2.4　燃料電池

FCEV是燃料電池電動汽車的簡稱，全稱是Fuel Cell Electric Vehicle，是一種用車載燃料電池裝置產生的電力作為動力的汽車。FCEV的核心系統是車載燃料電池裝置（燃料電池發動機），簡稱燃料電池，是能將高純度氫氣（或含氫燃料）和氧氣通過電化學反應直接轉化為電能的發電裝置。其過程不涉及燃燒，無機械損耗，能量轉化率高，產物僅為電、熱和水，運行平穩，噪音低。在如今的發展過程中，燃料電池多采用氫氣作為能量來源，本章就以氫燃料電池為例來討論。

電堆是車載燃料電池裝置的核心部件，是氫氣與氧氣發生化學反應產生電能的場所。電堆由雙極板和膜電極兩大部分組成，催化劑、質子交換膜和碳布/碳紙構成了膜電極。電堆跟氫氣供給循環系統、空氣供給系統、水熱管理系統、電控系統及數據采集系統共同組成了一個完整的車載燃料電池裝置，如圖2-1所示。

電極反應如下：

負極：H2+2OH-=2H2O+2e-

正極：1/2O2+H2O+2e-=2OH-

電池反應：H2+1/2O2=H2O

另外，燃料電池必須有一套相應的輔助系統才能完成工作，包括反應劑供給系統、排熱系統、排水系統、電性能控制系統及安全裝置等。

借助近年來新能源汽車產業的興起浪潮，國內車用燃料電池產業發展勢頭強勁，至2017年年底，國內注冊的燃料電池汽車相關企業數量已超過220家，業務涵蓋車用燃料電池產業的上游（氫能設施，如制氫、運輸、儲存、加注設備等）、中游（燃料電池動力系統及其關鍵部件，如空壓機、氫泵、加濕器、車載氫瓶等，燃料電池電堆及其關鍵材料和部件，如膜電極、雙極板、催化劑、質子膜、擴散層等）和下游（燃料電池汽車，如乘用車、商用車、專用車等）。

車用燃料電池產業的發展動力主要來自產業下游的燃料電池汽車開發需求的爆發式增長，最明顯的標志是2016年上海汽車、宇通客車、北汽福田、東風汽車等整車企業布局燃料電池乘用車和客車開發，2017年已經陸續開始商業化運營。

在燃料電池乘用車開發方面，進展最為明顯的是上海汽車集團。基于自主的燃料電池動力系統、整車集成技術，上汽集團開發了榮威750和榮威950燃料電池轎車，2017年已有60余輛榮威950燃料電池轎車投放市場，其中40輛用于分時租賃。上汽大通是目前國內唯一通過工信部39號令的燃料電池車生產企業，2017年11月國內第一款運用工信部最新準入標準的燃料電池輕客車FCV80正式上市，其擁有技術先進、超長續航、綠色環保、環境耐受性強、安全可靠等諸多優勢，已經陸續交付100輛進行商業化運營。

我國車用燃料電池技術在國家科技和產業政策的支持和推動下得到了快速發展，以上汽、北汽等為代表的整車企業已成功開發出燃料電池轎車和客車等車型，以清華大學、同濟大學、大連化學物理研究所等單位為代表的研究機構，在燃料電池動力系統及燃料電池材料基礎研究方面已與國外科研機構同步發展，以新源動力股份有限公司、北京億華通科技股份有限公司為代表的制造企業已經具備車用燃料電池的工程開發和批量制造能力，以山東東岳集團、上海治臻、云南貴金屬集團和廣東廣順為代表的企業已經在工程化開發適用于燃料電池的關鍵材料和零部件。

現階段國內各廠家以開發生產燃料電池客車和物流車為主，乘用車規模較小，中車唐山開發了一款燃料電池有軌電車。通過對比工信部發布的《道路機動車輛生產企業及產品公告》中的各廠家燃料電池公告，2017年至2018年4月第306批次公告，行業燃料電池產品公告共35款，包括燃料電池客車公告24款，燃料電池物流車公告11款，燃料電池轎車3款。35款燃料電池汽車產品公告由億華通、廣東國鴻、南通百應、廣東鴻運、上海重塑、東方電氣、江蘇興邦、大連新源、江蘇清能、愛德曼氫、加拿大博能和安徽易智等燃料電池企業配套。

從市場適應性來看，燃料電池汽車有望在客車和專用車領域率先突破，因此，有較多企業布局客車和專用車開發。在廣東佛山、云浮首批28輛燃料電池公交車已經投入營運，2017年已經有500輛青年汽車和東風汽車開發的氫燃料電池物流車進入試營運階段。2018年1月，福田客車49輛、宇通客車25輛中標張家口市區公交車輛采購項目，這74輛燃料電池客車將在2022年張家口冬奧會期間為市民提供出行服務。

目前，我國已掌握了關鍵材料、核心部件及動力系統的關鍵技術，建立了具有自主知識產權的車用燃料電池動力技術平臺，累計開發數百輛燃料電池汽車和數百套燃料電池系統。在產業層面，我國燃料電池產業鏈不完善，燃料電池質子交換膜、雙極板等關鍵材料依賴進口，從事燃料電池相關業務企業的技術開發和制造能力與國際主流水平差距比較明顯。此外，與國際先進水平相比，我國車用燃料電池技術在工程設計與驗證能力、關鍵材料和零部件水平等方面仍存在不少問題，耐久性、可靠性是目前我國燃料電池汽車快速發展的技術瓶頸。

由于汽車使用條件的復雜多樣性和載荷動態頻繁性，容易發生燃料電池電堆的水熱管理失效、欠氣等問題，從而導致燃料電池電堆材料衰減，降低燃料電池耐久性。燃料電池電堆的發電是一個包含氣體傳遞、電化學反應、熱量管理等不同動態特性的多物理量耦合過程。燃料電池動力系統的動態特性直接影響到燃料電池電堆的性能、壽命及可靠性。因此，要求燃料電池動力系統具有良好的動態響應能力和可靠性，包括關鍵零部件（空氣和燃料的供給、控制組件）和系統控制策略。