MFC推荐—如何理解中国“电电混合”氢能汽车技术路线？

发展氢能汽车已经成为2018年一个新的热点话题。

最近，一家天然气汽车改装企业的老总向笔者咨询，如何把天然气汽车改装成为氢气汽车？如何这个问题？我感到十分为难。还有许多客车企业的同行，也咨询笔者，氢能汽车发展现状及发展趋势如何？

看来有必要做深入的介绍了。

一、氢能汽车的基本含义

氢能汽车，一般人理解是氢气做为能源的汽车。这一点与理解将汽油（柴油）作为能源的汽车是一个层次的。

比较专业的人，会把氢能理解为与天然气汽车一样的，将瓶装压缩的氢气，解压出来，供内燃机燃烧，一是可以做功，二是可以发电。

时代在进步，技术在发展。历史上有过用内燃机燃烧氢气的技术，但是最后没有发展起来。

今天提倡发展的氢能汽车，由氢燃料电池发电，给电动汽车供电。这样一般性理解，目前的氢能汽车的概念，是没有内燃机的，原来的内燃机已经由燃料电池发动机替代了。

二、燃料电池发动机是什么意思？

在汽车行业里，内燃机已经说成燃油发动机了。汽车是机动车，机动车必须要有发动机，才能动起来的。汽车发动机与普通工业上的内燃机，还是有许多不同的技术要求。

所以说，发动机专门是指汽车上的。

目前动力电池的电，源于外面电网。电动汽车的驱动能源，源于车载动力电池。但是动力电池，专业层面还没有人叫他是动力电池发动机。

燃料电池发动机是什么意思？笔者理解：

1. 燃料电池发动机不是燃料发动机，目前直接烧油、烧气的发动机，也可以叫做燃料发动机。
2. 燃料电池发动机，基本上是专门指氢气电池的，目前还没有发现其他气体可以直接发电的。
3. 燃料电池与目前的动力电池原理，有许多相似的地方。

燃料电池发动机是通过一个类似“电池”原理的装置，将氢气“化”成电的一个系统。

三、燃料电池发动机结构组成

氢燃料电池发动机既不是动力蓄电池，也不是传统燃油发动机。燃料电池发动机是一种将氢气和氧气通过电化学反应，直接转化为电能的发电装置。

图（1）国产的氢燃料电池发动机

要开发燃料电池汽车，必须了解燃料电池发动机。

（1）六大组成部分，见图（2）

①电堆；

②氢气供给循环系统；

③空气供给系统；

④水热管理系统；

⑥电控系统和数据采集系统。

图2 燃料电池发动机结构示意图

（2）工作特点：

①系统输入是氢气和氧气，输出是仅为电、热和水，能量转化率高；

②没有燃烧，没有机械损耗，运行平稳，噪音比较低。

（3）核心技术：

①电堆系统

电堆由双极板和膜电极两大部分组成，催化剂、质子交换膜和碳布/碳纸构成了膜电极。电堆是氢燃料电池发动机的核心部件。

②氢气供给循环系统

自气瓶中的高压氢气，经过减压阀使得氢气压力降低，通过电磁阀控制氢气进入电堆，氢气回流泵再将电堆反应后剩余的氢气，回收重新输入电堆中，提高氢气能源利用率。

（4）关键零部件

减压阀、电磁阀、氢气回流泵、氢气浓度传感器、空气滤清器、空压机/吹风机、空气增湿器、水泵和水温传感器。

四、燃料电池发动机规格及指标

目前国内能提供燃料电池发动机的有：中科院大连化工所的新源动力、北京亿华通、上海弗尔赛的三家企业，他们三家提供的产品有：30kW驱动模块、60kW驱动模块以及120kW驱动模块。

国内其他企业基本上是代理国外的产品，比如巴拉德的产品。

国内与国外燃料电池发动机技术指标差异：

1. 国内燃料电池发动机电堆功率密度基本上大概在2kW/L左右，国际先进水平已经达到了3kW/L左右；
2. 催化剂效率：国内每千瓦的铂用量大概0.3克，国际的先进水平已经达到了0.06克以下；
3. 膜电极耐久性：国内动态工况实测寿命大概在3000小时，国外已经达到了9000小时；
4. 空气压缩机：国内现在采取低压压缩机，国外主要采取高压空气压缩机，如果能够把压力提高到两倍左右，可能它的效率提高50%。

五“电电混合”氢能汽车技术路线是中国特色

“电电混合”是基本含义是，燃料电池发动机发的电与车载电池的电“混合”起来给电机做功，驱动汽车运动。从纯电动到具有部分电力和部分燃料电池驱动的系统上看，可以分成2类：

①以动力电池的电能为主的电动汽车，燃料电池的电能用来补足驱动。

②以燃料电池电能为主的电动汽车，动力电池用来补足它的驱动。

为什么不发展全燃料电池发动机的氢汽车呢？

①燃料电池发动机功率，目前还不能满足电动汽车的要求。国内燃料电池发动机电堆功率密度大概在2kW/L左右，国际先进水平也是在3kW/L左右。也就说，目前国内外动力电池不能满足电动汽车的要求，同样，燃料电池发动机的能力也不能满足汽车的要求。

②燃料电池发动机是一个全新的产品，还有许多技术要求，要依靠产业化来完善，同时目前其单位成本还比较高；

③目前电-电混合动力系统是以动力电池汽车为基础的。同是电-电混合动力系统可以弥补动力电池的汽车的不足；

④中国的燃料电池汽车取得了很明显的进步，但是还面临许多挑战，电-电混合动力系统是相对比较稳妥的技术方案。

六、“电电混合”氢能汽车技术的应用

目前电动汽车的主要不足：持续里程较短，充电时间较长。

电动城市公交车和电动城市配送车辆，在城市已经能基本满足使用要求，但是对持续里程较长车辆而言，比如对城市之间远程公交汽车等，就力不从心了。

“电电混合”氢能汽车技术的应用主要有：

①目前城市越来越大，大城市下面有卫星城市，城市之间远程公交汽车是电电混合”氢能汽车技术应用主战场；

②“电电混合”氢能汽车，有充电可以充电，没有时间充电，就加氢，满足部分用户的对里程厂和充电不方便的要求。

七、“电电混合”氢能汽车技术应用的注意事项

对汽车工程而言，系统组成结构是越简越好。

电电混合是不仅两套系统的组合，对系统集成提出了更高的要求。要注意的是，不要人为地增加难度。

①不要在车上进行制氢、提纯氢气工艺加工；

②不要在车上对氢气进行压缩加工工艺；

③“电电混合”氢能技术的基本要求是瓶装压缩氢气。

一句话，车上空间极为有限，“电电混合”系统的布置已经是相当困难了，不要人为把工厂里的氢气加工工艺予以简化，搬到车上来都是不可取的。地面工厂做不到的事情，车上也是做不到的。