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(kāi)。武漢科技大學(xué)汽車(chē)與交通工程學(xué)院教授雷洪鈞博士應邀作了《燃料電池公交車(chē)基本原理及技術(shù)特征》演講。

武漢科技大學(xué)汽車(chē)與交通工程學(xué)院教授、博士 雷洪鈞

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2016-2020年間，我國燃料電池汽車(chē)的銷(xiāo)量分別為629輛、1275輛、1527輛、2737輛、0.1萬(wàn)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(chē)是主要是公交車(chē)，分布在河北省張家口、廣東佛山（云佛）、上海、江蘇等地區。

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

示范一方面給公交公司添了不少麻煩，同時(shí)也提升公交公司技術(shù)水平，我國公交車(chē)檔次越來(lái)越高，與公交公司是中國節能與新能源汽車(chē)試驗田也是分不開(kāi)的。

在2020電動(dòng)汽車(chē)百人會(huì )論壇上，全國政協(xié)副主席、中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì )主席萬(wàn)鋼在“中國電動(dòng)汽車(chē)百人會(huì )論壇（2020）”高層論壇上,提出中國新能源汽車(chē)發(fā)展戰略中,氫燃料電池汽車(chē)和純電動(dòng)汽車(chē)同等重要,長(cháng)期共存,在市場(chǎng)應用中,它們也各有定位,互不替代，預計2020，氫燃料電池汽車(chē)預期產(chǎn)量可達1萬(wàn)輛。受疫情影響，完成了十分之一。

看2021年能不能實(shí)現？如果2021年5月份以前燃料電池汽車(chē)示范城市群能批下來(lái)，這個(gè)目標是有可能實(shí)現。下面對燃料電池公交車(chē)基本原理及技術(shù)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化裝置，它將燃料的電化學(xué)能轉化成電能。它類(lèi)似于常規電池一樣，也是電化學(xué)發(fā)電裝置，因此被學(xué)界稱(chēng)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構，最中間一層為質(zhì)子交換膜（又稱(chēng)電解質(zhì)膜），然后兩側對稱(chēng)地依次為陰/陽(yáng)極催化層、陰/陽(yáng)極氣體擴散層和陰/陽(yáng)極雙極板。

1）燃料電池與常規電池的異同點(diǎn)

a）燃料電池工作時(shí)，需要連續不斷地向電池內輸入燃料和氧化劑，只要持續供應，燃料電池就會(huì )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）燃料電池與常規電池物理結構不同。

d）燃料電池與常規電池類(lèi)似都是化學(xué)能轉化為電能的能量轉換裝置。

2）氫燃料電池工作原理

氫氣通過(guò)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(guò)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(guò)外電路流向正極產(chǎn)生電能。（即電流從正極通過(guò)負載流向負極）。

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

a）燃料電池堆

由一組電極和電解質(zhì)板構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(gè)單電池串聯(lián)，構成電堆棧。相鄰單電池間用雙極板隔開(kāi)，雙極板用來(lái)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(chē)載高壓氣態(tài)儲氫氣瓶主要包括鋁內膽纖維纏繞瓶（Ⅲ型） 和塑料內膽纖維纏繞瓶（Ⅳ型） ，車(chē)載氣瓶具有體積、重量受限、充裝有特殊要求、使用壽命長(cháng)和使用環(huán)境多變等特點(diǎn)。因此，輕量化、高壓力、高儲氫質(zhì)量比和長(cháng)壽命是車(chē)載儲氫氣瓶的特點(diǎn)。

C）動(dòng)力電池

動(dòng)力電池即為工具提供動(dòng)力來(lái)源的電源，多指為電動(dòng)汽車(chē)、電動(dòng)列車(chē)、電動(dòng)自行車(chē)、高爾夫球車(chē)提供動(dòng)力的蓄電池。其主要區別于用于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機起動(dòng)的起動(dòng)電池。目前車(chē)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?jiǎn)卧?。DC/DC

其中有：

①主升壓部，具有開(kāi)關(guān)和線(xiàn)圈，利用該開(kāi)關(guān)相對于該線(xiàn)圈進(jìn)行開(kāi)關(guān)動(dòng)作所產(chǎn)生的該線(xiàn)圈的反電動(dòng)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(lái)調整所述開(kāi)關(guān)的兩極間的電位差的緩沖電容器，在所述開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)，通過(guò)調整該緩沖電容器的蓄電量來(lái)減少該開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)損耗，所述副升壓部使減少所述緩沖電容器的蓄電量時(shí)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(jìn)行處理。

C）動(dòng)力控制單元

純電動(dòng)汽車(chē)是由電力驅動(dòng)系統、電源系統和輔助系統等三部分組成。電力驅動(dòng)系統包括控制器、功率轉換器、電動(dòng)機、機械傳動(dòng)裝置和車(chē)輪等。

電動(dòng)機就像是傳統汽車(chē)中的發(fā)動(dòng)機，其主要任務(wù)是在駕駛人的控制下，高效率地將動(dòng)力電池存儲的電能轉化為車(chē)輪的動(dòng)能驅動(dòng)車(chē)輛，或者在制動(dòng)時(shí)將車(chē)輪上的動(dòng)能轉化為電能反饋到動(dòng)力電池中以實(shí)現車(chē)輛的制動(dòng)能量回收。

電動(dòng)汽車(chē)必須通過(guò)一個(gè)整車(chē)控制系統來(lái)進(jìn)行各子系統的協(xié)調控制，從而實(shí)現整車(chē)地最佳性能。電源系統包括蓄電池組、電池管理系統（BMS）等。輔助系統包括輔助動(dòng)力源、動(dòng)力轉向系統、空調器、照明裝置等。

e）動(dòng)力電機

目前領(lǐng)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(gè)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換器和動(dòng)力電池使用。從而讓電壓可以適配650V高壓，驅動(dòng)動(dòng)力電機。

三、燃料電池公交車(chē)技術(shù)特征

1）優(yōu)點(diǎn)：

燃料電池作為車(chē)用電源有效率高、污染小、傳動(dòng)系統結構簡(jiǎn)單；

2）缺點(diǎn)：

a）輸出特性偏軟

下圖是某 40kWV 燃料電池堆地輸出特性曲線(xiàn)，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(chē)用動(dòng)力電源。

2) 啟動(dòng)時(shí)間長(cháng)、動(dòng)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(dòng)時(shí)間長(cháng)，動(dòng)態(tài)響應速度較慢，無(wú)法滿(mǎn)足車(chē)輛運行過(guò)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(mǎn)足峰值功率需求，勢必會(huì )造成整備質(zhì)量和成本的增加。

3）燃料電池無(wú)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(dòng)機（FCE）和電機控制器之間增加峰值功率系統（PPS），不僅可以吸收回饋能量、降低成本，而且可以彌補FCE啟動(dòng)時(shí)間長(cháng)、動(dòng)態(tài)響應差的缺點(diǎn)。

四、總結

1）電動(dòng)汽車(chē)是燃料電池的基礎。

2）燃料電池汽車(chē)也是電動(dòng)汽車(chē)。

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

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

5）燃料電池公交車(chē)的動(dòng)力控制系統，比電動(dòng)公交車(chē)更為復雜。

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