工程师必读，研发氢能汽车应了解及掌握的先导知识

发展氢能汽车是国家发展新能源汽车的既定方针中的具体攻关项目。2018年是中国氢能汽车示范应用的元年，于是有关氢能汽车技术（项目）介绍，是一个接一个，应接不暇。氢能汽车研发对整车研发工程师而言是一个全新领域。要研发氢能汽车，工程师要了解氢能汽车技术路线、掌握氢能汽车核心技术尤为重要。本文做一些探讨。

一、电-电混合的氢能汽车技术路线介绍

目前新能源汽车对氢能汽车的财政补贴，就是针对这一技术路线开发的产品。如果不是按这个技术路线开发的产品，有这两个可能，一是拿不到补贴，二是拿到补贴弥补不了产品的生产成本。

电-电混合的氢能汽车技术路线，就是在纯电动汽车产品基础上加装一套氢燃料电池发动机系统而已。也可以这样理解，在原有增程式电动汽车的基础上，用车载氢燃料电池发动机替代将过去的燃油增程系统。前一个“电”由车载氢燃料电池发动机提供，后一个“电”由车载储电池系统提供。电-电混合比例变化趋势，车载储电池系统由大变小，车载氢燃料电池发动机由下变大。

电-电混合方案，由锂电池提供车辆加速、减速等非稳态下所需的大功率，燃料电池则提供稳定工况下的输出功率。“电电混合”能通过锂电池解决电动汽车的电控问题，同时用氢燃料电池来解决电动汽车的续驶问题。

可以说，电-电混合的氢能汽车技术路线具有中国特色，具体体现在五个方面：

①目前国内外的燃料电池发动机功率均难以满足产品需求，国内燃料电池发动机电堆功率密度大约为2kW/L，而国际先进水平则达到了3kW/L；

③受目前产业规模较小的影响，燃料电池发动机当前的单位成本还比较高；

③可以弥补动力电池汽车的诸多不足，例如续驶里程较短等；

④中国燃料电池汽车近年有明显的进步，但目前还面临许多挑战，要应对这些挑战要时间，要有的大量积累；

⑤一般人将的动力电池电动车与燃料电池汽车理解为“对立”的两条技术路线，而电-电混合的氢能汽车技术路线却将彼此有优势、彼此有不足的两类产品有机结合其起来成为一个种产品。

可以说电-电混合的氢能汽车技术路线是基于目前实际国情、比较接地气、相对稳妥的技术规划。

二、电-电混合的氢能汽车技术路线的指导意义

中国发展氢燃料电池汽车、纯电动汽车不是两条路线，而是一条路线的两个方面，彼此优势互补而已。在中国氢燃料电池汽车、纯电动汽车都是新能源汽车，纯电动汽车在城市车辆上，实现纯电动化已经取得全面的成果，如城市公交车、出租车、物流车、上下班代步乘用车等。

但是商用大、中型卡车，实现纯电动化，要单一依靠储电池提供电源，不太现实，目前相当困难，但是在中国汽车要实现电动的任务十分重，而时间紧迫。前期的LNG在大、中型卡车上的实践积累，提供了好经验。将内燃机替换为大功率的氢燃料电池发动机，将LNG气瓶换成高压的氢气瓶，再配少量的动力电池。氢气供气系统在原理上与LNG供气系统是基本一致的，动力电池供电系统技术已经成熟。其瓶颈在氢能发动机系统上，但是氢能发动机系统是相对独立的。

可以说，电-电混合的氢能汽车技术路线是中国“中庸之道”哲学应用的具体体现。氢气不是一次能源，但是新能源、清洁能源交通的纽带。氢气已经清洁能源了，其上游资源比较广泛了。煤制氢气的成本依然最低的。这一个给小规模煤矿带来升级转型带新的机遇。氢气应用给新能源如太阳能、风能、小规模水电站，发电不能上网，找到一条出路。

三、开发氢能汽车的核心技术

开发氢能汽车的核心技术在于氢能发动机，专业的说法主要有氢气/空气聚合物电解质膜燃料电池（PEMFC）技术和醇/空气聚合物电解质膜燃料电池（MFC）技术。

（1）氢气/空气聚合物电解质膜燃料电池（PEMFC）技术

①聚合物电解质膜燃料电池（PEMFC）功能

PEMFC是发电装置，其功能是通过“能氢气/空气”电化学作用，来发电的，而不是储电能的装置。它输入的是氢气/空气，而输出的是电和水。如果将这个装置用到汽车上，就可以替代燃油发动机。通俗的说法，是氢燃料电池发动机。注意：氢气是可以直接在传统发动机里面是燃烧的，历史也有氢燃料内燃机。工程师要知道，目前这个时代，氢燃料内燃机已经不是世界汽车的主流技术，也没有列入中国新能源汽车发展规划。

②聚合物电解质膜燃料电池（PEMFC）工作原理

工程师要理解，要掌握前沿技术，一定要把原理搞清楚，要搞清楚原理，必须把原理图的不同要素之间逻辑关系理解和掌握到位。

①燃料电池（PEMFC）工作原理告诉大家，燃料电池（PEMFC）是一个发电装置；

②燃料电池装置里必须变化一个过程：

a）过程输入：氢气/空；

b）过程输出：电和水，及多余的氢气；

c）变化过程：如何将“氢气/空气”变成“电”？这个是核心技术，核心技术材料是关键，高质量的零部件在工艺，装置水平高低在系统集成。原理图告诉大家，将“氢气/空气”变成“电”的最核心技术是电解质。

③电池发动机的关键技术指标

a)PEMFC电源系统额定输出功率 50~100kW;

b)系统比功率≥300Wh/kg;

c)电堆比功率 3000W/L 以上、使用寿命 5000hr 以上。

研发氢能汽车工程师在了解工作原理图以后，接下来要掌握燃料电池发动机关键技术指标。上面的关键技术指标是国家规划到2020年要实现的指标。要注意，电源系统、电堆是两个概念，系统比功率是单位质量（Kg)的Wh来衡量的，而电堆比功率是单位容积（L）的W来衡量的。

以上指标告诉大家，开发氢能汽车在2020年以前，无论是的商用车还是乘用车的技术路线是“电-电”混合的路线，如果要开发全功率的氢能汽车是2-3年以后事情了。日前，东风公司对外宣布研发，要全功率的氢能乘用车项目。这个项目是国家科技部的科学攻关级项目，而不是企业对市场推广级的商品项目。

（2）醇/空气聚合物电解质膜燃料电池（MFC）技术

醇/空气聚合物电解质膜燃料电池（MFC）技术，先通过对甲醇加热裂解出氢气，再进入氢燃料电池工作环节。催化裂解原理如下：

①在专用脱氢催化剂上作用下,甲醇和水为原料进行催化裂解反应生成H2、CO2混合气体；

②再经变压吸附气体分离技术将H2和CO2分离；

③在提纯得到高纯氢气，纯度可达到99.9～99.999%，可以满足让，燃料电池对氢气的要求。

该技术核心为脱氢催化剂。工厂级甲醇裂解制氢制氢已经是成熟的技术。难点是将工厂级工艺如何变成车载工艺。难在车载工艺，一是要提纯纯度可达到99.9～99.999%；二是要满足燃料电池发动机要的持续的输入量。

笔者理解，车载甲醇裂解制氢制氢工艺，目前是科技攻关级项目，目前对开发上市氢能汽车，没有太多的意义。

（3）氢气坛子技术指标更高，是压力容器，是35个大气压；

开发过CNG的工程师知道，CNG坛子是是20个大气压，而氢气坛子技术是35个大气压。专家一般认为要70个个大气压。目前的成熟技术体系是35个大气压的。所以说，目前开发商用氢能汽车的氢气坛子是35个大气压。开发工程师要知道这个指标。换一句话，氢能发动机配套的其他零部件，必须要满足35个大气压这个指标。或者说，原来的20个大气压CNG坛子配套的零部件，说不能用的。

四、加快研发氢能汽车的基本理由

①在政策层面上，纯电动汽车补贴逐步退坡，到2020年没有补贴，说明纯电动汽车研发攻关任务基本完成；

②国家层面对氢燃料电池汽车的支持力度不近没有丝毫没有降低，而在加大。对企业而言，又一次新的发展机遇；

③国家层面对研发氢能汽车的研发路线十分明确为“电-电”混合，为企业不仅明确了方向，同时给出具体路线，企业提高执行力即可；

④工程师们，要克服自己能力的不足，要努力学习专业知识，迎接新的挑战。 

当前有关氢能汽车技术具体方案很多，企业层面从事整车开发的工程师没有精力和时间，去评价具体的技术方案的优劣。笔者观点，跟到补贴政策提倡的技术路线，进行新产品开发，风险较小。

作者简介

雷洪钧博士，扬子江汽车集团高级工程师、总经理助理（总工程师），中国国电子节能技术协会节能与新能源汽车专家委会专家，国家建设部城市车辆专家委员会理事，全国交通职业教育指导委员会汽车技术专业类指导委员会聘请的专家讲师，中国公路学会客车分会客车市场研究员，中国土木工程学会城市公交学会客车专家委会副主任，中国标准化协会理事，中国管理科学研究院担任过特聘研究员、中科电动汽车产业联盟首席研究员。