燃料電池關(guān)鍵技術(shù)和燃料電池汽車系統(tǒng)分析

薦：GSAuto聯(lián)盟|三電技術(shù)專家委員會，初期僅對主機廠、Tirl1等公司新能源汽車三電研發(fā)管理制造方面人員、大學及科研機構(gòu)等新能源汽車三電研究人員，現(xiàn)已招募490+人，主要分布在50+主機廠、50+Tire1、大學、科研機構(gòu)等三電研發(fā)管理崗位人員。

系統(tǒng)性介紹了氫能利用領(lǐng)域中氫燃料電池關(guān)鍵技術(shù)及相關(guān)核心部件應(yīng)用現(xiàn)狀，對比分析了各類氫能燃料電池技術(shù)優(yōu)勢與現(xiàn)存不足，重點闡述了質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)研究現(xiàn)狀。同時，結(jié)合燃料電池技術(shù)詳細介紹了氫能燃料電池汽車工作原理與動力系統(tǒng)，重點分析了燃料電池發(fā)動機技術(shù)以及配套核心材料、關(guān)鍵零部件應(yīng)用現(xiàn)狀與研制成本。最后，對氫能燃料電池汽車發(fā)展趨勢與技術(shù)路線進行深入思考與切實展望，分析表明未來氫能燃料電池汽車應(yīng)當從降低燃料電池關(guān)鍵部件研制成本、提高有效使用壽命出發(fā)，推動燃料電池汽車（FCV）商業(yè)化發(fā)展，此外著力研發(fā)天然氣摻氫（HCNG）內(nèi)燃機將是未來拓展氫能交通運輸領(lǐng)域的重要方向。

近年來，隨著全球社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展，能源消耗速度與需求不斷攀升，以煤炭、石油、天然氣為主體的傳統(tǒng)化石能源可動用儲量銳減，開采難度與成本陡升，同時化石能源的過度開發(fā)利用導致環(huán)境污染問題、全球溫室效應(yīng)日益嚴峻，因此，各國對于開發(fā)利用綠色、清潔、低碳、可循環(huán)的新型替代能源迫在眉睫。

其中，氫能作為優(yōu)質(zhì)的清潔可再生能源及載體，既可以直接燃燒或經(jīng)化學反應(yīng)供能，也可以作為波動性可再生能源載體儲能并釋放。具備儲能密度高（142MJ/kg）、來源廣泛、可循環(huán)、清潔、零碳、利用形式多樣等優(yōu)勢，其規(guī)?；瘧?yīng)用是緩解能源危機、治理環(huán)境污染以及實現(xiàn)全球碳中和的重要途徑。

然而，要實現(xiàn)氫能大規(guī)模、商業(yè)化低碳應(yīng)用，仍存在一系列關(guān)鍵性技術(shù)問題亟待解決，其中，發(fā)展安全高效、經(jīng)濟可靠的燃料電池技術(shù)以及燃料電池汽車關(guān)鍵零部件是實現(xiàn)氫能在交通運輸領(lǐng)域規(guī)?；瘧?yīng)用的重要前提。目前，燃料電池技術(shù)以及燃料電池汽車形式多樣，但普遍存在配套核心材料、關(guān)鍵零部件研制成本高昂、轉(zhuǎn)換效率與響應(yīng)速率有待提升等問題。本文系統(tǒng)性介紹了氫燃料電池關(guān)鍵技術(shù)及相關(guān)核心部件應(yīng)用現(xiàn)狀，對比分析了現(xiàn)有技術(shù)優(yōu)缺點，并詳細展示了燃料電池汽車工作原理與動力系統(tǒng)，重點闡述了燃料電池發(fā)動機技術(shù)以及配套核心零部件研究現(xiàn)狀，最后，對氫能燃料電池汽車發(fā)展趨勢與技術(shù)路線進行了深入思考與展望，提出了推動燃料電池汽車（FCV）大規(guī)模商業(yè)化發(fā)展的研究方向，以及研發(fā)天然氣摻氫內(nèi)燃機拓展氫能交通運輸領(lǐng)域的技術(shù)路線。

1、燃料電池關(guān)鍵技術(shù)

燃料電池是利用電化學反應(yīng)將燃料化學能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置，無需經(jīng)歷熱機過程，因此不受限于卡諾循環(huán)且能量轉(zhuǎn)換效率較高。由于燃料電池電化學反應(yīng)發(fā)電過程無硫氧、氮氧化物生成，因而燃料電池技術(shù)被認為是最清潔、環(huán)保、高效的可循環(huán)發(fā)電技術(shù)。隨著燃料電池技術(shù)的發(fā)展，其工作性能及裝置適應(yīng)性逐步提升，目前主要應(yīng)用于燃料電池汽車動力系統(tǒng)、燃料電池電站、分布式熱電聯(lián)供系統(tǒng)以及便攜式發(fā)電設(shè)備等領(lǐng)域，已成為新能源規(guī)?；瘧?yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一。

目前，根據(jù)所使用燃料類別與電解質(zhì)特性不同，通常將燃料電池分為：甲醇燃料電池（DMFC）、磷酸燃料電池（PAFC）、堿性燃料電池（AFC）、質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）等。各類燃料電池工作溫度、燃料類型、發(fā)電效率、主要應(yīng)用領(lǐng)域等有所不同（各類燃料電池特性對比分析見表1），但總體結(jié)構(gòu)與工作原理基本相同，因此以目前適應(yīng)性最強、應(yīng)用最普遍的質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）為代表對燃料電池關(guān)鍵技術(shù)與結(jié)構(gòu)進行詳細分析。

表1? 各類燃料電池特性對比

質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）是典型的氫燃料電池，以氫氣為電化學反應(yīng)燃料，以空氣或氧氣為氧化劑，利用全氟磺酸型質(zhì)子交換膜作為電解質(zhì)。質(zhì)子交換膜燃料電池由電堆、控制系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)組成，其中電堆是燃料電池發(fā)電核心元件，主要由膜電極與雙極板組成。膜電極（MEA）是質(zhì)子交換膜燃料電池電化學反應(yīng)發(fā)生及電能轉(zhuǎn)化關(guān)鍵場所，自內(nèi)而外由質(zhì)子交換膜（PEM）、陰/陽極催化層、陰/陽極氣體擴散層、密封圈構(gòu)成，如圖1所示。其中，質(zhì)子交換膜用于電化學反應(yīng)時傳遞質(zhì)子、分隔陰陽極反應(yīng)區(qū)；陰/陽極催化層（CL）作為催化劑載體實現(xiàn)電化學反應(yīng)催化作用；陰/陽氣體擴散層（GDL）用于將反應(yīng)氣體均勻擴散至催化層；密封圈用于固定、密封膜電極組件。

圖1? 膜電極組件示意圖

質(zhì)子交換膜燃料電池工作原理是將燃料氣體與氧化劑的化學能轉(zhuǎn)化為電能，利用的是質(zhì)子交換膜電解水制氫的逆反應(yīng)，具體電化學反應(yīng)原理如下：燃料氫氣經(jīng)雙極板輸送至膜電極，并被陽極氣體擴散層均勻引導至陽極催化層發(fā)生反應(yīng)，氫氣被氧化釋放電子形成帶正電荷的氫離子，而后氫離子受電勢差驅(qū)動穿過質(zhì)子交換膜被引導至陰級催化層，電子則流入外部電路形成電流，同時氧化劑中氧氣被引導至陰極催化層被還原為氧離子后與氫離子結(jié)合生成水，這是質(zhì)子交換膜燃料電池電化學反應(yīng)的唯一副產(chǎn)物，其工作原理示意圖如圖2所示。陰/陽極電化學反應(yīng)（略）。

圖2? 質(zhì)子交換膜燃料電池工作示意圖

相較于其他類型燃料電池，質(zhì)子交換膜燃料電池具有能量轉(zhuǎn)換效率高、工作溫度低、氧化劑為空氣、電解質(zhì)無腐蝕性、動態(tài)響應(yīng)速度快、副產(chǎn)物環(huán)保、運行無噪聲、能量可循環(huán)利用等優(yōu)點；同時也存在使用貴金屬材料成本較高、對燃料氫氣純度要求高等不足。因此，相對于其他燃料電池質(zhì)子交換膜燃料電池綜合性能最優(yōu)、應(yīng)用最為廣泛，目前已成為燃料電池汽車的主流技術(shù)，并且在固定式、便攜式發(fā)電裝置中得到大量應(yīng)用。

2、燃料電池汽車系統(tǒng)分析

與傳統(tǒng)燃油（燃氣）汽車及純電動汽車工作原理不同，燃料電池汽車通常是利用質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）技術(shù)提供電能驅(qū)動整車系統(tǒng)運行的一種新能源汽車。燃料電池汽車主要由燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)、電機系統(tǒng)、輔助電源系統(tǒng)、車載儲氫系統(tǒng)、整車控制系統(tǒng)（VCU）等部件構(gòu)成，整車系統(tǒng)組成示意圖如圖3所示。燃料電池汽車工作過程是由燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)經(jīng)過電化學反應(yīng)輸出低壓電流，之后通過DC/DC逆變器增壓并與輔助電源系統(tǒng)耦合，共同驅(qū)動電機系統(tǒng)以及整車運行，行駛過程中可通過控制系統(tǒng)（VCU）輸出指令，從而調(diào)節(jié)導入燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)內(nèi)參與電化學反應(yīng)的氫氣與空氣流量，實現(xiàn)對燃料電池輸出電流的相應(yīng)控制，最終實現(xiàn)燃料電池汽車速度、扭矩的精準調(diào)控。

注：實線表示氫燃料電池主反應(yīng)動力傳動路線，虛線為非主要動力傳動系統(tǒng)

針對傳統(tǒng)燃油（燃氣）汽車與純電動汽車整車性能及關(guān)鍵部件開展對標分析，燃料電池汽車具有明顯優(yōu)勢：能量轉(zhuǎn)化效率高、零碳排放、低溫性能穩(wěn)定、響應(yīng)速度快、比能量高、續(xù)航里程長、加氫高效便捷、安全性能好、可適應(yīng)大噸位重載工況、工作運行效率高、運行過程無污染且無噪音等；同時，制約其規(guī)模化應(yīng)用的瓶頸也較為突出：首先，燃料電池發(fā)動機等關(guān)鍵部件成本高，導致燃料電池車售價為燃油車的2～3倍、鋰離子電池車的1.5～2倍；其次，加氫站配套設(shè)施建設(shè)費用高，導致燃料電池汽車加氫站點局限、汽車運行線路較為固定；最后，燃料電池汽車目前加氫費用較高，導致其應(yīng)用成本高、相較于傳統(tǒng)汽車不具備費用化競爭優(yōu)勢。因此，要實現(xiàn)燃料電池汽車的大規(guī)模商用化，除了優(yōu)化氫能產(chǎn)業(yè)鏈、降低加氫成本，更需要積極開展燃料電池發(fā)動機關(guān)鍵技術(shù)以及相關(guān)核心零部件國產(chǎn)化研究，降低生產(chǎn)成本、提升使用壽命從而提高經(jīng)濟性。

3、燃料電池汽車關(guān)鍵技術(shù)與核心部件

為實現(xiàn)燃料電池汽車的大規(guī)模、商用化應(yīng)用，以解決交通運輸領(lǐng)域環(huán)境污染、高碳排放等問題，除了優(yōu)化燃料電池發(fā)動機整體關(guān)鍵技術(shù)，同時還需要積極開展燃料電池汽車核心零部件研發(fā)以及相關(guān)成本分析，以實現(xiàn)核心零部件國產(chǎn)化應(yīng)用，降低生產(chǎn)成本、提高使用壽命，從而整體提升燃料電池汽車經(jīng)濟適用性。

燃料電池發(fā)動機是燃料電池汽車的核心部件，是將燃料氫氣與空氣中氧氣通過電化學反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化為電能的一種發(fā)電裝置，其性能決定了燃料電池汽車整體運行效率、適應(yīng)工況、安全性能、使用壽命以及研制成本等，因此對燃料電池發(fā)動機技術(shù)以及相關(guān)零部件進行系統(tǒng)梳理并深入分析意義重大。

燃料電池發(fā)動機發(fā)電過程不涉及熱機能量轉(zhuǎn)化、無機械損耗、能量轉(zhuǎn)化效率高、運行平穩(wěn)且無噪音，副產(chǎn)物僅為水，因此被稱為“最理想環(huán)保發(fā)動機”。目前，燃料電池汽車所用燃料電池發(fā)動機均為氫燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)，主要由燃料電池電堆、空氣供給模塊、氫氣供給模塊、散熱模塊以及智能監(jiān)控模塊相互協(xié)調(diào)構(gòu)成，氫燃料電池發(fā)動機PID示意圖如圖4所示。

圖4? 氫燃料電池發(fā)動機PID示意圖

其中，氫燃料電池電堆作為燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)的核心動力來源部件，是燃料電池發(fā)生電化學反應(yīng)輸出電流的主要場所，對燃料電池發(fā)動機性能與成本具有關(guān)鍵影響。電堆的組成主要包括膜電極（包含質(zhì)子交換膜、催化層、氣體擴散層等）、雙極板（分為石墨板、金屬板、混合板等）以及密封組件等。由于單個燃料電池電堆輸出功率較小，因此實際應(yīng)用中通常將多個燃料電池電堆以層疊方式串聯(lián)并經(jīng)前/后端板壓緊固定后形成復合電堆組件以提高整體輸出功率。根據(jù)目前燃料電池輸出電流密度平均水平，燃料電池發(fā)動機單片電池電堆輸出電功率約為0.25kW，即輸出1kW電功率需串聯(lián)4片電堆。若取燃料電池發(fā)動機輸出效率（發(fā)動機輸出功率/電堆輸出功率，其中，發(fā)動機輸出功率等于電堆輸出減發(fā)動機輔件BOP及DC/DC逆變器等輸出功率）為80%，1kW發(fā)動機輸出功率需要5片電堆，以商用燃料電池重卡汽車120kW的輸出需求計算，則約需串聯(lián)600片電堆組件。燃料電池汽車最核心部件當屬電堆，作為決定電化學反應(yīng)性能關(guān)鍵場所，其總體成本占燃料電池汽車整體30％以上，是成本與性能的主要決定因素。

空氣供給模塊主要功能是控制空氣供給與斷開以及向燃料電池電堆組件提供適宜壓力、流量、濕度空氣，其零部件主要包括空氣濾清器、空壓機、增濕器、流量計、電磁閥以及循環(huán)管線。經(jīng)空氣濾清器過濾后的大量清潔空氣被空壓機壓縮導入，為提高質(zhì)子交換膜燃料電池工作效率還需經(jīng)過增濕器將空氣濕度調(diào)節(jié)至合適范圍后輸入燃料電池電堆參與反應(yīng)，電磁閥則用于控制氫氣供給與斷開。

氫氣供給模塊主要功能是控制氫氣供給與斷開以及向燃料電池電堆組件提供適宜壓力、流量氫氣，其零部件主要包括氫氣入口電磁閥、減壓器、氫氣循環(huán)泵、氫氣出口電磁閥以及循環(huán)管線。減壓器將氫氣入口壓力降至電堆適宜工作壓力范圍以內(nèi)，電磁閥則用于控制氫氣供給與斷開。為提高氫氣循環(huán)利用率，通過氫氣循環(huán)泵將電化學反應(yīng)后剩余的氫氣運移至電堆氫氣入口處重復使用。

散熱模塊可細分為電堆散熱系統(tǒng)和輔助部件散熱系統(tǒng)兩類，電堆散熱系統(tǒng)主要功能是調(diào)節(jié)并保持電堆溫度處于合適工作范圍，利用節(jié)溫器特性，該散熱系統(tǒng)分大小循環(huán)，初始溫度較低時采用小循環(huán)管路，隨著溫度的迅速提高逐步開啟大循環(huán)管路，避免燃料電池電堆長時間工作在較低溫度影響燃料電池發(fā)電效率及使用壽命，因此該系統(tǒng)兼具散熱和加熱兩種功能。輔助部件散熱系統(tǒng)一般集成于燃料電池整車，由整車管路及風扇完成散熱循環(huán)。

智能監(jiān)控模塊主要功能是利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)各項運行參數(shù)與狀態(tài)進行檢測，實時反饋至燃料電池汽車儀表儀器，并對發(fā)動機系統(tǒng)各項運行參數(shù)實時分析，針對系統(tǒng)反饋參數(shù)存在異常情況進行自動預(yù)警、全程記錄。同時，車輛運行過程中可針對燃料電池發(fā)動機監(jiān)測數(shù)據(jù)通過控制系統(tǒng)（VCU）傳達指令，從而調(diào)節(jié)發(fā)動機系統(tǒng)相應(yīng)參數(shù)，實現(xiàn)對燃料電池汽車發(fā)動機運轉(zhuǎn)速度、輸出扭矩等工況精準調(diào)控。

4、天然氣摻氫關(guān)鍵技術(shù)

目前，氫能應(yīng)用于交通運輸領(lǐng)域的技術(shù)構(gòu)想發(fā)展，但并不應(yīng)局限于現(xiàn)如今最常見的燃料電池與動力電池“氫-電混合”技術(shù)路線，還應(yīng)積極拓展多種氫能利用技術(shù)路線齊頭并進，包括各類燃料電池及燃燒裝備技術(shù)（內(nèi)燃機、鍋爐、燃氣輪機和灶具等），重點圍繞全生命周期內(nèi)的安全、能效、排放及成本等方面深入研究。盡管目前“氫-電混合”路線受公眾青睞度最高，但其他氫能利用技術(shù)路線也同樣具備特有的研究價值與良好的推廣前景，其中天然氣摻氫（HCNG）內(nèi)燃機技術(shù)是傳統(tǒng)燃氣（油）汽車向新能源燃料電池汽車全面過渡階段的重要接續(xù)性動力驅(qū)動技術(shù)，其規(guī)模化應(yīng)用將進一步拓展氫能在交通運輸領(lǐng)域的利用范圍。

氫燃料電池汽車相較于傳統(tǒng)燃油（氣）汽車具有能量轉(zhuǎn)化效率高、綠色清潔、環(huán)保高效、零碳排放等顯著優(yōu)勢，但由于燃料電池中質(zhì)子交換膜、陰/陽極催化層（CL）等組件對電化學反應(yīng)過程中燃料氫氣純度要求高（≥99％），否則將導致燃料電池組件使用壽命大大縮短，因此對儲氫品質(zhì)要求較高并增加了用氫成本。而天然氣摻氫內(nèi)燃機技術(shù)則是充分結(jié)合了傳統(tǒng)燃氣汽車內(nèi)燃機動力驅(qū)動系統(tǒng)，將汽車內(nèi)燃機燃料多元化，以天然氣摻入一定比例（20％左右）的氫氣作為燃料。天然氣摻氫內(nèi)燃機技術(shù)有效克服了純天然氣燃料存在的稀燃能力弱、燃燒循環(huán)變動大、HC排放高等缺陷，具有低碳化顯著、燃燒速率快、熱力循環(huán)優(yōu)、熱轉(zhuǎn)化與傳導效率高等優(yōu)勢，因而具有強勁的發(fā)展?jié)摿εc市場驅(qū)動力。經(jīng)研究表明，綜合考慮HCNG內(nèi)燃機動力性、經(jīng)濟性、排放等因素，若采用固定體積摻氫比為20％的HCNG燃料，在無需改動汽車整體系統(tǒng)的情況下，發(fā)動機熱效率可提高15％，經(jīng)濟性提高8％，污染物排放降低60％～80％。因此，大力開發(fā)利用天然氣摻氫內(nèi)燃機技術(shù)是實現(xiàn)傳統(tǒng)燃氣（油）汽車向氫能源燃料電池汽車過渡的重要可行性發(fā)展方向，對于緩解全球能源危機、交通運輸領(lǐng)域環(huán)境污染、高碳排放等問題以及儲備氫能規(guī)模化應(yīng)用積累實踐經(jīng)驗潛力巨大。

5、思考與展望

氫能作為優(yōu)質(zhì)綠色可再生能源以及高儲能密度能源載體兼具物質(zhì)與能源特性，既可用作燃燒或化學工業(yè)原料供能，也能作為波動性可再生能源載體進行儲能并釋放，具備高儲能密度（142MJ/kg）、來源廣泛、可循環(huán)、清潔、零碳、利用形式多樣等多重優(yōu)勢。因此，推動氫能源替代傳統(tǒng)化石能源在工業(yè)生產(chǎn)與生活消費中規(guī)?；瘧?yīng)用，對于加速能源結(jié)構(gòu)綠色轉(zhuǎn)型、緩解能源危機以及實現(xiàn)全球碳中和戰(zhàn)略目標意義重大。

目前，氫能作為重要化工原料，應(yīng)用范圍仍主要集中于傳統(tǒng)化工生產(chǎn)領(lǐng)域，但要充分發(fā)揮氫能綠色環(huán)保、低碳高效的巨大潛力，則必須積極拓展氫能利用技術(shù)路線、打通氫能規(guī)模化應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。其中，氫燃料電池發(fā)電與氫燃料電池汽車技術(shù)充分利用氫能電化學轉(zhuǎn)化效率高的突出優(yōu)勢，已成為現(xiàn)階段推廣氫能應(yīng)用的熱門領(lǐng)域。然而，氫燃料電池與燃料電池汽車技術(shù)普遍存在配套核心材料、關(guān)鍵零部件研制成本高昂、轉(zhuǎn)換效率與響應(yīng)速率有待提升等問題。因此，為發(fā)揮氫能在交通運輸領(lǐng)域的顯著優(yōu)勢，實現(xiàn)燃料電池汽車的大規(guī)模商用化，除了優(yōu)化燃料電池發(fā)動機整體關(guān)鍵技術(shù)，還需積極開展燃料電池汽車核心零部件研發(fā)，以實現(xiàn)核心零部件國產(chǎn)化應(yīng)用，降低生產(chǎn)成本、提高使用壽命，從而整體提升燃料電池汽車經(jīng)濟適用性；同時大力開發(fā)利用天然氣摻氫（HCNG）內(nèi)燃機技術(shù)是實現(xiàn)傳統(tǒng)燃氣（油）汽車向氫能源燃料電池汽車過渡階段的重要可行性發(fā)展方向。

編輯：黃飛
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