来源：浙理氢能
当前人类建立在以消耗煤炭、石油、天然气为主的不可再生能源基础之上的经济发展模式，导致了日益突出的环境污染和温室效应问题。为实现人类社会可持续发展，建立人与自然的和谐关系，发展风能、水能、太阳能、生物质能、地热能、海洋能等绿色能源，成为世界各国高度关注的课题。但由于多数可再生能源所固有的间隙性、随机与波动性，导致了严重的弃风、弃光、弃水等现象，氢能作为可存储废弃能源并推动由传统化石能源向绿色能源转变的清洁能源，其能量密度（140MJ/kg）是石油的3倍、煤炭的4.5倍，被视为未来能源革命的颠覆性技术方向。
氢燃料电池是以氢气为燃料，通过电化学反应将燃料中的化学能直接转变为电能的发电装置，具有能量转换效率高、零排放、无噪声等优点，相应技术进步可推动氢气制备、储藏、运输等技术体系的发展升级。在新一轮能源革命驱动下，世界各国高度重视氢燃料电池技术，以支撑实现低碳、清洁发展模式。发达国家或地区积极发展“氢能经济”，制定了《全面能源战略》（美国）、《欧盟氢能战略》（欧盟）、《氢能 / 燃料电池战略发展路线图》（日本）等发展规划，推动燃料电池技术的研发、示范和商业化应用。我国也积极跟进氢能相关发展战略，2001 年确立了863计划中包括燃料电池在内的“三纵三横”战略；《能源技术革命创新行动计划（2016—2030）》《汽车产业中长期发展规划》（2017 年）等国家政策文件均明确提出支持燃料电池汽车发展。2020 年，科技部启动了国家重点研发计划“可再生能源与氢能技术”重点专项，将重点突破质子交换膜、气体扩散层碳纸、车用燃料电池催化剂批量制备技术、空压机耐久性、高可靠性电堆等共性关键技术。国家能源局将氢能及燃料电池技术列为“十四五”时期能源技术装备重点任务。中泰证券发布的氢能系列报告中表明到2025年，国内燃料电池汽车保有量50000辆。
图1 燃料电池汽车和列车
研究表明，氢能及氢燃料电池技术有望大规模应用在汽车、便携式发电和固定发电站等领域，也是航空航天飞行器、船舶推进系统的重要技术备选方案，但面临低生产成本（电解质、催化剂等基础材料）、结构紧凑性、耐久性及寿命三大挑战。美国能源部燃料电池技术项目研究认为，燃料电池电动汽车是减少温室气体排放、降低石油使用量的最有效路径之一，随着技术进步，全过程生产成本和氢燃料成本将与其他类型车辆及燃料相当。优化系统控制策略、开发催化剂及其抗腐蚀载体等新型基础材料，是提高系统耐久性和寿命、进而促成氢燃料电池技术大规模商业化应用的有效路径。我国提出了将于 2030 年实现碳达峰、2060 年实现碳中和的发展愿景。积极发展氢能，引导高碳排放制氢工艺向绿色制氢工艺转变，是能源革新发展，实现碳达峰、碳中和的重要举措。氢能将是我国能源领域的战略性新兴产业，氢燃料电池技术是实现氢能利用的先决条件。
本文主要讲述了氢能源燃料电池的基本知识及其在燃料电池车上的应用现状。
燃料电池简介
什么是燃料电池？
广义上来讲，燃料电池是通过化学反应，将燃料及氧化剂中蕴含的化学能转换为电能的装置。最近，燃料电池这个词几乎被专门用来形容以氢作为燃料的反应堆。氢气作为汽车燃料已经有很长的历史了。在200年前，氢气就被用在第一代内燃机中作为燃料，与现在内燃机里汽油等燃料工作原理类似。但是因为安全性及能量密度较低，氢气作为内燃机燃料并没有表现出优越性。然而，在如今的燃料电池技术中，氢气并不直接燃烧，而是和氧气反应转换为电能。氢气和氧气的化学反应是非常简单的，可以用如下公式表示：2H2+O2=2H2O。在燃料电池中，氢气和氧气分别进入到电池的阳极和阴极（图2）。电池两极之间通过电解液隔离，一方面可以阻止电池两极的反应物相互接触，一方面为阳极产生的离子提供到达阴极的通道。
图2 燃料电池反应堆工作原理
如图2所示，燃料电池反应原理如下：氢气首先进入燃料电池的氢电极（称为阳极），然后氢气与覆盖在阳极上的催化剂反应，释放电子形成带正电荷的氢离子，氢离子穿过电解液到达阴极。然而，电子不能通过电解液，相反，电子流入电路，形成电流，产生电能。在阴极，催化剂使氢离子与空气中的氧结合形成水，水是燃料电池反应中的唯一副产品。主要包括燃料电池堆和氢喷系统、供氧系统、冷却系统和相关管路组成；燃料电池堆由单电池、隔离板、冷却板、歧管和支撑结构组成；单电池由左右两块双极板（每一侧的双极板本身又是双层结构，中间存在重密集的冷却水流道）和位于双极板之间的膜电极（包括交换膜 、催化剂、扩散层）构成。单电池是采用收尾相连的方式串联在一起，单电池的电压约为1.23V（实际平均效率约52.8%），电流约520A~560A，通常一台120Kw的燃料电堆，约由430个单电池串联，最外端通过端板，利用螺栓等紧固件将按顺序叠放在一起的双极板、膜电极、集流板、端板紧固在一起组成一个电堆。
图3 燃料电池结构图
氢燃料电池与传统电池主要有何区别？
1) 蓄电池是一种储能装置，是将电能储存起来，需要时再释放出来。而氢燃料电池则是一种发电装置，类似于发电厂，是将化学能直接转化为电能的电化学发电装置。2) 燃料电池不受卡诺循环限制，能量转化效率很高。内燃机必须先将燃料的化学能经燃烧转变为热能，再将热能转换为机械能，最后再将机械能转化为电能，在一连串的能量形式变化过程中，不仅产生了噪声和环境污染物，而且能量转化效率低。总之四大优势：能量密度高、补充能量快、清洁能源、能源结构可调。多种多样的燃料电池
燃料电池可以简单的根据电解液的不同分为几种不同的类别，主要的燃料电池类型包括：质子交换膜燃料电池（“PEM”），碱性燃料电池（“AFC”），磷酸燃料电池（“PAFC”），固体氧化物燃料电池（“SOFC”）以及熔融碳酸盐燃料电池（“MCFC”）。下表对不同燃料电池进行了对比。PEM目前是处于商业化最前沿的燃料电池，因为PEM可以在50-100摄氏度下运行，启动时间较短，同时对氧化剂要求较低，空气就可以作为其氧化剂来源。这些特性使得PEM成为汽车能源的理想解决方案，并且使得PEM从20世纪90年代开始得到了快速发展。
燃料电池汽车作为氢能利用的关键领域，作为一种真正意义上的"零排放，无污染"载运工具，将成为我国汽车产业转型发展的重要方向。发展燃料电池汽车有动力强劲、安全可靠、经济节能等诸多优势，但是也面临着燃料电池堆（含质子交换膜、催化剂、气体扩散层及双极板）、空压机、车载储氢系统等技术现状与国外技术有一定差距的现象，现将优势及技术现状分析如下。
燃料电池汽车优势：
· 动力强劲。燃料电池动力系统采用的是“电-电混合”技术路线，即将动力电池和燃料电池并联，由锂电池提供车辆加速、减速等非稳态下所需的大功率，而燃料电池则用来提供稳定工况下的输出功率。这种方案不仅解决了燃料电池动态响应速度慢的问题，还可大大延长燃料电池的寿命，同时能提供强劲的动力。以燃料电池城市客车为例，最大爬坡度能达到22%（同等条件下传统客车为 20%），0-50km/h 加速时间只需要8s 而传统客车需要 30s，可见加速能力优于传统客车。
· 能量转化率高。燃料电池汽车能量转换效率高。据戴克公司对 NECAR4型燃料电池轿车的测试，其燃料电池堆的能量转换效率为62%，如果除去燃料电池发动机辅助系统的能耗（占 16.4%）和电机及其驱动系统的能耗（占 8.1%），从“油箱到车轮”的效率为 37.7%，远高于汽油机汽车 16%～18%和柴油机汽车 20%～24%的转换效率。
· 安全可靠。氢气比汽油驱动的汽车安全得多。首先，如果发生了汽油泄漏，就会造成混乱和严重的火灾风险。在氢气泄漏的情况下，气体只是无害地消散。此外，储氢罐的壁很厚，而且经过精心设计，即使在严重撞车后也能防止泄漏。例如，Mirai的车载氢罐是碳纤维包裹的，可以承受50口径的子弹射击。Nexo的氢罐的制造方式不同，但可以承受高达10000psi的气体压力。此外，氢燃料汽车的燃料箱还配备了减压装置，在某些情况下可以将气体排出，以避免过热引起的爆炸。例如，如果储罐被击穿，该装置可以管理气体的排放。整个车辆的传感器也可以检测到意外的气体泄露，从而关闭所有设备，并在任何东西被点燃之前将车辆停下来。
图4 各类氢能源车型
能与新能源汽车产业发展规划(2012-2020)》，明确指出了“开展燃料电池电堆、发动机及其关键材料核心技术研究；继续开展燃料电池汽车运行示范，提高燃料电池系统的可靠性和耐久性，带动氢的制备、储运和加注技术发展。”2016年，能源局和发改委联合颁布《能源技术革命创新行动计划2016-2030年》和《能源技术革命重点创新路线图》，积极推动燃料电池车的示范运行和推广应用。《中国制造2025》提出，到2025年，制氢、加氢等配套基础设施基本完善，燃料电池汽车实现区域小规模运行。因此，我国要抓住新能源汽车战略性新兴产业培育和发展的政策机遇，发挥政策引导作用，聚焦重大、重点突破燃料电池汽车关键技术和共性技术，稳步推进燃料电池汽车技术进步。燃料电池乘用车
2015年，上汽推出了续航400km、“无污染，零排放”的荣威750E燃料电池车。2017年，上汽在中国国际工业博览会上展示了两款氢燃料电池车型，分别为荣威950和燃料电池轻型客车大通FCV80。2020年，上汽集团正式发布全球首款燃料电池MPV——上汽大通MAXUSEUNIQ7，并同时宣布中国汽车行业首个“氢战略”：在2025年前，推出至少10款燃料电池整车产品，上汽捷氢科技(为行业提供燃料电池产品及工程服务的高科技企业)达到百亿级市值，建立起千人以上燃料电池研发运营团队，形成万辆级燃料电池整车产销规模，市场占有率在10%以上。2018年10月，红旗推出国内首款用于搭载乘用车的50kW级别燃料电池发动机，是国内第1款采用金属双极板单堆，系统功率达到50kW，体积比功率达到400w/L。2021年，红旗H5-FCEV燃料电池轿车正式亮相。该车搭载了一台最大功率为140kW的驱动电机，最高车速可达160km／h，零百加速度也在10s之内。该车还配备2个储氢罐，每个储氢罐可存储2kg氢气，百公里耗氢量小于0.82kg，续航里程可达520km。2020年，东风首款全功率氢燃料电池车型东风氢舟(AX7-FCV)发布亮相。2021年，广汽首款燃料电池乘用车AIONLXFuelCell开始示范运营。该车是一款基于广汽集团GEP2.0平台开发的氢燃料电池汽车，在保留豪华智能超跑SUVAIONLX的基础上，自主开发了燃料电池系统和车载储氢系统，最大输出功率超过135kW，百公里氢耗0.77kg，NEDC工况续航里程超过650km，一次加氢仅需3~5min。在乘用车领域，我国目前的成果较少，其中真正实现量产的只有上汽G20，其他车企的车辆大多停留在样车阶段，多数车企并不把燃料电池乘用车作为燃料电池汽车主要的发展趋势，主要原因有以下两点：一是燃料电池系统的成本较高，导致燃料电池汽车整体售价较高，消费者不买账；二是燃料电池汽车需要加氢，而国内的加氢站很少，无法满足日常的行车使用。
图5 上汽大通MAXUS EUNIQ7
燃料电池商用车
2008年，福田推出国内首款公告型氢燃料电池客车，并服务北京奥运会展开示范运营；2014年，福田发布第2代12m氢燃料电池客车，解决了生产成本高、燃料电池寿命短等阻碍氢燃料电池客车发展的瓶颈问题；2016年，福田推出第3代8.5m氢燃料电池客车，并凭借优越的性能以百辆订单，斩获全球范围最大规模商业化氢燃料电池客车订单；2018年，福田氢燃料电池客车已经发展到第4代，整车氢气加注10~15min，续航里程可达450km以上，可实现-30℃低温启动、-46℃低温存放和停机自动保护。2019年11月16日，上汽红岩首款燃料电池自卸车亮相，同时亮相的还有上汽跃进燃料电池卡车FC500D12。2019年12月12日，全国首辆18t燃料电池卡车——上汽跃进FKC500－D18正式下线，该车搭载的是捷氢科技P390系统，加氢时间不到10min，续航里程超过400km。2020年，一汽解放发布燃料电池半挂牵引车。这款解放燃料电池半挂牵引车长7.4m，宽2.55m，高3.98m，总质量25t，整备质量10.65t，准拖挂车总质量38.22t，半挂车鞍座最大允许承载质量14.22t，轴距3800+1350mm，配套的是重塑科技的燃料电池系统。2021年，飞驰汽车发布49t氢燃料电池重卡，燃料电池发动机搭载的是国鸿氢能鸿途G110系统产品，系统额定功率110kW。该车型采用国内目前统一标准35MPa氢气瓶，充装一次氢气只需5~10min，最高续航里程可达400km。2017年，中通客车发布了其首款12m氢燃料电池客车——LCK6120FCEVG。该车续驶里程400km，可持续发电15000h，可以满足大中型城市公交以及团体用车需求。宇通发布多款氢燃料电池客车，包括8.5m、10m和12m公交车，覆盖主要公交市场。车型开发时，宇通还开发了63/65/80kW燃料电池系统，并规划开发110/120kW燃料电池系统，通过配置差异化，满足不同使用场景下的客户需求。
图6 中通燃料电池客车（左）福田燃料电池客车（右）
目前，在燃料电池商用车领域，中国车企可谓百花齐放，不同的车企积极布局燃料电池轻卡、重卡以及客车，尤其是在卡车领域，燃料电池可以很好的对传统柴油机进行替代，满足大功率、长续航的工况需求，受到了广大车企的偏爱。燃料电池汽车经过多年的发展，已经由样车逐步转入到商业化应用阶段，尤其在国外，MIRAI和NEXO的量产证明了燃料电池汽车商业化应用的可能性，推动了整个行业的发展，为整个行业的发展带来了信心。全球各主要国家和地区也积极推动燃料电池汽车的发展，在双碳目标下，燃料电池汽车行业更是受到了极大的关注。但是，纵观国内外燃料电池汽车发展现状，各国的发展路径并不相同。美国并不主动发展燃料电池汽车，车辆的使用主要以引进为主，而日韩国家主要以燃料电池乘用车发展为主。国内受到政策和国情的影响，主要以商用车发展为主。同时，对比国内外燃料电池汽车技术，国内燃料电池汽车相关技术对比现在燃料电池汽车行业的龙头企业，如丰田、现代等，还存在较大的差距，受到寿命、成本和性能的制约，主要原因在于燃料电池系统中的核心部件还依赖进口，对燃料电池的基础研究不够充分，对燃料电池汽车的研究还处于起步阶段。但是，中国一直将燃料电池汽车的发展作为汽车领域的重要分支，在政策扶持下，各个车企也积极布局和推动燃料电池汽车的发展，呈现出百花齐放的局面。未来，中国也将大力推进燃料电池汽车核心技术的研究和发展，努力攻克燃料电池汽车在寿命、成本、性能问题，推动燃料电池商业化应用，商用车先行的基础上推动燃料电池乘用车的发展，在汽车领域为双碳目标贡献力量。
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