1.1.2 燃料電池及燃料電池汽車的發展歷程

1 燃料電池發展歷程

燃料電池基于電化學原理，其內部由離子的移動而形成電流，從而構成一個化學電源對外供電。1838年，德裔瑞士科學家克里斯蒂安·弗里德里希·尚班（Christian F. Sh?nbein）首次觀測到燃料電池效應。在此基礎上，1839年，威爾士科學家和律師威廉·葛洛夫（William Grove）首次做出了燃料電池原型，證明了燃料電池技術實現的可行性，最早制成的燃料電池原型如圖1-2所示，為氫-氧型燃料電池。

在此后的一段時間內，其他科學家在此基礎上進行了改進和嘗試，并且取得了一定的進展。如L. Mond和C. Langer制作的燃料電池從結構上已經接近現代的燃料電池。20世紀60年代初期，Pratt &Whitney公司研制的堿性燃料電池成功地應用在Apollo登月飛船上；70年代出現了世界性的能源危機，使得人們對燃料電池技術的熱情被重新點燃；從80年代起，燃料電池的發展進入了一個新的高潮，美國、歐洲和日本的各大汽車生產廠家，無不加緊燃料電池技術的開發。

燃料電池發展歷史的時間節點如圖1-3所示。

燃料電池有許多類型，一般按照電解質類型區分，主要類型有堿性燃料電池（AFC）、聚合物電解質或質子交換膜燃料電池（PEMFC）、磷酸燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、固態氧化物燃料電池（SOFC）等，如圖1-4所示。

盡管燃料電池的種類眾多，但受限于反應溫度、啟動時間、功率密度、應用環境等多重因素，目前適合車用的主要是質子交換膜燃料電池。由于本書專注于車用領域，因此，在不做特別說明的情況下，后面提到的燃料電池均指質子交換膜燃料電池。

2 燃料電池汽車起步

世界上第一輪燃料電池汽車的研發高潮出現在20世紀末。當時，美國、歐洲和日本的各大汽車生產廠家看到燃料電池巨大的市場潛力，紛紛投資以獨立或組成聯盟的方式進行燃料電池汽車的相關研究、試驗與生產。這些汽車公司包括奔馳、通用、豐田等，且都認為到2004年，燃料電池汽車將能夠批量生產，實現產業化。戴姆勒-克萊斯勒公司甚至宣稱，預計屆時燃料電池汽車的售價將降至每輛約18100美元。

早在1988年，戴姆勒-克萊斯勒的工程師就提出把用于航空航天上的質子交換膜燃料電池技術應用到汽車上，并于1991年進入實踐階段，用3年時間開發出了第一輛PEM燃料電池汽車——NECAR 1。其后，戴姆勒-克萊斯勒汽車公司和福特汽車公司聯手，成功研制出以液化氫為能源的NECAR 4，如圖1-5所示。NACAR 4型燃料電池汽車最高車速為140km/h，補充一次液體氫可以行駛450km。該車小巧玲瓏，可以乘坐5個人，驅動系統采用美國Ecostar電力驅動系統公司的交流異步電機，功率為55kW，最高轉速為14000r/min，變速比為10.1:1。NECAR 4型燃料電池汽車經過了比較充分的試驗驗證，進入了商業化試生產開發階段。

1998年1月，在底特律舉行的北美國際汽車展上，福特汽車公司推出了“Focus”系列燃料電池汽車，在隨后的2002年北京國際汽車展上，福特汽車公司展示了新一代“Focus”燃料電池汽車，該車采用燃料電池和三洋公司的300V蓄電池組作為動力源，增加了電控再生制動系統，此外，該車采用了一個更為先進的高壓儲氫瓶，壓力可達到5000 lbf/in2（1lbf/in2=6.89476kPa），而以前的儲氫瓶壓力只能達到3600 lbf/in2。新動力蓄電池組、再生制動和儲氫瓶合起來使可載四人的“Focus”的行駛里程達到257～320km之間，較以前的車型有了大幅度的改善，混合型電力系統還使該車型具有普通汽車的敏捷性，可控制的最高車速達128km/h。“Focus”系列燃料電池汽車如圖1-6所示。

通用汽車從20世紀60年代后期就開始了燃料電池汽車技術的研發，并得到了美國國家航空航天局（NASA）的資助。2000年，通用汽車公司研制了零排放“氫動一號（HydroGen1）”燃料電池汽車，其燃料電池堆由200個單個電池串聯而成，總體積相當于一臺普通的汽油發動機，儲氫系統采用-253℃低溫下的液態儲氫方式，可以儲氫5kg。“氫動一號”的電源系統也是采用了混合模式，可以產生額定80kW、最高達120kW的電功率，電機采用三相異步電機，功率為55kW/75kW（峰值），轉矩為251～305N·m，采用前輪驅動方式，電機及減速機構總質量為68kg，值得一提的是，“氫動一號”采用了催化燃燒方式，催化燃燒掉不參加反應的氣體。“氫動一號”的駕駛操縱與普通的自動檔汽車很相似，而且加速快，操縱靈活。這輛五座、總質量為1575kg的汽車0—100km/h加速時間僅為16s，最高車速可達140km/h，續駛里程為400km，且該車的動力系統可以克服低溫啟動的障礙，可以在-40℃的低溫下啟動。2008年，通用旗下品牌推出了進階版的雪佛蘭Equinox氫燃料電池版，該車還曾參加了2010年上海世博會，與中國的燃料電池汽車一起亮相。

日本豐田汽車公司研發的燃料電池汽車“FCHV-3”采用PEMFC與鎳氫電池混合作為電源，輸出功率高達90kW，最高車速可達150km/h，供氫方式采用氫吸附合金。此后不久，豐田公司開發出使用高壓儲氫瓶提供氫氣作燃料的新型燃料電池汽車“FCHV-4”（圖1-7）。它與“FCHV-3”相比的最大改進是氫氣的存儲方式，該車采用4個高壓儲氫瓶，每個儲氫瓶的容積為3.4L，氫氣壓力為250atm（1atm=101.325kPa），儲氫瓶均安裝于汽車底盤下面，質量僅有100kg左右，儲氫系統比“FCHV-3”減輕2/3，氫氣燃料的充氣時間只需7～8min。該車的驅動電機采用三相同步電機，最大輸出功率80kW，最大輸出轉矩260N·m。“FCHV-4”可以同時乘坐5人，連續行駛距離為260km，于2002年12月2日開始以租賃方式限量銷售，首批4輛租售給日本內閣官房、經濟產業省、國土交通省和環境省。

意大利菲亞特汽車公司在意大利環境部的資助下，由菲亞特公司研究中心等單位合作研制了600型氫燃料電池微型汽車。該車型專為城市中的個人出行而設計，它有兩個座位，速度可達100km/h，加一次燃料可行駛100km。

在關鍵部件燃料電池堆及其支持系統方面，加拿大的巴拉德動力系統公司（Ballard Power System）是當時國際上著名的質子交換膜燃料電池企業，也向多家汽車公司提供了燃料電池堆及其支持系統。

在“863”計劃支持下，中國也從2000年左右開始了燃料電池汽車技術的正向開發，如同濟大學從2001—2005年完成了“超越一號”（圖1-8）到“超越三號”三代動力系統平臺研發，確定了燃料電池汽車的基礎技術方案，驗證了燃料電池技術車用的可行性。2006年，“米其林必比登清潔能源汽車挑戰賽”在巴黎舉行，同濟大學等單位合作推出的兩輛“超越三號”氫能燃料電池汽車參加了比賽，并獲得了氫能燃料組比賽優勝獎，代表中國當時的燃料電池汽車技術得到了國際的認可，超越系列的后續車型也亮相在2008年北京奧運會和2010年的上海世博會，取得了良好的社會效益。

這一輪燃料電池汽車的熱潮雖然帶來了大量的技術進步，但事實上，2004年左右實現產業化的預測仍以失敗告終，2003年7月，最早將燃料電池汽車投入商業運營的企業之一的日本豐田汽車公司召回了其出租的6輛燃料電池汽車，并宣布推遲另外6輛燃料電池汽車的租賃。與此同時，幾乎各個國家都在燃料電池汽車的試運行中，遇到了可靠性、壽命、環境適應性等方面的一系列難題，尤其是氫基礎設施的匱乏更讓行業發展舉步維艱，氫燃料電池汽車的產業化過程轉入低谷，但從技術角度來看，燃料電池技術仍取得了較快進步，燃料電池的技術可行性已經得到普遍的認可，人們對于燃料電池汽車技術深入研究的熱情有增無減。

3 燃料電池汽車產業化

繼第一輪燃料電池的熱潮之后，國際上燃料電池汽車技術的研究并沒有停步，只是對燃料電池汽車的研究及其產業化持更加冷靜的態度。經過十年的蟄伏之后，2014年，豐田推出第一代Mirai燃料電池汽車。這不僅是豐田首款量產的燃料電池車型，也是世界上第一款真正實現商業化的燃料電池車型。至2020年9月底，豐田第一代Mirai在全球范圍內累計銷量已達到11154輛，已初步具備了商業化意義，2020年12月，豐田推出了第二代Mirai，在綜合性能上實現了顯著提升，參數對比見表1-1。

韓國現代汽車早在1998年就立項研發氫燃料電池技術。2013年2月，首款量產氫燃料電池車型——現代ix35 FCV正式下線，并于2014年4月在韓國本土銷售，隨后于同年6月在美國南加州地區投放，但首批車只能通過租賃方式使用。直到2018年，現代推出新一代燃料電池車型Nexo，才算在燃料電池乘用車領域走上了真正的商業化之路。現代Nexo系統最大功率達120kW，最大續駛里程超過600km（美國環境保護署測試工況，即EPA工況）。

2020年12月，現代汽車集團更新“2025戰略”，將氫能解決方案（H₂ Solution）列為新的業務支柱，并發布了氫燃料電池系統專屬品牌“HTWO”，旨在研發性能更強、更耐用的全新一代氫燃料電池系統，并計劃將其應用于城市空中出行、汽車、船舶和火車等多種交通工具。2020年5月，現代汽車發布氫燃料電池重型貨車XCIENT Fuel Cell的全新升級車型，如圖1-9所示。截至2021年6月，現代汽車氫燃料電池重型貨車XCIENT Fuel Cell已在瑞士累計行駛100萬km。

戴姆勒公司在NECAR 4之后進行了戰略調整，現階段戴姆勒將集中精力發展純電動汽車，未來所有與燃料電池相關的工作將轉由戴姆勒-沃爾沃合資公司進行，并計劃于2025年在歐洲生產氫燃料電池，也即戴姆勒停止了燃料電池乘用車的量產項目。但集團對燃料電池汽車業務的投入將集中在技術研發以及商用車領域，按計劃其氫燃料貨車Gen H₂（圖1-10）將于2023年開展試驗，首批量產車預計將于2027年開始交付。

通用汽車公司也于2013年改變了策略，攜手本田共同開發氫燃料電池技術。2016年，通用向美國陸軍交付了第一輛以燃料電池為動力的貨車Colorado ZH2。此外，通用還與美國海軍聯合研發采用氫燃料電池系統的下一代無人水下航行器樣機。2017年，通用又針對軍用車領域，推出全新氫燃料電池汽車概念平臺SURUS（Silent Utility Rover Universal Superstructure），如圖1-11所示，結構類似于重載貨車的后拖掛，并搭載先進的無人駕駛技術。

在中國，從“超越一號”到上汽榮威750E，中國的燃料電池汽車技術開始在全國范圍內普及，從應用上來看，則是乘商并舉，但以商用車為主，近年來，技術水平也基本進入了國際第一梯隊。

在燃料電池乘用車方面，上汽集團于2015年推出了續駛里程400km、“無污染，零排放”的榮威750E燃料電池汽車。2017年，上汽在中國國際工業博覽會上展示了兩款氫燃料電池車型，分別為榮威950燃料電池汽車和大通FCV80燃料電池輕型客車。2020年，上汽集團正式發布全球首款燃料電池多用途汽車（MPV）——上汽大通MAXUS EUNIQ7（圖1-12），并同時宣布中國汽車行業首個“氫戰略”。

2018年10月，中國一汽紅旗推出國內首款用于乘用車的50kW級別燃料電池發動機，是國內第一款采用金屬雙極板單堆，系統功率達到50kW，體積比功率達到400W/L的燃料電池發動機。2021年，紅旗H5-FCEV車型正式亮相，該車搭載了一臺最大功率為140kW的驅動電機，最高車速可達160km/h，0—100km/h加速時間也在10s之內。該車還配備2個儲氫瓶，每個儲氫瓶可存儲2kg氫氣，百公里耗氫量小于0.82kg，續駛里程可達520km。

2021年，廣汽首款燃料電池乘用車Aion LX Fuel Cell（圖1-13）開始示范運營，該車是一款基于廣汽集團GEP2.0平臺開發的氫燃料電池乘用車，采用了自主開發的燃料電池系統和車載儲氫系統，最大輸出功率超過135kW，百公里氫耗0.77kg，NEDC工況續駛里程超過650km，加滿氫氣僅需3～5min。

目前，在燃料電池商用車領域，中國車企可謂百花齊放，不同的汽車企業積極布局燃料電池輕型貨車、重型貨車以及客車，尤其是在重型貨車領域，燃料電池可以很好地對傳統柴油機進行替代，滿足大功率、長續駛里程工況的需求。

2008年，福田推出國內首款公告型氫燃料電池客車，并在北京奧運會上展開示范運營。2014年，福田發布第2代12m氫燃料電池客車。2016年，福田推出第3代8.5m氫燃料電池客車。2018年，福田氫燃料電池客車已經發展到第4代，整車氫氣加注時間為10～15min，續駛里程可達450km，可實現-30℃低溫啟動、-46℃低溫存放和停機自動保護。

2019年11月16日，上汽紅巖首款燃料電池自卸車亮相，同時亮相的還有上汽躍進燃料電池貨車FC500 D12。2019年12月12日，上汽躍進FKC500-D18正式下線，該車搭載的是捷氫科技P390系統，加氫時間不到10min，續駛里程超過400km。

2020年，一汽解放發布燃料電池半掛牽引車，這款解放燃料電池半掛牽引車總質量25t，整備質量10.65t，準拖掛車總質量38.22t，配套的是重塑科技的燃料電池系統。

2021年，飛馳汽車發布49t氫燃料電池重型貨車，燃料電池發動機為國鴻氫能的鴻途G110系統產品，系統額定功率110kW。該車型采用35MPa儲氫瓶，充裝一次氫氣只需5～10min，最高續駛里程可達400km。

2021年8月，我國政府推出首批示范城市群，并制定了明確的燃料電池汽車行業發展目標及戰略計劃，同時也匹配了一系列詳細的獎勵機制以刺激行業發展，燃料電池汽車的需求逐漸從政府驅動向市場驅動轉換。