雷洪钧：​燃料电池公交车的基本原理及技术特征

2021年4月10日，2021年中小城市公交经验交流论坛在广东省中山市隆重召开。武汉科技大学汽车与交通工程学院教授雷洪钧博士应邀作了《燃料电池公交车基本原理及技术特征》演讲。

武汉科技大学汽车与交通工程学院教授、博士 雷洪钧

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2016-2020年间，我国燃料电池汽车的销量分别为629辆、1275辆、1527辆、2737辆、0.1万辆，累计超7100辆。2019年冲高，但是2020年受到疫情影响，又跌落到1000辆水平。目前燃料电池汽车是主要是公交车，分布在河北省张家口、广东佛山（云佛）、上海、江苏等地区。

中国节能与新能源汽车开始示范总是选择公交车，1997年天然气公交车、2010年的混合动力公交车、2012年纯电动公交车，2015年燃料电池公交车。一句话，公交公司一直是中国节能与新能源汽车示范的试验田。

示范一方面给公交公司添了不少麻烦，同时也提升公交公司技术水平，我国公交车档次越来越高，与公交公司是中国节能与新能源汽车试验田也是分不开的。

在2020电动汽车百人会论坛上，全国政协副主席、中国科学技术协会主席万钢在“中国电动汽车百人会论坛（2020）”高层论坛上,提出中国新能源汽车发展战略中,氢燃料电池汽车和纯电动汽车同等重要,长期共存,在市场应用中,它们也各有定位,互不替代，预计2020，氢燃料电池汽车预期产量可达1万辆。受疫情影响，完成了十分之一。

看2021年能不能实现？如果2021年5月份以前燃料电池汽车示范城市群能批下来，这个目标是有可能实现。下面对燃料电池公交车基本原理及技术特征予以介绍和讨论，供大家参考。

一、燃料电池的基本知识

燃料电池是一种能量转化装置，它将燃料的电化学能转化成电能。它类似于常规电池一样，也是电化学发电装置，因此被学界称为燃料电池。（注意：此电池不是比电池）

燃料电池单池包括七层结构，最中间一层为质子交换膜（又称电解质膜），然后两侧对称地依次为阴/阳极催化层、阴/阳极气体扩散层和阴/阳极双极板。

1）燃料电池与常规电池的异同点

a）燃料电池工作时，需要连续不断地向电池内输入燃料和氧化剂，只要持续供应，燃料电池就会不断提供电能。输入的氢气和氧气，输出地是电流和水。

b）常规电池是储电能装置。电池的电能源于电网对其充电。输入的电能、输出的也电能。（注意：）燃料电池是发电装置。）

c）燃料电池与常规电池物理结构不同。

d）燃料电池与常规电池类似都是化学能转化为电能的能量转换装置。

2）氢燃料电池工作原理

氢气通过燃料电池的正极当中的催化剂（铂）分解成电子和氢离子（质子）。其中质子通过质子交换膜（Proton Exchange Membrane）到达负极和氧气反应变成水和热量。对应的电子则从负极通过外电路流向正极产生电能。（即电流从正极通过负载流向负极）。

采用的是质子交换膜燃料电池（PEMFC）技术。其系统组成通常为：

a）燃料电池堆

由一组电极和电解质板构成的燃料电池单池输出电压较低，电流密度较小，为获得高的电压和功率，通常将多个单电池串联，构成电堆栈。相邻单电池间用双极板隔开，双极板用来串联前后单电池和提供单电池的气体流路。

b）氢气储罐

车载高压气态储氢气瓶主要包括铝内胆纤维缠绕瓶（Ⅲ型） 和塑料内胆纤维缠绕瓶（Ⅳ型） ，车载气瓶具有体积、重量受限、充装有特殊要求、使用寿命长和使用环境多变等特点。因此，轻量化、高压力、高储氢质量比和长寿命是车载储氢气瓶的特点。

C）动力电池

动力电池即为工具提供动力来源的电源，多指为电动汽车、电动列车、电动自行车、高尔夫球车提供动力的蓄电池。其主要区别于用于汽车发动机起动的起动电池。目前车用电池为磷酸铁锂蓄电池和三元电池。

d）燃料电池直流升压转换器

是将该燃料电池地输出电压升压而向负载供电的升压单元。DC/DC

其中有：

①主升压部，具有开关和线圈，利用该开关相对于该线圈进行开关动作所产生的该线圈的反电动势使所述燃料电池地输出电压升压；

②副升压部，具有利用蓄电量来调整所述开关的两极间的电位差的缓冲电容器，在所述开关动作时，通过调整该缓冲电容器的蓄电量来减少该开关的开关损耗，所述副升压部使减少所述缓冲电容器的蓄电量时放出的该缓冲电容器的电荷流到所述燃料电池以外的处理单元进行处理。

C）动力控制单元

纯电动汽车是由电力驱动系统、电源系统和辅助系统等三部分组成。电力驱动系统包括控制器、功率转换器、电动机、机械传动装置和车轮等。

电动机就像是传统汽车中的发动机，其主要任务是在驾驶人的控制下，高效率地将动力电池存储的电能转化为车轮的动能驱动车辆，或者在制动时将车轮上的动能转化为电能反馈到动力电池中以实现车辆的制动能量回收。

电动汽车必须通过一个整车控制系统来进行各子系统的协调控制，从而实现整车地最佳性能。电源系统包括蓄电池组、电池管理系统（BMS）等。辅助系统包括辅助动力源、动力转向系统、空调器、照明装置等。

e）动力电机

目前领先的燃料电池堆的功率密度可达3.1kW/L，最大输出功率可达114kW。由于每个燃料电池单体输出电压只有0.6~0.7V，因此需要配合直流升压转换器和动力电池使用。从而让电压可以适配650V高压，驱动动力电机。

三、燃料电池公交车技术特征

1）优点：

燃料电池作为车用电源有效率高、污染小、传动系统结构简单；

2）缺点：

a）输出特性偏软

下图是某 40kWV 燃料电池堆地输出特性曲线，可以看出燃料电池地输出特性。

必须采用直流变换器 DC/DC可以很好地起到阻抗匹配的作用，燃料电池和 DCDC合并作为车用动力电源。

2) 启动时间长、动态响应差、功率密度低

燃料电池作为单一电源，一是其启动时间长，动态响应速度较慢，无法满足车辆运行过程中负载的快速变化需求，二是燃料电池功率密度较低、成本高，若仅以燃料电池满足峰值功率需求，势必会造成整备质量和成本的增加。

3）燃料电池无法吸收回馈能量

燃料电池发电装置，不是储能装置，吸收回馈能量。基本做法是在燃料电池发动机（FCE）和电机控制器之间增加峰值功率系统（PPS），不仅可以吸收回馈能量、降低成本，而且可以弥补FCE启动时间长、动态响应差的缺点。

四、总结

1）电动汽车是燃料电池的基础。

2）燃料电池汽车也是电动汽车。

3）目前燃料电池功率密度比较低。还不能满足大型公交车的要求，必须用电动电池予以弥补。

4）燃料电池比能量比较高，但是作为公交车而已，其比能量也不高，目前一次续航里程基本也是350公里以下。基本原因是目前氢气储罐35Mpa的，70Mpa还没有标准支持。

5）燃料电池公交车的动力控制系统，比电动公交车更为复杂。

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