宝马氢燃料电池技术

2019法兰克福车展上，宝马官方表示计划在2022年实现基于X5的氢燃料电池车的小规模生产。2021慕尼黑车展的宝马展台上，采用第五代eDrive电驱系统的iX5 Hydrogen车型全球首发，彼时，奔驰和奥迪两位德国选手已终止氢燃料电池乘用车的研发。

　　今年9月，宝马在慕尼黑氢能研究中心，开始了乘用车燃料电池系统的小规模量产，该燃料电池系统将搭载到iX5 Hydrogen车型上，同时按计划宝马将在今年年内生产约100辆iX5 Hydrogen车型。宝马的氢燃料电池技术有哪些特点，氢燃料电池车由那几部分组成？借这个机会，咱一起聊聊。

○宝马与“氢”的不解之缘

　　在找寻替代能源的路上，宝马一直看好氢燃料电池在乘用车上的发展，不过相比燃料电池，宝马与氢结缘的时间更早，并进行了多次尝试。

　　伴随全球爆发第二次石油危机，宝马等众多车企意识到了传统化石能源短期不可再生的弊端，“氢”成为了替代汽油、柴油，扮演燃料角色的种子选手，也在为内燃机“续命”。

　　不难发现，仅以氢气为燃料的话，“腿短”是个没法回避的问题，一方面，汽油能量密度为34.6MJ/L而液氢仅为10.1MJ/L，两种燃料能量密度差距明显；另一方面，传统内燃机效率基本在30%-40%，虽然目前部分插电式混动车型搭载的发动机，热效率已经突破了43%，但相比氢燃料电池（效率为40%-62%）仍捉襟见肘。

　　氢燃料发动机虽然在运行中没有碳元素参与，也不产生碳排放，但燃烧产物中仍有氮氧化物，相比副产物只有水的氢燃料电池，在环保方面不够极致。再考虑到传统内燃机效率上的局限性，以及额外的研发与材料采购成本，不少车企开始将目光从氢燃料发动机转移到氢燃料电池，宝马也在涉足氢燃料电池的过程中，于2013年建立了与丰田的合作。

　　从试水氢燃料动力到研发氢燃料电池，宝马在寻求零排放和替代能源的路上，与“氢”结下了不解之缘。伴随第五代eDrive电驱系统等技术落地，宝马量产氢燃料电池车的计划也走向了现实。

○透过宝马iX5 Hydrogen了解燃料电池车

　　伴随燃料电池系统启动小规模量产，今年年底前宝马iX5 Hydrogen也将初具规模，这款车最初亮相于2021慕尼黑车展，之后官方公布了部分技术细节。今年初，宝马进行了iX5 Hydrogen的最后一轮冬季测试。

　　目前，按照类型可将燃料电池划分为碱性燃料电池（AFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）和质子交换膜燃料电池（PEMFC）五种。其中只有碱性燃料电池（AFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）和质子交换膜燃料电池（PEMFC）可以将氢气作为燃料。

凭借高功率重量比、工作温度低和保养方便等优势，质子交换膜燃料电池（PEMFC）受到了车企们的青睐。

　　参考下图，相信大家会更好理解这个过程。

　　除了看发电功率外，衡量燃料电池系统性能还要看体积功率密度，遗憾的是，宝马暂未公布这套燃料电池系统的更多细节。我列举了几款氢燃料电池系统的数据（下表），从中不难发现，丰田第二代Mirai的体积功率密度很有看点，或许宝马iX5 Hydrogen这方面也有不俗表现。

　　从上图不难看出，氢燃料车“过火”后车身基本完整，而汽油在燃烧过程中会向下流，所以与储氢罐搭配的“排空策略”有助于提升氢燃料车的安全性。

　　上文提到了相比电池电动车，可媲美燃油车的补能速度是燃料电池车的优势之一，不过当储氢罐内的氢气被消耗殆尽时，就无法为燃料电池供氢了，所以一般情况下，用户无法将储氢罐里的氢完全用尽。

　　值得一提的是，眼下宝马正与博世联手开发一种扁平而非圆柱形的氢气罐。目的是希望这种新型储氢罐能像电池包一样，“躺平”在车辆前后轴之间，为座舱和车内设计节约空间。

　　看到这，相信“眼尖”的朋友发现了一个细节，宝马iX5 Hydrogen的氢燃料电池系统功率为125kW，电驱单元最大驱动功率为275kW，中间的差值怎么解决？

　　宝马iX5 Hydrogen的动力电池容量为2.3kWh，较宝马5系GT氢燃料概念车上的1kWh有了大幅提升，而行车过程中，燃料电池也会为动力电池充电，并保持后者的容量在60%-80%之间。另外，紧急情况下动力电池能支持iX5 Hydrogen纯电行驶10-15km，储氢罐压力不足无法供气时，它就是最后的救命稻草了。正是有了兼职放电和储能的动力电池，燃料电池车可以说是“电-电”混动车型。

○氢燃料电池的前路依旧崎岖？

　　曾在2018年计划与现代汽车合作研发氢燃料电池汽车的奥迪，在2020年决定放弃氢燃料电池汽车，同年奔驰也宣布终止氢燃料电池乘用车的研发计划。而受销量低迷和配套设施不完善等因素影响，本田选择在2021年停产CLARITY车型。

　　不过由小规模量产到实现普及，氢燃料电池车还有很长的路要走，一来是燃料电池生产成本很难在短期内快速下降，二来制氢、运氢、储氢和加氢等配套设施还不够完善。虽然欧洲《替代燃料基础设施指令》（AFIR）计划到2030年，将交通干道上的700bar（70MPa）加氢站间距缩小至150km，我国也将氢能划入了国家重点战略性新兴产业，但目前全球氢能产业距“相对完善”的状态还有很长距离。现阶段，量产氢燃料电池车的意义，或许更多体现在技术研发与储备方面。

写在最后

　　作为新能源技术中的一环，iX5 Hydrogen的小规模量产，对宝马的相关技术研发意义深远。仅从目前公布的信息来看，这款车在技术上与其他氢燃料电池车大同小异，不过从中能看到宝马对驾驶与性能的追求，而在续航和补能效率等方面，“氢”也有着比电池电动车更友好的一面。