淺談氫燃料電池汽車的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

趙燕　張敏

摘 要：石油資源的日益減少和汽車尾氣的過度排放迫使汽車行業(yè)需要尋找新出路。各國都在致力于研發(fā)能夠替代傳統(tǒng)燃油的清潔燃料，以減少對石油資源的過度依賴和汽車尾氣的過度排放。新能源汽車的出現(xiàn)給學(xué)者們的研究帶來了新希望。而新能源汽車中的氫燃料電池汽車作為動力足、無污染的一類電動汽車，是未來新能源汽車的發(fā)展方向。本文通過對氫燃料電池汽車的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢進行分析，對調(diào)整我國的能源消耗占比、實現(xiàn)氫燃料電池汽車的快速應(yīng)用，同時提升自身能源安全具有重大意義。

關(guān)鍵詞：氫燃料電池汽車 新能源汽車 燃料電池

Talking about the Current Situation and Development Trend of Hydrogen Fuel Cell Vehicles

Zhao Yan，Zhang Min

Abstract：The ever-decreasing petroleum resources and excessive emission of automobile exhaust have forced the automobile industry to find a new way out. Countries are committed to the research and development of clean fuels that can replace traditional fuels to reduce excessive dependence on petroleum resources and excessive emissions of automobile exhaust. The emergence of new energy vehicles has brought new hope to scholars' research. In the new energy vehicles， hydrogen fuel cell vehicles， as a kind of electric vehicles with sufficient power and pollution-free， are the development direction of new energy vehicles in the future. This article analyzes the current status and development trend of hydrogen fuel cell vehicles， and it is of great significance to adjust the proportion of energy consumption in our country， to realize the rapid application of hydrogen fuel cell vehicles， and to improve its own energy security at the same time.

Key words：hydrogen fuel cell vehicles， new energy vehicles， fuel cells

1 引言

傳統(tǒng)汽車的出現(xiàn)，使人們的出行更加便利和多樣化。但是在汽車產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的同時也產(chǎn)生了一些不良后果，例如汽車尾氣過度排放導(dǎo)致的環(huán)境污染;汽車保有量增多導(dǎo)致的石油資源快速減少等問題。因此國家出臺一系列政策來改善目前汽車產(chǎn)業(yè)所面臨的難題。“三步走”，就是近年全球汽車產(chǎn)業(yè)為了避免我國電動車技術(shù)研究人員進入研究瓶頸而在新能源汽車產(chǎn)業(yè)方面逐步形成的統(tǒng)一共識：近期：推廣天然氣、乙醇等清潔能源;中期：推廣油電混合動力系統(tǒng)設(shè)計作為傳統(tǒng)汽車和純電動汽車之間的過渡階段;遠期：發(fā)展氫動力。

在地球上蘊藏著巨大的能量，在空氣中H2的含量達到了70%，也可以通過陽光、風(fēng)力、植物、水能等方式提取，而氫燃料電池就是以H2和O2為原材料向新能源汽車提供能量。作為新能源汽車的主要動力能源，其排放幾乎達到了無污染。因此氫燃料電池將替代汽油和柴油成為未來汽車的主要動力能源，同時氫燃料電池也被譽為是最有發(fā)展前景的動力電池之一。

2 燃料電池概述

在《世界能源統(tǒng)計年鑒2020》中提到：2019年一次能源消費增速放緩至1.3%，不到2018年增速的一半（2.8%），但就國家層面而言，中國仍然是能源消耗大國[1]。為了緩解一次能源消耗帶來的資源短缺和環(huán)境污染等問題，國家大力發(fā)展新能源汽車，新能源汽車主要包括純電動汽車、增程式電動汽車、混合動力汽車和其他新能源汽車。其中燃料電池汽車被認為是最有發(fā)展?jié)摿Φ男履茉雌囍械囊环N。

燃料電池汽車以燃料電池系統(tǒng)作為單一動力源或者是以燃料電池系統(tǒng)與可充電儲能系統(tǒng)作為混合動力源的電動汽車[2]。在燃料電池汽車中，燃料電池是核心，燃料電池實際上是一種化學(xué)電池，能直接將物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)釋放的電能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽ぷ鲿r需要連續(xù)不斷的向其供給活性物質(zhì)——氫和氧化劑。燃料電池從表面看有正負極和電解質(zhì)，像一個蓄電池，但它不能儲能，而是一個發(fā)電廠。因此在使用的過程中為了能夠回收制動能量，通常采用蓄電池+燃料電池組合作為汽車的動力電池。

按照電解質(zhì)的不同，燃料電池可分為質(zhì)子交換膜燃料電池、堿性燃料電池、磷酸燃料電池、再生型燃料電池等，其中質(zhì)子交換膜燃料電池有可能成為繼磷酸鹽燃料電池之后最早實現(xiàn)商業(yè)化的燃料電池。

燃料電池內(nèi)部反應(yīng)過程實際上是氧化還原反應(yīng)，其單體電池由陽極、陰極和質(zhì)子交換膜組成，氫燃料在陽極發(fā)生反應(yīng)，氧氣在陰極發(fā)生反應(yīng)，同時在陽極和陰級都含有加速電極電化學(xué)反應(yīng)的催化劑，質(zhì)子交換膜為電解質(zhì)。

在反應(yīng)過程中，氫氣通過陽極集流板-擴散層-催化劑層，在催化劑的作用下分解成帶正電的氫離子和帶負電的電子，氫離子穿過質(zhì)子交換膜來到陰極，電子通過外電路來到陰極，在電池的另一端，氧氣從陰極集流板-擴散層-催化劑層，在催化劑的作用下與氫離子和電子反應(yīng)生成水，

陰極：2H2=4H++4e-

陽極：4H++4e-+O2=2H2O

電池總反應(yīng)：2H2+O2=2H2O

工作原理圖如下圖1所示：

氫氣和氧氣在反應(yīng)的過程中由于只生成水，因此被認為是最清潔的能源之一。氫燃料電池汽車較于傳統(tǒng)汽車的優(yōu)點是：

（1）氫燃料電池汽車是將氫燃料和氧化劑轉(zhuǎn)化為動力，能量轉(zhuǎn)化效率高。目前車用燃料電池發(fā)動機的綜合效率已可達40%～50%。（2）氫燃料電池發(fā)生反應(yīng)后主要產(chǎn)生水，近似無污染環(huán)境的廢氣排放。（3）氫燃料電池汽車與傳統(tǒng)汽車不同，是利用電動機產(chǎn)生動力驅(qū)動車輛行駛，這樣既簡化傳統(tǒng)機構(gòu)，又能保證效率的提升，同時還可以保證回收制動能量。（4）氫燃料電池可以像傳統(tǒng)汽車那樣快速的加燃料。因為燃料電池汽車普遍采用高壓氫氣儲存罐的方式來存儲氫氣，改善了燃料電池汽車里程短的缺陷。（5）氫燃料電池汽車打破汽車的動力來源常規(guī)獲取方式，燃料電池的主要原料為氫，氫是大自然中最豐富的資源之一，不論是天然氣還是水，都蘊藏了大量的資源。隨著燃料電池研究技術(shù)的發(fā)展，獲得氫燃料會更加簡便。

3 燃料電池汽車的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前的汽車可以說是從傳統(tǒng)汽車向純電動汽車的演變，也就是汽車動力來源的變化，實際上，1840年就有電動汽車的雛形，在隨后70年間也在大力的發(fā)展，蓄電池也在1958年問世并沿用至今的，但是在1915年以后，由于傳統(tǒng)汽車性能好、動力足等優(yōu)勢而大力發(fā)展，延緩了電動汽車的發(fā)展。

就目前而言，日本和韓國的研究水平處于全球領(lǐng)先水平，尤其是豐田、日產(chǎn)和現(xiàn)代汽車公司。2014年豐田Mirai燃料電池汽車實現(xiàn)量產(chǎn)并投入市場，把人們帶進燃料電池汽車時代[3]。同年現(xiàn)代起亞汽車集團投資5萬億韓元用于氫燃料電池等新能源技術(shù)的研發(fā)，并在歐洲市場推出FCEV“ix35”。

當(dāng)前我國的燃料電池依然處于研發(fā)和小規(guī)模示范運行的階段。在“863”高技項目、“十五規(guī)劃”的電動汽車重大科技專項與“十一五規(guī)劃”節(jié)能與新能源汽車重大項目的支持下，我國的PEMFC和FCEV整車研究發(fā)展迅速[4]。2003年，同濟大學(xué)萬鋼教授的團隊成功研制中國第一輛燃料電池轎車“超越號”并示范運行[3]。在整車方面，根據(jù)2017年中國新能源汽車目錄統(tǒng)計[5]，全國氫燃料電池商用車產(chǎn)量共1226輛，包括10家車企、11個品牌的22款氫燃料電池汽車。中國在《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中提出：推進燃料電池汽車研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化，到2020年，實現(xiàn)燃料電池汽車批量生產(chǎn)和規(guī)模化示范應(yīng)用。[6]

4 氫燃料電池汽車的發(fā)展趨勢

為了新能源汽車產(chǎn)業(yè)的不斷壯大，國家多次出臺利好政策以扶持新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在國務(wù)院發(fā)布的關(guān)于印發(fā)新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021—2035年）的通知（下稱《規(guī)劃》）中提出：到2025年我國新能源汽車市場競爭力明顯增強，動力電池、驅(qū)動電機、車用操作系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)取得重大突破，安全水平全面提升[7]。氫燃料電池汽車的性能現(xiàn)與傳統(tǒng)汽車性能差不多持平，但要想被廣泛應(yīng)用，需要進一步完善氫燃料電池汽車的缺陷，例如成本和推廣，同時其附屬設(shè)施的建設(shè)也要跟得上氫燃料汽車的發(fā)展腳步。未來，各國將根據(jù)自身實際頒布更多利好政策用于新能源汽車的研究與應(yīng)用。同時針對于氫燃料電池汽車，各類加氫站以及其他基礎(chǔ)設(shè)施也將根據(jù)氫燃料電池汽車的發(fā)展應(yīng)運而生。隨著國家技術(shù)的不斷突破和政策的不斷推進，燃料電池市場前景廣闊。

5 結(jié)語

燃料電池性能的是否提升關(guān)系著氫燃料電池汽車的廣泛發(fā)展。目前氫燃料電池技術(shù)不斷精進，可以預(yù)見，氫燃料電池汽車的廣泛應(yīng)用指日可待。

參考文獻：

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[2]GB/T19596-2017電動汽車術(shù)語[S].北京：中國標(biāo)準出版社，2017.

[3]王麗敏.燃料電池汽車的發(fā)展與展望[J].職教天地，2019（6）：127.

[4]溫延兵.氫燃料電池轎車能源與動力系統(tǒng)優(yōu)化匹配及控制策略研究[D].，2016.

[5]FCEV汽車.氫燃料電池汽車發(fā)展現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)及未來方向[EB/OL].（2018-03-30）[2].http：//baijiahao.baidu.com/s？id=1596257431800406155&wfr=spider&for=pc.

[6]中國商業(yè)研究院.2019年燃料電池市場前景研究報告[J].電器工業(yè)，2019（4）：23-31.

[7]中商情報網(wǎng).“十四五”新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃前瞻：產(chǎn)銷規(guī)模或達千萬輛[EB/OL].（2020-11-18）[2021.2.1].https：//baijiahao.baidu.com/s？id=1683685560565869932.