轿车用燃料电池发动机批量化生产

　　摘要：本文论述了发展氢燃料电池轿车用发动机的必要性与紧迫性。着重叙述了轿车用燃料电池发动机实现批量化生产过程中所取得的以下三个方面的进展：1.　轿车用燃料电池发动机的车用动力性能及综合性能的竞争性；2.　轿车用燃料电池发动机各种产品化性能的竞争性；3.　轿车用燃料电池发动机批量化生产的生产工艺可行性与成本价格；

　　关键词：轿车用质子交换膜燃料电池发动机；批量化生产；车用动力性能；产品化性能；生产工艺与成本价格。

　　Key words: Proton Exchange Membrane Fuel Cell Engines for Passenger Cars; Production in Pilot Scale; Power Performance; Fuel Cell Engines Comprehensive Performance; Production Process Technology and Product Cost.

　　Abstract: It is very urgent to develop fuel cell powered vehicles, in order to reduce the rapid oil consumption and the heavy air pollution from the gasoline engines exhaustion.
The pilot production of fuel cell engines for passenger cars have been successfully achieved. In this paper the progress in the following aspects have been made:
1. The fuel cell engines for the passenger cars possess very competitive power performance, power density over traditional gasoline engines;
2. The fuel cell egines meet the product requirements in term of reliability, life time, safety and easy operation;
3. The fuel cell engines production process is already viable for massive production and cost competitive.

一． 前沿
1.　发展氢燃料电池电动车可以缓解我国目前石油资源对外依赖度急剧增加的趋势
　　根据专家研究的结果预测，到2020年，中国汽车保有总量将会达到1亿辆，年产销量可能超过一千万辆，应该说汽车市场是巨大的，也充分说明了汽车工业在我国国民经济当中的重要地位。2003年，我国石油资源进口日益增多，石油对外依赖度超过了30％。支付外汇同比增长超过50％，中国已成为世界第二大石油消费国。近年来，由于很多外部的原因，加之中东局势的问题，能源安全问题已十分突出。氢燃料电池电动车是利用可再生的新能源载体－氢气为燃料的交通工具。氢气可以是从各种可再生能源，如：太阳能、水、电、风能、地热能等发电进行电解水制氢；也可以通过生物能制氢；还可以通过煤、天然气重整制氢。氢气是一种取之不尽、用之不竭的可再生能源载体，大力发展氢燃料电池电动车对发展我国可持续发展汽车工业有重大意义。

2. 发展氢燃料电池电动车可以大大减少我国各大城市由于汽车使用量大量增加而引起的空气严重污染。
　　我国城市环境空气质量监测表明，70％的城市环境空气质量不达标。随着城市机动车保有量的急剧增加，机动车污染排放已成为很多城市空气污染的主要来源。
随着机动车保有量的持续增长，我国机动车污染排放总量也持续攀升。2003年全国机动车碳氢化合物、一氧化碳和氮氧化物排放量已分别达到836.1万吨、3639.8万吨和549.2万吨，分别是1995年的2.51、2.05和3.01倍。
　　根据有关部门预测，2005年我国大城市机动车尾气排放污染量将有可能达到总大气污染量的75％左右，如果不有效控制汽车排放污染，大城市大气污染类型将会从煤烟型转化为汽车尾气型。
　　氢燃料电池电动车是一种真正实现零排放的交通工具。氢燃料电池电动车唯一排放的是纯净水，而且氢燃料电池制造过程与内部构件都不存在任何对环境有毒害的物质。

二． 轿车用燃料电池发动机批量化生产的进展
　　上海神力科技有限公司承担了“十.五”863电动汽车重大专项中的“燃料电池发动机”课题第一、第二、第三轮，为同济大学的燃料电池轿车研制了三代燃料电池发动机，分别安装在“超越”一、二、三号燃料电池轿车上。
　　本文就实现轿车用燃料电池发动机批量化生产中最重要的三个方面进展进行比较详细的叙述与讨论。
1. 轿车用燃料电池发动机的车用动力性能及综合性能的竞争性
　　作为轿车用的燃料电池发动机必须与内燃汽油发动机在以下性能方面构成可竞争性。
（1） 重量比功率；
（2） 体积比功率；
（3） 安全、可靠性；
（4） 续驶里程，重新补加燃料的方便性；
（5） 运行寿命。
　　经过近三年的863课题攻关，第一代、第二代、第三代轿车用燃料电池发动机在上述性能的五个方面取得了巨大的进步。
表1　第一、第二、第三代轿车用燃料电池发动机主要性能指标比较
    

　　第三代燃料电池发动机在各种性能优化的基础上，重点改进了该发动机的稳定可靠性，实现了10多台批量化的生产。（见照片）
 
　　　　　　　　　　　　　　“第三代燃料电池轿车发动机”照片

　　第三代燃料电池发动机在各种性能优化的基础上，重点改进了该发动机的稳定可靠性，实现了10多台批量化的生产。（见照片）
　　第三代燃料电池发动机可以保证燃料电池轿车“超越三号”最高时速达到120.7公里/小时；加速时间0～100公里/小时为20秒，按国家J1015标准测定燃料经济性为1.178公斤/100公里；总续驶里程可达260公里。
　　重新快充氢气非常快捷，甚至比普通内燃汽油发动机汽车加油速度快得多。
　　第三代燃料电池发动机采用了高功率密度、常压运行的燃料电池堆。其中，燃料电池堆体积、功率密度达到1千瓦/升，输出性能见图1。
 　　　　图1　第三代燃料电池发动机中燃料电池堆输出功率曲线图

　　该发动机由于采用了常压空气、常压氢气运行的方式，大大减少了因燃料电池堆高压力氢气运行引起电池堆泄漏带来的危险，大大提高了安全性、可靠性。该发动机中的燃料电池堆模块已经经过大于2000多小时的稳定可靠性试验，性能衰减不超过10％。

 2. 轿车用燃料电池发动机的各种产品化性能的竞争性
（1） 燃料电池发动机满足各种冷态下的冷起动性能
在发动机未启动前处于0℃～50℃之间的温度状态下，可以在大约5秒钟内输出发动机额定功率的60％～80％；
（2） 燃料电池发动机满足各种动力需求与响应
燃料电池发动机完全满足各种车用动力性能，包括动态响应特性，反复、快速功率输出变化；以及长时间稳定的怠速特性。
燃料电池发动机与传统的内燃机发动机在怠速状态下有明显的优势，包括系统燃料效率极高以及系统噪声处于最低状态。
（3） 燃料电池发动机的安全、可靠性
燃料电池发动机采用CAN通讯控制，保证燃料电池发动机的安全、保护性能，包括：安全、自动运行控制模式；安全监测；事故自诊断以及防范处理功能。
（4） 燃料电池发动机满足各种地域、天气、气候的运行、操作性
燃料电池发动机在外界温度为-10℃到+50℃、低湿度、高湿度、下雨、风沙等天气下都可以正常运行。
（5） 燃料电池发动机的维护与维修
燃料电池发动机的平常维护简便，主要对其空气滤芯器定期更换，以及对其冷却液定期更换即可。燃料电池发动机的电堆与支持运行系统均可以方便拆装，更换电极、双极板或其他零部件。

3. 轿车用燃料电池发动机批量化生产的生产工艺可靠性与成本价格
（1） 已经建立各种燃料电池发动机零部件与电池堆关键材料性能测试与评价的装备与技术，可以保证燃料电池发动机生产的原材料与零部件质量。
（2） 已经建立催化剂涂布设备与工艺
燃料电池发动机中核心部件电极生产要求催化剂涂布均匀、用量少，每张生产的电极性能好并一致。现在已达到电极生产铂催化剂用量阴阳二极总和为0.6毫克/平方厘米，比国际上Ballard Power Systems的铂催化剂用量0.7毫克/平方厘米还低，并且在电极大规模生产一致性的保证下，可以达到常用空气运行的0.62V、1A/cm2的性能。
（3） 已经建立燃料电池堆流程化快速装配设备与工艺
燃料电池堆按产品化要求的流程化快速装配，达到性能一致性。
（4） 燃料电池发动机的流程化装配与测试
燃料电池发动机的生产达到流程化操作，规范化测试
（5） 燃料电池发动机生产的成本价格
在目前燃料电池发动机少量生产的示范运行阶段，成本价格大约在1万元/千瓦左右；
在不久将来批量化生产，达到区域性批量投放示范运行时，成本价格大约在5000元/千瓦左右；在将来大批量化生产，规模达到几十万台时的燃料电池电动车商业化运行时，成本价格完全可以降到500元/千瓦的产业化价格目标。

三． 结论
轿车用燃料电池发动机已经实现10多台的批量生产目标。批量生产的燃料电池发动机按863测试规范净输出功率达到44千瓦，功率密度达到160瓦/公斤；峰值净输出功率可达到50千瓦。
发动机各种综合性能完全达到产品化的要求。在大规模地产业化生产发动机时，成本价格完全可以降到500元/千瓦。