燃料电池关键技术和燃料电池汽车系统分析

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系统性介绍了氢能利用领域中氢燃料电池关键技术及相关核心部件应用现状，对比分析了各类氢能燃料电池技术优势与现存不足，重点阐述了质子交换膜燃料电池技术研究现状。同时，结合燃料电池技术详细介绍了氢能燃料电池汽车工作原理与动力系统，重点分析了燃料电池发动机技术以及配套核心材料、关键零部件应用现状与研制成本。最后，对氢能燃料电池汽车发展趋势与技术路线进行深入思考与切实展望，分析表明未来氢能燃料电池汽车应当从降低燃料电池关键部件研制成本、提高有效使用寿命出发，推动燃料电池汽车（FCV）商业化发展，此外着力研发天然气掺氢（HCNG）内燃机将是未来拓展氢能交通运输领域的重要方向。

近年来，随着全球社会经济的飞速发展，能源消耗速度与需求不断攀升，以煤炭、石油、天然气为主体的传统化石能源可动用储量锐减，开采难度与成本陡升，同时化石能源的过度开发利用导致环境污染问题、全球温室效应日益严峻，因此，各国对于开发利用绿色、清洁、低碳、可循环的新型替代能源迫在眉睫。

其中，氢能作为优质的清洁可再生能源及载体，既可以直接燃烧或经化学反应供能，也可以作为波动性可再生能源载体储能并释放。具备储能密度高（142MJ/kg）、来源广泛、可循环、清洁、零碳、利用形式多样等优势，其规模化应用是缓解能源危机、治理环境污染以及实现全球碳中和的重要途径。

然而，要实现氢能大规模、商业化低碳应用，仍存在一系列关键性技术问题亟待解决，其中，发展安全高效、经济可靠的燃料电池技术以及燃料电池汽车关键零部件是实现氢能在交通运输领域规模化应用的重要前提。目前，燃料电池技术以及燃料电池汽车形式多样，但普遍存在配套核心材料、关键零部件研制成本高昂、转换效率与响应速率有待提升等问题。本文系统性介绍了氢燃料电池关键技术及相关核心部件应用现状，对比分析了现有技术优缺点，并详细展示了燃料电池汽车工作原理与动力系统，重点阐述了燃料电池发动机技术以及配套核心零部件研究现状，最后，对氢能燃料电池汽车发展趋势与技术路线进行了深入思考与展望，提出了推动燃料电池汽车（FCV）大规模商业化发展的研究方向，以及研发天然气掺氢内燃机拓展氢能交通运输领域的技术路线。

1、燃料电池关键技术

燃料电池是利用电化学反应将燃料化学能转化为电能的发电装置，无需经历热机过程，因此不受限于卡诺循环且能量转换效率较高。由于燃料电池电化学反应发电过程无硫氧、氮氧化物生成，因而燃料电池技术被认为是最清洁、环保、高效的可循环发电技术。随着燃料电池技术的发展，其工作性能及装置适应性逐步提升，目前主要应用于燃料电池汽车动力系统、燃料电池电站、分布式热电联供系统以及便携式发电设备等领域，已成为新能源规模化应用的关键技术之一。

目前，根据所使用燃料类别与电解质特性不同，通常将燃料电池分为：甲醇燃料电池（DMFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、碱性燃料电池（AFC）、质子交换膜燃料电池（PEMFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）等。各类燃料电池工作温度、燃料类型、发电效率、主要应用领域等有所不同（各类燃料电池特性对比分析见表1），但总体结构与工作原理基本相同，因此以目前适应性最强、应用最普遍的质子交换膜燃料电池（PEMFC）为代表对燃料电池关键技术与结构进行详细分析。

表1  各类燃料电池特性对比

质子交换膜燃料电池（PEMFC）是典型的氢燃料电池，以氢气为电化学反应燃料，以空气或氧气为氧化剂，利用全氟磺酸型质子交换膜作为电解质。质子交换膜燃料电池由电堆、控制系统、供气系统等结构组成，其中电堆是燃料电池发电核心元件，主要由膜电极与双极板组成。膜电极（MEA）是质子交换膜燃料电池电化学反应发生及电能转化关键场所，自内而外由质子交换膜（PEM）、阴/阳极催化层、阴/阳极气体扩散层、密封圈构成，如图1所示。其中，质子交换膜用于电化学反应时传递质子、分隔阴阳极反应区；阴/阳极催化层（CL）作为催化剂载体实现电化学反应催化作用；阴/阳气体扩散层（GDL）用于将反应气体均匀扩散至催化层；密封圈用于固定、密封膜电极组件。

图1  膜电极组件示意图

质子交换膜燃料电池工作原理是将燃料气体与氧化剂的化学能转化为电能，利用的是质子交换膜电解水制氢的逆反应，具体电化学反应原理如下：燃料氢气经双极板输送至膜电极，并被阳极气体扩散层均匀引导至阳极催化层发生反应，氢气被氧化释放电子形成带正电荷的氢离子，而后氢离子受电势差驱动穿过质子交换膜被引导至阴级催化层，电子则流入外部电路形成电流，同时氧化剂中氧气被引导至阴极催化层被还原为氧离子后与氢离子结合生成水，这是质子交换膜燃料电池电化学反应的唯一副产物，其工作原理示意图如图2所示。阴/阳极电化学反应（略）。

图2  质子交换膜燃料电池工作示意图

相较于其他类型燃料电池，质子交换膜燃料电池具有能量转换效率高、工作温度低、氧化剂为空气、电解质无腐蚀性、动态响应速度快、副产物环保、运行无噪声、能量可循环利用等优点；同时也存在使用贵金属材料成本较高、对燃料氢气纯度要求高等不足。因此，相对于其他燃料电池质子交换膜燃料电池综合性能最优、应用最为广泛，目前已成为燃料电池汽车的主流技术，并且在固定式、便携式发电装置中得到大量应用。

2、燃料电池汽车系统分析

与传统燃油（燃气）汽车及纯电动汽车工作原理不同，燃料电池汽车通常是利用质子交换膜燃料电池（PEMFC）技术提供电能驱动整车系统运行的一种新能源汽车。燃料电池汽车主要由燃料电池发动机系统、电机系统、辅助电源系统、车载储氢系统、整车控制系统（VCU）等部件构成，整车系统组成示意图如图3所示。燃料电池汽车工作过程是由燃料电池发动机系统经过电化学反应输出低压电流，之后通过DC/DC逆变器增压并与辅助电源系统耦合，共同驱动电机系统以及整车运行，行驶过程中可通过控制系统（VCU）输出指令，从而调节导入燃料电池发动机系统内参与电化学反应的氢气与空气流量，实现对燃料电池输出电流的相应控制，最终实现燃料电池汽车速度、扭矩的精准调控。

注：实线表示氢燃料电池主反应动力传动路线，虚线为非主要动力传动系统

针对传统燃油（燃气）汽车与纯电动汽车整车性能及关键部件开展对标分析，燃料电池汽车具有明显优势：能量转化效率高、零碳排放、低温性能稳定、响应速度快、比能量高、续航里程长、加氢高效便捷、安全性能好、可适应大吨位重载工况、工作运行效率高、运行过程无污染且无噪音等；同时，制约其规模化应用的瓶颈也较为突出：首先，燃料电池发动机等关键部件成本高，导致燃料电池车售价为燃油车的2～3倍、锂离子电池车的1.5～2倍；其次，加氢站配套设施建设费用高，导致燃料电池汽车加氢站点局限、汽车运行线路较为固定；最后，燃料电池汽车目前加氢费用较高，导致其应用成本高、相较于传统汽车不具备费用化竞争优势。因此，要实现燃料电池汽车的大规模商用化，除了优化氢能产业链、降低加氢成本，更需要积极开展燃料电池发动机关键技术以及相关核心零部件国产化研究，降低生产成本、提升使用寿命从而提高经济性。

3、燃料电池汽车关键技术与核心部件

为实现燃料电池汽车的大规模、商用化应用，以解决交通运输领域环境污染、高碳排放等问题，除了优化燃料电池发动机整体关键技术，同时还需要积极开展燃料电池汽车核心零部件研发以及相关成本分析，以实现核心零部件国产化应用，降低生产成本、提高使用寿命，从而整体提升燃料电池汽车经济适用性。

燃料电池发动机是燃料电池汽车的核心部件，是将燃料氢气与空气中氧气通过电化学反应直接转化为电能的一种发电装置，其性能决定了燃料电池汽车整体运行效率、适应工况、安全性能、使用寿命以及研制成本等，因此对燃料电池发动机技术以及相关零部件进行系统梳理并深入分析意义重大。

燃料电池发动机发电过程不涉及热机能量转化、无机械损耗、能量转化效率高、运行平稳且无噪音，副产物仅为水，因此被称为“最理想环保发动机”。目前，燃料电池汽车所用燃料电池发动机均为氢燃料电池发动机系统，主要由燃料电池电堆、空气供给模块、氢气供给模块、散热模块以及智能监控模块相互协调构成，氢燃料电池发动机PID示意图如图4所示。

图4  氢燃料电池发动机PID示意图

其中，氢燃料电池电堆作为燃料电池发动机系统的核心动力来源部件，是燃料电池发生电化学反应输出电流的主要场所，对燃料电池发动机性能与成本具有关键影响。电堆的组成主要包括膜电极（包含质子交换膜、催化层、气体扩散层等）、双极板（分为石墨板、金属板、混合板等）以及密封组件等。由于单个燃料电池电堆输出功率较小，因此实际应用中通常将多个燃料电池电堆以层叠方式串联并经前/后端板压紧固定后形成复合电堆组件以提高整体输出功率。根据目前燃料电池输出电流密度平均水平，燃料电池发动机单片电池电堆输出电功率约为0.25kW，即输出1kW电功率需串联4片电堆。若取燃料电池发动机输出效率（发动机输出功率/电堆输出功率，其中，发动机输出功率等于电堆输出减发动机辅件BOP及DC/DC逆变器等输出功率）为80%，1kW发动机输出功率需要5片电堆，以商用燃料电池重卡汽车120kW的输出需求计算，则约需串联600片电堆组件。燃料电池汽车最核心部件当属电堆，作为决定电化学反应性能关键场所，其总体成本占燃料电池汽车整体30％以上，是成本与性能的主要决定因素。

空气供给模块主要功能是控制空气供给与断开以及向燃料电池电堆组件提供适宜压力、流量、湿度空气，其零部件主要包括空气滤清器、空压机、增湿器、流量计、电磁阀以及循环管线。经空气滤清器过滤后的大量清洁空气被空压机压缩导入，为提高质子交换膜燃料电池工作效率还需经过增湿器将空气湿度调节至合适范围后输入燃料电池电堆参与反应，电磁阀则用于控制氢气供给与断开。

氢气供给模块主要功能是控制氢气供给与断开以及向燃料电池电堆组件提供适宜压力、流量氢气，其零部件主要包括氢气入口电磁阀、减压器、氢气循环泵、氢气出口电磁阀以及循环管线。减压器将氢气入口压力降至电堆适宜工作压力范围以内，电磁阀则用于控制氢气供给与断开。为提高氢气循环利用率，通过氢气循环泵将电化学反应后剩余的氢气运移至电堆氢气入口处重复使用。

散热模块可细分为电堆散热系统和辅助部件散热系统两类，电堆散热系统主要功能是调节并保持电堆温度处于合适工作范围，利用节温器特性，该散热系统分大小循环，初始温度较低时采用小循环管路，随着温度的迅速提高逐步开启大循环管路，避免燃料电池电堆长时间工作在较低温度影响燃料电池发电效率及使用寿命，因此该系统兼具散热和加热两种功能。辅助部件散热系统一般集成于燃料电池整车，由整车管路及风扇完成散热循环。

智能监控模块主要功能是利用数据采集系统对燃料电池发动机系统各项运行参数与状态进行检测，实时反馈至燃料电池汽车仪表仪器，并对发动机系统各项运行参数实时分析，针对系统反馈参数存在异常情况进行自动预警、全程记录。同时，车辆运行过程中可针对燃料电池发动机监测数据通过控制系统（VCU）传达指令，从而调节发动机系统相应参数，实现对燃料电池汽车发动机运转速度、输出扭矩等工况精准调控。

4、天然气掺氢关键技术

目前，氢能应用于交通运输领域的技术构想发展，但并不应局限于现如今最常见的燃料电池与动力电池“氢-电混合”技术路线，还应积极拓展多种氢能利用技术路线齐头并进，包括各类燃料电池及燃烧装备技术（内燃机、锅炉、燃气轮机和灶具等），重点围绕全生命周期内的安全、能效、排放及成本等方面深入研究。尽管目前“氢-电混合”路线受公众青睐度最高，但其他氢能利用技术路线也同样具备特有的研究价值与良好的推广前景，其中天然气掺氢（HCNG）内燃机技术是传统燃气（油）汽车向新能源燃料电池汽车全面过渡阶段的重要接续性动力驱动技术，其规模化应用将进一步拓展氢能在交通运输领域的利用范围。

氢燃料电池汽车相较于传统燃油（气）汽车具有能量转化效率高、绿色清洁、环保高效、零碳排放等显著优势，但由于燃料电池中质子交换膜、阴/阳极催化层（CL）等组件对电化学反应过程中燃料氢气纯度要求高（≥99％），否则将导致燃料电池组件使用寿命大大缩短，因此对储氢品质要求较高并增加了用氢成本。而天然气掺氢内燃机技术则是充分结合了传统燃气汽车内燃机动力驱动系统，将汽车内燃机燃料多元化，以天然气掺入一定比例（20％左右）的氢气作为燃料。天然气掺氢内燃机技术有效克服了纯天然气燃料存在的稀燃能力弱、燃烧循环变动大、HC排放高等缺陷，具有低碳化显著、燃烧速率快、热力循环优、热转化与传导效率高等优势，因而具有强劲的发展潜力与市场驱动力。经研究表明，综合考虑HCNG内燃机动力性、经济性、排放等因素，若采用固定体积掺氢比为20％的HCNG燃料，在无需改动汽车整体系统的情况下，发动机热效率可提高15％，经济性提高8％，污染物排放降低60％～80％。因此，大力开发利用天然气掺氢内燃机技术是实现传统燃气（油）汽车向氢能源燃料电池汽车过渡的重要可行性发展方向，对于缓解全球能源危机、交通运输领域环境污染、高碳排放等问题以及储备氢能规模化应用积累实践经验潜力巨大。

5、思考与展望

氢能作为优质绿色可再生能源以及高储能密度能源载体兼具物质与能源特性，既可用作燃烧或化学工业原料供能，也能作为波动性可再生能源载体进行储能并释放，具备高储能密度（142MJ/kg）、来源广泛、可循环、清洁、零碳、利用形式多样等多重优势。因此，推动氢能源替代传统化石能源在工业生产与生活消费中规模化应用，对于加速能源结构绿色转型、缓解能源危机以及实现全球碳中和战略目标意义重大。

目前，氢能作为重要化工原料，应用范围仍主要集中于传统化工生产领域，但要充分发挥氢能绿色环保、低碳高效的巨大潜力，则必须积极拓展氢能利用技术路线、打通氢能规模化应用的关键技术环节。其中，氢燃料电池发电与氢燃料电池汽车技术充分利用氢能电化学转化效率高的突出优势，已成为现阶段推广氢能应用的热门领域。然而，氢燃料电池与燃料电池汽车技术普遍存在配套核心材料、关键零部件研制成本高昂、转换效率与响应速率有待提升等问题。因此，为发挥氢能在交通运输领域的显著优势，实现燃料电池汽车的大规模商用化，除了优化燃料电池发动机整体关键技术，还需积极开展燃料电池汽车核心零部件研发，以实现核心零部件国产化应用，降低生产成本、提高使用寿命，从而整体提升燃料电池汽车经济适用性；同时大力开发利用天然气掺氢（HCNG）内燃机技术是实现传统燃气（油）汽车向氢能源燃料电池汽车过渡阶段的重要可行性发展方向。

编辑：黄飞