燃料电池公交车设计总体要求

雷洪钧

（湖北省城市客车工程技术研究中心）

近期，发展燃料电池汽车在媒体上呼声已经高起来，有的专家发表了2015年是燃料电池汽车发展元年的观点。不少厂家认真在思考如何响应。笔者在结合自己的参观、学习、体验，对燃料电池公交车总体设计要求，进行了梳理，供同行参考。

一、发展燃料电池汽车是国家规划要求，车企责无旁贷

电动汽车“十二五”专项规划明确了提出了“三纵”、 “三横”发展路线，即：

三纵是时间上的安排。第一步发展插电式混合动力、第二步发展纯电动车、第三步燃料电池汽车；三横是空间上的安排。“三横”是电池、电机、电控。近期，欧阳明高教授修正为标准、能源、示范三大基础平台；我国新能源汽车发展是按“三纵三横”为核心的基础路线不段向前推进的。

2002年开始了我国新能源汽车商用的起步，2008年奥运期间，我国新能源汽车商用成果开始成规模地向全世界展示，2009年元月份科技部、财政部、发改委、工业和信息化部共同启动了十城千辆工程，2012年6月28日《国务院关于印发节能与新能源汽车产业发展规划（2012—2020年）的通知》（国发〔2012〕22号）下发，2014年7月14日《国务院办公厅关于加快新能源汽车推广应用的指导意见》（国办发〔2014〕35号）出台。这些都是按照“三纵三横”为核心的基础路线的推进成果。

具体地讲，“三纵”是一个阶段接一个阶段向推进，“三横”是并行展开的。每一个阶段的切入口都是公交车。新能源公交公交经历了混合动力（可细分3小步：串联、并联、混联）阶段，增程动力（含插电）的阶段，当前是纯电动（含慢充、快充、在线充）阶段，接下来，就是燃料电池动力阶段了。不同阶段其基本任务是不同的：

①混合动力阶段的基本任务是，解决汽车节能问题，其节能极限是节能是50%。

②纯电动力的基本任务是，解决汽车尾气排放（PM2.5）问题，其极限是0。

③燃料电池车的基本任务是，提高纯电动汽车的续驶里程，基本目标要达到250公里，理想目标达到5000公里

目前，纯电动汽车一次充电的续驶里程在，150公里的水平上下。如何增程到250公里以上呢？在挑战人们的智慧极限。

①用小型内燃机车载发电，给车载电池充电，其结果是，车上两套系统在工作，还要协同配合，配合精度提升不上来，给用户带来额外的应用上的难度。

②推行标准电池箱，对车载电池进行换电。充电要求电池箱标准化，而车厂对符合充电要求的标准化电池箱，却无法进行标准化配置到车上去；

③增加车载电池量，其结果是，既提高了一次性购车成本外，减少了车辆运力，又是遗症明显，2年后车载电池衰减不到40%；

④减少车载电池量，用多次充电弥补一次充电的不足。其结果是，车是基本上没有问题了，但是增加了单次充电电流负荷及充电设施配套投入。

⑤用滑触网进行在线充电，纯电动公交车单次充电持续里程可以达到150公里以上。但这一技术路线，只适宜10-12米级纯电动公交车。但9米以下公交车必须另想其他办法。

“革命尚未成功，同志仍须努力”。开发燃料电池公交车就提到车厂的面前。

二、中外燃料电池公交车发展现状如何？

国外燃料电池目前处于商业化之前的技术演示和示范运行阶段。欧洲、美国、加拿大、日本大概有100辆多辆，其中欧洲约50辆、美国和加拿大有50辆，日本有少量的。2015年。欧洲将新增20辆运行于欧洲12个以上的城市，并计划在2020年实现1000辆燃料电池客车的运行 。基本情况如下：

我国燃料电池公交车推进也有一定的时间了。2005年上海神力科技和北京清华大学联合研制的清能一号和清能三号燃料电池亮相2005北京国际马拉松赛；2006年04月海格KLQ6118GQ氢燃料电池研发面市，以氢气为燃料，75 kW燃料电池发动机系统，最高车速达到75公里，持续行程320公里以上；2008年奥运会期间由上海神力科技有限公司等开发的5辆氢燃料电池投入示范运行，功率达100kW，最高时速为95公里，每辆价格300万元左右；宇通2009年就研发了第一代燃料电池客车；2010年世博会期间，6辆燃料电池投入示范运行 ，2011年第26届世界大学生夏季运动会期间，五洲龙2辆FDG6121FCEV型燃料电池公交车示范运行。其基本参数是，总长12m，总宽2.5m，总高3.4m，可布置41个座位，电机功率为90kW，燃料电池功率为50kW，动力电池为氢燃料电池和磷酸铁锂电池，最高车速大于75km，充氢后最大续驶里程大于350km；2 015年6月宇通获得工信部批准，正式列入汽车新产品公告。国家有计划在2020年以前，1000辆燃料电池公交车示范运行，实际上意义上的示范运行即将开启。

三、燃料电池实物及基本工作原理

（1）燃料电池电堆及系统产品实物外形

（2）电堆关键的核心技术，由若干单片燃料电池串联成，

（3）燃料电池是发电装置，不是储能装置

其工作原理与干电池有些相似，但与目前锂系列动力电池是不同的。燃料电池发电是电化学反应，没有燃烧过程，无有害物质排放。只要有燃料输入就可连续发电。发电燃料直接使用甲醇、甲酸和氢气，其特点是，燃料来源广泛 ，高效、安静、安全、可靠、易扩展 。

四、燃料电池发动机集成系统

集成系统主要由8个部分构成：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。

五、燃料电池动力系统典型分类

（1）燃料电池/蓄电池混合型动力系统

特点：负载长时间大功率输出优势明显，基本不要外接充电装置，但是燃料电池成本较高。目前是国外的主流技术。

（2）燃料电池/蓄电池混合型(Plug-In) 动力系统

特点：燃料电池成本较较低，解决蓄电池功率不能一次充电续驶的要求，要外接充电装置。这里燃料电池系统是一个增成器。

（3）燃料电池发动机+超级电容（或燃料电池发动机+蓄电池+超级电容）系统

特点：超级电容放电特性好，但是与动力电池匹配难度较大，成本较高。

五、适宜中国国情的燃料电池公交车技术路线研究

按照“三纵三横”为核心的基础路线，燃料电池公交车的研发是第三阶段。前面的研发工作是今天的基础，今天的研发要充分承接前面研发的成果。我国燃料电池公交车技术路线设计思路如下：

（1）待解决问题：目前公告目录的纯电动公交车一次充电平均（不分具体型号）续驶（120公里）最大的是160公里，而传统燃油（气）的公交车是平均500公里。

（2）达成目标：在插电式式混合动力（增程）的基础上，通过采用燃料电池技术，提高纯电动公交车一次充电平均续驶里程接近传统燃油（气）的公交车500公里。

（3）解决方案：用燃料电池做增程器，替代内燃机式增程器，公交车的动力形式混合型(Plug-In) 动力系统。其主要功能有：

①由动力蓄电池提供车辆运行的需求的基本功率；

②在电池电量较低（如：小于30%）或者负载功率极大时，提供蓄电池与短时峰值需求的差值功率，

③燃料电池系统或者在电池电量较高时（大于30%，小于80%），由燃料电池给蓄电池充电。

④晚上，用外接常规（200V、380V）电源（对供电公司不提出额外的技术要求）给车载动力电池充电，有效的解决好波谷电富余问题。

六、适宜中国国情的燃料电池增程器技术方案研究

一些示范运行车辆提供数据表明：在城市运行条件下，10-12米燃料电池公交车每公斤氢气可以行驶约8-11公里，即约每公里消耗氢气0.1公斤。8个150升350大气压的氢气瓶储氢30.7公斤。公交车实测运行280公里，耗氢为9.1公里/公斤，一般携带350大气压氢气30-50公斤以达到单次运行300-480公里。氢气加注速度一般为1-2公斤氢气/分钟。为了有效推进燃料电池公交车研发，可以分为2 个方案，一是加氢站建设滞后的燃料电池增程器方案，二是加氢站建设建设基本到位燃料电池公交车方案。其目的是规避“先有鸡？还是有蛋？”的悖论。

(一)甲醇重整制氢燃料电池系统

（1）这是加氢站建设滞后的燃料电池增程器方案。其原理图如下：

（2）甲醇重整制氢燃料电池布置

（3）甲醇重整制氢燃料电池有关参数匹配

（4）甲醇重整制氢燃料电池公交车的其可行性

①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。

②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”的空间有冗余。

③燃料电池系统重量仅电池一半以下，电量为原有电池的2倍以上，可以使12米氢燃料电池公交车质量保持12吨以下。

(二)外部加氢燃料电池公交车结构示意图

以上布置结构可看出，燃料电池公交车保留了CNG车辆和纯电动车辆基本结构，由于大大地减少了动力电池的重量，没有对传统公交车提出轻量化的要求。这对客车厂保留原有的四大工艺生产线是有好处的。燃料电池的启动工作是要求有动力电池支撑的，燃料电池工作是要散热的，这些都保留下来了。而CNG钢瓶是20大气压，而氢气瓶要求350大气压，这一点发生的变化，会导致其他阀门技术要求是不同的。

如果加氢站像今天的CNG加起站一样了，建设基本到位。这个公交车就可以推广应用了。如果加氢站较少，产品研发是可以的，市场推广就没有可能，这要等相当一段时间了。据中化新网讯报道，我国氢气年产量已逾千万吨规模，位居世界第一；金属储氢材料产销量已超过日本，成为世界第一。氢燃料电池是氢能利用的主要方式。由于目前氢燃料电池的造价昂贵，将其作为汽车能源大规模应用还需十几年的时间。

七、小结

氢燃料电池汽车的尾气排放物是水，对空气和环境的污染为零。这客车厂要追求的方向。目前电堆的工作生命周期，价格仍然是一个不能普遍解决的问题。客车厂家在研发燃料电池公交车过程中是必须要高度的重视的。目前重心要放在战略层面进行进行布置。不能等，不能靠，要积极跟进，有的放矢。混合动力搞了十几年，纯电动已经搞了快5年了，再过5年（2020年）氢燃料电池公交车肯定是会推广应用的。对这一点，客车厂家必须要保持清醒的头脑。