氫燃料電池的結(jié)構(gòu)特性與氫燃料電池汽車的發(fā)展概述

徐志紅　朱曉雯　徐彩妮

摘 要：氫燃料電池將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能，擁有零排放、效率高，基本無噪聲，低溫下表現(xiàn)優(yōu)秀等優(yōu)點，同時也有成本較高、系統(tǒng)運行條件要求較高，存在一定滯后性等不足。氫燃料電池技術(shù)研究主要集中于膜電極、雙極板以及輔助系統(tǒng)三大方面，燃料電池電堆本身無法直接工作，需要空氣系統(tǒng)，氫氣系統(tǒng)，熱管理系統(tǒng)的協(xié)同工作，才能合理應(yīng)對各種工況。國內(nèi)外都將氫能作為綠色低碳的重要能源來大力推動，隨著需求的發(fā)展，成本將會大幅下降，未來5-10年內(nèi)即將迎來高速增長期，市場化程度和普及率也會隨之大幅提高。

關(guān)鍵詞：氫燃料 氫燃料電池 氫能 氫燃料電池汽車

1 引言

隨著我國堅定的朝著2030年碳達峰和2060年碳中和目標推進，綠色能源的發(fā)展與應(yīng)用越來越快，氫能作為零排放、零污染的能源在各行各業(yè)突顯出它的重要性，而氫燃料電池汽車在氫能應(yīng)用上占有著絕對的比重，國內(nèi)外都在大力推廣。氫燃料電池有著顯著的優(yōu)點，但也面臨著不可忽視的挑戰(zhàn)，需要上下游產(chǎn)業(yè)鏈共同推進，在燃料電池技術(shù)及制氫、儲氫、加氫站全方位努力，大幅降低成本，擴大應(yīng)用。

2 氫燃料電池

2.1 燃料電池的分類

燃料電池是一種將燃料與氧化物原本通過燃燒反應(yīng)的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的裝置；根據(jù)電解質(zhì)的不同，可將其分為多種燃料電池類型，如表1所示。

其中質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）受新能源汽車行業(yè)驅(qū)動，發(fā)展前景良好。2020年全球市場出貨量占比最高的仍是質(zhì)子交換膜電池，其出貨比例占全球燃料電池市場的 78.08%；出貨量占比第二位的是固體氧化物燃料電池，占比為 11.19%；質(zhì)子交換膜（PEM）的質(zhì)量對燃料電池的性能和壽命起著決定性作用，全氟磺酸質(zhì)子交換膜是目前唯一能實現(xiàn)商業(yè)化的。

2.2 氫燃料電池的基本反應(yīng)原理

燃料電池是以原電池的反應(yīng)原理運行的，通過氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生電流。以目前主流采用的質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）技術(shù)為例， 其電堆工作原理[2]和電極反應(yīng)如圖1所示。

其反應(yīng)方程式為：負極（陽極）H2-2e-=2H+；正極（陰極）1/2O2+H2O+2H++2e- =2H2O；總反應(yīng)：H2+1/2O2=H2O

2.3 氫燃料電池系統(tǒng)的構(gòu)成與關(guān)鍵零部件

氫燃料電池系統(tǒng)由電堆、空氣供給系統(tǒng)、氫氣循環(huán)系統(tǒng)、水熱管理系統(tǒng)和電控系統(tǒng)五大部分構(gòu)成。電堆及輔助系統(tǒng)（BOP）的耐用性等性能決定了燃料電池的性能和使用壽命等多個指標；

氫燃料電池技術(shù)研究主要集中于膜電極、雙極板以及輔助系統(tǒng)系統(tǒng)三大方面[3]：

（1）膜電極（催化劑、質(zhì)子交換膜、氣體擴散層）作為核心部件，直接決定了電堆功率密度、壽命以及耐久性等重要指標。

（2）雙極板在燃料電池中起到分隔反應(yīng)氣體、除熱、排出化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物（水）的作用的部件。要分為石墨、金屬兩大類別：石墨雙極板擁有優(yōu)良的導(dǎo)電性以及較好的抗腐蝕能力，應(yīng)用廣泛，但機械強度差、體積大，導(dǎo)致體積功率密度難以提高；金屬雙極板具有成本低，體積功率密度高，延展性、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能好等優(yōu)點，未來的發(fā)展更具潛力；

（3）輔助系統(tǒng)的作用是保證電堆正常工作，其中比較核心的零部件包括：空氣壓縮機，氫氣循環(huán)泵/引射器，加濕器。

（4）空氣壓縮機在輔助系統(tǒng)中成本最高，功耗最大（消耗電堆發(fā)電功率近20%），目前降本增效有兩個方向，一是優(yōu)化空壓機本身的性能和成本；二是減少電堆空氣過量比，提高能量轉(zhuǎn)化效率，從而減少空氣需求量，選擇功率更小的空氣壓縮機；

（5）氫氣循環(huán)泵和引射器的作用都是循環(huán)氫氣，引射器在高速工況表現(xiàn)優(yōu)秀（體積小，無能耗），但低速啟停工況表現(xiàn)差（氫氣進氣壓力過?。粴錃庋h(huán)泵可以在各種工況正常工作，但缺點是體積大，有噪聲，有能耗；

2.4 氫燃料電池的特點

氫燃料電池及氫燃料電池汽車的應(yīng)用有以下主要優(yōu)點[4]：

（1）直接把化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能，效率通常遠遠高于內(nèi)燃機，通常在45%-60%之間；

（2）是理想的全固態(tài)機械結(jié)構(gòu)，基本無噪聲，決定了具有高可靠性和長壽命的潛力；

（3）燃料電池系統(tǒng)允許在功率和容量之間可以柔性匹配，使用場景更豐富，而動力電池中功率和容量的關(guān)系通常相互關(guān)聯(lián)；

（4）氫燃料電池汽車（FCEV）可以靠補充氫氣而實現(xiàn)快速補能，使用過程中零排放，無污染；

（5）氫燃料電池汽車（FCEV）在低溫環(huán)境下表現(xiàn)優(yōu)秀，冷啟動能力強，低溫工況下的能量損耗低；

其也有不可回避的缺點：

（1）與相同功率的動力電池相比，成本更高，但近幾年隨著產(chǎn)業(yè)化進程發(fā)展，成本將不斷降低；

（2）由于電化學(xué)反應(yīng)從氣體到電的過程存在滯后性，動態(tài)功率響應(yīng)能力弱于電池，且在車輛上的發(fā)電過程不可逆，所以FCEV必須要安裝動力電池用作瞬時功率響應(yīng)和能量回饋，在功率需求變化大或小功率頻繁啟停的工況，氫氣消耗量將顯著增加；

（3）FCEV中燃料電池系統(tǒng)運行條件要求較高，依托于整車對氫氣系統(tǒng)，空氣系統(tǒng)，熱管理系統(tǒng)、高壓系統(tǒng)的合理設(shè)計與控制才能實現(xiàn)協(xié)調(diào)工作，任何環(huán)節(jié)受到突發(fā)的影響，均可能會影響到燃料電池系統(tǒng)甚至整車性能和可靠性。

3 氫燃料電池汽車發(fā)展概況

3.1 國外產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及規(guī)劃

國外發(fā)達國家也紛紛布局氫能產(chǎn)業(yè)，基于能源安全、穩(wěn)定供應(yīng)、經(jīng)濟效率、環(huán)境適應(yīng)、多元化能源結(jié)構(gòu)等原則，開始了長期的投入和布局，其中美、歐、日、韓規(guī)劃較快，政策支持力度較強[5]：

（1）日本政府通過打造國際氫氣供應(yīng)鏈，發(fā)揮企業(yè)聯(lián)盟作用協(xié)調(diào)企業(yè)氫能發(fā)展，并搭建“政企學(xué)”創(chuàng)新平臺提供研發(fā)技術(shù)支持，截至2022年2月已建加氫站157座，規(guī)劃2030年前生產(chǎn)氫燃料電池汽車80萬臺，建設(shè)加氫站900座。

（2）韓國政府自上而下制定氫能發(fā)展規(guī)劃政策，并提供充足的財政資金支持，引導(dǎo)社會資本進入氫能產(chǎn)業(yè)；截止2021年已建加氫站170座，韓國燃料電池裝機量占全球的35%，規(guī)劃2030年前生產(chǎn)氫燃料電池汽車85萬輛，建設(shè)加氫站660座。

（3）美國將氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展作為長期戰(zhàn)略儲備，推動社會利益相關(guān)方在競爭性機制下開展合作，將2020-2030年作為氫能全面發(fā)展階段，制氫電解槽使用壽命達8萬小時，成本300美元/千瓦，轉(zhuǎn)換效率達65%；儲氫罐采用高強度碳纖維，成本約13美元/千克；其用氫價格目標小于2美元/千克。

（4）歐盟目前主要將氫能作為重點行業(yè)降碳減排和保護國家能源安全的關(guān)鍵手段，總體布局在2024-2030年氫能成為綜合能源系統(tǒng)的重要組成部分，歐盟規(guī)劃在2050年前生產(chǎn)氫燃料電池乘用車370萬輛、氫燃料電池輕型商用車50萬輛，氫燃料電池卡車和巴士570萬輛。

日本和韓國在世界范圍內(nèi)氫燃料電池汽車領(lǐng)域走在前列，其中日本的豐田MIRAI二代與韓國的現(xiàn)代NEXO是目前技術(shù)最成熟、銷量最高的燃料電池轎車與SUV。

3.2 國內(nèi)氫能發(fā)展情況

2022年3月，國家發(fā)改委和國家能源局聯(lián)合發(fā)布了《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021-2035）》，以2060年碳中和為總體方向，進一步明確了氫能在我國能源體系中的角色定位以及在綠色低碳轉(zhuǎn)型過程中的重要作用，并從制、儲、運和基礎(chǔ)設(shè)施等全產(chǎn)業(yè)鏈的角度進行了統(tǒng)籌規(guī)劃和布局，突出了市場主體位置，為氫能高質(zhì)量發(fā)展提供了行動指南。已有北京、江蘇、廣東、上海等 29 個省市出臺了氫能專項政策。

燃料電池汽車（FCEV）是國內(nèi)新能源汽車三大路線之一，在2060年碳中和的總體氫能減排目標下，路面交通減排是最重要的組成部分。近幾年隨著質(zhì)子交換膜燃料電池在新能源汽車領(lǐng)域應(yīng)用不斷加深，裝機量和基礎(chǔ)設(shè)施呈高速增長趨勢，未來5-10年內(nèi)即將迎來高速增長期，市場化程度和普及率也會隨之大幅提高。

中國是世界上最大的制氫國，當前以化石燃料制氫為主，占比約64%，工業(yè)副產(chǎn)制氫和電解水制氫分別占比約32%和4%。但化石燃料制灰氫一方面受能源轉(zhuǎn)型的影響原料供給減少；另一方面制氫過程二氧化碳排放增加，不是最優(yōu)的制氫選擇。電解水制氫技術(shù)設(shè)備簡單，工藝流程穩(wěn)定可靠，產(chǎn)生的氫氣純度高（>99%），同時生產(chǎn)過程基本實現(xiàn)零碳排放，是最理想的氫氣制備方式[6]。

氫氣儲運連接氫氣供應(yīng)端和需求端，是氫能規(guī)?；?、商業(yè)化發(fā)展的重要發(fā)展環(huán)節(jié)。氫氣的儲運主要分為氣態(tài)儲運、液態(tài)儲運、固體儲運三種方式，其中高壓氣態(tài)長管拖車是目前中國技術(shù)掌握最成熟、應(yīng)用最廣泛的氫儲運方式，加氫站的外送氫氣均采用長管拖車進行運輸。

3.3 國內(nèi)氫燃料電池汽車發(fā)展現(xiàn)狀

目前燃料電池商用車已經(jīng)初具規(guī)模，在國產(chǎn)化趨勢以及氫能市場份額不斷擴大的背景下，燃料電池系統(tǒng)的成本逐漸降低；

乘用車方面除了國際上的現(xiàn)代NEXO與豐田MIRAI之外，國內(nèi)如上汽、長安、東風、紅旗等傳統(tǒng)車企，在氫能源的發(fā)展趨勢下，紛紛開始燃料電池乘用車的開發(fā)和布局，目前基本都處于前期研究、上公告，但還未有實際量產(chǎn)車型；

后續(xù)氫燃料電池汽車的發(fā)展取決于四個主要因素：車載燃料電池系統(tǒng)技術(shù)與成本、制氫（綠氫/藍氫）產(chǎn)業(yè)發(fā)展，氫氣的儲運、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)（加氫站）。

4 氫燃料電池汽車的挑戰(zhàn)與展望

目前燃料電池汽車推廣所面臨的問題主要有兩大部分，一部分是汽車本身增加的成本，另一部分是氫能產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)發(fā)展不同步、不均衡的問題。

在燃料電池汽車層面，主要的瓶頸是燃料電池系統(tǒng)和車載氫系統(tǒng)的成本，歐陽明高院士在2023年5月5日的氫能應(yīng)用現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)鏈高質(zhì)量發(fā)展推進會上表示，“近年來，燃料電池的成本在大幅下降，去年每KW成本已經(jīng)到3000元了，預(yù)計到2025年，可以降到1000元，2030年可以降到500元?！卑创擞嬎?，在2025年，以60kW燃料電池系統(tǒng)裝車計算，燃料電池系統(tǒng)和車載氫系統(tǒng)可以控制在10萬元級別，2030年可以達到7萬元以內(nèi)，在15萬以上市場可以具備一定的競爭力。

與此同時，在國家《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021-2035）》的引領(lǐng)下，燃料電池汽車推廣所面臨的兩大問題得到緩解或解決，將會驅(qū)動全產(chǎn)業(yè)鏈市場化發(fā)展，相信在未來3-5年，氫燃料電池汽車積累了市場、成本和技術(shù)優(yōu)勢，將會有一個大的飛躍。

參考文獻：

[1]張劍光，氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展展望——氫燃料電池系統(tǒng)與氫燃料電池汽車和發(fā)電[J].化工設(shè)計.2020，30（1）：3-6

[2]秦飛，郭朋彥，張瑞珠等，氫燃料電池堆封裝研究現(xiàn)狀［J］.汽車電器.2022（3）：14-17.

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[6]高鵬然，氫燃料電池應(yīng)用進展研究[J].石化技術(shù).2020（6）：115-116.