氫燃料電池特性試驗(yàn)分析研究

【摘" 要】在“雙碳”目標(biāo)及可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略背景下，氫燃料電池汽車備受國(guó)內(nèi)外關(guān)注，其在節(jié)能減排、環(huán)保方面作用重大。但氫燃料電池汽車發(fā)展受制氫與儲(chǔ)氫技術(shù)、燃料電池特性及穩(wěn)定性等因素限制。為發(fā)揮燃料電池的環(huán)保價(jià)值，文章主要對(duì)氫燃料電池汽車的發(fā)展現(xiàn)狀及電池特性進(jìn)行分析和研究，期望能促進(jìn)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，加快燃料電池升級(jí)，推進(jìn)氫燃料汽車發(fā)展，推動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)綠色節(jié)能。

【關(guān)鍵詞】氫燃料電池汽車；燃料電池；電池關(guān)鍵特性

中圖分類號(hào)：U469.72""" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A""" 文章編號(hào)：1003-8639（2025）01-0028-03

Experimental Analysis of Hydrogen Fuel Cell Battery Characteristics

ZHAO Xiaolong，LU Yayun，ZHOU Yanyan，MA Cheng，BA Yinliang

（Xinjiang Vocational University，Urumqi 830013，China）

【Abstract】Under the background of“dual carbon”goal and sustainable development strategy，hydrogen fuel cell vehicles have attracted much attention at home and abroad，and play an important role in energy saving，emission reduction and environmental protection. However，the development of hydrogen fuel cell vehicles is limited by factors such as hydrogen production and hydrogen storage technology，fuel cell characteristics and stability. In order to exert the environmental protection value of fuel cells，the paper mainly analyzes and studies the development status of hydrogen fuel cell vehicles and battery characteristics，hoping to promote the development of hydrogen energy industry，accelerate the upgrading of fuel cells，promote the development of hydrogen fuel vehicles，and promote the green energy saving of the automobile industry.

【Key words】hydrogen fuel cell vehicle；fuel cell；key characteristics of battery

能源和環(huán)境是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必備條件。社會(huì)發(fā)展使傳統(tǒng)汽車保有量持續(xù)上升，導(dǎo)致能源短缺和污染陷入惡性循環(huán)。為解決能源、環(huán)境、氣候等問(wèn)題，開(kāi)發(fā)新能源刻不容緩。其中，氫能清潔、高效、安全、可持續(xù)，被視為21世紀(jì)極具潛力的清潔能源，各國(guó)高度重視氫能開(kāi)發(fā)[1]。以氫燃料電池作為汽車動(dòng)力，讓汽車成為“綠色燃料”汽車。

1" 氫燃料電池汽車發(fā)展現(xiàn)狀

縱觀國(guó)內(nèi)外氫燃料電池汽車發(fā)展，目前國(guó)外已經(jīng)在成本控制、續(xù)航里程、關(guān)鍵技術(shù)等方面領(lǐng)先于國(guó)內(nèi)，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1）成本：國(guó)外已經(jīng)把成本控制在10～30萬(wàn)元/每車，未來(lái)還會(huì)有新的突破。

2）續(xù)航里程：已達(dá)到500～850km，與電動(dòng)汽車相比，不再有續(xù)航焦慮。

3）加注時(shí)間：氫燃料加注時(shí)間在3～5min，環(huán)保效益更明顯。

4）抗低溫和高溫性能：出色，可以在-35～45℃的溫度區(qū)間運(yùn)行，這點(diǎn)與電動(dòng)汽車相比優(yōu)勢(shì)更突出。

5）壽命：能夠達(dá)到30年或60萬(wàn)公里。

因?yàn)槿剂想姵仄嚨耐茝V和發(fā)展需要大力投入氫能基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，考慮到商用車運(yùn)行路線相對(duì)單一，加之對(duì)加氫能基礎(chǔ)設(shè)施的要求較低，所以中國(guó)采取了以商用車示范運(yùn)營(yíng)的戰(zhàn)略方針推進(jìn)燃料電池商業(yè)化發(fā)展。

2" 氫燃料電池汽車發(fā)展需要解決的問(wèn)題

燃料電池汽車的發(fā)展依賴氫能產(chǎn)業(yè)，只有氫能行業(yè)快速發(fā)展，才能推動(dòng)氫燃料電池汽車前行。氫能全產(chǎn)業(yè)鏈包括制、運(yùn)、儲(chǔ)等環(huán)節(jié)。目前，化石燃料制氫、工業(yè)副產(chǎn)氫和可再生能源制氫3種路線并存?；剂现茪浼夹g(shù)成熟、成本低，但碳排放高且不可再生，產(chǎn)能擴(kuò)張受限；化工副產(chǎn)氫成本較低，但規(guī)模取決于主產(chǎn)品，擴(kuò)張有限，可補(bǔ)充氫源；電解水制氫零碳排、可持續(xù)，卻因成本制約難以普及[2]。

現(xiàn)階段，中國(guó)氫能儲(chǔ)運(yùn)主要靠長(zhǎng)管拖車高壓氣態(tài)儲(chǔ)運(yùn)，運(yùn)輸量小，不適合遠(yuǎn)途，且有易爆危險(xiǎn)。長(zhǎng)遠(yuǎn)看，大規(guī)模應(yīng)用需管道輸送以實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域、長(zhǎng)距離應(yīng)用。氫燃料電池汽車發(fā)展需要解決以下問(wèn)題：①解決氫源及氫氣儲(chǔ)存的問(wèn)題，采用大量制取廉價(jià)氫氣的方法，傳統(tǒng)的電解方法價(jià)格昂貴無(wú)法推廣；②解決氫氣的安全儲(chǔ)運(yùn)問(wèn)題；③解決汽車所需的高性能、廉價(jià)的氫供給系統(tǒng)；④優(yōu)化氫燃料電池關(guān)鍵特性，降低氫燃料電池的成本[3]；⑤降低電極的鉑負(fù)載量；⑥研究性能優(yōu)異的質(zhì)子交換膜；⑦雙極成本降低。

3" 氫燃料電池關(guān)鍵技術(shù)探索研究

3.1" 氫燃料電池結(jié)構(gòu)

燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)包含燃料電池電堆、氫氣子系統(tǒng)、空氣子系統(tǒng)、熱管理子系統(tǒng)、負(fù)載控制子系統(tǒng)[4-5]。單個(gè)電池的電壓約為0.6～0.8V，數(shù)百個(gè)單電池串聯(lián)起來(lái)使用便可獲得高壓。氫燃料電池結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3.2" 氫燃料電池的工作原理

將氫氣送到燃料電池的負(fù)極，經(jīng)過(guò)催化劑（鉑）的作用，氫原子中的一個(gè)電子被分離出來(lái)，失去電子的氫離子（質(zhì)子）穿過(guò)質(zhì)子交換膜，到達(dá)燃料電池正極，而電子不能通過(guò)質(zhì)子交換膜，電子只能經(jīng)外部電路到達(dá)燃料電池正極，從而在外電路中產(chǎn)生電流。電子到達(dá)正極后，與氧原子和氫離子重新結(jié)合為水。由于供應(yīng)給正極的氧，可以從空氣中獲得，因此只要不斷地給負(fù)極供應(yīng)氫，給正極供應(yīng)空氣，并及時(shí)把水（蒸氣）帶走，就可以不斷地提供電能，如圖2所示。

3.3" 氫燃料電池的特性分析

1）試驗(yàn)?zāi)康?。通過(guò)對(duì)比測(cè)量氫燃料電池質(zhì)子交換膜加濕與不加濕狀態(tài)下的電壓值、流量值與功率值等參數(shù)，探究質(zhì)子交換膜的工作特性及最佳工作效率。

2）試驗(yàn)設(shè)備。設(shè)備有流量計(jì)、減壓閥、氫氣壓縮罐、冷卻風(fēng)扇、氫燃料電池堆、功率表、電流表、電壓表。圖3為氫燃料電池特性分析試驗(yàn)設(shè)備。

3）試驗(yàn)方法。采用兩種試驗(yàn)方法，一種是燃料電池不加濕法，另一種是加濕法，如圖4、圖5所示。試驗(yàn)時(shí)，首先通過(guò)減壓閥把高壓氫罐的氫氣壓力調(diào)為0.07MPa，工作溫度保持不變。然后逐漸增大燃料電池堆的輸出電流，分別記錄功率表、電流表、電壓表及流量計(jì)的讀數(shù)。

4）試驗(yàn)數(shù)據(jù)。加濕前后兩種方法數(shù)據(jù)測(cè)量記錄見(jiàn)表1。

通過(guò)對(duì)比加濕法和不加濕法兩種情況下的燃料電池特性、功率特性和流量特性，可以發(fā)現(xiàn)采用加濕法后最大輸出電流提高了27.3%，而輸出電流為5.5A處的端電壓提高了24.9%，輸出功率也提高了24.4%，如圖6所示，最大輸出功率提高了37.5%，如圖7所示，最大流量提高了28.2%，如圖8所示。

從以上試驗(yàn)分析可知，氫燃料電池的質(zhì)子交換膜需要有水才能比較好地傳導(dǎo)質(zhì)子。質(zhì)子交換膜的導(dǎo)電與其水含量密切相關(guān)，膜的水含量對(duì)于燃料電池的性能和壽命具有非常重要的作用。因此，對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池必須進(jìn)行加濕處理，這樣才能使質(zhì)子交換膜燃料電池得以高效工作。

4" 燃料電池的創(chuàng)新技術(shù)

1）隨著燃料電池領(lǐng)域技術(shù)的逐漸突破，第三代車用燃料電池的成本從100萬(wàn)美元降到5萬(wàn)美元，降幅高達(dá)95%。

2）第三代燃料電池汽車加滿5kg氫氣可以連續(xù)行駛650km以上。

3）第三代燃料電池堆在正極上采用“3D立體微流道技術(shù)”，通過(guò)更好地排出副產(chǎn)物水，讓更多空氣流入，有效改善了發(fā)電效率；在電極催化劑層上采用鉑鈷合金催化劑，活性提升1.8倍，同時(shí)氣體擴(kuò)散層采用低密度材料，質(zhì)子交換膜的厚度減少1/3，導(dǎo)電性提升3倍。整個(gè)電池堆的發(fā)電效率達(dá)到了3.1kW/L，比第二代整整提升了2.2倍。

4）由于燃料電池堆棧中每片電池發(fā)電的電壓大約在0.6～0.8V之間，370片薄片燃料電池，整體也不會(huì)超過(guò)300V電壓，所以為了更好驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，安裝了一個(gè)升壓器，將電壓提升到650V，這樣使第三代燃料電池的質(zhì)量比第二代減少了48%。

5" 結(jié)語(yǔ)

氫能源是未來(lái)可以同時(shí)解決能源危機(jī)和環(huán)境污染問(wèn)題的綠色能源，是未來(lái)能源的發(fā)展趨勢(shì)。氫燃料電池汽車作為氫能產(chǎn)業(yè)的下游產(chǎn)業(yè)，發(fā)展主要依賴于制氫、運(yùn)氫和儲(chǔ)氫及燃料電池技術(shù)。本文通過(guò)對(duì)氫燃料電池的關(guān)鍵特性進(jìn)行試驗(yàn)、分析，總結(jié)了影響燃料電池性能的主要因素，對(duì)氫燃料電池的關(guān)鍵技術(shù)突破有指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

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（編輯" 凌" 波）