來源：浙理氫能
當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之上的經濟發展模式，導致了日益突出的環境污染和溫室效應問題。為實現人類社會可持續發展，建立人與自然的和諧關系，發展風能、水能、太陽能、生物質能、地熱能、海洋能等綠色能源，成為世界各國高度關注的課題。但由于多數可再生能源所固有的間隙性、隨機與波動性，導致了嚴重的棄風、棄光、棄水等現象，氫能作為可存儲廢棄能源并推動由傳統化石能源向綠色能源轉變的清潔能源，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方向。
氫燃料電池是以氫氣為燃料，通過電化學反應將燃料中的化學能直接轉變為電能的發電裝置，具有能量轉換效率高、零排放、無噪聲等優點，相應技術進步可推動氫氣制備、儲藏、運輸等技術體系的發展升級。在新一輪能源革命驅動下，世界各國高度重視氫燃料電池技術，以支撐實現低碳、清潔發展模式。發達國家或地區積極發展“氫能經濟”，制定了《全面能源戰略》（美國）、《歐盟氫能戰略》（歐盟）、《氫能 / 燃料電池戰略發展路線圖》（日本）等發展規劃，推動燃料電池技術的研發、示范和商業化應用。我國也積極跟進氫能相關發展戰略，2001 年確立了863計劃中包括燃料電池在內的“三縱三橫”戰略；《能源技術革命創新行動計劃（2016—2030）》《汽車產業中長期發展規劃》（2017 年）等國家政策文件均明確提出支持燃料電池汽車發展。2020 年，科技部啟動了國家重點研發計劃“可再生能源與氫能技術”重點專項，將重點突破質子交換膜、氣體擴散層碳紙、車用燃料電池催化劑批量制備技術、空壓機耐久性、高可靠性電堆等共性關鍵技術。國家能源局將氫能及燃料電池技術列為“十四五”時期能源技術裝備重點任務。中泰證券發布的氫能系列報告中表明到2025年，國內燃料電池汽車保有量50000輛。
圖1 燃料電池汽車和列車
研究表明，氫能及氫燃料電池技術有望大規模應用在汽車、便攜式發電和固定發電站等領域，也是航空航天飛行器、船舶推進系統的重要技術備選方案，但面臨低生產成本（電解質、催化劑等基礎材料）、結構緊湊性、耐久性及壽命三大挑戰。美國能源部燃料電池技術項目研究認為，燃料電池電動汽車是減少溫室氣體排放、降低石油使用量的最有效路徑之一，隨著技術進步，全過程生產成本和氫燃料成本將與其他類型車輛及燃料相當。優化系統控制策略、開發催化劑及其抗腐蝕載體等新型基礎材料，是提高系統耐久性和壽命、進而促成氫燃料電池技術大規模商業化應用的有效路徑。我國提出了將于 2030 年實現碳達峰、2060 年實現碳中和的發展愿景。積極發展氫能，引導高碳排放制氫工藝向綠色制氫工藝轉變，是能源革新發展，實現碳達峰、碳中和的重要舉措。氫能將是我國能源領域的戰略性新興產業，氫燃料電池技術是實現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用現狀。
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反應，將燃料及氧化劑中蘊含的化學能轉換為電能的裝置。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堆。氫氣作為汽車燃料已經有很長的歷史了。在200年前，氫氣就被用在第一代內燃機中作為燃料，與現在內燃機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，氫氣作為內燃機燃料并沒有表現出優越性。然而，在如今的燃料電池技術中，氫氣并不直接燃燒，而是和氧氣反應轉換為電能。氫氣和氧氣的化學反應是非常簡單的，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物相互接觸，一方面為陽極產生的離子提供到達陰極的通道。
圖2 燃料電池反應堆工作原理
如圖2所示，燃料電池反應原理如下：氫氣首先進入燃料電池的氫電極（稱為陽極），然后氫氣與覆蓋在陽極上的催化劑反應，釋放電子形成帶正電荷的氫離子，氫離子穿過電解液到達陰極。然而，電子不能通過電解液，相反，電子流入電路，形成電流，產生電能。在陰極，催化劑使氫離子與空氣中的氧結合形成水，水是燃料電池反應中的唯一副產品。主要包括燃料電池堆和氫噴系統、供氧系統、冷卻系統和相關管路組成；燃料電池堆由單電池、隔離板、冷卻板、歧管和支撐結構組成；單電池由左右兩塊雙極板（每一側的雙極板本身又是雙層結構，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、擴散層）構成。單電池是采用收尾相連的方式串聯在一起，單電池的電壓約為1.23V（實際平均效率約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，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 燃料電池結構圖
氫燃料電池與傳統電池主要有何區別？
1) 蓄電池是一種儲能裝置，是將電能儲存起來，需要時再釋放出來。而氫燃料電池則是一種發電裝置，類似于發電廠，是將化學能直接轉化為電能的電化學發電裝置。2) 燃料電池不受卡諾循環限制，能量轉化效率很高。內燃機必須先將燃料的化學能經燃燒轉變為熱能，再將熱能轉換為機械能，最后再將機械能轉化為電能，在一連串的能量形式變化過程中，不僅產生了噪聲和環境污染物，而且能量轉化效率低。總之四大優勢：能量密度高、補充能量快、清潔能源、能源結構可調。多種多樣的燃料電池
燃料電池可以簡單的根據電解液的不同分為幾種不同的類別，主要的燃料電池類型包括：質子交換膜燃料電池（“PEM”），堿性燃料電池（“AFC”），磷酸燃料電池（“PAFC”），固體氧化物燃料電池（“SOFC”）以及熔融碳酸鹽燃料電池（“MCFC”）。下表對不同燃料電池進行了對比。PEM目前是處于商業化最前沿的燃料電池，因為PEM可以在50-100攝氏度下運行，啟動時間較短，同時對氧化劑要求較低，空氣就可以作為其氧化劑來源。這些特性使得PEM成為汽車能源的理想解決方案，并且使得PEM從20世紀90年代開始得到了快速發展。
燃料電池汽車作為氫能利用的關鍵領域，作為一種真正意義上的"零排放，無污染"載運工具，將成為我國汽車產業轉型發展的重要方向。發展燃料電池汽車有動力強勁、安全可靠、經濟節能等諸多優勢，但是也面臨著燃料電池堆（含質子交換膜、催化劑、氣體擴散層及雙極板）、空壓機、車載儲氫系統等技術現狀與國外技術有一定差距的現象，現將優勢及技術現狀分析如下。
燃料電池汽車優勢：
· 動力強勁。燃料電池動力系統采用的是“電-電混合”技術路線，即將動力電池和燃料電池并聯，由鋰電池提供車輛加速、減速等非穩態下所需的大功率，而燃料電池則用來提供穩定工況下的輸出功率。這種方案不僅解決了燃料電池動態響應速度慢的問題，還可大大延長燃料電池的壽命，同時能提供強勁的動力。以燃料電池城市客車為例，最大爬坡度能達到22%（同等條件下傳統客車為 20%），0-50km/h 加速時間只需要8s 而傳統客車需要 30s，可見加速能力優于傳統客車。
· 能量轉化率高。燃料電池汽車能量轉換效率高。據戴克公司對 NECAR4型燃料電池轎車的測試，其燃料電池堆的能量轉換效率為62%，如果除去燃料電池發動機輔助系統的能耗（占 16.4%）和電機及其驅動系統的能耗（占 8.1%），從“油箱到車輪”的效率為 37.7%，遠高于汽油機汽車 16%～18%和柴油機汽車 20%～24%的轉換效率。
· 安全可靠。氫氣比汽油驅動的汽車安全得多。首先，如果發生了汽油泄漏，就會造成混亂和嚴重的火災風險。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，而且經過精心設計，即使在嚴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，從而關閉所有設備，并在任何東西被點燃之前將車輛停下來。
圖4 各類氫能源車型
能與新能源汽車產業發展規劃(2012-2020)》，明確指出了“開展燃料電池電堆、發動機及其關鍵材料核心技術研究；繼續開展燃料電池汽車運行示范，提高燃料電池系統的可靠性和耐久性，帶動氫的制備、儲運和加注技術發展。”2016年，能源局和發改委聯合頒布《能源技術革命創新行動計劃2016-2030年》和《能源技術革命重點創新路線圖》，積極推動燃料電池車的示范運行和推廣應用。《中國制造2025》提出，到2025年，制氫、加氫等配套基礎設施基本完善，燃料電池汽車實現區域小規模運行。因此，我國要抓住新能源汽車戰略性新興產業培育和發展的政策機遇，發揮政策引導作用，聚焦重大、重點突破燃料電池汽車關鍵技術和共性技術，穩步推進燃料電池汽車技術進步。燃料電池乘用車
2015年，上汽推出了續航400km、“無污染，零排放”的榮威750E燃料電池車。2017年，上汽在中國國際工業博覽會上展示了兩款氫燃料電池車型，分別為榮威950和燃料電池輕型客車大通FCV80。2020年，上汽集團正式發布全球首款燃料電池MPV——上汽大通MAXUSEUNIQ7，并同時宣布中國汽車行業首個“氫戰略”：在2025年前，推出至少10款燃料電池整車產品，上汽捷氫科技(為行業提供燃料電池產品及工程服務的高科技企業)達到百億級市值，建立起千人以上燃料電池研發運營團隊，形成萬輛級燃料電池整車產銷規模，市場占有率在10%以上。2018年10月，紅旗推出國內首款用于搭載乘用車的50kW級別燃料電池發動機，是國內第1款采用金屬雙極板單堆，系統功率達到50kW，體積比功率達到400w/L。2021年，紅旗H5-FCEV燃料電池轎車正式亮相。該車搭載了一臺最大功率為140kW的驅動電機，最高車速可達160km／h，零百加速度也在10s之內。該車還配備2個儲氫罐，每個儲氫罐可存儲2kg氫氣，百公里耗氫量小于0.82kg，續航里程可達520km。2020年，東風首款全功率氫燃料電池車型東風氫舟(AX7-FCV)發布亮相。2021年，廣汽首款燃料電池乘用車AIONLXFuelCell開始示范運營。該車是一款基于廣汽集團GEP2.0平臺開發的氫燃料電池汽車，在保留豪華智能超跑SUVAIONLX的基礎上，自主開發了燃料電池系統和車載儲氫系統，最大輸出功率超過135kW，百公里氫耗0.77kg，NEDC工況續航里程超過650km，一次加氫僅需3~5min。在乘用車領域，我國目前的成果較少，其中真正實現量產的只有上汽G20，其他車企的車輛大多停留在樣車階段，多數車企并不把燃料電池乘用車作為燃料電池汽車主要的發展趨勢，主要原因有以下兩點：一是燃料電池系統的成本較高，導致燃料電池汽車整體售價較高，消費者不買賬；二是燃料電池汽車需要加氫，而國內的加氫站很少，無法滿足日常的行車使用。
圖5 上汽大通MAXUS EUNIQ7
燃料電池商用車
2008年，福田推出國內首款公告型氫燃料電池客車，并服務北京奧運會展開示范運營；2014年，福田發布第2代12m氫燃料電池客車，解決了生產成本高、燃料電池壽命短等阻礙氫燃料電池客車發展的瓶頸問題；2016年，福田推出第3代8.5m氫燃料電池客車，并憑借優越的性能以百輛訂單，斬獲全球范圍最大規模商業化氫燃料電池客車訂單；2018年，福田氫燃料電池客車已經發展到第4代，整車氫氣加注10~15min，續航里程可達450km以上，可實現-30℃低溫啟動、-46℃低溫存放和停機自動保護。2019年11月16日，上汽紅巖首款燃料電池自卸車亮相，同時亮相的還有上汽躍進燃料電池卡車FC500D12。2019年12月12日，全國首輛18t燃料電池卡車——上汽躍進FKC500－D18正式下線，該車搭載的是捷氫科技P390系統，加氫時間不到10min，續航里程超過400km。2020年，一汽解放發布燃料電池半掛牽引車。這款解放燃料電池半掛牽引車長7.4m，寬2.55m，高3.98m，總質量25t，整備質量10.65t，準拖掛車總質量38.22t，半掛車鞍座最大允許承載質量14.22t，軸距3800+1350mm，配套的是重塑科技的燃料電池系統。2021年，飛馳汽車發布49t氫燃料電池重卡，燃料電池發動機搭載的是國鴻氫能鴻途G110系統產品，系統額定功率110kW。該車型采用國內目前統一標準35MPa氫氣瓶，充裝一次氫氣只需5~10min，最高續航里程可達400km。2017年，中通客車發布了其首款12m氫燃料電池客車——LCK6120FCEVG。該車續駛里程400km，可持續發電15000h，可以滿足大中型城市公交以及團體用車需求。宇通發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。車型開發時，宇通還開發了63/65/80kW燃料電池系統，并規劃開發110/120kW燃料電池系統，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）
目前，在燃料電池商用車領域，中國車企可謂百花齊放，不同的車企積極布局燃料電池輕卡、重卡以及客車，尤其是在卡車領域，燃料電池可以很好的對傳統柴油機進行替代，滿足大功率、長續航的工況需求，受到了廣大車企的偏愛。燃料電池汽車經過多年的發展，已經由樣車逐步轉入到商業化應用階段，尤其在國外，MIRAI和NEXO的量產證明了燃料電池汽車商業化應用的可能性，推動了整個行業的發展，為整個行業的發展帶來了信心。全球各主要國家和地區也積極推動燃料電池汽車的發展，在雙碳目標下，燃料電池汽車行業更是受到了極大的關注。但是，縱觀國內外燃料電池汽車發展現狀，各國的發展路徑并不相同。美國并不主動發展燃料電池汽車，車輛的使用主要以引進為主，而日韓國家主要以燃料電池乘用車發展為主。國內受到政策和國情的影響，主要以商用車發展為主。同時，對比國內外燃料電池汽車技術，國內燃料電池汽車相關技術對比現在燃料電池汽車行業的龍頭企業，如豐田、現代等，還存在較大的差距，受到壽命、成本和性能的制約，主要原因在于燃料電池系統中的核心部件還依賴進口，對燃料電池的基礎研究不夠充分，對燃料電池汽車的研究還處于起步階段。但是，中國一直將燃料電池汽車的發展作為汽車領域的重要分支，在政策扶持下，各個車企也積極布局和推動燃料電池汽車的發展，呈現出百花齊放的局面。未來，中國也將大力推進燃料電池汽車核心技術的研究和發展，努力攻克燃料電池汽車在壽命、成本、性能問題，推動燃料電池商業化應用，商用車先行的基礎上推動燃料電池乘用車的發展，在汽車領域為雙碳目標貢獻力量。
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