客車網(wǎng)為了向廣大公交客運(yùn)用戶科普關(guān)于氫燃料電池汽車的研發(fā)原理和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，特意聯(lián)絡(luò)到了北京億華通副總經(jīng)理戴威，請他結(jié)合理論和實(shí)踐，為廣大用戶讀者做氫燃料電池汽車的基礎(chǔ)知識(shí)介紹：

　　中學(xué)都學(xué)過電解水的逆反應(yīng)

　　正如電動(dòng)車的出現(xiàn)先于內(nèi)燃機(jī)(詳見電動(dòng)車的前世今生)，氫燃料電池其實(shí)出現(xiàn)的也很早，英國人Grove早在1839年就發(fā)明了燃料電池。我們中學(xué)物理化學(xué)課上都學(xué)過電解水的實(shí)驗(yàn)，兩根鉑電極插入水中，通上電，一邊生成氫氣，一邊生成氧氣。燃料電池就相當(dāng)于是電解水的逆反應(yīng)，即氧氣和氫氣發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，生成水、電和熱。這是一個(gè)電化學(xué)反應(yīng)過程而不是燃燒。

　　說起來簡單，其實(shí)現(xiàn)代氫燃料電池的研發(fā)技術(shù)含量非常高，并不是一個(gè)簡單的放電或者充電的一個(gè)過程。燃料電池是一個(gè)多相多尺度動(dòng)態(tài)復(fù)雜系統(tǒng)，涉及到氣相、液相、固相，多尺度從催化劑的納米尺度，到擴(kuò)散層的微米尺度，到雙極板的宏觀尺度，燃料電池中溫度、濕度、壓力、流量、電流等各因素始終處于一個(gè)動(dòng)態(tài)的平衡，各因素之間又相互關(guān)聯(lián)，牽一發(fā)而動(dòng)全身，是非常復(fù)雜的系統(tǒng)。

　　以質(zhì)子交換膜燃料電池為例，一個(gè)燃料電池單電池最中間的是質(zhì)子交換膜，質(zhì)子交換膜外觀類似保鮮膜差不多，是非常透明非常薄的有機(jī)膜。貴金屬催化劑是納米級(jí)的小顆粒，附著在載體上，看起來像黑色的料漿。催化劑涂在膜的兩邊就叫CCM(Catalyst Coated Membrane)，CCM兩邊加上碳紙，碳紙是碳纖維制成的多孔介質(zhì)材料。把擴(kuò)散層加到CCM兩邊組合成膜電極，膜電極四周有加強(qiáng)邊，起到增強(qiáng)密封的作用。兩塊雙極板夾膜電極形成一個(gè)三明治結(jié)構(gòu)的單電池，很多單電池疊起來叫電堆。

　　據(jù)客車網(wǎng)了解，質(zhì)子交換膜燃料電池電堆通常用空氣冷卻(簡稱空冷)或者液體冷卻(水冷)?？绽潆姸芽諝饬鞯篮軐?，空氣既作為燃料的供應(yīng)又作為冷卻介質(zhì)，因此空冷電堆體積相對(duì)較大。空冷的電堆因?yàn)橥ㄟ^空氣的流動(dòng)實(shí)現(xiàn)散熱，所以通常功率不可能做到很高。從經(jīng)驗(yàn)上來說，五千瓦是空冷電堆的上限，一般超過上限時(shí)就要用水冷電堆。

　　燃料電池汽車是汽車工業(yè)發(fā)展的必然趨勢

　　提高效率是任何技術(shù)發(fā)展的必然方向，實(shí)際上從內(nèi)燃機(jī)到混合動(dòng)力到純電動(dòng)到燃料電池，走的正是提高效率的過程。

　　因?yàn)槠噧?nèi)燃機(jī)的效率受到熱機(jī)卡諾循環(huán)的極限限制，約為40%左右，這是物理極限，要想突破這個(gè)物理極限只能采用別的模式，例如像純電動(dòng)汽車，或者燃料電池汽車。

　　(作者注：此圖油井效率有誤，不是100%)

　　根據(jù)上圖Toyota(豐田)提供的計(jì)算數(shù)據(jù)，比較了不同技術(shù)從油井到車輪的綜合效率。

　　通常在汽油開采的環(huán)節(jié)效率是比較高的，但由于內(nèi)燃機(jī)在車上的轉(zhuǎn)換效率較低，所以綜合效率相對(duì)比較低。電動(dòng)車的在車上的轉(zhuǎn)化效率較高大概為85%左右，但發(fā)電過程中發(fā)電廠的效率較低，綜合效率跟混合動(dòng)力相差不大。真正的效率突破是燃料電池。氫燃料電池在制氫環(huán)節(jié)可以達(dá)到67%的效率，而且在車上其能量利用效率也比較高，因?yàn)檫@是電化學(xué)反應(yīng)，不是燃燒反應(yīng)，所以效率可以達(dá)到55%，整體效率超過其他技術(shù)。這也就是為什么汽車的電動(dòng)化和燃料電池汽車的發(fā)展一定是會(huì)是世界汽車工業(yè)發(fā)展的方向。

　　燃料電池與動(dòng)力電池的互補(bǔ)關(guān)系

　　燃料電池和動(dòng)力電池是有著本質(zhì)區(qū)別的：與發(fā)動(dòng)機(jī)很類似，燃料電池是一個(gè)發(fā)電機(jī)，是一個(gè)能量轉(zhuǎn)換裝置;動(dòng)力電池是一個(gè)能量儲(chǔ)存裝置，是一個(gè)蓄電池。這種本質(zhì)上的技術(shù)差異，就造成他們在應(yīng)用領(lǐng)域有不同的優(yōu)缺點(diǎn)。

　　如上圖所見，根據(jù)各自的技術(shù)特色，在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，氫燃料電池汽車和電動(dòng)車是一種優(yōu)勢互補(bǔ)關(guān)系。

　　在短途輕載的應(yīng)用領(lǐng)域，電動(dòng)車應(yīng)用于城市內(nèi)日常外出時(shí)，充電和里程都完全可以滿足客戶的一般需求。但是在長途和中重載的領(lǐng)域，氫燃料電池汽車有非常明顯的優(yōu)勢。首先，氫燃料電池汽加注的時(shí)間短，小車加注3到5分鐘，大車加注10到15分鐘，另外它的續(xù)駛里程長，一次加注小車可以行駛500公里，大車行駛300公里。由于氫燃料電池本身是發(fā)熱量較大，可以給車內(nèi)供暖，沒有電動(dòng)車冬天體驗(yàn)比較差的問題。

　　從燃料消耗成本上來看，電動(dòng)車比燃油和氫燃料都便宜，當(dāng)氫燃料成本降到35塊錢/公斤左右時(shí)，才有可能與目前柴油車的燃料成本持平，如果能低于這個(gè)價(jià)格，燃料電池汽車跟柴油車相比就有了運(yùn)營成本的優(yōu)勢，更能支持燃料電池汽車可持續(xù)推廣，，這也是氫燃料電池汽車推廣過程中不可回避的一個(gè)問題。

　　電動(dòng)車還有一個(gè)潛在的問題在于充電速度和續(xù)駛里程間的矛盾，客戶的基本需求是充電快跑得遠(yuǎn)，由于電池是一個(gè)能量儲(chǔ)存裝置，唯一的解決方案是超大功率充電，單個(gè)充電樁可達(dá)數(shù)百千瓦。當(dāng)電動(dòng)汽車大批量應(yīng)用，例如10萬輛汽車同時(shí)快速充電的時(shí)候，現(xiàn)有的電網(wǎng)難以負(fù)荷，可能需要重建。這是動(dòng)力電池作為能量儲(chǔ)存裝置的天性所決定它會(huì)遇到天花板的問題，這也是電動(dòng)汽車發(fā)展未來可能遇到的瓶頸問題。

　　國外氫燃料汽車應(yīng)用情況

　　目前國外氫燃料電池汽車日本走的比較靠前。從氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)路線來看，以本田為代表的燃料電池乘用車的發(fā)動(dòng)機(jī)注重追求高功率密度。因?yàn)檗I車空間有限，必須用金屬板、高壓力才能夠有足夠的空間放置發(fā)動(dòng)機(jī)，美國DOE的壽命指標(biāo)是5000小時(shí)。

　　相形之下，以美國US Hybrid公司為代表的客車燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)功率密度較低，因?yàn)樯逃密嚳臻g足夠大，對(duì)體積功率密度、重量功率密度要求比較低，可以用石墨板和低壓，壽命相對(duì)比較長，美國DOE對(duì)燃料電池客車的壽命目標(biāo)是兩萬五千小時(shí)。

　　多人對(duì)燃料電池技術(shù)是否成熟還有顧慮，從技術(shù)上來說，燃料電池技術(shù)在公交車的應(yīng)用已經(jīng)得到驗(yàn)證，下圖是美國目前正在示范運(yùn)行的燃料電池客車的情況。

　　據(jù)客車網(wǎng)了解，業(yè)界用來衡量車輛可靠性的一個(gè)重要指標(biāo)叫平均故障里程。從美國燃料電池客車實(shí)際運(yùn)營的情況來看，燃料電池客車的平均故障里程的指標(biāo)已經(jīng)非常接近DOE終極指標(biāo)，其可靠性也高于整車的可靠性。

　　中國氫燃料汽車商業(yè)化的前景

　　目前電動(dòng)汽車用戶的的最大痛點(diǎn)是充電時(shí)間長、里程焦慮和冬季車內(nèi)空調(diào)問題，而燃料電池汽車恰恰能解決這三個(gè)客戶痛點(diǎn)。

　　從全球來看，中國才是最適合發(fā)展燃料電池的汽車市場，首先，中國的霧霾之痛已經(jīng)影響到了每一個(gè)人，而汽車尾氣排放是造成霧霾問題的主要因素之一，零排放汽車是必然的發(fā)展方向。其次，中國新能源汽車是一個(gè)政策驅(qū)動(dòng)的市場，政府補(bǔ)貼的強(qiáng)勢驅(qū)動(dòng)能緩解燃料電池汽車在早期推廣時(shí)高額成本的問題;第三，燃料電池汽車的發(fā)展站在中國全球電動(dòng)汽車第一這個(gè)巨人肩膀上的，大大節(jié)省了電動(dòng)車零部件開發(fā)的成本。

　　據(jù)客車網(wǎng)了解，我國的棄風(fēng)、棄光、棄水現(xiàn)象比較嚴(yán)重，工業(yè)副產(chǎn)品氫氣特別豐富，利用廢棄的可再生能源制氫或者工業(yè)副產(chǎn)品氫氣提純，足以能夠滿足燃料電池汽車大規(guī)模的使用。我國跟國外比起來，低成本的氫氣來源有非常大的優(yōu)勢，而我們的氫燃料汽車的市場容量和需求也非常廣闊，這些都是我國獨(dú)特的氫燃料電池汽車市場化發(fā)展的基石和優(yōu)勢，也是中國氫燃料電池汽車未來發(fā)展的強(qiáng)有力保障。