氫燃料電池的結構特性與氫燃料電池汽車的發展概述

徐志紅　朱曉雯　徐彩妮

摘 要：氫燃料電池將化學能直接轉化成電能，擁有零排放、效率高，基本無噪聲，低溫下表現優秀等優點，同時也有成本較高、系統運行條件要求較高，存在一定滯后性等不足。氫燃料電池技術研究主要集中于膜電極、雙極板以及輔助系統三大方面，燃料電池電堆本身無法直接工作，需要空氣系統，氫氣系統，熱管理系統的協同工作，才能合理應對各種工況。國內外都將氫能作為綠色低碳的重要能源來大力推動，隨著需求的發展，成本將會大幅下降，未來5-10年內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，綠色能源的發展與應用越來越快，氫能作為零排放、零污染的能源在各行各業突顯出它的重要性，而氫燃料電池汽車在氫能應用上占有著絕對的比重，國內外都在大力推廣。氫燃料電池有著顯著的優點，但也面臨著不可忽視的挑戰，需要上下游產業鏈共同推進，在燃料電池技術及制氫、儲氫、加氫站全方位努力，大幅降低成本，擴大應用。

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的化學能直接轉化成電能的裝置；根據電解質的不同，可將其分為多種燃料電池類型，如表1所示。

其中質子交換膜燃料電池（PEMFC）受新能源汽車行業驅動，發展前景良好。2020年全球市場出貨量占比最高的仍是質子交換膜電池，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%；質子交換膜（PEM）的質量對燃料電池的性能和壽命起著決定性作用，全氟磺酸質子交換膜是目前唯一能實現商業化的。

2.2 氫燃料電池的基本反應原理

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

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

2.3 氫燃料電池系統的構成與關鍵零部件

氫燃料電池系統由電堆、空氣供給系統、氫氣循環系統、水熱管理系統和電控系統五大部分構成。電堆及輔助系統（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；

氫燃料電池技術研究主要集中于膜電極、雙極板以及輔助系統系統三大方面[3]：

（1）膜電極（催化劑、質子交換膜、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氣體、除熱、排出化學反應產物（水）的作用的部件。要分為石墨、金屬兩大類別：石墨雙極板擁有優良的導電性以及較好的抗腐蝕能力，應用廣泛，但機械強度差、體積大，導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、導電導熱性能好等優點，未來的發展更具潛力；

（3）輔助系統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，氫氣循環泵/引射器，加濕器。

（4）空氣壓縮機在輔助系統中成本最高，功耗最大（消耗電堆發電功率近20%），目前降本增效有兩個方向，一是優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）氫氣循環泵和引射器的作用都是循環氫氣，引射器在高速工況表現優秀（體積小，無能耗），但低速啟停工況表現差（氫氣進氣壓力過小）；氫氣循環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用有以下主要優點[4]：

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

（2）是理想的全固態機械結構，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系通常相互關聯；

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

（5）氫燃料電池汽車（FCEV）在低溫環境下表現優秀，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，但近幾年隨著產業化進程發展，成本將不斷降低；

（2）由于電化學反應從氣體到電的過程存在滯后性，動態功率響應能力弱于電池，且在車輛上的發電過程不可逆，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中燃料電池系統運行條件要求較高，依托于整車對氫氣系統，空氣系統，熱管理系統、高壓系統的合理設計與控制才能實現協調工作，任何環節受到突發的影響，均可能會影響到燃料電池系統甚至整車性能和可靠性。

3 氫燃料電池汽車發展概況

3.1 國外產業發展現狀及規劃

國外發達國家也紛紛布局氫能產業，基于能源安全、穩定供應、經濟效率、環境適應、多元化能源結構等原則，開始了長期的投入和布局，其中美、歐、日、韓規劃較快，政策支持力度較強[5]：

（1）日本政府通過打造國際氫氣供應鏈，發揮企業聯盟作用協調企業氫能發展，并搭建“政企學”創新平臺提供研發技術支持，截至2022年2月已建加氫站157座，規劃2030年前生產氫燃料電池汽車80萬臺，建設加氫站900座。

（2）韓國政府自上而下制定氫能發展規劃政策，并提供充足的財政資金支持，引導社會資本進入氫能產業；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%，規劃2030年前生產氫燃料電池汽車85萬輛，建設加氫站660座。

（3）美國將氫能產業發展作為長期戰略儲備，推動社會利益相關方在競爭性機制下開展合作，將2020-2030年作為氫能全面發展階段，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降碳減排和保護國家能源安全的關鍵手段，總體布局在2024-2030年氫能成為綜合能源系統的重要組成部分，歐盟規劃在2050年前生產氫燃料電池乘用車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氫燃料電池汽車領域走在前列，其中日本的豐田MIRAI二代與韓國的現代NEXO是目前技術最成熟、銷量最高的燃料電池轎車與SUV。

3.2 國內氫能發展情況

2022年3月，國家發改委和國家能源局聯合發布了《氫能產業發展中長期規劃（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型過程中的重要作用，并從制、儲、運和基礎設施等全產業鏈的角度進行了統籌規劃和布局，突出了市場主體位置，為氫能高質量發展提供了行動指南。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。近幾年隨著質子交換膜燃料電池在新能源汽車領域應用不斷加深，裝機量和基礎設施呈高速增長趨勢，未來5-10年內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%，工業副產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，不是最優的制氫選擇。電解水制氫技術設備簡單，工藝流程穩定可靠，產生的氫氣純度高（>99%），同時生產過程基本實現零碳排放，是最理想的氫氣制備方式[6]。

氫氣儲運連接氫氣供應端和需求端，是氫能規模化、商業化發展的重要發展環節。氫氣的儲運主要分為氣態儲運、液態儲運、固體儲運三種方式，其中高壓氣態長管拖車是目前中國技術掌握最成熟、應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 國內氫燃料電池汽車發展現狀

目前燃料電池商用車已經初具規模，在國產化趨勢以及氫能市場份額不斷擴大的背景下，燃料電池系統的成本逐漸降低；

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

后續氫燃料電池汽車的發展取決于四個主要因素：車載燃料電池系統技術與成本、制氫（綠氫/藍氫）產業發展，氫氣的儲運、基礎設施建設（加氫站）。

4 氫燃料電池汽車的挑戰與展望

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，另一部分是氫能產業鏈各環節發展不同步、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和車載氫系統的成本，歐陽明高院士在2023年5月5日的氫能應用現代產業鏈高質量發展推進會上表示，“近年來，燃料電池的成本在大幅下降，去年每KW成本已經到3000元了，預計到2025年，可以降到1000元，2030年可以降到500元。”按此計算，在2025年，以60kW燃料電池系統裝車計算，燃料電池系統和車載氫系統可以控制在10萬元級別，2030年可以達到7萬元以內，在15萬以上市場可以具備一定的競爭力。

與此同時，在國家《氫能產業發展中長期規劃（2021-2035）》的引領下，燃料電池汽車推廣所面臨的兩大問題得到緩解或解決，將會驅動全產業鏈市場化發展，相信在未來3-5年，氫燃料電池汽車積累了市場、成本和技術優勢，將會有一個大的飛躍。

參考文獻：

[1]張劍光，氫能產業發展展望——氫燃料電池系統與氫燃料電池汽車和發電[J].化工設計.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狀［J］.汽車電器.2022（3）：14-17.

[3]閆舒羽，李小光，氫燃料電池系統發展研究[J].中國高新科技.2022（6）：96-98.

[4]何奇.氫燃料電池的技術特點及應用[J].湖北農機化.2020（9）：48-49.

[5]趙洪雪，李梟，龐知非等，氫燃料電池汽車發展現狀淺析[J].交通節能與環保.2020（4）：11-15

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