源汽车等战略性新兴产业、在氢能等产业组织实施未来产业孵化与加速计划等。2020年11月份，在国务院办公厅印发的《新能源汽车产业发展规划（2021-2035年）》明确了未来新能源汽车的发展目标，提出到2025年纯电动乘用车新车平均电耗降至12.0千瓦时/百公里;到2035年纯电动汽车成为新销售车辆的主流，公共领域用车全面电动化。在政策的推动下，未来我国新能源汽车的渗透率将会进一步提高[1]。

2 氢燃料电池汽车工作原理

众所周知，氢是第一位元素，氢气同氧气发生化学反应产生水，水占地球表面70%，人体中含有水也约占70%。

2H2+O2=2H2O伴随能量释放

逆向反应，当我们向水通电，产生氢离子和氧离子，最终产生氢气和氧气。

最初的内燃机汽车将汽油柴油改用氢气燃料，推动活塞和曲轴运动，从而驱动汽车行驶。如宝马的氢能7系，本质是内燃机车;

目前的氢燃料电池车Hydrogen Fuel Cell Vehicle，原理是将储存在燃料（液态氢气）和氧化剂中的化学能通过电极反应直接转化为电能。一部分电能直接驱动汽车行驶，一部分电能储存于电池，在特殊工况中起补充作用，并可以对汽车其他电器供电。可以理解为是一辆“自带氢燃料发电机的电动车” [2]。目前大多数氢燃料电池汽车使用压缩氢气或液化氢气作为燃料。氢燃料电池装置从本质上说是水电解的一个逆装置。是氢和氧通过电化学反应生成水，并释放出电能的过程。与使用传统能源的汽車相比，无污染略竞争手段。

3 氢燃料电池汽车基本的整车布置

无论车型如何，基本的整套燃料电池车动力系统包括：燃料电池堆、燃料电池升压变频器、正副高压储氢罐、动力控制单元、电动机、动力电池等。

燃料电池堆：一般布置在车身中部，受到周围结构充分保护。燃料电池堆不是电池而是发电设备，氢气和氧气在电池堆发生反应，产生对外输出电能，功率在100～200W。其工作原理：氢气被分离成氢离子和电子，并在多层电解质膜的作用下分离，其中电子运动，形成电流。氢离子和氧气作用排出水。核心部分之一就是电解质膜;

燃料电池升压变频器：紧靠燃料电池堆，负责将电压升高，一般在600～700V，满足高性能电动机使用;

氢燃料电池车中的高压储氢罐就相当于燃油车的油箱，由于氢气是密度最小的气体，必须压缩才能方便储存，体积过大影响使用性。以Mirai.为例，其储氢罐采用三层设计，分别为表层（玻璃纤维强化树脂层），中间层（碳钎维强化树脂），内层（树脂衬里），可承受700个大气压，Mirai. 正副高压储氢罐可存储5kg氢气，理论续航500公里

动力电池：燃料电池堆在稳定工况下效率最高，但是车辆对于动力需求变化频繁。所以会有动力电池来存储燃料电池堆产生的富余电能，并在加速时为电机提供额外电能。同时具备存储回收的制动能量功能。

动力控制单元和驱动电机：一般小型车辆整车设计时会布置在前舱，替代了原有内燃发动机位置，也有利于整车质量均布。前者控制燃料电池堆和动力电池的工作情况，使电力能被高效利用，后者作为整车驱动源。设计功率一般至少达到100KW，最大扭矩300NM。

4 国内外氢能源汽车发展现状

世界上最早开发氢能源的是丰田汽车公司，该公司从1992年开始研发氢能源技术。目前氢能源汽车可分为传统内燃机型和氢气燃料电池型，主要运用在轿车和城市公交上。

内燃机型：顾名思义就是传统内燃气汽车改用氢气燃料，目前主要有如宝马的氢能7系;

氢气燃料电池型：最主要是以氢气为原料，在燃料电池堆产生电流和水的反应。主要如：GM凤凰phoenix、奥迪H-TRON、丰田Mirai米莱未来等。

2001年12月，以上汽通用GL8为原型，通用汽车提供燃料电池组，泛亚技术中心负责整车系统集成的“凤凰”氢燃料电池展示车项目，获上汽集团技术创新成果一等奖。

2014年12月15日在日本正式上市的丰田 Mirai. 氢燃料电池车。30.7万人民币。目前累计约10000辆。

2018年中国中铁集团公司的子公司四方公司开发了世界上第一辆氢动力有轨电车。由氢燃料电池提供动力，目前最高时速为每小时70公里，仅在市区使用。设计搭载380名乘客。3分钟的加气时间，行驶里程为100公里。

2020年10月法国氢动力汽车制造商Hopium在巴黎Viva技术周推出了其第一款上路的原型车。续航达到1000km， 补能3分钟;

2021年6月，上汽红岩签约交付500辆氢能重卡。

此外，长城、吉利都已推出了自己的氢气燃料电池型产业发展计划。

5 氢燃料电池汽车和磷酸铁铝电池比较

6 氢燃料电池汽车商业化的三个方向重点突破方向

2018.6.28.在清华大学举办的“氢能产业创新发展论坛”上万钢提出氢燃料电池汽车商业化需要突破三个重点方向：膜电极、空压机和储氢罐的产业化。能否实现氢燃料电池汽车成为行业挑战者和超越者，这三条生命线的发展成为关键。

7 氢燃料电池汽车安全性和法律法规

由于氫气具有可燃性，在空气中点燃会发生爆炸。据世界卫生组织报告显示2020 年135万人汽车事故死亡，中国5万多。（搜狐2020-12-18）。做为传统汽车挑战者的氢燃料车在设计制造中尤其注重安全准入。其中主要是对于储气罐的结构设计保护和使用操作规范和在加气口、储气罐和管路上都有严格的安全规范要求。要确保80公里时速追尾实验要求所有管路不漏气。国家制定了氢气使用安全技术规程GB4962用于指导各大企业氢燃料电池汽车设计试验和生产的准入。

8 小结

氢燃料电池汽车做为未来汽车产业实现弯道超车的又一块阵地正等待着有着发展眼光的科研企业的投入和实践，可以预期在今后的20～30年内一旦实现质的突破，整个行业将发生天翻地覆的改变，做为终极环保交通运输工具的氢燃料电池汽车前途将不可限量。未雨绸缪，做为汽车人我们应该深刻理解并推进这项技术的发展。未来可期，未来已来。

9 结语

世界汽车发展100年，极大地改变了人类发展的进程。但随着石油能源的逐渐枯竭和人类对于保护地球生态环境的日益重视，减少汽车尾气对空气污染发展新型环保绿色交通运输工具成为世界各国政府、科学界、企业界的人类共识。汽油的热值是0.46*108KJ/kg，氢气的热值是1.43*108KJ/kg 理论上氢气的热效能比汽油多3倍，汽油燃烧后产生的是CO2、NO2等温室气体，氢气只产生水，所以氢燃料电池车作为一种零污染高能效的汽车发展方向，已被公认为是未来最理想地地面交通工具[3]。目标虽然已经清晰，道路还很漫长，但只要人类共同地努力，持续地科技进步，相信终有一天会实现清洁能源氢汽车产业化。

参考文献：

[1]《中国氢能源及燃料电池产业白皮书》，中国氢能联盟，2019.

[2][意] 帕斯夸里-科尔沃（PASQUALE CORBO）著《车用氢燃料电池》[M].机械工业出版社，2019.

[3]Alternative Energy Hydrogen Fuel 5.1 [OL]. 30th July， 2019 http：//www.alternative-energy-news.info/floating-solar-panels.