氫燃料電池特性試驗分析研究

【摘" 要】在“雙碳”目標及可持續發展戰略背景下，氫燃料電池汽車備受國內外關注，其在節能減排、環保方面作用重大。但氫燃料電池汽車發展受制氫與儲氫技術、燃料電池特性及穩定性等因素限制。為發揮燃料電池的環保價值，文章主要對氫燃料電池汽車的發展現狀及電池特性進行分析和研究，期望能促進氫能產業發展，加快燃料電池升級，推進氫燃料汽車發展，推動汽車產業綠色節能。

【關鍵詞】氫燃料電池汽車；燃料電池；電池關鍵特性

中圖分類號：U469.72""" 文獻標識碼：A""" 文章編號：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

能源和環境是實現可持續發展的必備條件。社會發展使傳統汽車保有量持續上升，導致能源短缺和污染陷入惡性循環。為解決能源、環境、氣候等問題，開發新能源刻不容緩。其中，氫能清潔、高效、安全、可持續，被視為21世紀極具潛力的清潔能源，各國高度重視氫能開發[1]。以氫燃料電池作為汽車動力，讓汽車成為“綠色燃料”汽車。

1" 氫燃料電池汽車發展現狀

縱觀國內外氫燃料電池汽車發展，目前國外已經在成本控制、續航里程、關鍵技術等方面領先于國內，具體表現在以下幾個方面。

1）成本：國外已經把成本控制在10～30萬元/每車，未來還會有新的突破。

2）續航里程：已達到500～850km，與電動汽車相比，不再有續航焦慮。

3）加注時間：氫燃料加注時間在3～5min，環保效益更明顯。

4）抗低溫和高溫性能：出色，可以在-35～45℃的溫度區間運行，這點與電動汽車相比優勢更突出。

5）壽命：能夠達到30年或60萬公里。

因為燃料電池汽車的推廣和發展需要大力投入氫能基礎設施建設，考慮到商用車運行路線相對單一，加之對加氫能基礎設施的要求較低，所以中國采取了以商用車示范運營的戰略方針推進燃料電池商業化發展。

2" 氫燃料電池汽車發展需要解決的問題

燃料電池汽車的發展依賴氫能產業，只有氫能行業快速發展，才能推動氫燃料電池汽車前行。氫能全產業鏈包括制、運、儲等環節。目前，化石燃料制氫、工業副產氫和可再生能源制氫3種路線并存。化石燃料制氫技術成熟、成本低，但碳排放高且不可再生，產能擴張受限；化工副產氫成本較低，但規模取決于主產品，擴張有限，可補充氫源；電解水制氫零碳排、可持續，卻因成本制約難以普及[2]。

現階段，中國氫能儲運主要靠長管拖車高壓氣態儲運，運輸量小，不適合遠途，且有易爆危險。長遠看，大規模應用需管道輸送以實現跨區域、長距離應用。氫燃料電池汽車發展需要解決以下問題：①解決氫源及氫氣儲存的問題，采用大量制取廉價氫氣的方法，傳統的電解方法價格昂貴無法推廣；②解決氫氣的安全儲運問題；③解決汽車所需的高性能、廉價的氫供給系統；④優化氫燃料電池關鍵特性，降低氫燃料電池的成本[3]；⑤降低電極的鉑負載量；⑥研究性能優異的質子交換膜；⑦雙極成本降低。

3" 氫燃料電池關鍵技術探索研究

3.1" 氫燃料電池結構

燃料電池發動機包含燃料電池電堆、氫氣子系統、空氣子系統、熱管理子系統、負載控制子系統[4-5]。單個電池的電壓約為0.6～0.8V，數百個單電池串聯起來使用便可獲得高壓。氫燃料電池結構如圖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極，經過催化劑（鉑）的作用，氫原子中的一個電子被分離出來，失去電子的氫離子（質子）穿過質子交換膜，到達燃料電池正極，而電子不能通過質子交換膜，電子只能經外部電路到達燃料電池正極，從而在外電路中產生電流。電子到達正極后，與氧原子和氫離子重新結合為水。由于供應給正極的氧，可以從空氣中獲得，因此只要不斷地給負極供應氫，給正極供應空氣，并及時把水（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）試驗目的。通過對比測量氫燃料電池質子交換膜加濕與不加濕狀態下的電壓值、流量值與功率值等參數，探究質子交換膜的工作特性及最佳工作效率。

2）試驗設備。設備有流量計、減壓閥、氫氣壓縮罐、冷卻風扇、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設備。

3）試驗方法。采用兩種試驗方法，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。試驗時，首先通過減壓閥把高壓氫罐的氫氣壓力調為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、電壓表及流量計的讀數。

4）試驗數據。加濕前后兩種方法數據測量記錄見表1。

通過對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，可以發現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。

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

4" 燃料電池的創新技術

1）隨著燃料電池領域技術的逐漸突破，第三代車用燃料電池的成本從100萬美元降到5萬美元，降幅高達95%。

2）第三代燃料電池汽車加滿5kg氫氣可以連續行駛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”，通過更好地排出副產物水，讓更多空氣流入，有效改善了發電效率；在電極催化劑層上采用鉑鈷合金催化劑，活性提升1.8倍，同時氣體擴散層采用低密度材料，質子交換膜的厚度減少1/3，導電性提升3倍。整個電池堆的發電效率達到了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，整體也不會超過300V電壓，所以為了更好驅動電動機，安裝了一個升壓器，將電壓提升到650V，這樣使第三代燃料電池的質量比第二代減少了48%。

5" 結語

氫能源是未來可以同時解決能源危機和環境污染問題的綠色能源，是未來能源的發展趨勢。氫燃料電池汽車作為氫能產業的下游產業，發展主要依賴于制氫、運氫和儲氫及燃料電池技術。本文通過對氫燃料電池的關鍵特性進行試驗、分析，總結了影響燃料電池性能的主要因素，對氫燃料電池的關鍵技術突破有指導意義。

參考文獻

[1] 朱剛.“雙碳”目標下燃料電池汽車產業發展思考[J].上海節能，2024（2）：182-186.

[2] 劉暢，林漢辰，史陳芳達，等.中國氫燃料電池汽車市場發展現狀及展望[J].南方能源建設，2024，11（2）：162-171.

[3] 陳軼嵩，蘭利波，郝卓，等.氫燃料電池汽車動力系統生命周期評價及關鍵參數對比[J].環境科學，2022，43（8）：4402-4412.

[4] 黎妍，云祉婷，孫琪深.氫燃料電池汽車關鍵技術的研究現狀[J].內燃機與配件，2024（7）：134-136.

[5] 譙康偉.氫燃料電池膜電極的結構設計及其性能研究[D].北京：北京化工大學，2024.

（編輯" 凌" 波）