燃料电池增程式客车开发细化方案

      按照国家的规划，一次持续里程200公里以上的纯电动汽车到了2020年开始普及应用。这个成绩来得不易，在这里面尤其有公交客车研发工程技术人员前期付出和贡献。接下来是，要进行燃料电池公交车开发了。燃料电池公交客车从2008年奥运开始导入，已经快10年了，接下来是进入示范期了。按照国家的规划，到2030年500公里以上燃料电池汽车也会普及应用。
      在总结我国新能源汽车推进历史与经验以后，笔者认为，对产品研发技术路线研究十分重要。企业的新产品开发工作一定要在技术路线研究成果基础上推进，否则会多走许多弯路。笔者的观点是。接下来的我国燃料电池汽车产品开发工作，同样要从公交客车口切入，燃料电池公交车要从燃料电池增程式公交客车开发起步。具体理由阐述如下，供同行参考。

      一、为什么要开发燃料电池汽车
      中国要成为汽车强国，必由之路是要发展新能源汽车。但是目前纯电动汽车，要成为国民汽车，实现普及开来的目标，必须要在两个方面超过传统的燃油车，一是要在全生命周期内与燃油车的成本在一个水平上；二是使用方便性要更有优势。纯电动汽车降下来，没有技术上的困难，但是要使用方便性要更有优势，困难还是相当大的，主要是在可以预测的时间内，目前动力电池在理论上，其比能量与燃油比能量相比，要差33倍多。即使动力进步很快，能即使动力电池汽车能实现一次持续500公里，还是与传统汽车有距离较大。
      发展燃料电池汽车直接的目标是要使新能源汽车一次持续里程要超过800公里。中国要成为成为汽车强国，在燃料电池汽车研究必须跟上，否则不可能成为强国。中国目前已经新能源汽车产销大国，但是不是新能源强国。中国在燃料电池汽车研究和产品开发，不仅不能调队，同时必须超越。
      一句话，中国在燃料电池汽车的研究与研发上，与国外汽车强国相比，不能输，也输不起。
      二、发展燃料电池汽车常识知识的准备
      (1)燃料电池与有锂离子电池慨念在概念上本质的区别
      目前锂离子电池的输入端是充电口，与市电对接；其输出端放出的也是电，对接的负载。通俗的理解，这个“池”进来的是电，流出的也是电。电池与油箱在工作原理是基本相同的，不同是这个“箱”进来的油，流出的也是油。一字之差，“油”变成“电”。
      而燃料电池的“池”子进去的“氢气”和“氧气”，流出的却是电和水。燃料电池工作原理如下：

图1 燃料电池工作原理

      从常识上，，大家对油箱的功能好理解，把油灌到油箱里，再把油抽出来即可，但是电是如何充到电池里去的，电又是如何放出的？燃料电池进去的是氢气+氧气，它是如何变成电和水的？下面通俗解释一下：
      技术难度：会做油箱的，可以肯定，他做不出锂离子电池；做锂离子电池的，也可以肯定，他做不出燃料电池；
      技术对接：做燃料电池的，离不开做锂离子电池技术的支撑，做锂离子电池的，也不开做油箱技术的支撑。
      (2)在存储上，氢气与天然气一样安全。
      目前天然气的在存储和运输上已经能很安全了。同理，氢气存储上一样可以做到很安全。储氢罐一般由高强度复合材料制成，比钢强得多倍，经过严格的测试(包括碰撞测试和炮火射击)和性能要求，可以确保高质量的性能，留有足够的安全系数。加氢站具有多层的保护系统，所以几乎不可能使车辆燃料系统过压。

图2 碳纤维的氢气瓶外形及内部结构

      (3)在加注上，氢气与天然气(汽油)一样便捷
      日本本田燃料电池汽车在加氢，见图2.

图3 日本本田燃料电池汽车在加氢

      (4)燃料电池输出的水汽，而不是液体的水
      燃料电池汽车产生的水汽，与今天然气动力汽车大致相同。有报道说，如果车从华盛顿特区开车到纽约市，燃料电池汽车的排放水量大约为9加仑，而加油车则为7加仑。随着两种车效率的不断提高，每英里的水量将会不断下降。见图3。

图4 日本丰燃料电池汽车出水的演示

      (5)中国工业副氢产量十分丰富，工厂化提纯技术十分成熟
      氢是当今标准的工业化学品。据报道，在中国上海地区每一年有供30万辆工业副氢，在武汉地区也也是同样的。目前中国这些工业副氢气，基本上浪费掉了，再是有天然气可以加工成氢气，还有风电可以来生产氢气。在美国，每年生产大约1000万吨氢气，其中大部分用于石油回收和精炼以及氨生产。
      三、车载燃料电池的核心部件及系统零部件介绍大
      (1)核心部件：电堆

图5 核心部件：电堆

      (2)关键系统零部件
      a)空压机总成

图6 空压机总成

      b)氢气循环总成

图7 空压机总成

      c)加速器总成

图8 加速器总成

      上面提到的核心部件及系统零部件，中国的一些科研单位和企业都已经在研发和开发，国家层面也在组织攻关，主要表现为中国目前的产品与国外品牌产品相比，有指标上还有一定差距。这些总成件性能要求要到达汽车级的要求，要进行长期攻关和积累，产品质量的可靠性和稳定性，有待整车企业进行装车实验后的的多年的验证。大功率的车载燃料电池成本很高，没有大规模的量产，其成本也下不来。功率越大的燃料电池技术难度更大。比如我国在无人机上使用的小功率的燃料电池就基本上与国外处于同一个水平上了。
      四、燃料电池增程式公交客车开发研究
      小功率的燃料电池难以满足汽车的要求。客观地讲，目前不宜开发燃料电池与动力电池混合动力客车，更不宜开发大功率燃料电池来直接驱动大客车。主要理由如下：
      (1)国家层面燃料电池技术路线图

      解读：国家规划到2020年的燃料电池汽车的发展规模是5000辆；比功率是2kW，耐久性是5000小时，说明燃料电池是比功率电池，不是比能量电池。而汽车要的比能量电池。这里提示，燃料电池用于汽车基本的途径是“电电”混合模式即燃料电池与动力电池进行混合。
      笔者的观点，目前(到2020年以前)，站在燃料大型电池公交车产品开发的角度进行思考，第一步是借用当下燃料电池做为增程器，比较稳妥，一步一步来推进。
      (2)2017年燃料电池客车的国家补贴政策

      燃料电池系统的额定功率不低于驱动电机额定功率的30%，且不小于30kW。燃料电池汽车纯电续驶里程不低于300公里。
      解读：8米是中型客车、10米是大型客车，但是国家补贴都是50万，厂家一定是开发8米级的燃料电池客车，加上地补25万，即8米燃料电池客车政府补贴是75万。
       (3)中国主流客车企业已经有公交车产品批量上市
       2017-02-17，中国客车网报道，国内首台9米级LCK6900FCEVG燃料电池车型，其电堆净输出功率超过32KW，使用寿命超过一万小时，标准工况运行续驶里程可达400公里；2017-04-07科技日报报道，福田氢燃料电池车60辆8米氢燃料电池客车将以团体班车的形式5月份在北京上路。该车可搭载60人，设座位28个，最高车速每小时69公里。
       解读：2016年客车厂开发燃料客车定位于10米、12米公交车，2017年开始转向8、9米级开发。笔者的观点，2020年以前，客车主要定位在公交车，车型长度8米、9米级别。
      五、燃料电池增程式公交客车原理图
      要开发燃料电池增程式公交客车,必须要动力原理搞清楚，见图9。

图9 燃料电池增程式公交客车动力原理图

      从原理图，可以看出，开发燃料电池增程式公交客车，是以纯电动公交车为基础的。车载供氢气系统与天然气供气系统也是基本相同的，难在燃料电池系统。
      燃料电池系统原理图如下：

图10燃料电池系统原理图

      做为整车厂工程技术人员，理解其基本原理是必须的，但是没有必要对燃料电池工程技术东西，进行深入的掌握。笔者观点，一是理解其结构的知识；二是要掌握燃料电池对外接口的功能和技术参数；三是要掌握好燃料电池如何与动力电池的接口技术。
      六、发展燃料电池公交车对燃料电池的意义和作用
      a)目前燃料电池技术指标离公交车的实际要求，还是较远的。整车厂工程技术人员提出更高的要求。要提高燃料电池的技术指标，要靠整车厂多用燃料电池装车，这是一个过程。这个纯电动公交车的发展也证明了这个结论。
      b)目前燃料电池目前的成本较高，整车开发的电池(动力电池系统+燃料电池系统)的成本必须在政府补贴范围以内，否则没有可持续性。
      c)发展燃料电池公交车与发展燃料电池的关系是一个彼此匹配关系，彼此匹配得好，这个产业就会发展得好。
      d)我国节能与新能源公交车的发展已经经过了天然气公交车、混合动动力、纯电动三个阶段，积累了丰富的经验，对开发燃料电池公交车已经打下了良好的基础。
      七、燃料电池技术处于培育期，其他制氢、存储技术不要轻易上车
      汽车工况十分复杂，燃料电池技术能不能满足汽车的要求，有一个相当长的验证过程。笔者的观点是，如车载甲醇制氢技术、常温常压氢气存取等原始性创新技术当下不宜上车。理由是：
      a)目前制氢(提纯)工艺线路较长、要求严谨，将工厂化的技术人为搬到车上，过于理想化，车上制氢(提纯)质量，如何满足能燃料电池的要求？
      b)目前工厂化的制氢(提纯)技术(工艺)是成熟的，在工厂里如何进行压缩好，再上路运输技术，也是工厂化系统工程。这样一个复杂的系统工程，如何简化到车上有一个总成件来完成？
      技术是无止境的，但是技术难题必须要一个一个去克服，目前燃料电池技术处于培育期，如果过多的不成熟技术同时上车，对整车开发成功，是认为在增加难度。
      八、基本结论和建议
      a)燃料电池公交车开发是一个创新，但不是一个原始技术创新。一定要制定一个合理目标，不宜偏高，比如国家补贴指标是一次里程是300公里，实际产品开发定在320公里就可以了；8米燃料公交车燃料电池功率原则上不要超过35kW/kg；
      b)我国发展燃料电池汽车，技术路线已明确，补贴政策已经确立，公交车率先开展燃料电池公交车的基础已经具备，整车厂家不宜再观望了。
      c)目前开发燃料电池公交车的环境比过去好得了。但是注意一点，要接受过去混合动力公交车推广的教训，一定要重视公交公司的要求，不能过激，每一步都要有稳妥落到方案。