燃料電池車PK純電動汽車，誰才是未來？

艾以能源e直播，每周日晚7點，通過微信線上直播的形式，免費分享能源知識。下文根據上周日晚李泰安先生的演講整理所得，供大家參考學習。

【第六期】燃料電池與新能源車應用

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「大家好，今天我演講的題目是《燃料電池與新能源車應用》。自從日本豐田生產出第一款燃料電池系能源車后，近幾年，燃料電池車備受關注。國家從2013年頒布的相關政策，也將燃料新能源車推上重點。今天，借「艾以能源e直播」這個平台，簡單和大家聊一聊燃料電池與新能源車的應用。

演講提綱：

• 燃料電池的基本概念

• 燃料電池的種類

• 17年新能源汽車推廣補貼方案及產品技術要求

• 各車型燃料電池方案案例介紹

• 精彩問答

燃料電池的基本概念

「燃料電池」指的是什麼？

「燃料電池」 (Fuel Cell) 是一種發電裝置，構造是由陰極、陽極以及夾在它們中間的質子交換膜組成一個燃料電池單體 (unit cell)，將許多個燃料電池單體堆迭組合在一起，就成為一個燃料電池組 (stack)。其作用原理是以氫氣為燃料，在陽極放出電子產生電力，質子透過質子交換膜在陰極與氧氣反應產生水。

燃料電池的運作原理

燃料電池是單純地使用化學反應來產生電力，沒有燃燒過程、沒有複雜機構，除了乾淨無污染外，更具有穩定可靠、低維護的優點。此外，燃料電池是只要供應燃料 (例如天然氣) 就能發電與供應熱水的綠能設備，主要種類有高溫 (700~900℃) 運轉的固態氧化物燃料電池 (SOFC) 與低溫 (60~160℃) 運轉的質子交換膜燃料電池 (PEMFC)。

下圖是燃料電池的基本運作原理

燃料電池的運作架構

氫燃料電池發動機是由電堆、氫氣供給循環系統、空氣供給系統、水熱管理系統、電控系統和資料獲取系統六大組成部分。

1.電堆

電堆作為氫燃料電池發動機的核心部件，氫氣與氧氣發生化學反應產生電能的場所。

電堆由雙極板和膜電極兩大部分組成，催化劑、質子交換膜和碳布/碳紙構成了膜電極。

2.氫氣供給循環系統

氫氣供給循環系統是由減壓閥、電磁閥和氫氣迴流泵、氫氣濃度感測器及管路組成。

來自氣瓶中的高壓氫氣經過減壓閥使得氫氣壓力降低，通過電磁閥控制氫氣進入電堆，氫氣迴流泵將電堆反應后剩餘的氫氣回收重新輸入電堆中，提高氫氣能源利用率。

3.空氣供給系統

空氣供給系統包含空氣濾清器、空壓機/吹風機、空氣增濕器三個部件。

4.水熱管理系統

水熱管理系統由水泵和水溫感測器兩大部件組成，和傳統內燃機散熱小迴圈系統類似。

氫燃料電池發動機冷卻液是由去離子水和乙二醇水溶液按照一定比例調和成的溶液。

5.電控系統

氫燃料電池發動機的電控系統主要是由發動機控制器（FCU）及各種感測器構成。

6.資料獲取系統

資料獲取系統主要是指資料獲取器。通過資料獲取系統，可以時刻監控氫燃料電池發動機運行的各種參數及狀態，如發動機地理位置、運行狀態、各項感測器參數等，對各項參數進行資料分析處理，並針對參數異常情況實時報警、記錄。

燃料電池的種類

以上是燃料電池的簡單概念介紹，接下來向大家介紹一下「質子交換膜燃料電池」，這也是現在在豐田燃料汽車上主要應用的燃料電池技術。

質子交換膜燃料電池

質子交換膜燃料電池（PEFC, Proton Exchange Membrane Fuel Cell），使用水基的酸性聚合物膜作為其電解質，具有鉑基電極。PEMFC電池在相對低的溫度（低於100攝氏度）下操作並且可以訂製電輸出以滿足動態功率需求。

由於相對低的溫度和使用基於貴金屬的電極，這些電池必須在純氫氣下操作。PEMFC電池是目前用於輕型車輛和材料處理車輛的領先技術，並且在較小程度上用於固定和其它應用。PEMFC燃料電池有時，也稱為聚合物電解質膜燃料電池（也稱為PEMFC）。

氫燃料在陽極處被處理，其中電子與鉑基催化劑的表面上的質子分離。質子透過膜到達電池的陰極側，同時電子在外部電路中行進，產生電池的電輸出。

在陰極側，另一個貴金屬電極將質子和電子與氧氣結合以產生水，其作為唯一的廢物排出；氧可以以純化形式提供，或者在電極處直接從空氣中提取。

在升高的溫度下操作的PEMFC的變體，被稱為高溫PEMFC（HTPEMFC）。透過將電解質，從水基改變為基於礦物酸的系統，HTPEMFC可以在高達200攝氏度下操作。這克服了關於燃料純度的一些當前限制，其中HTPEMFC能夠處理含有少量一氧化碳（CO）的重整產物。還可以透過消除加濕器來簡化設備的平衡。

HTPEMFCs不優於低溫PEMFC；兩種技術都在其優勢所在的地方找到了利基。下表總結了兩種PEMFC變數之間的差異：

其他燃料電池

燃料電池除了質子交換膜燃料電池外，還有磷酸型燃料電池、直接甲醇燃料電池、固態氧化物燃料電池、鹼性燃料電池、溶融碳酸鹽燃料電池等。

磷酸型燃料電池

磷酸燃料電池（PAFC）由陽極和陰極組成，陽極和陰極由在碳上的精細分散的鉑催化劑，和保持磷酸電解質的碳化硅結構製成。

它們相當耐一氧化碳中毒，但在生產電力方面，往往比其他燃料電池類型，具有更低的效率。然而，這些電池在約180℃的適度高溫下操作，並且如果該過程熱用於熱電聯產，則總效率可以超過80％。

這種類型的燃料電池用於具有100kW至400kW範圍的輸出的固定式發電機中，以為世界上的許多商業場所提供動力，並且它們也在大型車輛（例如公共汽車）中得到應用。在2001年之前出售的大多數燃料電池單元，使用PAFC技術。

直接甲醇燃料電池

直接甲醇燃料電池（DMFC），是一套相對較新的燃料電池技術；它是在20世紀90年代，由美國的幾個機構的研究人員發明和開發的，包括NASA和噴氣推進實驗室。

它類似於PEM電池，因為它使用聚合物膜作為電解質。然而，DMFC陽極上的鉑-釕催化劑，能夠從液體甲醇中吸收氫，消除了對燃料重整器的需要。因此純甲醇可以用作燃料，因此名稱。

甲醇作為燃料提供了幾個優點。它是便宜的，但具有相對高的能量密度，並且可以容易地運輸和儲存。其可以從可以保持充滿的儲液器，或者在可以在使用時，快速更換的盒中，供應到燃料電池單元。

DMFC在60℃至130℃的溫度範圍內工作，並且傾向於用於具有適度功率要求的應用，例如行動電子設備、充電器和攜帶型電源組。

在各個國家中看到，商業牽引的DMFC的一個特定應用，是用於材料搬運車輛的DMFC動力單元的使用。許多這些單元已經銷售到商業倉庫，其中叉車通常用電池組供電。透過切換到燃料電池，倉庫可以在幾分鐘內為其卡車加油，與為電池充電所需的時間相比。燃料電池還消除了對倉庫內的電池充電基礎設施的需要，從而使得更多的佔地面積可用於其他用途。

固態氧化物燃料電池

固體氧化物燃料電池(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell)，在非常高的溫度下工作，所有燃料電池類型中的最高溫度在大約800℃至1000℃。在將燃料轉化為電能時，它們的效率可以超過60％；如果他們產生的熱也被利用，它們將燃料轉化為能量的總效率，可以超過80％。

SOFC使用固體陶瓷電解質，例如用氧化釔穩定的氧化鋯，而不是液體或膜。它們的高工作溫度，意味著燃料可以在燃料電池本身內重整，消除了對外部重整的需要，並允許單元與各種烴燃料一起使用。與其它類型的燃料電池相比，它們還相對耐燃料中的少量硫，因此可以與煤氣一起使用。

高操作溫度的另一個優點，是改善了反應動力學，消除了對金屬催化劑的需要。然而，高溫存在一些缺點：這些電池需要更長的啟動和達到操作溫度，它們必須由堅固的耐熱材料構造，並且它們必須被屏蔽，以防止熱損失。

SOFC有三種不同的SOFC幾何形狀：平面、共面和微管。在平面設計中，組件被組裝成平坦堆迭，其中空氣和氫，傳統上透過內置於陽極和陰極中的通道流過單元。

在管狀設計中，空氣被供應到延長的固體氧化物管（其在一端密封）的內部，同時燃料圍繞管的外部流動。管本身形成陰極，並且電池組件圍繞管構造成層。

SOFC廣泛地用於大型和小型固定發電：平面型發電應用於例如Bloom Energy的100千瓦離網發電機，和具有幾千瓦輸出的SOFC，正在測試用於較小的熱電聯產應用，例如家用組合熱和功率（CHP）。輸出功率範圍內的微管狀SOFC，也正在為小型攜帶型充電器開發。

鹼性燃料電池

鹼性燃料電池(AFC, Alkaline Fuel Cell)，是將要開發的，第一種燃料電池技術之一，並且最初由NASA用於空間計劃中，以在航太器上產生電和水。在整個計劃期間，美國太空總署繼續使用太空梭，同時還有少量商業應用。

AFCs在水中使用鹼性電解質如氫氧化鉀，並且通常用純氫燃料。第一AFC在100℃和250℃之間操作，但是典型的操作溫度現在約70℃。作為低操作溫度的結果，不需要在系統中使用鉑催化劑，而是可以使用各種非貴金屬作為催化劑，以加速在陽極和陰極處發生的反應。鎳是AFC單元中最常用的催化劑。

由於化學反應發生的速率，這些電池提供相對，高的燃料對電轉化效率，在一些應用中高達60％。

溶融碳酸鹽燃料電池

熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC, Molten Carbonate Fuel Cell)，使用懸浮在多孔陶瓷基體中的熔融碳酸鹽作為電解質。通常使用的鹽包括碳酸鋰，碳酸鉀和碳酸鈉。

它們在高溫，約650℃下操作，並且具有與此相關的幾個優點。首先，高操作溫度顯著提高反應動力學，因此不需要用貴金屬催化劑提高這些。

較高的溫度，還使得電池比較低溫度的系統，不容易發生一氧化碳中毒。因此，MCFC系統可以在各種不同的燃料（包括煤衍生的燃料氣體，甲烷或天然氣）上操作，消除了對外部重整器的需要。

與MCFC單元相關的缺點，源於使用液體電解質而不是固體，並且需要在陰極處注入二氧化碳，因為碳酸根離子，在陽極發生的反應中被消耗。還存在高溫腐蝕，和電解質的腐蝕性質的一些問題，但是現在可以控制這些問題，以實現實際的壽命。

MCFC用於大型固定發電。大多數燃料電池發電廠的兆瓦容量使用MCFC，大型熱電聯產（CHP）和聯合冷卻和電力（CCP）工廠。這些燃料電池可以以高達60％的燃料電轉化效率工作，並且在還利用過程熱的CHP或CCP應用中，整體效率可以超過80％。

由於這幾種燃料電池的使用操作溫度比質子交換膜燃料電池的使用操作溫度高，所以一般在新能源汽車中採用質子交換膜燃料電池。

燃料電池與鋰電池的動力總成系統

下圖可以看到豐田這塊燃料電池車裡的幾大部件，其中最重要的部分是「電堆」。

核心部件：電堆

最近我走訪了日本前五大電堆製造商以及國內幾家電堆製造商，憑心而論，目前國內和國外首屈一指的電堆製造商之間大約還有半年到1年的技術差距。但是追趕的速度十分快速，相信在2020年之後能將技術差距拉近至3個月到半年。

除了燃料電池的電堆之外，還有空壓機、儲氣罐、加濕器等6個部件是燃料電池中重要的六大部件。

燃料電池車動力系統原理圖

正因為燃料電池相對於傳統電池驅動的新能源汽車來說，複雜性較高，這也是燃料電池車成本高居不下的原因。

傳統油耗汽車與燃料電池新能源車中核心部件的差異

（點擊大圖查看更清晰）

2017年新能源汽車推廣補貼方案及技術要求

針對貨車和專用車

（一）新能源貨車和專用車以提供驅動動力的動力電池總儲電量為依據，採取分段超額累退方式給予補貼，具體如下：

（二）新能源貨車和專用車技術要求

1. 裝載動力電池系統質量能量密度不低於90Wh/kg。

2. 純電動貨車、運輸類專用車單位載質量能量消耗量（Ekg）不高於0.5 Wh/km·kg，其他類純電動專用車噸百公里電耗（按試驗質量）不超過13kWh。

針對燃料電池汽車

（一）燃料電池汽車推廣應用補貼標準如下：單位：萬元/輛

（二）燃料電池汽車技術要求

1.燃料電池系統的額定功率不低於驅動電機額定功率的30%，且不小於30kW。燃料電池系統額定功率大於10kW但小於30kW的燃料電池乘用車，按燃料電池系統額定功率6000元/kW給予補貼。

2.燃料電池汽車純電續駛里程不低於300公里。

針對客車

（一）新能源客車補貼金額＝車輛帶電量x單位電量補貼標準x調整係數（調整係數：系統能量密度/充電倍率/節油水平）,具體如下：

（二）新能源客車技術要求

1.單位載質量能量消耗量（Ekg）不高於0.24Wh/km·kg。

2.純電動客車（不含快充和插電式混合動力客車）續駛里程不低於200公里（等速法）。

3.電池系統總質量占整車整備質量比例（m/m）不高於20%。

4.非快充類純電動客車電池系統能量密度要高於85Wh/kg，快充類純電動客車快充倍率要高於3C，插電式混合動力（含增程式）客車節油率水平要高於40%。

針對燃料電池汽車

（一）燃料電池汽車推廣應用補貼標準如下：單位：萬元/輛

（二）燃料電池汽車技術要求

1.燃料電池系統的額定功率不低於驅動電機額定功率的30%，且不小於30kW。燃料電池系統額定功率大於10kW但小於30kW的燃料電池乘用車，按燃料電池系統額定功率6000元/kW給予補貼。

2.燃料電池汽車純電續駛里程不低於300公里。

各車型燃料電池方案案例介紹

由於篇幅過長，針對案例的展開介紹，點擊文末「閱讀原文」，進直播間聽老師詳細分析吧！

精彩問答

Q1：最近國家科技部222條親自下了第一批863計劃，其中有鋰電池、燃料電池，液流電池只有一個5000小時長壽命項目，您對政策走向怎麼看？

李泰安：從全球角度來看，是發展新能源汽車最積極、進步最快的國家。正因為進步飛快，這也倒逼海外國際品牌車場將燃料電池車作為後期發展的趨勢。

這幾年新能源汽車的紅火，導致非常多的風投或者說是資金湧入傳統動力電池、BMS等廠家。相對燃料電池領域，目前國內在動力電池領域還沒有所謂領頭企業。就產能、質量來說，比亞迪、沃特馬等動力電池企業都可以位列全球前二十大動力電池企業之列，但燃料電池這塊還是相對薄弱的。國家也十分重視，目前也在大力推動這一塊的發展。

Q2：2012年，7大汽車公司發表聯合聲明稱2015年要實現燃料電池汽車的量產，但是現在有公司又調整成了2017年推出首輛車，2020年量產。目前國際上成立的三大聯盟都提出了自己的量產目標，最近韓國F35也對外宣稱，今年燃料電池車產量要達到1千輛，明年要達到1萬輛。請從技術因素、國家政策的變化、企業與政府的對話等可能造成這一現象的因素方面談談您的看法？

李泰安：剛剛在演講中我特別提到，從全球領域看，發展燃料電池，是最具有先天優勢的。國內目前還存在很多棄風棄光問題，棄風棄光地區之所以沒有併網的原因在於綠色能源供應的不穩定。如何充分利用棄風棄光時產生的電，利用電解水的方式制氫，這是相當具有環保意義的。

除了風電、光伏等，國內各個省份都有分佈大量的煤化、石化、鍊鋼產業，煤化石化產業往往會產生廢氫，國內企業通常將廢氫燃燒到空氣中，這不但造成PM2.5居高不下，還造成了大量氫資源的浪費。若能讓廢氫資源有效存儲和存化，作為燃料電池的動力源，事實上是國家目前重要的方向。如何將這些安全儲存、高效轉化，這些問題都將成為在燃料電池汽車方面未來超越海外的要素。

發展燃料電池還有另外一個好處，能夠把目前在發展過程中，每天排放到自然中的具有高經濟價值的廢氫再次利用，我想這也是後期新能源汽車成本能夠降低的因素之一。

Q3：燃料電池汽車的價格都比較高，即使在電池中需要使用鉑，也僅僅需要0.2毫克每平方厘米。請問燃料電池汽車的成本主要高在什麼地方？

李泰安：大家可能對燃料電池的認識有個誤區，認為燃料電池裡需要使用到鉑、銥等重金屬元素，所以成本較高。事實上，這個觀點是錯誤的。

現在生產燃料電池車的成本高，主要是因為市場需要還很小、做的少，一旦進行量產，形成生產線，成本將會大幅降低。

而燃料電池成本高的原因是因為它本身是一個複雜的系統，我們常講的燃料電池實際上是指燃料電池組，其複雜程度比一般的鋰電池組還要高，甚至它本身作為發電機必須搭配儲能電池。在今天的演講中，我首先就燃料電池的6大結構做了說明，大家可以回顧一下。

Q4：鋰電池在裝堆時，循環壽命一般在500到700小時之間，如果按每次可使用10小時計算，鋰電池的總壽命大概在5000到7000小時，與燃料電池的堆壽命相當。現在鋰電池主打的是給每輛車裝一個充電裝備，隨車走，而氫氣燃料在目前來講使用上還存在一定的問題，氫氣瓶國內能夠達到35兆帕的還不是很多，將來在全國推廣會不會存在問題？

李泰安：目前國務院對於三變的質保是5年（或者說是10萬公里），在大客車領域甚至長達8年（或者說是20萬公里）。若以國內所使用的燃料電池壽命為5000小時來計算，10年的質保沒有問題。

鋰電池循環壽命大約在5000到7000小時，並不是說5000小時之後這個電池就不能使用了，只是其循環壽命、放電深度或容量可能低於出廠時的70%。相對傳統化學電池，燃料電池的衰敗情況沒有那麼嚴重，可能5000小時之後，整體的放電效能還能維持在90%以上，所以這也是目前燃料電池的優勢之一。

Q5：談到可再生能源，很多都要進行異地運輸，現在存儲和運輸在技術上有什麼瓶頸？

李泰安：大家可能對氫的存儲和運輸都有高安全性的疑慮，事實上氫是大自然中最小最輕的原子，萬一發生氫氣外泄，其實會看到白色氣體很快飄散在空氣之中，其安全性沒有大家想的那麼危險。但不得不說，國內沒有生產空氣加濕、增壓等的這些設備，在氫氣的生產、存化成本會比較高。氫氣的運輸可以通過管道，也可以用灌裝。從成本上來講從管道輸送更合適。

從存儲的技術來講，儲氫罐是有國標要求的，一般的儲氫罐分為三個結構，中間的內膽結構一般使用的是塑料，在外層的金屬強化結構有碳纖維纏繞，或者是有碳纖維和金屬化合的新型材料。儲氫技術這幾年發展相當快速，國外也發展出了儲氫合金，能將氫氣嵌入在金格裡面。

END

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本期嘉賓：李 泰 安

總經理

創揚科技股份有限公司、傑士特力()有限公司

台灣鋰鐵電池產業聯盟共同發起人；Intel WiMax OPS (Outdoor Power System) Plan for Africa共同參與人。英國倫敦大學博士，國立政治大學碩士。曾任世界五百強企業美商德州儀器半導體公司產品開發經理。主要從事功率及類比數位混合訊號半導體，動力鋰電池應用系統，電池管理系統。曾成功帶領實聯長宜與威力能源集團營銷與系統整合團隊，與國內數十家汽車主機廠共同開發三十餘款新能源純電動客車與專用車、混合動力公車。自2014年起至今成功交付包含上汽集團，南汽集團，宇通，金龍聯合，山東舒馳，南昌百路佳客車....等共數千台套電動車電池組與三電系統。

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