來源：浙理氫能

當(dāng)前人類建立在以消耗煤炭、石油、天然氣為主的不可再生能源基礎(chǔ)之上的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式，導(dǎo)致了日益突出的環(huán)境污染和溫室效應(yīng)問題。為實(shí)現(xiàn)人類社會可持續(xù)發(fā)展，建立人與自然的和諧關(guān)系，發(fā)展風(fēng)能、水能、太陽能、生物質(zhì)能、地?zé)崮堋⒑Ｑ竽艿染G色能源，成為世界各國高度關(guān)注的課題。但由于多數(shù)可再生能源所固有的間隙性、隨機(jī)與波動性，導(dǎo)致了嚴(yán)重的棄風(fēng)、棄光、棄水等現(xiàn)象，氫能作為可存儲廢棄能源并推動由傳統(tǒng)化石能源向綠色能源轉(zhuǎn)變的清潔能源，其能量密度（140MJ/kg）是石油的3倍、煤炭的4.5倍，被視為未來能源革命的顛覆性技術(shù)方向。

氫燃料電池是以氫氣為燃料，通過電化學(xué)反應(yīng)將燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電裝置，具有能量轉(zhuǎn)換效率高、零排放、無噪聲等優(yōu)點(diǎn)，相應(yīng)技術(shù)進(jìn)步可推動氫氣制備、儲藏、運(yùn)輸?shù)燃夹g(shù)體系的發(fā)展升級。在新一輪能源革命驅(qū)動下，世界各國高度重視氫燃料電池技術(shù)，以支撐實(shí)現(xiàn)低碳、清潔發(fā)展模式。發(fā)達(dá)國家或地區(qū)積極發(fā)展“氫能經(jīng)濟(jì)”，制定了《全面能源戰(zhàn)略》（美國）、《歐盟氫能戰(zhàn)略》（歐盟）、《氫能 / 燃料電池戰(zhàn)略發(fā)展路線圖》（日本）等發(fā)展規(guī)劃，推動燃料電池技術(shù)的研發(fā)、示范和商業(yè)化應(yīng)用。我國也積極跟進(jìn)氫能相關(guān)發(fā)展戰(zhàn)略，2001 年確立了863計劃中包括燃料電池在內(nèi)的“三縱三橫”戰(zhàn)略；《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計劃（2016—2030）》《汽車產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃》（2017 年）等國家政策文件均明確提出支持燃料電池汽車發(fā)展。2020 年，科技部啟動了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃“可再生能源與氫能技術(shù)”重點(diǎn)專項，將重點(diǎn)突破質(zhì)子交換膜、氣體擴(kuò)散層碳紙、車用燃料電池催化劑批量制備技術(shù)、空壓機(jī)耐久性、高可靠性電堆等共性關(guān)鍵技術(shù)。國家能源局將氫能及燃料電池技術(shù)列為“十四五”時期能源技術(shù)裝備重點(diǎn)任務(wù)。中泰證券發(fā)布的氫能系列報告中表明到2025年，國內(nèi)燃料電池汽車保有量50000輛。

圖1 燃料電池汽車和列車

我國提出了將于 2030 年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060 年實(shí)現(xiàn)碳中和的發(fā)展愿景。積極發(fā)展氫能，引導(dǎo)高碳排放制氫工藝向綠色制氫工藝轉(zhuǎn)變，是能源革新發(fā)展，實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的重要舉措。氫能將是我國能源領(lǐng)域的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，氫燃料電池技術(shù)是實(shí)現(xiàn)氫能利用的先決條件。

本文主要講述了氫能源燃料電池的基本知識及其在燃料電池車上的應(yīng)用現(xiàn)狀。

燃料電池簡介

什么是燃料電池？

廣義上來講，燃料電池是通過化學(xué)反應(yīng)，將燃料及氧化劑中蘊(yùn)含的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的裝置。最近，燃料電池這個詞幾乎被專門用來形容以氫作為燃料的反應(yīng)堆。氫氣作為汽車燃料已經(jīng)有很長的歷史了。在200年前，氫氣就被用在第一代內(nèi)燃機(jī)中作為燃料，與現(xiàn)在內(nèi)燃機(jī)里汽油等燃料工作原理類似。但是因為安全性及能量密度較低，氫氣作為內(nèi)燃機(jī)燃料并沒有表現(xiàn)出優(yōu)越性。然而，在如今的燃料電池技術(shù)中，氫氣并不直接燃燒，而是和氧氣反應(yīng)轉(zhuǎn)換為電能。氫氣和氧氣的化學(xué)反應(yīng)是非常簡單的，可以用如下公式表示：2H2+O2=2H2O。在燃料電池中，氫氣和氧氣分別進(jìn)入到電池的陽極和陰極（圖2）。電池兩極之間通過電解液隔離，一方面可以阻止電池兩極的反應(yīng)物相互接觸，一方面為陽極產(chǎn)生的離子提供到達(dá)陰極的通道。

圖2 燃料電池反應(yīng)堆工作原理

主要包括燃料電池堆和氫噴系統(tǒng)、供氧系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和相關(guān)管路組成；燃料電池堆由單電池、隔離板、冷卻板、歧管和支撐結(jié)構(gòu)組成；單電池由左右兩塊雙極板（每一側(cè)的雙極板本身又是雙層結(jié)構(gòu)，中間存在重密集的冷卻水流道）和位于雙極板之間的膜電極（包括交換膜 、催化劑、擴(kuò)散層）構(gòu)成。單電池是采用收尾相連的方式串聯(lián)在一起，單電池的電壓約為1.23V（實(shí)際平均效率約52.8%），電流約520A~560A，通常一臺120Kw的燃料電堆，約由430個單電池串聯(lián)，最外端通過端板，利用螺栓等緊固件將按順序疊放在一起的雙極板、膜電極、集流板、端板緊固在一起組成一個電堆。

圖3 燃料電池結(jié)構(gòu)圖

氫燃料電池與傳統(tǒng)電池主要有何區(qū)別？

多種多樣的燃料電池

燃料電池汽車優(yōu)勢：

· 動力強(qiáng)勁。燃料電池動力系統(tǒng)采用的是“電-電混合”技術(shù)路線，即將動力電池和燃料電池并聯(lián)，由鋰電池提供車輛加速、減速等非穩(wěn)態(tài)下所需的大功率，而燃料電池則用來提供穩(wěn)定工況下的輸出功率。這種方案不僅解決了燃料電池動態(tài)響應(yīng)速度慢的問題，還可大大延長燃料電池的壽命，同時能提供強(qiáng)勁的動力。以燃料電池城市客車為例，最大爬坡度能達(dá)到22%（同等條件下傳統(tǒng)客車為 20%），0-50km/h 加速時間只需要8s 而傳統(tǒng)客車需要 30s，可見加速能力優(yōu)于傳統(tǒng)客車。

· 能量轉(zhuǎn)化率高。燃料電池汽車能量轉(zhuǎn)換效率高。據(jù)戴克公司對 NECAR4型燃料電池轎車的測試，其燃料電池堆的能量轉(zhuǎn)換效率為62%，如果除去燃料電池發(fā)動機(jī)輔助系統(tǒng)的能耗（占 16.4%）和電機(jī)及其驅(qū)動系統(tǒng)的能耗（占 8.1%），從“油箱到車輪”的效率為 37.7%，遠(yuǎn)高于汽油機(jī)汽車 16%～18%和柴油機(jī)汽車 20%～24%的轉(zhuǎn)換效率。

· 安全可靠。氫氣比汽油驅(qū)動的汽車安全得多。首先，如果發(fā)生了汽油泄漏，就會造成混亂和嚴(yán)重的火災(zāi)風(fēng)險。在氫氣泄漏的情況下，氣體只是無害地消散。此外，儲氫罐的壁很厚，而且經(jīng)過精心設(shè)計，即使在嚴(yán)重撞車后也能防止泄漏。例如，Mirai的車載氫罐是碳纖維包裹的，可以承受50口徑的子彈射擊。Nexo的氫罐的制造方式不同，但可以承受高達(dá)10000psi的氣體壓力。此外，氫燃料汽車的燃料箱還配備了減壓裝置，在某些情況下可以將氣體排出，以避免過熱引起的爆炸。例如，如果儲罐被擊穿，該裝置可以管理氣體的排放。整個車輛的傳感器也可以檢測到意外的氣體泄露，從而關(guān)閉所有設(shè)備，并在任何東西被點(diǎn)燃之前將車輛停下來。

圖4 各類氫能源車型

圖5 上汽大通MAXUS EUNIQ7

燃料電池商用車

宇通發(fā)布多款氫燃料電池客車，包括8.5m、10m和12m公交車，覆蓋主要公交市場。車型開發(fā)時，宇通還開發(fā)了63/65/80kW燃料電池系統(tǒng)，并規(guī)劃開發(fā)110/120kW燃料電池系統(tǒng)，通過配置差異化，滿足不同使用場景下的客戶需求。

圖6 中通燃料電池客車（左）福田燃料電池客車（右）