燃料电池公交客车开发技术路线研究及建议
雷洪钧
（湖北省城市客车工程技术研究中心）
当前正是处于纯电动汽车大力推广应用的热潮之中，2015年6月媒体却报道了宇通公司已经获得燃料电池客车的生产资质。7月2号中国电动汽车百人会在清华大学组织了第一次“学术沙龙”，专题讨论了“燃料电池汽车”商业化问题。这说明纯电动汽车已经是“推广应用”阶段的工作，而燃料电池汽车却进入了“示范运行”的起步阶段。本文对燃料电池公交客车开发的技术路线予以研究且提出建议，供同行参考。
一、示范运行与推广应用的区别及联系
产品研究开发的最终目标是要实现产业化。要实现产业化一般要经过3个阶段，第一阶段是产品研究开发，第二个阶段是示范运行，第三个阶段是推广应用。如纯电动公交车已经是推广应用的产品，随着推广应用的广度和深度的推进，产品要进一步优化。则标志产业化得以实现。
我国新能源公交车推进分为3个阶段，一是混合动力客车，第二个阶段是纯电池动力客车，第三个阶段是燃料电池客车。前一步是后一步的基础，后一步是前一步的延伸。按前面推广情况来看，产品研究开发到示范运行、在到推广应用，基本要10年左右。
燃料电池公交客车在一些关键技术上还没有取得重大突破，第一步要进行产品研究与开发，为产品的“示范运行”打基础、做好铺垫，产品开发的技术路线的研究尤为重要，研究成果的高低，基本上决定产品开发最后成功与否？
二、目前动力电池到底是一个什么水准？用他到底做到什么样水平的公交车？
1）通俗解释是：12米的纯电动公交，完成一天运营里程是250公里，需要250度电。而当前动力电池的实际水平是，充一次电仅仅能满足12米公交0.5天的运营要求。目前公交公司新能源汽车的运营里程可能（或者）能到达250公里运营里程，这些是客车厂和公交公司牺牲其他的时间、空间资源后，采取弥补措施的结果。
2）国家863计划电动车重大专项动力电池测试中心主任王子冬对动力电池水平的评价是：动力电池比能量是120 wh/kg，系统集成后的比能量是90wh/kg。王子冬主任用数据对目前动力电池水平进行了测评。
3）中国工程院杨浴生院士的观点是，锂离子电池的比能量预计到2020年有可能达到250wh/kg，这样的电池是未来的，不解决当前问题。目前的电池存在四个问题：集合能量不够高，一致性不够好，寿命不够长，价格比较贵，并且安全性还有问题。杨浴生院士定性地给出动力电池的不足。
4）中国工程院郭孔辉院士是我国汽车业的泰斗，他的观点是，用现在锂离子电池的比能量做汽车，合理的里程设计在150 km左右。若要更长距离的行驶，增程式更合适。郭孔辉院士给出了用目前的动力电池开发汽车的基本定位。
三、目前动力电池水平背景下，发展大型纯电动公交车不“增程”是不可能的
王子冬主任、杨浴生院士、郭孔辉院士代表层面，发表了权威性的观点，总结到一点，用目前的动力电池发展大型公交车是绕不过“增程”阶段的。我国客车企业要“弯”道超车，这个“弯”的落脚的点，就是如何在“增程”上下功夫。具体介绍如下：
1）第一个“增程”方案是内燃机增程器，没有创新点，是初级技术的集成，但是直接体现了增程思想。其基本原理是将原来内燃机引擎功能，直接变成发电机的动力了，即内燃机由过去发动机变成增程器，结构复杂、发电效率低，没有解决环保问题。
2）第二个“增程”方案是在第一个方案上增加了“插电”（可以外接电源补充）的功能。这个方案是对第一个方案提升，实际情况是节油了。技术亮点是可以外接电源补充，减少用油量，有了环保特性，同时“增程”效果明显。由于不插电使用更便利，没有人去主动找“插”电的麻烦。最后是不是有环保、节能的实际效果？
3）第三个“增程”方案是没有物理上的增程器，用轮流置换车载电池技术来体现增程思想。一套电池不够用，再增加一套电池，是典型空间资源换里程目标。2008年奥运开启了这一方案，接下来青岛公交将这个路线推向高潮，天津公交将这个路线得以延伸。现实情况是，这一技术路线由国家电网号召开启，最后由国家电网宣布终止。
4）第四个“增程”方案电池快充。这个方案由重庆恒通与微宏发起，并成功实施。钛酸锂电池可以快充，重庆恒通做了33台充电公交车，已经3年过去了，运行良好。这是典型时间资源换里程目标。实际情况是，国家基本上不支持钛酸锂电池发展，其拓展无望。
5）第五个“增程”方案是白天由滑触网补电（在线充），这条技术路线2012年由东风扬子江汽车（有限）公司开启，武汉公交采购了在线充200台，在稳步推进。王秉刚老师、王子冬主任对这个技术路线评价较高。以前有无轨电车的城市，如北京公交、济南公交、上海公交、青岛公交等完全认同，以前没有无轨电车的城市，如襄樊也开始认同这个“增程”技术路线。
这个“增程”方案，主要特点是接“地”气，不增加用户的麻烦，方便、实用。借用了运营间隙（时间资源），且空间资源占用实现了极少值。弥补无轨电车的不足，且与新能源纯电动客车接上了。用目前的动力电池，解决了公交公司每天250公里运营里程要求。
四、当下开发燃料电池公交客车的必要性
综上而言，用目前的动力电池，发展大型纯电动公交车，绕不过“增程”的，这是一个大前提。内燃机做增程器模式技术含量过低；换电模式的技术含量有较大的提升，但是不接“地”气；快充电模式技术含量更高，但是不符合“天”意；在线充技术既符合“天”意，也接“地”气，还差“人”缘。电网对纯电动公交车白天充电，是十分苛刻的。在大白天，大量的、大功率的纯电动汽车不受电网控制的充电模式，供电公司是不同意的。不是利益问题，而是目前电网不能满足纯电动汽车白天“任性”充电的要求，否则电网有安全隐患。
客车企业面对“增程”阶段（时代），必须研发出符合“天”意、接“地”气、逢人“缘”的产品。符合“天”意：其产品必须是国家政策规定的新能源产品，能得到政府财政支持；接“地”气：这个产品必须能有助于公交公司完成每一天运营（250公里）的里程，不麻烦公交公司；逢人“缘”：这新能源产品必须晚上充更多的电，白天补电不麻烦供电公司。
这个增程器是什么?目前产品只有燃料电池了。有了这个增程器，新能源公交车在不烧油、烧气的前提下，他自己能发电，是符合“天”意的；有了这个增程器，新能源公交车白天不麻烦电网公司，晚上用电网“波谷”的电，是逢人“缘”的；有了这个增程器，燃料电池是电池，动力储能电池也是电池，能完成每一天运营（250公里）的里程，不找麻烦，就可以了。这是接“地”气的。
五、当下开发燃料电池公交客车的急迫性
1）《中国制造2025》将燃料电池汽车列于支持项目，其主要理由是由于环境的原因或为替代日益减少化石燃料。政府强有力支持燃料电池汽车研究开发；
2）我国公交客车一直是新能源汽车示范推广起步项目。
3）宇通公司已经获得燃料电池客车生产资质。客车老大已经行动抢先了，其他客车企业能不跟着上吗？
无论客车企业主观上对燃料电池公交客车开发认识如何？政府提倡号召，企业必须要响应。企业不响应是企业的自由，但是只有响应政府号召的企业，才有发展的机会。
当下企业开发开发燃料电池公交客车的急迫性，比过去“急”多了。对这一点，没有必要在去讨论了。
六、什么是燃料电池？与“锂”类电池有什么关系？
“锂”类电池是储能性电池，通俗的讲，这类电池的“电”是事先“充”进去的，要用的时候，他可以“放”出电来的。燃料电池是自己能“发”电的电池，通俗的讲，他吃的是燃料，而吐出来的是“电”。“锂”类电池和燃料电池都是为汽车提供电能，电能驱动电机，电机产生动力。这里关键要理解3点。
1）燃料电池不是储能电池，我们以前听说（讨论）的是储能电池。
2）燃料电池是能发电的，而“锂”类电池是放电的。
3）燃料电池是发电装置，其发的电要送给储能电池保存起来。
七、燃料电池产生“电“的机理分析
燃料电池是一种通过氢燃料与氧气发生反应而产生电能、水和热的电化学装置，是发生电化学反应的电池。其工作原理如图1。
图1 燃料电池的工作原理
简单的解释：燃料电池是利用两个由电解液隔开的电极进行反向电解。阳极（负极）接收氢，阴极（正极）则聚集氧气。阳极催化剂将氢气分解为带正电荷的氢离子和电子，而氧气则被电离成氧负离子并经电解液迁移到阳极，与氢离子结合。
单体燃料电池的电压为0.6～0.8V。为了获得更高的电压，可以将几个单体电池串联起来，这与目前其他动力电池类似。单体燃料电池的电压为0.6～0.8V，是燃料电池的材料特性决定，要用到汽车上必须进行串联（并联）成模组，再通过CD/CD转换，多级提升电压，直到满足汽车的电动机工作电压380V以上。
八、燃料电池发电机工作原理
燃料电池发电机系统除了燃料电池堆以外，还要有一些辅助的供氢供氧系统，同时为了整体系统能够好的工作，还要有一些控制系统。目前燃料电池发动机控制系统主要由以下八类：空气供应控制、氢气供应控制、水热管理、故障诊断、功率管理、冷启动、开关机控制、怠速控制（见图2）。
图2 燃料电池发电机工作原理
九、常见几种燃料电池的优缺点
燃料电池大致分为6大类，有不同优点与不足，根据不同的特性，应用于不同领域。用于汽车的燃料电池主要是2大类。一是质子交换膜燃料电池（PEMFC），二是直接甲醇燃料电池（DMFC）。
1. 质子交换膜燃料电池（PEMFC）
PEMFC 是目前研究最深入也是应用最普遍的燃料电池，在汽车、便携式设备、办公室储备电池等方面均有应用。它的一个优势是电池中的氢可以较快启动。电池堆在80℃左右运行（176°F），有效率可达50%（相比之下，内燃机效率只有大约25%）。在汽车上已经有成功运用案例，待进一步完善和提升。
2. 直接甲醇燃料电池（DMFC）
甲醇是液态燃料，而不需要先转化为密封存储的氢气。同时，其电化学性能优越，只需通过更换燃料盒就能完成充电，这也使得燃料电池能够实现不间断工作。这种电池造价低廉，使用方便。液态燃料电池比氢燃料电池更有优势。在汽车上已经有成功运用案例，有待进一步完善和提升。
十、燃料电池发展瓶颈分析
燃料电池的概念在1839年就提出了，到了在上个世纪70年代，美国人将碱性燃料电池用于汽车，但一直没有发展起来，到了上世纪九十年代人们重新对燃料电池提起兴趣，但这种热情在21世纪又开始减退。其基本原因有：
1）在净热值方面（NCV），氢要比汽油更昂贵，甚至有人认为氢能源是近中性能源，这意味着达到同样的效果时，氢需要消耗很多的能量。
2）氢通常会与其他物质结合，并且氢气的获取需要消耗大量的能量和更先进技术。
3）在相同的体积下，石油产品净热值大约是氢燃料的24倍；并且氢在液态下非常密集，需要大面积绝热储存，加压的氢气需要重钢罐存储。
4）氢燃料贮存不方便。存在安全隐患，管道运输还需要额外投资。
十一、燃料电池汽车整车动力系统的技术方案介绍
1）单一燃料电池发动机驱动方案
这个方案是纯燃料电池汽车（见图3）。只用燃料电池提供电能，而不匹配动力蓄电池。但是燃料电池动态响应一方面比较慢，加上电压波动比较大，所以这种方案现在已经被整车厂放弃了。
图3 单一燃料电池发动机驱动方案
2）电电混合技术方案
燃料电池和蓄电池共同提供电能的技术方案分为两大类：全功率型和Plug-In方案。
⑴全功率型
其特点：燃料电池功率比较大，而动力蓄电池功率比较小一点，其燃料电池占的成本较高，有高压储氢瓶支撑，能满足行车里程大于500公里以上。长途客车采用这个方案，用户是欢迎的，其工作原理图见（图4）。目前国际主流整车厂所用的方案是全功率型。
图4 燃料电池/蓄电池全功率型
⑵Plug-In方案
其特点：动力蓄电池功率大一点，燃料电池功率小一点，可以外接电源给动力蓄电池充电，可以满足能满足行车里程大于250公里以上。公交客车采用这个方案，用户是欢迎的。其工作原理图见（图4）。
图5 燃料电池/蓄电池Plug-In型
（3）燃料电池/超级电容/动力蓄电池技术方案
它的主要目的是为了提高动力系统的功率损态响应的性能。缺点是结构复杂、控制相对比较复杂一些，其工作原理图见（图5）
图6 燃料电池/超级电容/动力蓄电池技术方案
十二、开发燃料电池公交客车的已有条件分析
1）国家产业政策的提倡，国家财政是有补贴的且额度是可观的，补贴期已经延续到了2025年。
2）混合动力客车、纯电动客车推广应用。如驱动电机及控制器、动力电池及控制器、动力及电池管理系统等关键技术的突破，为开发燃料电池公交客车奠定相当好的基础。
3）插电（增程）式混合动力是一条适宜性最好的技术路线，为燃料电池公交车开发积累许多成功的经验。
4）燃料电池一些关键性技术（材料）的成本有一定的下降。如直接甲醇燃料电池1度电燃料电池已经降到1万元以下，其寿命已经达到公交车使用寿命。
十三、直接甲醇燃料电池（DMFC）是较适宜公交客车采用
1）直接甲醇燃料电池（DMFC）完全可以替代内燃机式的增程器，不烧油、不烧器，甲醇燃料电池里甲醇也不燃烧，是化学变化产生电能，排放指标为0；
图7直接甲醇燃料电池（DMFC）产品外形及工作原理
2）中国有十多年的甲醇汽油的推广经验，M85，M100已经得到推广，目前已有2000多家加醇站，数目不断增加中，新能源汽车一次充电续驶里程不够要求的困惑不再存在。
3）甲醇制氢直接发电，均衡给车载储能电池充电，是目前车载电池获得电能最便捷，最便宜的方式，与质子交换膜燃料电池（PEMFC）相比，不要耐高压储氢瓶支撑，基本没有安全问题，车体结构更为简单。大型公交车配备“燃料电池系统”， 空间有冗余。
4）2015年最新政策，大力扶持燃料电池车行业，直到2020年，对燃料电池的补贴不退坡，
5）燃料电池系统重量仅电池一半，电量为剩下电池的2倍，可以使纯电动车的车体减重1吨以上。
十四、建议
1、经过研究，燃料电池公交车研究开发的技术路线是，第一步，组织有关技术人员，对单一燃料电池发动机驱动方案，系统地研究，是一个学习、熟悉过程，普及燃料电池有关知识，参观有关燃料电池厂家（公司），没有必要去开发产品了；第二步，以已经上市8米级纯电动公交为基础予以开发燃料电池公交车的新品种，基本方案是（燃料电池+储备动力电池）电电混合，打通燃料电池与储能动力电池的接口关系，产品层面完善到位，进行上路验证，在把生产、质量、服务要跟上；第三步，申报燃料电池客车生产资质（这个工作量是很大的）；第四步，在生产资质申报成功的基础上，在8米级（燃料电池+储备动力电池）电电混合方案的基础上向再10、12米级扩展。
2）要认真总结过去10多年来，我国新能源汽车研究开发的历史经验。产品开发的技术路线研究是十分重要的。开发的技术路线研究到位了，风险控制才会基本有底。产品开发方向一定要符合政府的产业政策，技术路线要不断探索、比较、调整，具体产品开发立项一定要按PDCA循环模式开展。
3）要用好政策。目前政策不支持的产品技术路线，搞研究是可以的，但是不要去开发产品了。政策没有明确表态支持的产品，不可能实现产业化。这个经验有必要记住了，如电容充电、钛酸锂电快充客车等开发，都没有得到政策有力支持。
4）产品研究开发要以产业政策为导向。产品研究是为产品开发服务的，产品开发要以产品研究为基础。燃料电池用于汽车的历史从上个世纪70年代算起至今，已经有40多年了，有过反复，起色不大，这是历史事实。今天重提有他历史的必然，能不能最终成功？要用事实来证明。
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