氢燃料电池的结构特性与氢燃料电池汽车的发展概述

徐志红　朱晓雯　徐彩妮

摘 要：氢燃料电池将化学能直接转化成电能，拥有零排放、效率高，基本无噪声，低温下表现优秀等优点，同时也有成本较高、系统运行条件要求较高，存在一定滞后性等不足。氢燃料电池技术研究主要集中于膜电极、双极板以及辅助系统三大方面，燃料电池电堆本身无法直接工作，需要空气系统，氢气系统，热管理系统的协同工作，才能合理应对各种工况。国内外都将氢能作为绿色低碳的重要能源来大力推动，随着需求的发展，成本将会大幅下降，未来5-10年内即将迎来高速增长期，市场化程度和普及率也会随之大幅提高。

关键词：氢燃料 氢燃料电池 氢能 氢燃料电池汽车

1 引言

随着我国坚定的朝着2030年碳达峰和2060年碳中和目标推进，绿色能源的发展与应用越来越快，氢能作为零排放、零污染的能源在各行各业突显出它的重要性，而氢燃料电池汽车在氢能应用上占有着绝对的比重，国内外都在大力推广。氢燃料电池有着显著的优点，但也面临着不可忽视的挑战，需要上下游产业链共同推进，在燃料电池技术及制氢、储氢、加氢站全方位努力，大幅降低成本，扩大应用。

2 氢燃料电池

2.1 燃料电池的分类

燃料电池是一种将燃料与氧化物原本通过燃烧反应的化学能直接转化成电能的装置；根据电解质的不同，可将其分为多种燃料电池类型，如表1所示。

其中质子交换膜燃料电池（PEMFC）受新能源汽车行业驱动，发展前景良好。2020年全球市场出货量占比最高的仍是质子交换膜电池，其出货比例占全球燃料电池市场的 78.08%；出货量占比第二位的是固体氧化物燃料电池，占比为 11.19%；质子交换膜（PEM）的质量对燃料电池的性能和寿命起着决定性作用，全氟磺酸质子交换膜是目前唯一能实现商业化的。

2.2 氢燃料电池的基本反应原理

燃料电池是以原电池的反应原理运行的，通过氧化还原反应产生电流。以目前主流采用的质子交换膜燃料电池（PEMFC）技术为例， 其电堆工作原理[2]和电极反应如图1所示。

其反应方程式为：负极（阳极）H2-2e-=2H+；正极（阴极）1/2O2+H2O+2H++2e- =2H2O；总反应：H2+1/2O2=H2O

2.3 氫燃料电池系统的构成与关键零部件

氢燃料电池系统由电堆、空气供给系统、氢气循环系统、水热管理系统和电控系统五大部分构成。电堆及辅助系统（BOP）的耐用性等性能决定了燃料电池的性能和使用寿命等多个指标；

氢燃料电池技术研究主要集中于膜电极、双极板以及辅助系统系统三大方面[3]：

（1）膜电极（催化剂、质子交换膜、气体扩散层）作为核心部件，直接决定了电堆功率密度、寿命以及耐久性等重要指标。

（2）双极板在燃料电池中起到分隔反应气体、除热、排出化学反应产物（水）的作用的部件。要分为石墨、金属两大类别：石墨双极板拥有优良的导电性以及较好的抗腐蚀能力，应用广泛，但机械强度差、体积大，导致体积功率密度难以提高；金属双极板具有成本低，体积功率密度高，延展性、导电导热性能好等优点，未来的发展更具潜力；

（3）辅助系统的作用是保证电堆正常工作，其中比较核心的零部件包括：空气压缩机，氢气循环泵/引射器，加湿器。

（4）空气压缩机在辅助系统中成本最高，功耗最大（消耗电堆发电功率近20%），目前降本增效有两个方向，一是优化空压机本身的性能和成本；二是减少电堆空气过量比，提高能量转化效率，从而减少空气需求量，选择功率更小的空气压缩机；

（5）氢气循环泵和引射器的作用都是循环氢气，引射器在高速工况表现优秀（体积小，无能耗），但低速启停工况表现差（氢气进气压力过小）；氢气循环泵可以在各种工况正常工作，但缺点是体积大，有噪声，有能耗；

2.4 氢燃料电池的特点

氢燃料电池及氢燃料电池汽车的应用有以下主要优点[4]：

（1）直接把化学能转换成电能，效率通常远远高于内燃机，通常在45%-60%之间；

（2）是理想的全固态机械结构，基本无噪声，决定了具有高可靠性和长寿命的潜力；

（3）燃料电池系统允许在功率和容量之间可以柔性匹配，使用场景更丰富，而动力电池中功率和容量的关系通常相互关联；

（4）氢燃料电池汽车（FCEV）可以靠补充氢气而实现快速补能，使用过程中零排放，无污染；

（5）氢燃料电池汽车（FCEV）在低温环境下表现优秀，冷启动能力强，低温工况下的能量损耗低；

其也有不可回避的缺点：

（1）与相同功率的动力电池相比，成本更高，但近几年随着产业化进程发展，成本将不断降低；

（2）由于电化学反应从气体到电的过程存在滞后性，动态功率响应能力弱于电池，且在车辆上的发电过程不可逆，所以FCEV必须要安装动力电池用作瞬时功率响应和能量回馈，在功率需求变化大或小功率频繁启停的工况，氢气消耗量将显著增加；

（3）FCEV中燃料电池系统运行条件要求较高，依托于整车对氢气系统，空气系统，热管理系统、高压系统的合理设计与控制才能实现协调工作，任何环节受到突发的影响，均可能会影响到燃料电池系统甚至整车性能和可靠性。

3 氢燃料电池汽车发展概况

3.1 国外产业发展现状及规划

国外发达国家也纷纷布局氢能产业，基于能源安全、稳定供应、经济效率、环境适应、多元化能源结构等原则，开始了长期的投入和布局，其中美、欧、日、韩规划较快，政策支持力度较强[5]：

（1）日本政府通过打造国际氢气供应链，发挥企业联盟作用协调企业氢能发展，并搭建“政企学”创新平台提供研发技术支持，截至2022年2月已建加氢站157座，规划2030年前生产氢燃料电池汽车80万台，建设加氢站900座。

（2）韩国政府自上而下制定氢能发展规划政策，并提供充足的财政资金支持，引導社会资本进入氢能产业；截止2021年已建加氢站170座，韩国燃料电池装机量占全球的35%，规划2030年前生产氢燃料电池汽车85万辆，建设加氢站660座。

（3）美国将氢能产业发展作为长期战略储备，推动社会利益相关方在竞争性机制下开展合作，将2020-2030年作为氢能全面发展阶段，制氢电解槽使用寿命达8万小时，成本300美元/千瓦，转换效率达65%；储氢罐采用高强度碳纤维，成本约13美元/千克；其用氢价格目标小于2美元/千克。

（4）欧盟目前主要将氢能作为重点行业降碳减排和保护国家能源安全的关键手段，总体布局在2024-2030年氢能成为综合能源系统的重要组成部分，欧盟规划在2050年前生产氢燃料电池乘用车370万辆、氢燃料电池轻型商用车50万辆，氢燃料电池卡车和巴士570万辆。

日本和韩国在世界范围内氢燃料电池汽车领域走在前列，其中日本的丰田MIRAI二代与韩国的现代NEXO是目前技术最成熟、销量最高的燃料电池轿车与SUV。

3.2 国内氢能发展情况

2022年3月，国家发改委和国家能源局联合发布了《氢能产业发展中长期规划（2021-2035）》，以2060年碳中和为总体方向，进一步明确了氢能在我国能源体系中的角色定位以及在绿色低碳转型过程中的重要作用，并从制、储、运和基础设施等全产业链的角度进行了统筹规划和布局，突出了市场主体位置，为氢能高质量发展提供了行动指南。已有北京、江苏、广东、上海等 29 个省市出台了氢能专项政策。

燃料电池汽车（FCEV）是国内新能源汽车三大路线之一，在2060年碳中和的总体氢能减排目标下，路面交通减排是最重要的组成部分。近几年随着质子交换膜燃料电池在新能源汽车领域应用不断加深，装机量和基础设施呈高速增长趋势，未来5-10年内即将迎来高速增长期，市场化程度和普及率也会随之大幅提高。

中国是世界上最大的制氢国，当前以化石燃料制氢为主，占比约64%，工业副产制氢和电解水制氢分别占比约32%和4%。但化石燃料制灰氢一方面受能源转型的影响原料供给减少；另一方面制氢过程二氧化碳排放增加，不是最优的制氢选择。电解水制氢技术设备简单，工艺流程稳定可靠，产生的氢气纯度高（>99%），同时生产过程基本实现零碳排放，是最理想的氢气制备方式[6]。

氢气储运连接氢气供应端和需求端，是氢能规模化、商业化发展的重要发展环节。氢气的储运主要分为气态储运、液态储运、固体储运三种方式，其中高压气态长管拖车是目前中国技术掌握最成熟、应用最广泛的氢储运方式，加氢站的外送氢气均采用长管拖车进行运输。

3.3 国内氢燃料电池汽车发展现状

目前燃料电池商用车已经初具规模，在国产化趋势以及氢能市场份额不断扩大的背景下，燃料电池系统的成本逐渐降低；

乘用车方面除了国际上的现代NEXO与丰田MIRAI之外，国内如上汽、长安、东风、红旗等传统车企，在氢能源的发展趋势下，纷纷开始燃料电池乘用车的开发和布局，目前基本都处于前期研究、上公告，但还未有实际量产车型；

后续氢燃料电池汽车的发展取决于四个主要因素：车载燃料电池系统技术与成本、制氢（绿氢/蓝氢）产业发展，氢气的储运、基础设施建设（加氢站）。

4 氢燃料电池汽车的挑战与展望

目前燃料电池汽车推广所面临的问题主要有两大部分，一部分是汽车本身增加的成本，另一部分是氢能产业链各环节发展不同步、不均衡的问题。

在燃料电池汽车层面，主要的瓶颈是燃料电池系统和车载氢系统的成本，欧阳明高院士在2023年5月5日的氢能应用现代产业链高质量发展推进会上表示，“近年来，燃料电池的成本在大幅下降，去年每KW成本已经到3000元了，预计到2025年，可以降到1000元，2030年可以降到500元。”按此计算，在2025年，以60kW燃料电池系统装车计算，燃料电池系统和车载氢系统可以控制在10万元级别，2030年可以达到7万元以内，在15万以上市场可以具备一定的竞争力。

与此同时，在国家《氢能产业发展中长期规划（2021-2035）》的引领下，燃料电池汽车推广所面临的两大问题得到缓解或解决，将会驱动全产业链市场化发展，相信在未来3-5年，氢燃料电池汽车积累了市场、成本和技术优势，将会有一个大的飞跃。

参考文献：

[1]张剑光，氢能产业发展展望——氢燃料电池系统与氢燃料电池汽车和发电[J].化工设计.2020，30（1）：3-6

[2]秦飞，郭朋彦，张瑞珠等，氢燃料电池堆封装研究现状［J］.汽车电器.2022（3）：14-17.

[3]闫舒羽，李小光，氢燃料电池系统发展研究[J].中国高新科技.2022（6）：96-98.

[4]何奇.氢燃料电池的技术特点及应用[J].湖北农机化.2020（9）：48-49.

[5]赵洪雪，李枭，庞知非等，氢燃料电池汽车发展现状浅析[J].交通节能与环保.2020（4）：11-15

[6]高鹏然，氢燃料电池应用进展研究[J].石化技术.2020（6）：115-116.