2021年4月10日，2021年中小城市公交經(jīng)驗交流論壇在廣東省中山市隆重召開。武漢科技大學汽車與交通工程學院教授雷洪鈞博士應邀作了《燃料電池公交車基本原理及技術特征》演講。

武漢科技大學汽車與交通工程學院教授、博士 雷洪鈞

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2016-2020年間，我國燃料電池汽車的銷量分別為629輛、1275輛、1527輛、2737輛、0.1萬輛，累計超7100輛。2019年沖高，但是2020年受到疫情影響，又跌落到1000輛水平。目前燃料電池汽車是主要是公交車，分布在河北省張家口、廣東佛山（云佛）、上海、江蘇等地區(qū)。

中國節(jié)能與新能源汽車開始示范總是選擇公交車，1997年天然氣公交車、2010年的混合動力公交車、2012年純電動公交車，2015年燃料電池公交車。一句話，公交公司一直是中國節(jié)能與新能源汽車示范的試驗田。

示范一方面給公交公司添了不少麻煩，同時也提升公交公司技術水平，我國公交車檔次越來越高，與公交公司是中國節(jié)能與新能源汽車試驗田也是分不開的。

在2020電動汽車百人會論壇上，全國政協(xié)副主席、中國科學技術協(xié)會主席萬鋼在“中國電動汽車百人會論壇（2020）”高層論壇上,提出中國新能源汽車發(fā)展戰(zhàn)略中,氫燃料電池汽車和純電動汽車同等重要,長期共存,在市場應用中,它們也各有定位,互不替代，預計2020，氫燃料電池汽車預期產(chǎn)量可達1萬輛。受疫情影響，完成了十分之一。

看2021年能不能實現(xiàn)？如果2021年5月份以前燃料電池汽車示范城市群能批下來，這個目標是有可能實現(xiàn)。下面對燃料電池公交車基本原理及技術特征予以介紹和討論，供大家參考。

一、燃料電池的基本知識

燃料電池是一種能量轉(zhuǎn)化裝置，它將燃料的電化學能轉(zhuǎn)化成電能。它類似于常規(guī)電池一樣，也是電化學發(fā)電裝置，因此被學界稱為燃料電池。（注意：此電池不是比電池）

燃料電池單池包括七層結(jié)構(gòu)，最中間一層為質(zhì)子交換膜（又稱電解質(zhì)膜），然后兩側(cè)對稱地依次為陰/陽極催化層、陰/陽極氣體擴散層和陰/陽極雙極板。

1）燃料電池與常規(guī)電池的異同點

a）燃料電池工作時，需要連續(xù)不斷地向電池內(nèi)輸入燃料和氧化劑，只要持續(xù)供應，燃料電池就會不斷提供電能。輸入的氫氣和氧氣，輸出地是電流和水。

b）常規(guī)電池是儲電能裝置。電池的電能源于電網(wǎng)對其充電。輸入的電能、輸出的也電能。（注意：）燃料電池是發(fā)電裝置。）

c）燃料電池與常規(guī)電池物理結(jié)構(gòu)不同。

d）燃料電池與常規(guī)電池類似都是化學能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換裝置。

2）氫燃料電池工作原理

氫氣通過燃料電池的正極當中的催化劑（鉑）分解成電子和氫離子（質(zhì)子）。其中質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜（Proton Exchange Membrane）到達負極和氧氣反應變成水和熱量。對應的電子則從負極通過外電路流向正極產(chǎn)生電能。（即電流從正極通過負載流向負極）。

采用的是質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）技術。其系統(tǒng)組成通常為：

a）燃料電池堆

由一組電極和電解質(zhì)板構(gòu)成的燃料電池單池輸出電壓較低，電流密度較小，為獲得高的電壓和功率，通常將多個單電池串聯(lián)，構(gòu)成電堆棧。相鄰單電池間用雙極板隔開，雙極板用來串聯(lián)前后單電池和提供單電池的氣體流路。

b）氫氣儲罐

車載高壓氣態(tài)儲氫氣瓶主要包括鋁內(nèi)膽纖維纏繞瓶（Ⅲ型） 和塑料內(nèi)膽纖維纏繞瓶（Ⅳ型） ，車載氣瓶具有體積、重量受限、充裝有特殊要求、使用壽命長和使用環(huán)境多變等特點。因此，輕量化、高壓力、高儲氫質(zhì)量比和長壽命是車載儲氫氣瓶的特點。

C）動力電池

動力電池即為工具提供動力來源的電源，多指為電動汽車、電動列車、電動自行車、高爾夫球車提供動力的蓄電池。其主要區(qū)別于用于汽車發(fā)動機起動的起動電池。目前車用電池為磷酸鐵鋰蓄電池和三元電池。

d）燃料電池直流升壓轉(zhuǎn)換器

是將該燃料電池地輸出電壓升壓而向負載供電的升壓單元。DC/DC

其中有：

①主升壓部，具有開關和線圈，利用該開關相對于該線圈進行開關動作所產(chǎn)生的該線圈的反電動勢使所述燃料電池地輸出電壓升壓；

②副升壓部，具有利用蓄電量來調(diào)整所述開關的兩極間的電位差的緩沖電容器，在所述開關動作時，通過調(diào)整該緩沖電容器的蓄電量來減少該開關的開關損耗，所述副升壓部使減少所述緩沖電容器的蓄電量時放出的該緩沖電容器的電荷流到所述燃料電池以外的處理單元進行處理。

C）動力控制單元

純電動汽車是由電力驅(qū)動系統(tǒng)、電源系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)等三部分組成。電力驅(qū)動系統(tǒng)包括控制器、功率轉(zhuǎn)換器、電動機、機械傳動裝置和車輪等。

電動機就像是傳統(tǒng)汽車中的發(fā)動機，其主要任務是在駕駛?cè)说目刂葡?，高效率地將動力電池存儲的電能轉(zhuǎn)化為車輪的動能驅(qū)動車輛，或者在制動時將車輪上的動能轉(zhuǎn)化為電能反饋到動力電池中以實現(xiàn)車輛的制動能量回收。

電動汽車必須通過一個整車控制系統(tǒng)來進行各子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，從而實現(xiàn)整車地最佳性能。電源系統(tǒng)包括蓄電池組、電池管理系統(tǒng)（BMS）等。輔助系統(tǒng)包括輔助動力源、動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、空調(diào)器、照明裝置等。

e）動力電機

目前領先的燃料電池堆的功率密度可達3.1kW/L，最大輸出功率可達114kW。由于每個燃料電池單體輸出電壓只有0.6~0.7V，因此需要配合直流升壓轉(zhuǎn)換器和動力電池使用。從而讓電壓可以適配650V高壓，驅(qū)動動力電機。

三、燃料電池公交車技術特征

1）優(yōu)點：

燃料電池作為車用電源有效率高、污染小、傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單；

2）缺點：

a）輸出特性偏軟

下圖是某 40kWV 燃料電池堆地輸出特性曲線，可以看出燃料電池地輸出特性。

必須采用直流變換器 DC/DC可以很好地起到阻抗匹配的作用，燃料電池和 DCDC合并作為車用動力電源。

2) 啟動時間長、動態(tài)響應差、功率密度低

燃料電池作為單一電源，一是其啟動時間長，動態(tài)響應速度較慢，無法滿足車輛運行過程中負載的快速變化需求，二是燃料電池功率密度較低、成本高，若僅以燃料電池滿足峰值功率需求，勢必會造成整備質(zhì)量和成本的增加。

3）燃料電池無法吸收回饋能量

燃料電池發(fā)電裝置，不是儲能裝置，吸收回饋能量?；咀龇ㄊ窃谌剂想姵匕l(fā)動機（FCE）和電機控制器之間增加峰值功率系統(tǒng)（PPS），不僅可以吸收回饋能量、降低成本，而且可以彌補FCE啟動時間長、動態(tài)響應差的缺點。

四、總結(jié)

1）電動汽車是燃料電池的基礎。

2）燃料電池汽車也是電動汽車。

3）目前燃料電池功率密度比較低。還不能滿足大型公交車的要求，必須用電動電池予以彌補。

4）燃料電池比能量比較高，但是作為公交車而已，其比能量也不高，目前一次續(xù)航里程基本也是350公里以下?；驹蚴悄壳皻錃鈨?5Mpa的，70Mpa還沒有標準支持。

5）燃料電池公交車的動力控制系統(tǒng)，比電動公交車更為復雜。

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