燃料電池系列科普?qǐng)?bào)告----制氫

我國燃料電池基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)入加速期，為燃料電池汽車商業(yè)化做好充分準(zhǔn)備。加氫基礎(chǔ)設(shè)施是燃料電池發(fā)展的重要保障，氫氣的低成本輸運(yùn)也是需要重點(diǎn)攻克的難題，適合燃料電池汽車的高純度氫氣來源也是重要問題。

本文將主要介紹燃料電池的必要材料氫氣的制取過程，并分析對(duì)比不同方法之間的優(yōu)劣性。

思考的問題：

1、工業(yè)制氫的方法有哪些，他們的原理分別是什么？

2、每種方法各自的優(yōu)缺點(diǎn)是什么？最優(yōu)適應(yīng)情形是如何的？

重要結(jié)論

工業(yè)制氫包括很多種方法，但都存在著各自的優(yōu)勢(shì)和局限性。綜合目前工業(yè)制氫方式的優(yōu)劣勢(shì)及成本考慮，如果用氫裝置附近有豐富的焦?fàn)t氣資源，焦?fàn)t氣制氫技術(shù)是首選的工藝技術(shù)方案。我國目前燃料電池車用氫氣的實(shí)踐，焦?fàn)t氣制氫技術(shù)同樣是首選。但焦?fàn)t氣制氫嚴(yán)重收到焦?fàn)t氣資源的限制。在未來能源結(jié)構(gòu)調(diào)整中，焦?fàn)t氣產(chǎn)量下降，氫氣需求猛增，屆時(shí)焦?fàn)t氣制氫將難以繼續(xù)使用。因此，目前工業(yè)制氫尚無最佳方案，仍然有待研發(fā)。

1、工業(yè)制氫方法眾多

氫氣不僅是重要的工業(yè)原料和還原劑，也是燃料電池的必要燃料。隨著燃料電池的推廣和普及，燃料電池汽車進(jìn)入成熟市場(chǎng)，氫的消耗量也會(huì)以驚人的速度增加。

目前工業(yè)制氫主要有幾種方法：

一是采用化石燃料制取氫氣；

二是從化工副產(chǎn)物中提取氫氣；

三是采用采用來自生物的甲醇甲烷制取氫氣，

四是利用太陽能、風(fēng)能等自然能量進(jìn)行水的電解。

1.1化石燃料制氫

化石燃料制氫是傳統(tǒng)的制氫方法，也是制氫的老工藝，但仍然離不開對(duì)化石燃料的依賴，并且會(huì)排出二氧化碳等溫室氣體，導(dǎo)致燃料電池環(huán)保價(jià)值降低。一般用于制氫的化石燃料是天然氣。天然氣制氫的過程是：在一定的壓力和一定的高溫及催化劑作用下，天然氣中烷烴和水蒸汽發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。轉(zhuǎn)化氣經(jīng)過沸鍋換熱、進(jìn)人變換爐使C0變換成H2和CO2。再經(jīng)過換熱、冷凝、汽水分離,通過程序控制將氣體依序通過裝有3種特定吸附劑的吸附塔，由變壓吸附（PSA）升壓吸附N2、CO、CH4、CO2，提取產(chǎn)品氫氣。

1.2工業(yè)副產(chǎn)物制氫

焦?fàn)t氣制氫技術(shù)是采用變壓吸附的工藝，從煉焦行業(yè)副產(chǎn)的焦?fàn)t氣中提取純氫。其基本原理是利用固體吸附劑對(duì)氣體的吸附具有選擇性，以及氣體在吸附劑上的吸附量隨其分壓的降低而減少的特性，實(shí)現(xiàn)氣體混合物的分離和吸附劑的再生，達(dá)到提純制氫的目的。

1.3生物原料制氫

甲醇裂解制氫的工藝過程是甲醇和除鹽水按一定的配比混合,加熱至270℃左右的混合物蒸汽，在催化劑(Cu-Zn-Al)或者(Cu-Zn-Cr)的作用下,發(fā)生催化裂解和轉(zhuǎn)化反應(yīng)。

1.4電解水制氫

氫氣還能夠通過傳統(tǒng)的電解水法獲得，但這種方法由于能耗過高，除已建成裝置外，已少有新建裝置。

2.各方法優(yōu)缺點(diǎn)各異，滿足不同需求

有上述各方法可知，在工業(yè)上目前已經(jīng)有多種制氫的途徑。但是，目前看來，這些方法都存在著各自的優(yōu)勢(shì)和局限性。

天然氣制氫和焦?fàn)t氣制氫均適用于大規(guī)模制氫，但也均受限于原料的供應(yīng)，并且具有污染性。在環(huán)保方面，焦?fàn)t氣制氫利用的雖然是煉焦的副產(chǎn)物，但無法去除其中的污染物，而天然氣制氫依然需要化石燃料作為原料。相比之下，甲醇裂解制氫具有投資低、建成快、無污染等特點(diǎn)，并且甲醇作為原料可以更為靈活，但甲醇裂解制氫難以進(jìn)行大規(guī)模的制氫。

考慮到燃料電池一旦成為未來能源的主力，對(duì)氫產(chǎn)能的要求會(huì)與日俱增。因此，天然氣和焦?fàn)t氣制氫難以擺脫對(duì)化石原料的依賴，而甲醇制氫的規(guī)模很可能難以應(yīng)付增長的需求。

從經(jīng)濟(jì)性上看，制氫的成本很大程度上取決于原料的成本，隨原料價(jià)格的波動(dòng)非常明顯。就目前的原料價(jià)格水平看，焦?fàn)t氣制氫和天然氣制氫成本更低。非民用天然氣價(jià)格目前正在逐步市場(chǎng)化，2015年11月18日，國家發(fā)改委宣布降低非居民用天然氣門站價(jià)格，每立方米下調(diào)0.7元。

目前非民用天然氣價(jià)格大約在2.7至3.0元/m3，制氫成本大約在1.5-1.7元/km3。而焦?fàn)t氣是焦化企業(yè)煉焦過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品，原先都是在作為燃料燃燒后高空排放，現(xiàn)在用于化工原料時(shí)價(jià)格一般均低于0.4元/m3，因此焦?fàn)t氣制氫成本可以低于1.39元/km3，較天然氣制氫成本更低。2016年6月，甲醇的平均價(jià)格為1860元/t，因此制氫成本將超過1.37元/km3。由于甲醇價(jià)格波動(dòng)高，其經(jīng)濟(jì)性較天然氣制氫沒有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。就目前各種原料的價(jià)格來看，焦?fàn)t氣制氫的經(jīng)濟(jì)性較為顯著。

綜合目前工業(yè)制氫方式的優(yōu)劣勢(shì)及成本考慮，如果用氫裝置附近有豐富的焦?fàn)t氣資源，焦?fàn)t氣制氫技術(shù)是首選的工藝技術(shù)方案?？紤]到制氫規(guī)模的要求，天然氣制氫技術(shù)在能夠取得天然氣資源的情況下也是優(yōu)選的方案。甲醇裂解制氫的成本波動(dòng)性大，制氫規(guī)模小，但裝置成本低，因此適用于間斷性、補(bǔ)充性的氫氣制造。

從我國目前燃料電池車用氫氣的實(shí)踐看，焦?fàn)t氣制氫同樣是首選。同濟(jì)大學(xué)等承擔(dān)的“863”電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)燃料電池轎車項(xiàng)目中采用的燃料氫氣全部由焦?fàn)t氣純化而成。

但焦?fàn)t氣制氫嚴(yán)重收到焦?fàn)t氣資源的限制。在未來能源結(jié)構(gòu)調(diào)整中，焦?fàn)t氣產(chǎn)量下降，氫氣需求猛增，屆時(shí)焦?fàn)t氣制氫將難以繼續(xù)使用。因此，目前工業(yè)制氫尚無最佳方案，仍然有待研發(fā)。

3、總結(jié)

綜合目前情況來看，制氫方式中成本較低，相對(duì)成熟的技術(shù)是煤焦?fàn)t制氫。但是隨著技術(shù)推進(jìn)，新能源發(fā)電的進(jìn)一步推廣，電解水制氫將是未來成本更低的技術(shù)。

燃料電池系列科普?qǐng)?bào)告----儲(chǔ)運(yùn)

我國燃料電池基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)入加速期，為燃料電池汽車商業(yè)化做好充分準(zhǔn)備。加氫基礎(chǔ)設(shè)施是燃料電池發(fā)展的重要保障，氫氣的低成本輸運(yùn)也是需要重點(diǎn)攻克的難題，適合燃料電池汽車的高純度氫氣來源也是重要問題。

此前的系列科普中，已經(jīng)介紹了氫氣的制取。在本文中，將會(huì)為大家介紹氫氣制成后的儲(chǔ)運(yùn)問題，其中包括管道運(yùn)輸與專用車輛運(yùn)輸兩個(gè)部分，并介紹我國加氫站的發(fā)展?fàn)顩r。

思考的問題：

1、氫氣制成后，主要的儲(chǔ)運(yùn)方式有哪些？

2、各方法發(fā)展現(xiàn)狀與成本如何？

3、不同的方法是否與加氫站的多少有關(guān)？加氫站的建設(shè)情況如何？

重要結(jié)論

氫氣儲(chǔ)運(yùn)的關(guān)鍵問題在于安全性及成本問題。目前來看，管道運(yùn)輸與特殊車輛運(yùn)輸是性價(jià)比較高的兩種儲(chǔ)運(yùn)方式。從實(shí)際應(yīng)用上看，長距離運(yùn)輸更適宜使用管道運(yùn)輸，而特殊車輛運(yùn)輸，如特種車等，更加適合于短距離氫氣的運(yùn)輸。但不論哪種運(yùn)輸方式，其成本與發(fā)展都與加氫站的建設(shè)有很大的關(guān)系，我國正努力加快加氫站的建設(shè)。

1、氫氣的主要儲(chǔ)存及運(yùn)輸方式

氫氣運(yùn)輸一直是阻擋氫燃料運(yùn)用的一個(gè)重大障礙。由于氫氣極小的密度以及易燃易爆的特性，現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)就地使用是最佳的方式。但由于低成本、小規(guī)模、靈活分部的制氫方式尚未實(shí)現(xiàn)，作為汽車燃料的氫氣需要進(jìn)行貯運(yùn)。氫的貯運(yùn)方式主要有氣態(tài)貯運(yùn)、液態(tài)貯運(yùn)和金屬氫化物貯運(yùn)。其中前三者是傳統(tǒng)的儲(chǔ)氫方法，各具有其優(yōu)缺點(diǎn)。目前加氫站普遍采用的是利用長管拖車貯運(yùn)高壓氣態(tài)氫氣。

不同的儲(chǔ)運(yùn)方式，運(yùn)輸成本與成本又有所不同。如氣氫拖車是未來一段時(shí)間內(nèi)的主要運(yùn)輸方式。以200Km運(yùn)輸距離和每天10噸的運(yùn)輸規(guī)模來看，成本可達(dá)到2.02元/Kg；管道運(yùn)輸運(yùn)營成本低，運(yùn)輸規(guī)模龐大，但投資成本高，且只能點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，難以成為主流；液氫罐車是未來的重要方向，運(yùn)輸能力是氣氫拖車的10倍以上，成本隨規(guī)模上升而下降。

2、氫氣儲(chǔ)運(yùn)—管道運(yùn)輸

2.1管道運(yùn)輸概況分析

雖然管道運(yùn)輸只能做到點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，但對(duì)于大量、長距離的氫氣輸送來說，管道運(yùn)輸仍然是最有效的方法。氫氣的長距離管道輸送已有60余年的歷史。目前，全球用于輸送工業(yè)氫氣的管道總長已超過1000公里，直徑0.25-0.3m，操作壓力一般位1-3MPa，輸氣量310-8900Kg/h,其中德國擁有208公里，法國空氣液化公司在比利時(shí)、法國、新西蘭擁有880公里，美國也已達(dá)到720公里。

國內(nèi)首條氫氣專用運(yùn)輸管道，如石化洛陽煉化濟(jì)源至洛陽氫氣輸送管道工程，于2015年10月竣工完成。線路水平長度為25公里，年輸氣量10.04萬噸。管道沿線地形以丘陵為主，地勢(shì)起伏較大，管道沿線頂箱涵穿越鐵路2處，頂管穿越省級(jí)高速公路1處、等級(jí)公路5處，定向鉆穿越?jīng)_溝2次、穿越河流1次。

實(shí)際上，目前的天然氣管道就可用于輸送氫氣和天然氣的混合氣體，也可經(jīng)過改造輸送純氫氣，這主要取決于鋼管財(cái)智中的含碳量，盡量使用含碳量低的材料制成的管道來運(yùn)輸氫氣，減少因氫脆現(xiàn)象而導(dǎo)致的氫氣逃逸。

2.2管道運(yùn)輸成本分析

分別對(duì)加氫站數(shù)量為1個(gè)、4個(gè)、8個(gè)、16個(gè)共四種情況計(jì)算氫氣運(yùn)輸成本。假設(shè)加氫站距離氫源點(diǎn)的距離一定，經(jīng)過試驗(yàn)?zāi)M可知，氫氣的運(yùn)輸成本隨著每個(gè)加氫站規(guī)模的增加而迅速減少，但三條曲線基本重疊，說明加氫站數(shù)量的增加并不減少氫氣運(yùn)輸成本，其原因是增加加氫站需要另外鋪設(shè)氫氣管道，其昂貴的投資使氫氣運(yùn)輸成本基本維持不變。根據(jù)結(jié)果可知，當(dāng)加氫站規(guī)模達(dá)到1500Kg/d時(shí)，氫氣的運(yùn)輸成本大約為6元/Kg。

3、氫氣儲(chǔ)運(yùn)—特種車

在所有元素中，氫的重量最輕，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，它的密度為0.0899g/L，氣態(tài)壓縮高壓儲(chǔ)氫是最普通最直接的儲(chǔ)氫方式，通過減壓閥即可將氫氣排除和調(diào)節(jié)排氣量的大小。

氣氫特種拖車是未來一段時(shí)間內(nèi)的主要運(yùn)輸方式。以200Km運(yùn)輸距離和每天10噸的運(yùn)輸規(guī)模來看，成本可達(dá)到2.02元/Kg；大部分成本來自于壓縮/液化設(shè)備、存儲(chǔ)設(shè)備的投資，對(duì)于氫氣的短途運(yùn)輸，是一個(gè)非常不錯(cuò)的選擇。

按照同樣的成本分析方法，經(jīng)過分析，當(dāng)加氫站數(shù)量少時(shí)，運(yùn)輸成本可高達(dá)4.7元/Kg。隨著加氫站數(shù)量的增加和加氫站規(guī)模的增大，成本逐漸降低，但是在加氫站數(shù)量較少時(shí)，成本在下降過程中出現(xiàn)波動(dòng)。這與長管拖車?yán)眯视嘘P(guān)。

4、氫氣儲(chǔ)運(yùn)基礎(chǔ)設(shè)施—加氫站的建設(shè)

加氫站的建設(shè)不僅與氫氣儲(chǔ)運(yùn)緊密相關(guān)，而且與燃料電池車的使用也有著密不可分的聯(lián)系。目前，我國現(xiàn)有加氫站數(shù)量稀少，且沒有長期規(guī)劃。據(jù)介紹，國內(nèi)加氫站僅有4個(gè)，分別是2006年建成的北京加氫站，2008年建成的上海安亭加氫站，2011年建設(shè)了簡易的加氫站，2015年最新建成的鄭州宇通加氫站。上海安亭加氫站始建于2007年11月，該站主要采用外供氫氣，加注壓力為35MPa，存儲(chǔ)壓力為43.8MPa，存儲(chǔ)容量為800公斤。截至2015年6月，安亭加氫站累計(jì)加注6013次，加注總量為10216公斤。

雖然我國目前尚未制定加氫站建設(shè)規(guī)劃，隨著世界各國都啟動(dòng)了加氫站建設(shè)，可以預(yù)測(cè)我國在補(bǔ)貼燃料電池汽車的同時(shí)也將進(jìn)行積極的加氫站布局。

在燃料電池汽車遠(yuǎn)遠(yuǎn)未普及的當(dāng)下，國務(wù)院已經(jīng)為加氫站的設(shè)計(jì)建造和氫氣的運(yùn)輸存儲(chǔ)都制訂了嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，為未來燃料電池汽車基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)打好基礎(chǔ)。

總結(jié)

目前的氫氣輸運(yùn)方法中，公路運(yùn)輸?shù)母脑斐杀咀钚?，也是日本正在采用的方法，具有較強(qiáng)的借鑒意義。管道伴輸如果成功，將可以極大降低氫氣的運(yùn)輸成本，但是目前看距離實(shí)際應(yīng)用仍有一定距離。

燃料電池系列科普?qǐng)?bào)告——燃料電池系統(tǒng)

我國燃料電池基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)入加速期，為燃料電池汽車商業(yè)化做好充分準(zhǔn)備。加氫基礎(chǔ)設(shè)施是燃料電池發(fā)展的重要保障，氫氣的低成本輸運(yùn)也是需要重點(diǎn)攻克的難題，適合燃料電池汽車的高純度氫氣來源也是重要問題。

此前的系列科普中，已經(jīng)介紹了氫氣的制取、儲(chǔ)運(yùn)問題。在本文中，將會(huì)為大家介紹燃料電池系統(tǒng)的問題，包括其組成、發(fā)展?fàn)顩r以及目前主流的燃料電池系統(tǒng)的簡介。

思考的問題：

1.燃料電池系統(tǒng)是由哪些部分組成的？關(guān)鍵部件與技術(shù)是什么？

2.目前國內(nèi)主流的燃料電池系統(tǒng)供應(yīng)商情況如何？

重要結(jié)論

燃料電池系統(tǒng)的關(guān)鍵部件包括電堆、氫氣循環(huán)系統(tǒng)、加濕器以及空氣壓縮機(jī)，關(guān)鍵技術(shù)包括水熱管理技術(shù)、低溫冷起動(dòng)、系統(tǒng)的控制技術(shù)等。目前在國際上，包括日本、美國、德國，燃料電池的技術(shù)已經(jīng)成熟，下一個(gè)階段，燃料電池的技術(shù)主要是集中在降低成本產(chǎn)業(yè)化的階段。國內(nèi)企業(yè)主要依賴國外公司的現(xiàn)有技術(shù)并進(jìn)行深入研究，主要公司有大連新源動(dòng)力和大洋電機(jī)兩家公司。

1、燃料電池系統(tǒng)簡介

燃料電池系統(tǒng)是燃料電池汽車最基本的、最核心的部分。燃料電池汽車與動(dòng)力電池汽車最大的不同是利用了氫氧反應(yīng)生電。燃料電池系統(tǒng)是主要由電堆、燃料處理器、功率調(diào)節(jié)器、空氣壓縮機(jī)組成。每一個(gè)系統(tǒng)組成部件都有其特有的關(guān)鍵技術(shù)，其中電堆技術(shù)最為關(guān)鍵。

燃料電池堆。為了滿足一定的輸出功率和輸出電壓的需求，通常將燃料電池（FC）單體按照一定的方式組合在一起構(gòu)成燃料電池堆，并配置相應(yīng)的輔助設(shè)備（BOP，BalanceOfPlant），同時(shí)在燃料電池控制單元的控制下，實(shí)現(xiàn)燃料電池的正常運(yùn)行，共同構(gòu)成了燃料電池系統(tǒng)。用作車輛動(dòng)力源的燃料電池系統(tǒng)，稱為燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)。

燃料電池堆是燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的核心，BOP維持電堆持續(xù)穩(wěn)定安全地運(yùn)行。燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)輔助系統(tǒng)主要包括空氣壓縮機(jī)、燃料電池用加濕器、氫氣循環(huán)泵、壓力調(diào)節(jié)器和系統(tǒng)控制單元。以氫為燃料的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的典型結(jié)構(gòu)如圖所示。

燃料電池堆是燃料電池系統(tǒng)的主要元件，包括電極、質(zhì)子交換膜（PEM）、雙極板、氣體擴(kuò)散層（GDL）、端板等部件。其中，電極、PEM和GDL集成在一起成為膜電極（MEA），它是堆的主要部件。電極是PEM和GDL之間具有電傳導(dǎo)性的一層加壓薄層，也是電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的地方。

PEM是陰極催化層和陽極催化層之間的一層薄膜，是氫質(zhì)子傳導(dǎo)的介質(zhì)，PEM的性能直接影響整個(gè)電堆的性能。雙極板用于支撐膜電極，并收集單電池電流。所有的單電池通過雙極板串聯(lián)在一起，提供滿足車用動(dòng)力需求的電功率。

燃料電池系統(tǒng)控制技術(shù)。燃料電池的耐久性是燃料電池汽車問題的關(guān)鍵所在，而耐久性，很大一部分在于控制系統(tǒng)的問題。經(jīng)過大量的研究表明，影響燃料電池壽命的關(guān)鍵因素有：動(dòng)態(tài)工況、起動(dòng)、連續(xù)怠速等，這些因素都是通過由系統(tǒng)控制所最終決定的。因此，燃料電池系統(tǒng)控制技術(shù)成為燃料電池最為關(guān)鍵的技術(shù)之一。

圖中燃料電池控制單元包括空壓機(jī)控制模塊、燃料電池系統(tǒng)控制模塊以及電池電壓監(jiān)控模塊。其中空壓機(jī)控制箱接收燃料電池控制模塊發(fā)送的控制信號(hào)，同時(shí)把反饋信號(hào)（如空壓機(jī)的轉(zhuǎn)速等）發(fā)給燃料電池系統(tǒng)控制模塊。燃料電池系統(tǒng)控制模塊主要根據(jù)接受的各種信號(hào)，來確定合適的控制參數(shù)，并通過CAN總線與車輛管理系統(tǒng)通訊。電池電壓監(jiān)控模塊用于監(jiān)控單池電壓，當(dāng)電壓過低時(shí)向燃料電池控制模塊發(fā)送警告信號(hào)。通過輔助系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的綜合作用實(shí)現(xiàn)燃料電池系統(tǒng)高效運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)能量的最有利用。

2、國內(nèi)燃料電池堆：金屬極板與單堆高功率

與電機(jī)電控相同的地方是，目前國際上主流的燃料電池系統(tǒng)也是分為整車廠自主研發(fā)及配套采購兩種模式。乘用車方面，已經(jīng)量產(chǎn)的燃料電池汽車豐田Mirai和本田Clarity都搭載自主研制的燃料電池系統(tǒng)，其他主流車企也在加快研發(fā)進(jìn)程；商用車方面，主要采用配套采購方式，巴拉德是國際燃料電池系統(tǒng)龍頭，同時(shí)也為國內(nèi)的燃料電池公共汽車提供動(dòng)力系統(tǒng)。

大連新源動(dòng)力（南都電源參股）：

新源動(dòng)力作為國內(nèi)燃料電池技術(shù)研究程度最深的公司之一，在燃料電池系統(tǒng)的小型化、集成化等方面深入耕耘，與多家國內(nèi)主流車企形成了穩(wěn)定的供應(yīng)關(guān)系。待加氫基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)相對(duì)完善、規(guī)?；?yīng)提升使成本逐漸降低后，國內(nèi)燃料電池汽車極可能出現(xiàn)類似日本今年一季度的爆發(fā)行情。

公司認(rèn)為燃料電池系統(tǒng)的核心競爭力來源于設(shè)計(jì)，不論是極板材料的選擇、流道的設(shè)計(jì)，還是層級(jí)結(jié)構(gòu)的搭建、算法的建立等。目前公司的燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)品覆蓋固定式、分布式、通信備用電源等各個(gè)領(lǐng)域，功率從5KW-120KW，產(chǎn)品類型齊全。

大洋電機(jī)：

大洋電機(jī)的燃料電池技術(shù)來源于加拿大巴拉德動(dòng)力系統(tǒng)公司，巴拉德動(dòng)力系統(tǒng)公司成立于1979年，從1983年開始研發(fā)燃料電池，其核心技術(shù)在于質(zhì)子交換膜。1997年公司與戴姆斯-克萊斯勒組建合資企業(yè)，共同開發(fā)燃料電池汽車市場(chǎng)。2007年至2009年，開始轉(zhuǎn)型發(fā)展清潔能源燃料電池產(chǎn)品，并廣泛應(yīng)用于智慧能源解決方案。目前公司的主要產(chǎn)品有：

1）質(zhì)子交換膜燃料電池堆的原始設(shè)備和系統(tǒng)集成；

2）動(dòng)力模塊，為叉車、公共汽車和輕軌提供靈活的解決方案；

3）固定系統(tǒng)，提供一個(gè)全面的氫燃料組合電力系統(tǒng)，來支持一系列應(yīng)用程序。

巴拉德在燃料電池領(lǐng)域具有明顯的競爭優(yōu)勢(shì)，過去的30年中巴拉德的技術(shù)工程投資超過10億美元，生產(chǎn)了超過200兆瓦的燃料電池堆、240萬個(gè)膜電極組件和3000個(gè)固定式燃料電池系統(tǒng)?，F(xiàn)在，搭載巴拉德燃料電池系統(tǒng)的公交車行駛里程超過百萬千米，并且為包括豐田、大眾、奧迪等在內(nèi)的全球前八大車企提供了超過500個(gè)燃料電池產(chǎn)品和超過1000小時(shí)的咨詢服務(wù)。

簽訂燃料電池模塊組裝框架協(xié)議，加快公司燃料電池產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。大洋電機(jī)利用巴拉德成熟的燃料電池系統(tǒng)技術(shù)及自身在電機(jī)及混合動(dòng)力系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，與車企進(jìn)行了燃料電池汽車的緊密合作，尤其在燃料電池客車領(lǐng)域已經(jīng)獲得了較大進(jìn)展。目前，大洋電機(jī)正在建設(shè)燃料電池模組組裝生產(chǎn)線，巴拉德提供技術(shù)支持，該業(yè)務(wù)短期內(nèi)面向商用車和物流車，合作的車廠包括佛山飛馳、東風(fēng)特汽等。

3、總結(jié)

本篇科普，我們?cè)敿?xì)介紹了燃料電池堆的結(jié)構(gòu)，及國內(nèi)外燃料電池堆的發(fā)展現(xiàn)狀。但是，由于燃料電池堆響應(yīng)速度較慢，因此通常都需要搭配一套電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)形成混合動(dòng)力系統(tǒng)。

燃料電池系列科普?qǐng)?bào)告——混合動(dòng)力

我國燃料電池基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)入加速期，為燃料電池汽車商業(yè)化做好充分準(zhǔn)備。此前的系列科普中，已經(jīng)介紹了氫氣的制取、儲(chǔ)運(yùn)以及燃料電池系統(tǒng)的相關(guān)知識(shí)內(nèi)容。在本文中，將會(huì)為大家分別為大家介紹燃料電池與混合動(dòng)力各自的優(yōu)缺點(diǎn)和發(fā)展情況，燃料電池在混合動(dòng)力思維下的發(fā)展情況。

思考的問題：

1.混合動(dòng)力汽車、燃料電池汽車分別是如何工作的？各自的優(yōu)點(diǎn)如何？

2.混合動(dòng)力汽車的現(xiàn)狀如何？

3.混合動(dòng)力在燃料電池汽車中是如何應(yīng)用的？

重要結(jié)論：

混合動(dòng)力汽車由燃油和電能混合提供動(dòng)力，電動(dòng)機(jī)作為發(fā)動(dòng)機(jī)的輔助。燃料電池汽車是由燃料混合發(fā)生化學(xué)反應(yīng)提供動(dòng)力。兩者均屬于電動(dòng)汽車的范疇。前者發(fā)展較早，技術(shù)相對(duì)成熟，后者無污染，符合清潔能源的要求。

相較于純電動(dòng)汽車而言，混合動(dòng)力汽車更容易被市場(chǎng)所接受。利用燃料電池與動(dòng)力電池的電電混合，為燃料電池汽車提供更加充足的動(dòng)力。

1、混合動(dòng)力汽車與燃料電池汽車

電動(dòng)汽車包括純電動(dòng)汽車(BEV)、混合動(dòng)力汽車(PHEV)和燃料電池汽車(FCEV)三大類。他們分別代表了不同的驅(qū)動(dòng)方式。

純電動(dòng)汽車總體上由兩大部件構(gòu)成：電動(dòng)機(jī)、動(dòng)力電池。純電動(dòng)汽車完全依靠電腦驅(qū)動(dòng)，使用成本是目前市售的新能源車中最低的。純電動(dòng)汽車的優(yōu)點(diǎn)在于技術(shù)相對(duì)簡單成熟，只要有電力供應(yīng)的地方都能夠充電。

混合動(dòng)力汽車已經(jīng)有超過100年的歷史，第一款混合動(dòng)力汽車1902年已經(jīng)問世，隨后又有多種混動(dòng)車型被發(fā)明出來，但是由于石油供給穩(wěn)定，價(jià)格較低，因此混合動(dòng)力汽車始終未得到足夠重視。直至20世紀(jì)90年代，由于油價(jià)的上升，混合動(dòng)力汽車的研發(fā)才重新進(jìn)入人們的視線。

從上圖中可以看出，混合動(dòng)力汽車是由發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)共同驅(qū)動(dòng)的，優(yōu)點(diǎn)在于可以十分方便地回收制動(dòng)時(shí)、下坡時(shí)、怠速時(shí)的能量，并且在電池單獨(dú)驅(qū)動(dòng)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)“零”排放。

燃料電池汽車實(shí)際上是通過氫氣和氧氣的化學(xué)作用，產(chǎn)生的電能驅(qū)動(dòng)車輛行駛。它也是電動(dòng)汽車的一種，結(jié)構(gòu)基本類似，只不過多了一個(gè)燃料電池和氫氣罐。燃料電池汽車的優(yōu)勢(shì)在于，加氫時(shí)間短、駕駛里程長，電堆無分解污染。

2、混合動(dòng)力汽車簡介

世界第一款量產(chǎn)混合動(dòng)力汽車豐田普銳斯，從1997年開始銷售至今，保有量已經(jīng)超過300萬輛。目前，在生產(chǎn)的混合動(dòng)力車型超過70種，銷量較高的除豐田普銳斯外，雪佛蘭沃藍(lán)達(dá)、雷克薩斯全混系列、寶馬5系混動(dòng)、榮威550插電版、比亞迪秦等，也都有優(yōu)秀的銷售成績?；旌蟿?dòng)力汽車早已成為汽車市場(chǎng)重要的組成部分。

混合動(dòng)力汽車可以按照多種方式進(jìn)行分類，除了按照混合程度分為插電和不插電混合之外，還可以按照混合方式不同分為串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)；還可以按照動(dòng)力耦合系統(tǒng)模型分為轉(zhuǎn)矩耦合、轉(zhuǎn)速耦合和功率耦合；按照混合程度類型，還可以為微混合動(dòng)力、輕度混合動(dòng)力、中度混合動(dòng)力、重度混合動(dòng)力等。

從上表可以看出，目前的混合動(dòng)力車型以外國車企為主，國內(nèi)仍處于起步階段。國內(nèi)已研制和銷售的車型多為節(jié)能效果比較有限的微混合動(dòng)力及技術(shù)要求相對(duì)簡單的插電式混合動(dòng)力，而使用相對(duì)方便，節(jié)能效果同樣突出的中、重度混合動(dòng)力汽車，國內(nèi)目前的研發(fā)比較欠缺。

3、混合動(dòng)力在燃料汽車中的應(yīng)用

燃料電池車與純電動(dòng)車一樣，是一種完全無排放的環(huán)保車。目前的燃料電池車多用氫氣作為驅(qū)動(dòng)燃料，若所使用氫氣純度可以保證，那么所產(chǎn)生的廢氣中只有水。燃料電池與純電動(dòng)車一樣，可以改變能源結(jié)構(gòu)。同時(shí)具有燃燒效率高，產(chǎn)物無污染，使用壽命長，充氣簡單的優(yōu)勢(shì)。

由于燃料電池電池電壓電流輸出特性及動(dòng)態(tài)響應(yīng)滯后的特點(diǎn)，結(jié)合混合動(dòng)力汽車的原理，燃料電池加動(dòng)力電池的電-電混合動(dòng)力系統(tǒng)誕生了。燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)主要包括燃料電池、輔助動(dòng)力源、DC/DC變換器等部件。燃料電池系統(tǒng)作為車輛常規(guī)運(yùn)行時(shí)的主要?jiǎng)恿υ?，為車輛的常規(guī)運(yùn)行提供所需能量；輔助動(dòng)力源為蓄電池或超級(jí)電容器，提供車輛在啟動(dòng)、加速、爬坡等特殊工況下所需功率。如此，既能保證車輛在不同工況下所需的能量，同時(shí)能夠減小對(duì)燃料電池的沖擊，提高燃料電池的壽命。

燃料電池混合動(dòng)力汽車能夠提高燃料電池的使用壽命。同混合動(dòng)力汽車類似，燃料電池混合動(dòng)力汽車是由燃料電池與動(dòng)力電池混合，兩種方式進(jìn)行共同驅(qū)動(dòng)。動(dòng)力電池提供車輛啟動(dòng)、加速、減速等非穩(wěn)態(tài)下所需的大功率，平均功率由燃料電池提供，使燃料電池運(yùn)行工況基本不變，負(fù)載變化較小，輸出功率平穩(wěn)，對(duì)燃料電池的瞬時(shí)沖擊小，能夠大大提高燃料電池的使用壽命。動(dòng)力電池作為燃料電池混合動(dòng)力汽車的輔助動(dòng)力源，可以通過控制動(dòng)力電池的充放電功率，提高動(dòng)力電池的使用壽命。

補(bǔ)貼提高競爭力。工信部、財(cái)政部、科技部和發(fā)改委《新能源汽車推廣補(bǔ)貼方案及產(chǎn)品技術(shù)要求》中對(duì)燃料電池乘用車實(shí)行20萬元/輛補(bǔ)貼，輕型貨車、客車30萬元/輛補(bǔ)貼，大型客車、中重型貨車50萬元/輛的補(bǔ)貼，純電動(dòng)大巴汽車將在2019年會(huì)有退坡政策，這樣燃料電池混合動(dòng)力汽車將具有很大的市場(chǎng)競爭力。

燃料電池混合動(dòng)力汽車加氫時(shí)間短，一般為3—5min，續(xù)航里程可達(dá)到500km以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)純電動(dòng)汽車的續(xù)航里程。

國內(nèi)燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)現(xiàn)狀。目前，國內(nèi)主流整車廠開發(fā)的燃料電池客車、物流車、乘用車等均采用燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)，用氫燃料電池搭配一定功率的動(dòng)力電池作為車輛動(dòng)力源。氫燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)最先在客車進(jìn)行示范推廣和商業(yè)化應(yīng)用。

宇通最新一代燃料電池城市客車采用電-電混合動(dòng)力系統(tǒng)，配備了額定功率為30kW的燃料電池系統(tǒng)同時(shí)搭載40-60kWh鋰離子動(dòng)力電池，車身頂部設(shè)置了8個(gè)140L的氫瓶，續(xù)駛里程超過300km，每一次加氫只需要10-15min。

上海榮威950氫燃料電池乘用車使用氫燃料混合動(dòng)力系統(tǒng)，其中燃料電池由大連新源動(dòng)力股份有限公司提供，鋰離子動(dòng)力電池由上海航天電源技術(shù)有限責(zé)任公司提供，續(xù)航里程大于400km，最高時(shí)速可達(dá)到160km/h。

4、總結(jié)

以上，我們所有的燃料電池科普已經(jīng)結(jié)束。在燃料電池系列科普中，我們介紹了關(guān)于氫氣制造、運(yùn)輸、燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)及其與混合動(dòng)力系統(tǒng)的匹配問題。