氫燃料電池發(fā)展綜述

楊尚霖 宋維程 孫京程 姜浩

摘 要：氫燃料電池是將氫氣轉(zhuǎn)化為電能的裝置，其基本原理是電解水的逆反應(yīng)，氫氣通過管道到達(dá)陽極，在陽極催化劑的作用下，1個(gè)氫分子解離為2個(gè)氫質(zhì)子，并釋放出2個(gè)電子，在電池的另-端，氧氣（或空氣）通過管道到達(dá)陰極，在陰極催化劑的作用下，氧分子和氫離子與通過外電路與到達(dá)陰極的電子發(fā)生反應(yīng)生成水。作為一種新能源，各大車企對氫燃料電池都有研究。氫燃料電池還面對諸多難題，如何發(fā)展氫燃料電池，降低其成本、提高安全性成了研究的主要方向。

關(guān)鍵詞：汽車新能源；氫燃料電池；節(jié)能環(huán)保

1 緒論

1.1研究背景及意義

氫能是一種清潔能源，《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》、《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》、《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計(jì)劃（2016-2030年）》、《能源技術(shù)創(chuàng)新“十三五”規(guī)劃》和《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》等中都提出了對氫能的利用。氫燃料電池只會產(chǎn)生水和熱，并不會產(chǎn)生二氧化碳，對環(huán)境無任何污染。但是氫燃料電池燃料種類單一，制氫、儲氫技術(shù)復(fù)雜，價(jià)格昂貴；密封性、安全性要求嚴(yán)格；在電動汽車上使用時(shí)需要配備輔助電池系統(tǒng)。燃料電池電動汽車技術(shù)是目前世界環(huán)保汽車技術(shù)的熱點(diǎn)，我國應(yīng)更加積極開展燃料電池電動汽車技術(shù)研究，較快縮小與西方汽車工業(yè)發(fā)達(dá)國家的汽車環(huán)保技術(shù)的差距，從能源和環(huán)保角度來講，進(jìn)行燃料電池電動汽車技術(shù)開發(fā)對能源多樣化，發(fā)展燃料電池汽車，將促進(jìn)一系列技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，形成國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新增長點(diǎn)。

2 國內(nèi)外研究成果綜述

2.1國內(nèi)研究成果

1997年葛盾倡在全球科技經(jīng)濟(jì)瞭望的科技的期刊中提到了氫的研究開發(fā)現(xiàn)狀。氫是一種最干凈的載能體，它在燃燒過程中與氧反應(yīng)合成水，其所排放的碳?xì)浠衔锖偷趸锓謩e為0.04克/千瓦時(shí)和0.4克/千瓦時(shí)，而汽油在燃燒過程中排放的碳?xì)浠衔锖偷趸飫t分別為0.2克/千瓦時(shí)和1.8克/千瓦時(shí)。以氫作燃料由于其低放射而對保護(hù)環(huán)境、保護(hù)氣候有著十分重要的意義。[1]

2001年北京理工大學(xué)孫逢春、孫立清、白文杰在中國會議上介紹氫嫩料電池的種類和特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)介紹了國內(nèi)外質(zhì)子交換膜氫燃料電池技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r以及其在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀。[2]

2003年清華大學(xué)核能技術(shù)設(shè)計(jì)研究院助理研究員王誠在國際會議上提出氫燃料汽車將是解決城市大氣污染的最重要途徑之一，將形成綠色朝陽產(chǎn)業(yè)而影響社會經(jīng)濟(jì)生活，認(rèn)為氫燃料電動車是汽車工業(yè)的一大革命，是21世紀(jì)真正的純綠色環(huán)保車。[3]

2006年由北京理工大學(xué)牽頭，聯(lián)合國家高技術(shù)綠色材料發(fā)展中心、中山中炬森萊高技術(shù)有限公司、北京航空航天大學(xué)等單位承擔(dān)的《EQ7200HEV混合動力轎車用鎳氫動力電池組及管理模塊》課題在廣東省中山市通過了驗(yàn)收。課題組通過對電極材料進(jìn)行預(yù)處理和對電極進(jìn)行表面改性，可減少溫使氣體排放30%，降低油耗30%。[4]

2009年常樂指出氫的運(yùn)輸在整個(gè)氫能供應(yīng)鏈的經(jīng)濟(jì)、能耗和排放性能中占有很大比重。并通過設(shè)計(jì)以運(yùn)氫規(guī)模和運(yùn)輸距離為特征參數(shù)的“點(diǎn)對點(diǎn)”運(yùn)輸情景，對比分析了3種運(yùn)氫方式（氣氫拖車、氣氫管道和液氫罐車）在不同情景參數(shù)下的成本、能耗和CO2排放特性。[5]

2010年9月7日，科技部、聯(lián)合國開發(fā)計(jì)劃署“促進(jìn)中國燃料電池汽車商業(yè)化發(fā)展項(xiàng)目”佛山項(xiàng)目啟動儀式在丹灶舉行，會上，首期投資120億元的長江氫動力佛山研發(fā)中心及整車生產(chǎn)項(xiàng)目簽約落戶丹灶，包括總投資達(dá)10億元的長江汽車全球唯一的氫動力汽車研發(fā)中心，成為佛山今年引進(jìn)的首個(gè)投資額超百億的制造業(yè)項(xiàng)目。整車項(xiàng)目生產(chǎn)制造純電動和氫燃料電池的新能源汽車，定位為長江汽車全球唯一的氫能汽車生產(chǎn)基地，其將帶動丹灶氫能汽車從零部件生產(chǎn)邁向整車制造。[6]

2012年張富剛、樊越甫、劉方、劉海東針對變電站直流系統(tǒng)，應(yīng)用新型氫燃料后備電源替代蓄電池組作為后備電源產(chǎn)品，旨在將氫燃料電源作為直流系統(tǒng)整體后備電源，氫燃料應(yīng)急移動直流電源，直流技改中氫燃料后備電源的可行性和解決方案進(jìn)行測試研究，提出新型后備電源設(shè)計(jì)、采取措施以及提出一整套系統(tǒng)的解決方案。[7]

2012年武漢理工大學(xué)孫緒琪研究了氫燃料電池汽車五種動力系統(tǒng)以及兩種能量控制策略，通過詳細(xì)比較及分析其中的優(yōu)缺點(diǎn)，選定燃料電池和蓄電池（FC+B型）作為驅(qū)動車輛行駛的能量來源，并選定功率跟隨式控制策略作為該車的控制策略。對某轎車改型的氫燃料電池汽車動力系統(tǒng)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)了以氫燃料電池汽車的主動力源，鋰離子電池作為車輛的輔助動力源，異步交流電機(jī)作為車輛的驅(qū)動電機(jī)。使動力系統(tǒng)的各部件均能夠工作在高效率區(qū)，使氫燃料的消耗降低。[8]

2013年北京化工大學(xué)閆貫博針對額定功率為 2kW 的氫燃料電池電堆輸出特性，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的、電能轉(zhuǎn)換效率較高的 DC-AC-DC 變換器，并選用一種適合該系統(tǒng)的穩(wěn)壓方式，以克服氫燃料電池的輸出電壓低和電壓值不穩(wěn)定的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了氫燃料電池輸出電壓的提升和穩(wěn)定，改善了氫燃料電池輸出電壓特性，提高了電能利用效率。[9]

2013年倪紅軍、呂帥帥、裴一、陳林飛、袁銀男介紹了一種新型氫燃料電池-鋰離子電池混合動力系統(tǒng)，總結(jié)了氫燃料電池汽車動力系統(tǒng)和車載儲氫系統(tǒng)的國內(nèi)外研究進(jìn)展，并討論了車用燃料電池動力系統(tǒng)能源效率的影響因素以及提高動力系統(tǒng)效率的途徑。為了提高系統(tǒng)的能量效率，應(yīng)對燃料電池與動力電池系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行優(yōu)化，并減少附加功率消耗；同時(shí)應(yīng)采用小電流對動力電池進(jìn)行充電，電池和氣體增濕溫度應(yīng)選擇一個(gè)合理的溫度范圍，從而簡化控制系統(tǒng)。[10]

2015年董巨輝針對流體帶電問題中的流動特點(diǎn)，提出用二階迎風(fēng)格式和中心差分格式求解電荷密度方程，使用Matlab數(shù)學(xué)工具得到仿真結(jié)果，得到了速度、溫度等參數(shù)對管內(nèi)電荷密度分布的影響，得到了對實(shí)際液氫輸送和儲存中消除或者抑制靜電產(chǎn)生的有益指導(dǎo)性結(jié)果。[11]

2016年微山鋼研稀土材料有限公司、鋼鐵研究總院功能材料研究所、精密合金技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室高金良、袁澤明、尚宏偉、雍輝、祁焱在氫儲存技術(shù)及其儲能應(yīng)用研究進(jìn)展一文中提出氫能的發(fā)展應(yīng)用中，結(jié)合我國稀土資源特點(diǎn)，開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的具有高容量、易活化的 RE-Ti-Fe儲氫合金，豐富了儲能技術(shù)研究成果。[12]

2017年王寶華閥門了一種氫氣增壓輸送系統(tǒng)，該發(fā)明提供的一種氫氣增壓輸送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、占地面積小、造價(jià)低，且該系統(tǒng)自動化程度較高，可以減少人工操作，降低現(xiàn)場工人工作量。[13]

2018年同濟(jì)大學(xué)許思傳教授開發(fā)出了燃料電池汽車“電電混合”動力系統(tǒng)，在燃料電池動力系統(tǒng)及關(guān)鍵部件方面，開發(fā)了陰極無增濕水管理系統(tǒng)、高效一體化高壓電子水泵、氫循環(huán)控制系統(tǒng)、車用燃料電池用空氣壓縮機(jī)；在儲氫率上也有所突破。[14]

2018年山東交通學(xué)院楊慶敏研究了我國氫燃料電池車量產(chǎn)面臨許的問題，提出提高核心技術(shù)水平，降低成本和加強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)將是發(fā)展重點(diǎn)。[15]

2018年重汽崔志先開發(fā)出了燃料電池電堆方案-增濕、增壓和整車氫-電-結(jié)構(gòu)耦合安全性綜合管理和互鎖控制系統(tǒng)。整車氫-電-結(jié)構(gòu)耦合安全性綜合管理和互鎖控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)整車在碰撞、失火、氫氣泄漏和漏電等情況下氫、電設(shè)備安全防護(hù)，及時(shí)斷電、斷氫提升整車安全性，制定緊急狀態(tài)下的氫電聯(lián)動安全控制策略。[16]

2.2國外研究成果

2007年英國科學(xué)家UK-SHEC 項(xiàng)目組的研究人員發(fā)明出一種鋰化合物，可使機(jī)載燃料電池存儲足夠的氫，從而能驅(qū)動汽車連續(xù)行駛 300英里。[17]

2011年Electro Pow erSystem s SpA.發(fā)布公司新技術(shù) ElectroSelf，它是世界上第一個(gè)完全自我充電的氫燃料電池技術(shù)。該技術(shù)旨在任何地點(diǎn)，無論是否離網(wǎng)，還是缺乏可靠電力或極端氣候的位置，都為移動網(wǎng)絡(luò)提供可靠的備用電源。[18]

2012年Nancy L.Garland 討論了最近關(guān)于燃料電池成本，耐用性和性能的結(jié)果，以及氫氣相關(guān)技術(shù)和交叉活動的現(xiàn)狀。 美國能源部已經(jīng)在關(guān)鍵的早期市場部署了燃料電池，包括備用電源和叉車。 最近的分析表明，燃料電池電動汽車（FCEV）是減少溫室氣體排放和石油使用的最有前途的選擇之一。 初步分析還表明，F(xiàn)CEV的總擁有成本將與其他先進(jìn)的車輛和燃料選擇相當(dāng)。[19]

2015年J.Huang、C.H.Wong通過MD模擬研究了氫原子通過中樞神經(jīng)系統(tǒng)的運(yùn)輸特性。指出在更高的抽速下，氫原子更可能逸入空氣中。而且，CNS的直徑越大，吸收和泄漏的氫原子的數(shù)量也越多。[20]

2016年Milton Borsato通過在氫燃料電池堆的模擬模型上進(jìn)行的數(shù)值模擬研究來解決優(yōu)化氫燃料電池堆的操作參數(shù)的問題。提出了一個(gè)在Matlab Simulink中開發(fā)的氫燃料電池堆系統(tǒng)的數(shù)值模擬模型，并且模擬結(jié)果允許選擇和優(yōu)化適合于特定使用條件的控制參數(shù)。該模型反映了電池的性能特征，并且允許由氫氣罐，控制閥和控制器，傳感器，能量緩沖系統(tǒng)（超級電容器）等組成的氫燃料電池堆的模擬工作和控制。[21]

2017年日本11家公司在全日本開展氫燃料電池車（FCEV）加氫站的戰(zhàn)略性布局，以推動FCEV的普及和加氫站的獨(dú)立運(yùn)營[22]

2018年Sivaprakash Sengodan認(rèn)為生產(chǎn)燃料電池應(yīng)用的氫氣或合成氣最具吸引力的路線之一是碳?xì)浠衔锏闹卣筒糠盅趸?碳?xì)浠衔镌诟邷厝剂想姵刂械氖褂猛ㄟ^外部或內(nèi)部重整來實(shí)現(xiàn)。 重整和部分氧化催化將碳?xì)浠衔镛D(zhuǎn)化為富氫合成氣在燃料加工技術(shù)中發(fā)揮著重要作用。總結(jié)了當(dāng)前用于制氫的碳?xì)浠衔镏卣筒糠盅趸淖罴研阅艽呋瘎┑母艣r。[23

2.3國內(nèi)外研究成果總結(jié)

氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展在世界各國備受關(guān)注，美國、德國、日本等發(fā)達(dá)國家相繼將發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)提升到國家能源戰(zhàn)略高度。氫能是未來能源系統(tǒng)的重要組成部分，各國紛紛將發(fā)展氫能提升到國家戰(zhàn)略層面，制定戰(zhàn)略規(guī)劃路線圖，探索產(chǎn)業(yè)化發(fā)展途徑。中國在氫燃料電池電堆及其關(guān)鍵材料領(lǐng)域已初步形成產(chǎn)業(yè)鏈，但技術(shù)成熟度差距較大。國外在氫燃料電池關(guān)鍵材料和其他零部件方面，如催化劑、質(zhì)子交換膜、碳紙、空壓機(jī)、氫循環(huán)泵膜電極等核心零部件上的研究遙遙領(lǐng)先于我國，雖然我國氫氣年產(chǎn)量已逾千萬噸規(guī)模，位居世界第一，工業(yè)副產(chǎn)氫資源豐富，為我國開展大規(guī)模副產(chǎn)氫提純和電解水制氫工作提供了優(yōu)勢條件，但氫源產(chǎn)業(yè)鏈尚未建立完善，有能力配套的企業(yè)少，技術(shù)水平較低，大多屬于空白或尚未成熟，需要采用進(jìn)口材料，國際上也被少數(shù)企業(yè)壟斷，價(jià)格極高。

在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面，組織了有關(guān)企業(yè)，建立完善的加氫站建設(shè)、氫氣供應(yīng)、加氫站運(yùn)營體系；同時(shí)明確了地方加氫站建設(shè)審批主體、理順責(zé)任關(guān)系、規(guī)范審批流程，為發(fā)展氫能源舔磚加瓦、鋪路搭橋。我國也深刻認(rèn)識到提高核心技術(shù)水平，降低成本和加強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)將是發(fā)展重點(diǎn)。通過政策技術(shù)雙驅(qū)動消除瓶頸，規(guī)模效應(yīng)降成本，推動燃料電池汽車最終實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，成為我國未來新能源汽車戰(zhàn)略中的重要組成。

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