摘 要
面對能源消耗和應(yīng)對氣候變化問題等多重挑戰(zhàn)，世界主要國家都把發(fā)展燃料電池汽車提升到國家戰(zhàn)略高度。我國目前已經(jīng)初步具備發(fā)展氫燃料電池汽車的資源基礎(chǔ)、技術(shù)積累和市場空間，現(xiàn)需要大力推動發(fā)展。氫燃料電池汽車具有動力強勁、安全可靠、經(jīng)濟節(jié)能等優(yōu)勢，但目前我國發(fā)展氫燃料電池汽車也面臨著燃料電池堆、空壓機、車載儲氫系統(tǒng)等技術(shù)較落后的現(xiàn)象需大力政策扶持并加快發(fā)展，文章就上述問題進(jìn)行了詳細(xì)闡述。
前 言
燃料電池汽車以燃料電池系統(tǒng)作為單一動力源或者是以燃料電池系統(tǒng)與可充電儲能系統(tǒng)作為混合動力源的電動汽車。氫能是新能源革命的重要領(lǐng)域，將成為支撐我國構(gòu)建一個綠色、高效、安全的新能源系統(tǒng)的關(guān)鍵支柱，而燃料電池汽車作為氫能利用的關(guān)鍵領(lǐng)域，將成為我國汽車產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要方向。發(fā)展燃料電池汽車有動力強勁、安全可靠、經(jīng)濟節(jié)能等諸多優(yōu)勢 ，但是也面臨著燃料電池堆（含質(zhì)子交換膜、催化劑、氣體擴散層及雙極板）、空壓機、車載儲氫系統(tǒng)等技術(shù)現(xiàn)狀與國外技術(shù)有一定差距的現(xiàn)象，現(xiàn)將其優(yōu)勢和技術(shù)現(xiàn)狀分析如下。
燃料電池汽車優(yōu)勢
1.1、動力強勁
燃料電池動力系統(tǒng)采用的是“電-電混合”技術(shù)路線，即將動力電池和燃料電池并聯(lián)，由鋰電池提供車輛加速、減速等非穩(wěn)態(tài)下所需的大功率，而燃料電池則用來提供穩(wěn)定工況下的輸出功率。這種方案不僅解決了燃料電池動態(tài)響應(yīng)速度慢的問題，還可大大延長燃料電池的壽命，同時能提供強勁的動力。以燃料電池城市客車為例，最大爬坡度能達(dá)到22%（同等條件下傳統(tǒng)客車為 20%），0-50km/h 加速時間只需要8s 而傳統(tǒng)客車需要 30s，可見加速能力優(yōu)于傳統(tǒng)客車。
1.2、安全可靠
通過實際運營，燃料電池汽車的運營時間和里程遠(yuǎn)高于純電動汽車，具有更高的安全性，如表 1 所示。
表1 燃料電池汽車與純電動汽車可靠性對比表
從表 1 中可以看出在全生命周期內(nèi)燃料電池乘用車和商用車均比純電動乘用車和商用車有更長的運營時間和里程，可見燃料電池汽車的耐久性和可靠性優(yōu)于純電動汽車，更安全可靠。
1.3、經(jīng)濟節(jié)能
1.3.1、全生命周期成本低
燃料電池汽車能耗成本低，國家政策補貼大，其全生命周期成本較低，如表 2 所示。
表2 燃料電池汽車和傳統(tǒng)汽車及純電動汽車全生命周期成本對比表
從表 2 中可以看出燃料電池汽車全生命周期的總成本遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)汽車和純電動汽車，尤其是燃料成本遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)汽車，完全符合國家節(jié)能減排的政策方針。
1.3.2、能量轉(zhuǎn)化率高
燃料電池汽車能量轉(zhuǎn)換效率高。據(jù)戴克公司對 NECAR4型燃料電池轎車的測試，其燃料電池堆的能量轉(zhuǎn)換效率為62%，如果除去燃料電池發(fā)動機輔助系統(tǒng)的能耗（占 16.4%）和電機及其驅(qū)動系統(tǒng)的能耗（占 8.1%），從“油箱到車輪”的效率為 37.7%，遠(yuǎn)高于汽油機汽車 16%～18%和柴油機汽車 20%～24%的轉(zhuǎn)換效率。
燃料電池汽車技術(shù)現(xiàn)狀
燃料電池汽車的動力源是燃料電池系統(tǒng)，其核心技術(shù)也是在燃料電池系統(tǒng)，因此燃料電池系統(tǒng)的技術(shù)成熟與否決定了燃料電池汽車的發(fā)展前景，現(xiàn)將燃料電池系統(tǒng)的核心部件燃料電池堆（含質(zhì)子交換膜、催化劑、氣體擴散層及雙極板)、空壓機、車載儲氫系統(tǒng)等的技術(shù)現(xiàn)狀敘述如下。
2.1、燃料電池堆技術(shù)現(xiàn)狀
我國車用燃料電池堆整體發(fā)展程度仍處于起步階段，技術(shù)水平與國際先進(jìn)水平仍有差距，如表 3 所示。
表3 國內(nèi)外燃料電池堆技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化對比情況表
從表 3 中可以看出國內(nèi)燃料電池系統(tǒng)功率普遍在 60kW以下，燃料電池堆的功率密度不超過 2.7kW/L，整車?yán)鋯訙囟茸畹蜑?20℃等技術(shù)指標(biāo)均低于國外技術(shù) ?，F(xiàn)分述其核心部件質(zhì)子交換膜、催化劑、氣體擴散層、雙極板等的技術(shù)現(xiàn)狀。
2.1.1、質(zhì)子交換膜技術(shù)現(xiàn)狀
國際上已掌握了質(zhì)子交換膜基材及工藝的核心技術(shù)，并形成了一定的技術(shù)和市場壟斷。美國戈爾設(shè)計出超薄增強型質(zhì)子交換膜，最薄能達(dá)到 7～10um，功率密度、機械耐久性及水汽擴散自增濕效應(yīng)優(yōu)異，已廣泛應(yīng)用于乘用車上。我國質(zhì)子交換膜技術(shù)近年來取得了一定的進(jìn)展。山東東岳開發(fā)的 DF260 復(fù)合膜，膜厚度可達(dá) 15um，在干濕循環(huán)和機械穩(wěn)定性方面，循環(huán)次數(shù)超過 2 萬次?？傮w來說，我國質(zhì)子交換膜多處于實驗階段或小批量生產(chǎn)階段，技術(shù)與國際領(lǐng)先水平存在一定的差距。未來質(zhì)子交換膜技術(shù)將趨于薄膜化，這有助于降低質(zhì)子傳遞的阻力，以達(dá)到較高的性能。
2.1.2、催化劑技術(shù)現(xiàn)狀
國際上，燃料電池催化劑技術(shù)已形成批量化生產(chǎn)能力。日本田中貴金屬研發(fā)的 PV/C 催化劑整體性能優(yōu)異，已運用在本田燃料電池汽車上，其開發(fā)的 PtCo/C 催化劑也開始在燃料電池汽車上試運行。
與國外相比，我國燃料電池催化劑尚處于實驗研制階段，還未形成有競爭力的產(chǎn)業(yè)化產(chǎn)品。云南貴金屬集團已研發(fā)出全系列（Pt 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 30%～70%）Pt/C 催化劑，但還未實現(xiàn)批量化生產(chǎn)。我國科研機構(gòu)已開展對催化劑的研究，進(jìn)展顯著。大連化學(xué)物理研究所研制的 PtNi 納米線合金催化劑質(zhì)量與面積比活性分別達(dá)到 Pt/C 的 2.5 倍和 3.3 倍，超小 PtCu合金催化劑質(zhì)量比活性達(dá)到 Pt/C 的 3.8 倍。
由于 Pt 金屬昂貴、稀有，開發(fā)低 Pt 化和無 Pt 化催化劑將是未來燃料電池催化劑的研究趨勢。
2.1.3、氣體擴散層技術(shù)現(xiàn)狀
國際上氣體擴散層的生產(chǎn)工藝已實現(xiàn)卷材生產(chǎn)，且生產(chǎn)工藝穩(wěn)定，能大批量供應(yīng)性能穩(wěn)定的產(chǎn)品。如德國西格里生產(chǎn)的氣體擴散層具有很薄的基體層，其微孔層具有優(yōu)良的氣體透過率，受到國際上的較高認(rèn)可。
國內(nèi)產(chǎn)品尚處于小規(guī)模生產(chǎn)階段，氣體擴散層的原材料如碳紙等多依賴進(jìn)口。中南大學(xué)提出了化學(xué)氣相沉積(CVD)熱解炭改性碳紙的新技術(shù)，發(fā)明了與變形機制高度適應(yīng)的異型結(jié)構(gòu)碳紙，采用干法成型、CVD、催化炭化和石墨化相結(jié)合的連續(xù)化生產(chǎn)工藝，其產(chǎn)品的耐久性和穩(wěn)定性有所提升。
未來碳紙技術(shù)將趨于薄膜化，以提高氣體擴散能力，減少在高電流密度下的傳質(zhì)問題。
2.1.4、雙極板技術(shù)現(xiàn)狀
國外已經(jīng)形成了成熟的雙極板產(chǎn)業(yè)鏈，在制造工藝、質(zhì)量、成本控制和批量化生產(chǎn)等方面均已形成成熟的產(chǎn)業(yè)化體系。其中金屬雙極板，其核心技術(shù)如極板設(shè)計、精密制造及耐蝕涂層開發(fā)等均被視為占領(lǐng)燃料電池技術(shù)高地的核心機密，許多關(guān)鍵技術(shù)被各大企業(yè)以知識產(chǎn)權(quán)形式進(jìn)行技術(shù)壟斷。另外石墨雙極板，加拿大 Ballard 開發(fā)的柔性石墨雙極板代表了國際先進(jìn)水平，極板厚度小于 1mm，應(yīng)用在 Ballard 的燃料電池堆電流密度達(dá) 2.5A/cm 2 ，已累積無故障運行超過 20000 小時。
近年來，國內(nèi)雙極板技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化能力已明顯提高。金屬雙極板涂層技術(shù)已實現(xiàn)突破，開發(fā)了多種具有自主知識產(chǎn)權(quán)的石墨基、鈦鉻基納米復(fù)合涂層，并應(yīng)用于金屬極板。此外，金屬雙極板的設(shè)計技術(shù)也取得較大進(jìn)展，開發(fā)出無須增濕金屬雙極板，利用波紋流場結(jié)構(gòu)對板面流體進(jìn)行合理分配，并通過對波紋周期參數(shù)的調(diào)節(jié)實現(xiàn)不增濕條件下的堆內(nèi)保水。
我國石墨雙極板已初步實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，如上海弘楓研發(fā)的超薄石墨雙極板，已應(yīng)用于燃料電池客車上；廣東國鴻開發(fā)的碳基復(fù)合雙極板，已應(yīng)用于物流車等領(lǐng)域。未來創(chuàng)新性的流場設(shè)計、高效的制造工藝及嚴(yán)格的成本控制，是雙極板制造的趨勢。而對金屬雙極板而言，開發(fā)低成本、高耐久性的耐腐蝕性涂層是金屬雙極板技術(shù)需重點突破的關(guān)鍵性問題。
2.1、空壓機技術(shù)現(xiàn)狀
國外燃料電池汽車空壓機的研發(fā)起步較早，在轉(zhuǎn)子、軸承、控制器及高速電機等核心技術(shù)方面積累了較多的經(jīng)驗；同時，國外空壓機企業(yè)有與汽車零部件企業(yè)匹配的豐富經(jīng)驗，正向開發(fā)能力強，能針對整車企業(yè)的需求做針對性開發(fā)。目前，螺桿式壓縮機已被廣泛運用于美國和加拿大等汽車企業(yè)的燃料電池系統(tǒng)，瑞典 OPCON 開發(fā)的螺桿式壓縮機，壓縮比達(dá) 3.2，排氣流量從 17g/s 到 400g/s，可實現(xiàn)燃料電池汽車在不同工況下的流量調(diào)節(jié)。
國內(nèi)空壓機的研發(fā)多為科研機構(gòu)及大學(xué)承擔(dān)的國家“863”和“973”課題，缺乏專業(yè)的制造企業(yè)參與，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展緩慢?？傮w來說，我國空壓機企業(yè)與整車企業(yè)零部件配套經(jīng)驗不足，正向開發(fā)能力較弱，且國內(nèi)缺乏成熟的供應(yīng)鏈如軸承、控制器和高速電機等的支撐，空壓機關(guān)鍵零部件仍依賴進(jìn)口。
開發(fā)大空氣流量、節(jié)能高效且能在全工況下快速響應(yīng)的空壓機將成為未來的發(fā)展方向。
2.3、車載儲氫系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀
國外儲氫系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈相對完善，制造技術(shù)已趨于成熟。在儲氫瓶方面，國外 35MPa 和 70MPa 的儲氫瓶技術(shù)成熟，已形成與整車配套生產(chǎn)能力，并成功應(yīng)用于燃料電池汽車上，如國外燃料電池乘用車多采用 70MPa IV 型儲氫瓶，儲氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá) 5.7%，100MPa 的高壓儲氫容器已處于研制階段。
我國車載儲氫系統(tǒng)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化程度與國外先進(jìn)技術(shù)水平有一定的差距，隨著車用氫能產(chǎn)業(yè)化的不斷發(fā)展，我國車載儲氫系統(tǒng)開始逐漸由樣品試制、小批量生產(chǎn)轉(zhuǎn)向規(guī)?；a(chǎn)，產(chǎn)業(yè)配套體系也在逐步構(gòu)建。在儲氫瓶方面，我國已具備了 35MPa 鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞Ⅲ型高壓儲氫瓶技術(shù)和批量化生產(chǎn)能力，并陸續(xù)在國產(chǎn)燃料電池商用車和乘用車上實現(xiàn)搭載。由于儲氫瓶關(guān)鍵材料如碳纖維復(fù)合材料以及關(guān)鍵的
精細(xì)化零部件（如閥門等）的國產(chǎn)化水平較低，主要依靠進(jìn)口，導(dǎo)致車載儲氫瓶成本較高的問題比較突出。
未來車載高壓氣態(tài)儲氫技術(shù)將向高壓化、輕量化和低成本化方向發(fā)展。
結(jié) 語
氫燃料電池汽車無污染，可實現(xiàn)零排放，是新一代清潔汽車，我國應(yīng)大力發(fā)展氫燃料電池汽車。但是我國在燃料電池系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)等方面與發(fā)達(dá)國家存在一定差距，所以我們應(yīng)加大政策扶持盡快突破關(guān)鍵技術(shù)；大力推進(jìn)示范營運，注重開展示范效果評估；完善標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)體系，全面提高測試評價能力。相信我們通過刻苦專研、努力攻關(guān)，一定會盡快掌握核心技術(shù)，建立健全生產(chǎn)配套體系和法規(guī)體系，迎頭趕超發(fā)達(dá)國家。
來源 | 期刊《新能源汽車》
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