燃料電池公交客車開發技術路線研究及建議

雷洪鈞

（湖北省城市客車工程技術研究中心）

當前正是處于純電動汽車大力推廣應用的熱潮之中，2015年6月媒體卻報道了宇通公司已經獲得燃料電池客車的生產資質。7月2號中國電動汽車百人會在清華大學組織了第一次“學術沙龍”，專題討論了“燃料電池汽車”商業化問題。這說明純電動汽車已經是“推廣應用”階段的工作，而燃料電池汽車卻進入了“示范運行”的起步階段。本文對燃料電池公交客車開發的技術路線予以研究且提出建議，供同行參考。

一、示范運行與推廣應用的區別及聯系

產品研究開發的最終目標是要實現產業化。要實現產業化一般要經過3個階段，第一階段是產品研究開發，第二個階段是示范運行，第三個階段是推廣應用。如純電動公交車已經是推廣應用的產品，隨著推廣應用的廣度和深度的推進，產品要進一步優化，則標志產業化得以實現。

我國新能源公交車推進分為3個階段，一是混合動力客車，第二個階段是純電池動力客車，第三個階段是燃料電池客車。前一步是后一步的基礎，后一步是前一步的延伸。按前面推廣情況來看，產品研究開發到示范運行、在到推廣應用，基本要10年左右。

燃料電池公交客車在一些關鍵技術上還沒有取得重大突破，第一步要進行產品研究與開發，為產品的“示范運行”打基礎、做好鋪墊，產品開發的技術路線的研究尤為重要，研究成果的高低，基本上決定產品開發最后成功與否。

二、目前動力電池到底是一個什么水準？用他到底做到什么樣水平的公交車？

1）通俗解釋是：12米的純電動公交，完成一天運營里程是250公里，需要250度電。而當前動力電池的實際水平是，充一次電僅僅能滿足12米公交0.5天的運營要求。目前公交公司新能源汽車的運營里程可能（或者）能到達250公里運營里程，這些是客車廠和公交公司犧牲其他的時間、空間資源后，采取彌補措施的結果。

2）國家863計劃電動車重大專項動力電池測試中心主任王子冬對動力電池水平的評價是：動力電池比能量是120 wh/kg，系統集成后的比能量是90wh/kg。王子冬主任用數據對目前動力電池水平進行了測評。

3）中國工程院楊裕生院士的觀點是，鋰離子電池的比能量預計到2020年有可能達到250wh/kg，這樣的電池是未來的，不解決當前問題。目前的電池存在四個問題：集合能量不夠高，一致性不夠好，壽命不夠長，價格比較貴，并且安全性還有問題。楊裕生院士定性地給出動力電池的不足。

4）中國工程院郭孔輝院士是我國汽車業的泰斗，他的觀點是，用現在鋰離子電池的比能量做汽車，合理的里程設計在150 km左右。若要更長距離的行駛，增程式更合適。郭孔輝院士給出了用目前的動力電池開發汽車的基本定位。

三、目前動力電池水平背景下，發展大型純電動公交車不“增程”是不可能的

王子冬主任、楊裕生院士、郭孔輝院士代表層面，發表了權威性的觀點，總結到一點，用目前的動力電池發展大型公交車是繞不過“增程”階段的。我國客車企業要“彎”道超車，這個“彎”的落腳點，就是如何在“增程”上下功夫。具體介紹如下：

1）第一個“增程”方案是內燃機增程器，沒有創新點，是初級技術的集成，但是直接體現了增程思想。其基本原理是將原來內燃機引擎功能，直接變成發電機的動力了，即內燃機由過去發動機變成增程器，結構復雜、發電效率低，沒有解決環保問題。

2）第二個“增程”方案是在第一個方案上增加了“插電”（可以外接電源補充）的功能。這個方案是對第一個方案提升，實際情況是節油了。技術亮點是可以外接電源補充，減少用油量，有了環保特性，同時“增程”效果明顯。由于不插電使用更便利，沒有人去主動找“插”電的麻煩。最后是不是有環保、節能的實際效果？

3）第三個“增程”方案是沒有物理上的增程器，用輪流置換車載電池技術來體現增程思想。一套電池不夠用，再增加一套電池，是典型空間資源換里程目標。2008年奧運開啟了這一方案，接下來青島公交將這個路線推向高潮，天津公交將這個路線得以延伸。現實情況是，這一技術路線由國家電網號召開啟，最后由國家電網宣布終止。

4）第四個“增程”方案是電池快充。這個方案由重慶恒通與微宏發起，并成功實施。鈦酸鋰電池可以快充，重慶恒通做了33臺充電公交車，已經3年過去了，運行良好。這是典型時間資源換里程目標。實際情況是，國家基本上不支持鈦酸鋰電池發展，其拓展無望。

5）第五個“增程”方案是白天由滑觸網補電（在線充），這條技術路線2012年由東風揚子江汽車（有限）公司開啟，武漢公交采購了在線充200臺，在穩步推進。王秉剛老師、王子冬主任對這個技術路線評價較高。以前有無軌電車的城市，如北京公交、濟南公交、上海公交、青島公交等完全認同，以前沒有無軌電車的城市，如襄樊也開始認同這個“增程”技術路線。

這個“增程”方案，主要特點是接“地”氣，不增加用戶的麻煩，方便、實用。借用了運營間隙（時間資源），且空間資源占用實現了極少值。彌補無軌電車的不足，且與新能源純電動客車接上了。用目前的動力電池，解決了公交公司每天250公里運營里程要求。

四、當下開發燃料電池公交客車的必要性

綜上而言，用目前的動力電池，發展大型純電動公交車，繞不過“增程”的，這是一個大前提。內燃機做增程器模式技術含量過低；換電模式的技術含量有較大的提升，但是不接“地”氣；快充電模式技術含量更高，但是不符合“天”意；在線充技術既符合“天”意，也接“地”氣，還差“人”緣。電網對純電動公交車白天充電，是十分苛刻的。在大白天，大量的、大功率的純電動汽車不受電網控制的充電模式，供電公司是不同意的。不是利益問題，而是目前電網不能滿足純電動汽車白天“任性”充電的要求，否則電網有安全隱患。

客車企業面對“增程”階段（時代），必須研發出符合“天”意、接“地”氣、逢人“緣”的產品。符合“天”意：其產品必須是國家政策規定的新能源產品，能得到政府財政支持；接“地”氣：這個產品必須能有助于公交公司完成每一天運營（250公里）的里程，不麻煩公交公司；逢人“緣”：這新能源產品必須晚上充更多的電，白天補電不麻煩供電公司。

這個增程器是什么?目前產品只有燃料電池了。有了這個增程器，新能源公交車在不燒油、燒氣的前提下，他自己能發電，是符合“天”意的；有了這個增程器，新能源公交車白天不麻煩電網公司，晚上用電網“波谷”的電，是逢人“緣”的；有了這個增程器，燃料電池是電池，動力儲能電池也是電池，能完成每一天運營（250公里）的里程，不找麻煩，就可以了。這是接“地”氣的。

五、當下開發燃料電池公交客車的急迫性

1）《中國制造2025》將燃料電池汽車列于支持項目，其主要理由是由于環境的原因或為替代日益減少化石燃料。政府強有力支持燃料電池汽車研究開發；

2）我國公交客車一直是新能源汽車示范推廣起步項目。

3）宇通公司已經獲得燃料電池客車生產資質。客車老大已經行動搶先了，其他客車企業能不跟著上嗎？

無論客車企業主觀上對燃料電池公交客車開發認識如何，政府提倡號召，企業必須要響應。企業不響應是企業的自由，但是只有響應政府號召的企業，才有發展的機會。

當下企業開發開發燃料電池公交客車的急迫性，比過去“急”多了。對這一點，沒有必要在去討論了。

六、什么是燃料電池？與“鋰”類電池有什么關系？

 “鋰”類電池是儲能性電池，通俗的講，這類電池的“電”是事先“充”進去的，要用的時候，他可以“放”出電來的。燃料電池是自己能“發”電的電池，通俗的講，他吃的是燃料，而吐出來的是“電”。“鋰”類電池和燃料電池都是為汽車提供電能，電能驅動電機，電機產生動力。這里關鍵要理解3點。

1）燃料電池不是儲能電池，我們以前聽說（討論）的是儲能電池。

2）燃料電池是能發電的，而“鋰”類電池是放電的。

3）燃料電池是發電裝置，其發的電要送給儲能電池保存起來。

七、燃料電池產生“電“的機理分析

燃料電池是一種通過氫燃料與氧氣發生反應而產生電能、水和熱的電化學裝置，是發生電化學反應的電池。其工作原理如圖1。

圖1 燃料電池的工作原理

簡單的解釋：燃料電池是利用兩個由電解液隔開的電極進行反向電解。陽極（負極）接收氫，陰極（正極）則聚集氧氣。陽極催化劑將氫氣分解為帶正電荷的氫離子和電子，而氧氣則被電離成氧負離子并經電解液遷移到陽極，與氫離子結合。

單體燃料電池的電壓為0.6～0.8V。為了獲得更高的電壓，可以將幾個單體電池串聯起來，這與目前其他動力電池類似。單體燃料電池的電壓為0.6～0.8V，是燃料電池的材料特性決定，要用到汽車上必須進行串聯（并聯）成模組，再通過CD/CD轉換，多級提升電壓，直到滿足汽車的電動機工作電壓380V以上。

八、燃料電池發電機工作原理

燃料電池發電機系統除了燃料電池堆以外，還要有一些輔助的供氫供氧系統，同時為了整體系統能夠好的工作，還要有一些控制系統。目前燃料電池發動機控制系統主要由以下八類：空氣供應控制、氫氣供應控制、水熱管理、故障診斷、功率管理、冷啟動、開關機控制、怠速控制（見圖2）。

圖2 燃料電池發電機工作原理   

九、常見幾種燃料電池的優缺點

燃料電池大致分為6大類，有不同優點與不足，根據不同的特性，應用于不同領域。用于汽車的燃料電池主要是2大類。一是質子交換膜燃料電池（PEMFC），二是直接甲醇燃料電池（DMFC）。   

1. 質子交換膜燃料電池（PEMFC）

PEMFC 是目前研究最深入也是應用最普遍的燃料電池，在汽車、便攜式設備、辦公室儲備電池等方面均有應用。它的一個優勢是電池中的氫可以較快啟動。電池堆在80℃左右運行（176°F），有效率可達50%（相比之下，內燃機效率只有大約25%）。在汽車上已經有成功運用案例，待進一步完善和提升。

2. 直接甲醇燃料電池（DMFC）

甲醇是液態燃料，而不需要先轉化為密封存儲的氫氣。同時，其電化學性能優越，只需通過更換燃料盒就能完成充電，這也使得燃料電池能夠實現不間斷工作。這種電池造價低廉，使用方便。液態燃料電池比氫燃料電池更有優勢。在汽車上已經有成功運用案例，有待進一步完善和提升。

十、燃料電池發展瓶頸分析

燃料電池的概念在1839年就提出了，到了在上個世紀70年代，美國人將堿性燃料電池用于汽車，但一直沒有發展起來，到了上世紀九十年代人們重新對燃料電池提起興趣，但這種熱情在21世紀又開始減退。其基本原因有：

1）在凈熱值方面（NCV），氫要比汽油更昂貴，甚至有人認為氫能源是近中性能源，這意味著達到同樣的效果時，氫需要消耗很多的能量。

2）氫通常會與其他物質結合，并且氫氣的獲取需要消耗大量的能量和更先進技術。

3）在相同的體積下，石油產品凈熱值大約是氫燃料的24倍；并且氫在液態下非常密集，需要大面積絕熱儲存，加壓的氫氣需要重鋼罐存儲。

4）氫燃料貯存不方便。存在安全隱患，管道運輸還需要額外投資。

十一、燃料電池汽車整車動力系統的技術方案介紹

1）單一燃料電池發動機驅動方案

這個方案是純燃料電池汽車（見圖3）。只用燃料電池提供電能，而不匹配動力蓄電池。但是燃料電池動態響應一方面比較慢，加上電壓波動比較大，所以這種方案現在已經被整車廠放棄了。

圖3 單一燃料電池發動機驅動方案

2）電電混合技術方案

燃料電池和蓄電池共同提供電能的技術方案分為兩大類：全功率型和Plug-In方案。

⑴全功率型

  其特點：燃料電池功率比較大，而動力蓄電池功率比較小一點，其燃料電池占的成本較高，有高壓儲氫瓶支撐，能滿足行車里程大于500公里以上。長途客車采用這個方案，用戶是歡迎的，其工作原理圖見（圖4）。目前國際主流整車廠所用的方案是全功率型。

圖4 燃料電池/蓄電池全功率型   

⑵Plug-In方案

其特點：動力蓄電池功率大一點，燃料電池功率小一點，可以外接電源給動力蓄電池充電，可以滿足能滿足行車里程大于250公里以上。公交客車采用這個方案，用戶是歡迎的。其工作原理圖見（圖5）。

圖5 燃料電池/蓄電池Plug-In型

（3）燃料電池/超級電容/動力蓄電池技術方案

它的主要目的是為了提高動力系統的功率損態響應的性能。缺點是結構復雜、控制相對比較復雜一些，其工作原理圖見（圖6）

圖6 燃料電池/超級電容/動力蓄電池技術方案

十二、開發燃料電池公交客車的已有條件分析

1）國家產業政策的提倡，國家財政是有補貼的且額度是可觀的，補貼期已經延續到了2025年。

2）混合動力客車、純電動客車推廣應用。如驅動電機及控制器、動力電池及控制器、動力及電池管理系統等關鍵技術的突破，為開發燃料電池公交客車奠定相當好的基礎。

3）插電（增程）式混合動力是一條適宜性最好的技術路線，為燃料電池公交車開發積累許多成功的經驗。

4）燃料電池一些關鍵性技術（材料）的成本有一定的下降。如直接甲醇燃料電池1度電燃料電池已經降到1萬元以下，其壽命已經達到公交車使用壽命。

十三、直接甲醇燃料電池（DMFC）是較適宜公交客車采用

1）直接甲醇燃料電池（DMFC）完全可以替代內燃機式的增程器，不燒油、不燒器，甲醇燃料電池里甲醇也不燃燒，是化學變化產生電能，排放指標為0；

圖7直接甲醇燃料電池（DMFC）產品外形及工作原理   

2）中國有十多年的甲醇汽油的推廣經驗，M85，M100已經得到推廣，目前已有2000多家加醇站，數目不斷增加中，新能源汽車一次充電續駛里程不夠要求的困惑不再存在。

3）甲醇制氫直接發電，均衡給車載儲能電池充電，是目前車載電池獲得電能最便捷，最便宜的方式，與質子交換膜燃料電池（PEMFC）相比，不要耐高壓儲氫瓶支撐，基本沒有安全問題，車體結構更為簡單。大型公交車配備“燃料電池系統”， 空間有冗余。

4）2015年最新政策，大力扶持燃料電池車行業，直到2020年，對燃料電池的補貼不退坡， 

5）燃料電池系統重量僅電池一半，電量為剩下電池的2倍，可以使純電動車的車體減重1噸以上。 

十四、建議

1、經過研究，燃料電池公交車研究開發的技術路線是，第一步，組織有關技術人員，對單一燃料電池發動機驅動方案，系統地研究，是一個學習、熟悉過程，普及燃料電池有關知識，參觀有關燃料電池廠家（公司），沒有必要去開發產品了；第二步，以已經上市8米級純電動公交為基礎予以開發燃料電池公交車的新品種，基本方案是（燃料電池+儲備動力電池）電電混合，打通燃料電池與儲能動力電池的接口關系，產品層面完善到位，進行上路驗證，在把生產、質量、服務要跟上；第三步，申報燃料電池客車生產資質（這個工作量是很大的）；第四步，在生產資質申報成功的基礎上，在8米級（燃料電池+儲備動力電池）電電混合方案的基礎上向再10、12米級擴展。

2）要認真總結過去10多年來，我國新能源汽車研究開發的歷史經驗。產品開發的技術路線研究是十分重要的。開發的技術路線研究到位了，風險控制才會基本有底。產品開發方向一定要符合政府的產業政策，技術路線要不斷探索、比較、調整，具體產品開發立項一定要按PDCA循環模式開展。

3）要用好政策。目前政策不支持的產品技術路線，搞研究是可以的，但是不要去開發產品了。政策沒有明確表態支持的產品，不可能實現產業化。這個經驗有必要記住了，如電容充電、鈦酸鋰電快充客車等開發，都沒有得到政策有力支持。

4）產品研究開發要以產業政策為導向。產品研究是為產品開發服務的，產品開發要以產品研究為基礎。燃料電池用于汽車的歷史從上個世紀70年代算起至今，已經有40多年了，有過反復，起色不大，這是歷史事實。今天重提有他歷史的必然，能不能最終成功？要用事實來證明。