氢燃料电池发展综述

杨尚霖 宋维程 孙京程 姜浩

摘 要：氢燃料电池是将氢气转化为电能的装置，其基本原理是电解水的逆反应，氢气通过管道到达阳极，在阳极催化剂的作用下，1个氢分子解离为2个氢质子，并释放出2个电子，在电池的另-端，氧气（或空气）通过管道到达阴极，在阴极催化剂的作用下，氧分子和氢离子与通过外电路与到达阴极的电子发生反应生成水。作为一种新能源，各大车企对氢燃料电池都有研究。氢燃料电池还面对诸多难题，如何发展氢燃料电池，降低其成本、提高安全性成了研究的主要方向。

关键词：汽车新能源；氢燃料电池；节能环保

1 绪论

1.1研究背景及意义

氢能是一种清洁能源，《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》、《“十三五”国家科技创新规划》、《能源技术革命创新行动计划（2016-2030年）》、《能源技术创新“十三五”规划》和《可再生能源中长期发展规划》等中都提出了对氢能的利用。氢燃料电池只会产生水和热，并不会产生二氧化碳，对环境无任何污染。但是氢燃料电池燃料种类单一，制氢、储氢技术复杂，价格昂贵；密封性、安全性要求严格；在电动汽车上使用时需要配备辅助电池系统。燃料电池电动汽车技术是目前世界环保汽车技术的热点，我国应更加积极开展燃料电池电动汽车技术研究，较快缩小与西方汽车工业发达国家的汽车环保技术的差距，从能源和环保角度来讲，进行燃料电池电動汽车技术开发对能源多样化，发展燃料电池汽车，将促进一系列技术和产业的发展，形成国民经济发展的新增长点。

2 国内外研究成果综述

2.1国内研究成果

1997年葛盾倡在全球科技经济瞭望的科技的期刊中提到了氢的研究开发现状。氢是一种最干净的载能体，它在燃烧过程中与氧反应合成水，其所排放的碳氢化合物和氮氧化物分别为0.04克/千瓦时和0.4克/千瓦时，而汽油在燃烧过程中排放的碳氢化合物和氮氧化物则分别为0.2克/千瓦时和1.8克/千瓦时。以氢作燃料由于其低放射而对保护环境、保护气候有着十分重要的意义。[1]

2001年北京理工大学孙逢春、孙立清、白文杰在中国会议上介绍氢嫩料电池的种类和特点的基础上，重点介绍了国内外质子交换膜氢燃料电池技术的发展状况以及其在汽车领域的应用现状。[2]

2003年清华大学核能技术设计研究院助理研究员王诚在国际会议上提出氢燃料汽车将是解决城市大气污染的最重要途径之一，将形成绿色朝阳产业而影响社会经济生活，认为氢燃料电动车是汽车工业的一大革命，是21世纪真正的纯绿色环保车。[3]

2006年由北京理工大学牵头，联合国家高技术绿色材料发展中心、中山中炬森莱高技术有限公司、北京航空航天大学等单位承担的《EQ7200HEV混合动力轿车用镍氢动力电池组及管理模块》课题在广东省中山市通过了验收。课题组通过对电极材料进行预处理和对电极进行表面改性，可减少温使气体排放30%，降低油耗30%。[4]

2009年常乐指出氢的运输在整个氢能供应链的经济、能耗和排放性能中占有很大比重。并通过设计以运氢规模和运输距离为特征参数的“点对点”运输情景，对比分析了3种运氢方式（气氢拖车、气氢管道和液氢罐车）在不同情景参数下的成本、能耗和CO2排放特性。[5]

2010年9月7日，科技部、联合国开发计划署“促进中国燃料电池汽车商业化发展项目”佛山项目启动仪式在丹灶举行，会上，首期投资120亿元的长江氢动力佛山研发中心及整车生产项目签约落户丹灶，包括总投资达10亿元的长江汽车全球唯一的氢动力汽车研发中心，成为佛山今年引进的首个投资额超百亿的制造业项目。整车项目生产制造纯电动和氢燃料电池的新能源汽车，定位为长江汽车全球唯一的氢能汽车生产基地，其将带动丹灶氢能汽车从零部件生产迈向整车制造。[6]

2012年张富刚、樊越甫、刘方、刘海东针对变电站直流系统，应用新型氢燃料后备电源替代蓄电池组作为后备电源产品，旨在将氢燃料电源作为直流系统整体后备电源，氢燃料应急移动直流电源，直流技改中氢燃料后备电源的可行性和解决方案进行测试研究，提出新型后备电源设计、采取措施以及提出一整套系统的解决方案。[7]

2012年武汉理工大学孙绪琪研究了氢燃料电池汽车五种动力系统以及两种能量控制策略，通过详细比较及分析其中的优缺点，选定燃料电池和蓄电池（FC+B型）作为驱动车辆行驶的能量来源，并选定功率跟随式控制策略作为该车的控制策略。对某轿车改型的氢燃料电池汽车动力系统进行了重新设计了以氢燃料电池汽车的主动力源，锂离子电池作为车辆的辅助动力源，异步交流电机作为车辆的驱动电机。使动力系统的各部件均能够工作在高效率区，使氢燃料的消耗降低。[8]

2013年北京化工大学闫贯博针对额定功率为 2kW 的氢燃料电池电堆输出特性，设计了相应的、电能转换效率较高的 DC-AC-DC 变换器，并选用一种适合该系统的稳压方式，以克服氢燃料电池的输出电压低和电压值不稳定的缺点，实现了氢燃料电池输出电压的提升和稳定，改善了氢燃料电池输出电压特性，提高了电能利用效率。[9]

2013年倪红军、吕帅帅、裴一、陈林飞、袁银男介绍了一种新型氢燃料电池-锂离子电池混合动力系统，总结了氢燃料电池汽车动力系统和车载储氢系统的国内外研究进展，并讨论了车用燃料电池动力系统能源效率的影响因素以及提高动力系统效率的途径。为了提高系统的能量效率，应对燃料电池与动力电池系统的控制策略进行优化，并减少附加功率消耗；同时应采用小电流对动力电池进行充电，电池和气体增湿温度应选择一个合理的温度范围，从而简化控制系统。[10]

2015年董巨辉针对流体带电问题中的流动特点，提出用二阶迎风格式和中心差分格式求解电荷密度方程，使用Matlab数学工具得到仿真结果，得到了速度、温度等参数对管内电荷密度分布的影响，得到了对实际液氢输送和储存中消除或者抑制静电产生的有益指导性结果。[11]

2016年微山钢研稀土材料有限公司、钢铁研究总院功能材料研究所、精密合金技术北京市重点实验室高金良、袁泽明、尚宏伟、雍辉、祁焱在氢储存技术及其储能应用研究进展一文中提出氢能的发展应用中，结合我国稀土资源特点，开发具有自主知识产权的具有高容量、易活化的 RE-Ti-Fe储氢合金，丰富了储能技术研究成果。[12]

2017年王宝华阀门了一种氢气增压输送系统，该发明提供的一种氢气增压输送系统结构简单、占地面积小、造价低，且该系统自动化程度较高，可以减少人工操作，降低现场工人工作量。[13]

2018年同济大学许思传教授开发出了燃料电池汽车“电电混合”动力系统，在燃料电池动力系统及关键部件方面，开发了阴极无增湿水管理系统、高效一体化高压电子水泵、氢循环控制系统、车用燃料电池用空气压缩机；在储氢率上也有所突破。[14]

2018年山东交通学院杨庆敏研究了我国氢燃料电池车量产面临许的问题，提出提高核心技术水平，降低成本和加强基础设施建设将是发展重点。[15]

2018年重汽崔志先开发出了燃料电池电堆方案-增湿、增压和整车氢-电-结构耦合安全性综合管理和互锁控制系统。整车氢-电-结构耦合安全性综合管理和互锁控制技术，实现整车在碰撞、失火、氢气泄漏和漏电等情况下氢、电设备安全防护，及时断电、断氢提升整车安全性，制定緊急状态下的氢电联动安全控制策略。[16]

2.2国外研究成果

2007年英国科学家UK-SHEC 项目组的研究人员发明出一种锂化合物，可使机载燃料电池存储足够的氢，从而能驱动汽车连续行驶 300英里。[17]

2011年Electro Pow erSystem s SpA.发布公司新技术 ElectroSelf，它是世界上第一个完全自我充电的氢燃料电池技术。该技术旨在任何地点，无论是否离网，还是缺乏可靠电力或极端气候的位置，都为移动网络提供可靠的备用电源。[18]

2012年Nancy L.Garland 讨论了最近关于燃料电池成本，耐用性和性能的结果，以及氢气相关技术和交叉活动的现状。 美国能源部已经在关键的早期市场部署了燃料电池，包括备用电源和叉车。 最近的分析表明，燃料电池电动汽车（FCEV）是减少温室气体排放和石油使用的最有前途的选择之一。 初步分析还表明，FCEV的总拥有成本将与其他先进的车辆和燃料选择相当。[19]

2015年J.Huang、C.H.Wong通过MD模拟研究了氢原子通过中枢神经系统的运输特性。指出在更高的抽速下，氢原子更可能逸入空气中。而且，CNS的直径越大，吸收和泄漏的氢原子的数量也越多。[20]

2016年Milton Borsato通过在氢燃料电池堆的模拟模型上进行的数值模拟研究来解决优化氢燃料电池堆的操作参数的问题。提出了一个在Matlab Simulink中开发的氢燃料电池堆系统的数值模拟模型，并且模拟结果允许选择和优化适合于特定使用条件的控制参数。该模型反映了电池的性能特征，并且允许由氢气罐，控制阀和控制器，传感器，能量缓冲系统（超级电容器）等组成的氢燃料电池堆的模拟工作和控制。[21]

2017年日本11家公司在全日本开展氢燃料电池车（FCEV）加氢站的战略性布局，以推动FCEV的普及和加氢站的独立运营[22]

2018年Sivaprakash Sengodan认为生产燃料电池应用的氢气或合成气最具吸引力的路线之一是碳氢化合物的重整和部分氧化。 碳氢化合物在高温燃料电池中的使用通过外部或内部重整来实现。 重整和部分氧化催化将碳氢化合物转化为富氢合成气在燃料加工技术中发挥着重要作用。总结了当前用于制氢的碳氢化合物重整和部分氧化的最佳性能催化剂的概况。[23

2.3国内外研究成果总结

氢能产业的发展在世界各国备受关注，美国、德国、日本等发达国家相继将发展氢能产业提升到国家能源战略高度。氢能是未来能源系统的重要组成部分，各国纷纷将发展氢能提升到国家战略层面，制定战略规划路线图，探索产业化发展途径。中国在氢燃料电池电堆及其关键材料领域已初步形成产业链，但技术成熟度差距较大。国外在氢燃料电池关键材料和其他零部件方面，如催化剂、质子交换膜、碳纸、空压机、氢循环泵膜电极等核心零部件上的研究遥遥领先于我国，虽然我国氢气年产量已逾千万吨规模，位居世界第一，工业副产氢资源丰富，为我国开展大规模副产氢提纯和电解水制氢工作提供了优势条件，但氢源产业链尚未建立完善，有能力配套的企业少，技术水平较低，大多属于空白或尚未成熟，需要采用进口材料，国际上也被少数企业垄断，价格极高。

在基础设施建设方面，组织了有关企业，建立完善的加氢站建设、氢气供应、加氢站运营体系；同时明确了地方加氢站建设审批主体、理顺责任关系、规范审批流程，为发展氢能源舔砖加瓦、铺路搭桥。我国也深刻认识到提高核心技术水平，降低成本和加强基础设施建设将是发展重点。通过政策技术双驱动消除瓶颈，规模效应降成本，推动燃料电池汽车最终实现商业化，成为我国未来新能源汽车战略中的重要组成。

参考文献

[1]葛盾倡，氢的研究开发现状，全球科技经济瞭望 1997；

[2]孙逢春、孙立清、白文杰，氢燃料电池技术及其在汽车领域的研究现状 2001；

[3]王诚，发展氢燃料电池电动汽车应关注的几个问题 2003；

[4]邱国茂，混合动力汽车车用镍氢动力电池分析，上海汽车 2006；

[5}常乐，氢能供应链中最佳运氢方式的选择，清华大学学报 2009；

[6]南海丹灶，氢时代 领未来“氢能周”进行中！丹灶氢能事业发展正在路上，新能源网 2010；

[7]张富刚，氢燃料电池在电力系统后备能源的应用研究 2012；

[8]孙绪琪，氢燃料电池汽车动力系统设计及建模仿真，武汉理工大学 2012；

[9}闫贯博，氢燃料电池发电DC-AC-DC电能变换研究，北京化工大学 2013；

[10]倪红军，氢燃料电池汽车动力系统与储氢系统研究 2013；

[11]董巨辉 液氢流体输送和贮存静电积聚特性研究 上海交通大学 2015；

[12]高金良，氢储存技术及其储能应用研究进展，金属功能材料 2016；

[13]王宝华，氢气增压输送系统 2017

[14]许思传，燃料电池汽车技术发展现状与趨势，同济大学 2018；

[15]杨庆敏，推广普及氢燃料电池车急需解决的问题，山东交通学院 2018；

[16]崔志先，氢电池在商用车中应用，重汽 2018

[17]UK-SHEC，Major breakthroughs in hydrogen fuel cell research and development 2007；

[18]Electro Pow erSystem s SpA，release new technology”ElectroSelf” 2011；

[19]Nancy L.Garland，Hydrogen and Fuel Cell Technology：Progress，Challenges，and Future Directions 2012；

[20]AJ.Huang、C.H.Wong，Hydrogen transportation properties in carbon nano-scroll investigated by using molecular dynamics simulations 《Computational Materials Science》 2015；

[21]Milton Borsato，Optimisation of Operational Parameters Based on Simulation Numerical Model of Hydrogen Fuel Cell Stack Used for Electric Car Drive 2016

[22]日本敲定氢能源战略 建成首个氢能市政供电设施，观察者网 2017；

[23]Sivaprakash Sengodan，Advances in reforming and partial oxidation of hydrocarbons for hydrogen production and fuel cell applications 2018；