陳永梁

（廈門市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗院，福建廈門 361004）

引言

氫能作為一種綠色能源，是未來替代傳統(tǒng)化石能源的關(guān)鍵。我國在2020 年提出了碳達峰、碳中和的雙碳目標，提到要統(tǒng)籌推進氫能“制儲輸用”全鏈條發(fā)展。2022 年我國又頒布《氫能產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃（2021—2035 年）》，表明氫能的利用上升至國家戰(zhàn)略。以燃料電池汽車為代表的汽車交通領(lǐng)域成為氫能有效利用的重要突破口。

在道路交通領(lǐng)域中，氫燃料電池憑借零污染、可再生、加氫快、續(xù)航足等優(yōu)勢，被認為是未來清潔環(huán)保的理想技術(shù)，被譽為車用能源的“終極形式”。這些優(yōu)點使得氫燃料電池在未來極有可能大規(guī)模普及。

燃料電池簡介

燃料電池又被稱作電化學發(fā)電器，能夠?qū)⑷剂献陨淼幕瘜W能直接轉(zhuǎn)換成電能[1]。它通過將燃料與氧氣（或氧化劑）在電化學反應(yīng)中進行氧化還原反應(yīng)，從而產(chǎn)生電能和水。燃料電池在航天領(lǐng)域的應(yīng)用可以追溯到20 世紀60 年代，美國的阿波羅航天飛機就曾使用一種堿性燃料電池。

依據(jù)其電解質(zhì)類型的不同，行業(yè)上通常將燃料電池分為5 個大類：質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)、堿性燃料電池(AFC)、磷酸燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)和固體氧化物燃料電池(SOFC)[2]，如表1 所示。

表1 燃料電池分類

由于燃料電池是通過電化學反應(yīng)把燃料化學能中的吉布斯自由能部分轉(zhuǎn)換成電能，不受卡諾循環(huán)效應(yīng)的限制，因此效率較高[3]；燃料電池系統(tǒng)的燃料-電能的轉(zhuǎn)換效率一般在45%～60% ，高于汽車發(fā)動機的熱效率，也高于火力發(fā)電和核電的約35%～45%的效率。除此之外，燃料電池沒有機械傳動部件，故沒有噪聲污染[4]。

氫燃料電池工作原理

由于質(zhì)子交換膜燃料電池所具有的啟動時間短、操作溫度低、結(jié)構(gòu)緊湊、功率密度高等優(yōu)勢，使其成為氫燃料電池汽車邁入商業(yè)化進程的首選[5]。以氫燃料電池為例，其作為質(zhì)子交換膜燃料電池的一種具體類型，在發(fā)生反應(yīng)過程時以氫作為燃料，氫氣通過與氧氣發(fā)生反應(yīng)，將儲存的化學能直接轉(zhuǎn)化為電能輸出，是一種高效的能量轉(zhuǎn)換裝置，但其基本工作原理僅是電解水的逆過程[6]。

如圖1 所示，與傳統(tǒng)電池不同，氫燃料電池是發(fā)電設(shè)備而不是儲能設(shè)備。氫原子從陽極進入燃料電池，并分裂成質(zhì)子和電子。質(zhì)子通過電解液，即質(zhì)子交換膜，到達氫燃料電池的陰極。電子在外部電路中流動到陰極，電子運動產(chǎn)生電池的電流，然后放電來驅(qū)動卡車的電動機。氧氣通過導氣板或管道到達陰極。陰極將電子與質(zhì)子和氧氣重新結(jié)合，最終產(chǎn)生水，并作為整個反應(yīng)過程唯一的廢物排出。

圖1 氫燃料電池工作原理

圖2 氫燃料電池系統(tǒng)

氫燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈

氫燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈較長，環(huán)節(jié)很多，大致可以分成上游（制氫、儲氫、運氫、加氫）、中游（氫燃料電池及系統(tǒng)）、下游（氫燃料電池的應(yīng)用）三大塊。

1.上游：制氫、儲氫、運氫、加氫

（1）制氫

根據(jù)不同的制備技術(shù)以及制備過程中環(huán)保程度的高低，人們將氫能分為灰氫、 藍氫和綠氫3種。

①灰氫

通過化石燃料制備而產(chǎn)生的氫氣，如利用煤炭和石油作為原料制氫，其生產(chǎn)成本較低，但二氧化碳的排放量較大。灰氫約占當今全球氫氣產(chǎn)量的95%左右。

②藍氫

將天然氣通過蒸汽甲烷重整或自熱蒸汽重整制氫得到的氫氣稱為藍氫。該方式會使用到碳捕捉和碳封存技術(shù)，因此碳排放強度相對較低，可以實現(xiàn)低碳制氫。

③綠氫

利用可再生能源如風能、 太陽能等制造的氫氣，如通過風力發(fā)電進行電解水制取氫氣。生產(chǎn)綠氫幾乎可以實現(xiàn)零碳排放。在現(xiàn)有的技術(shù)水平和產(chǎn)業(yè)規(guī)模條件下，生產(chǎn)綠氫的成本高于灰氫、藍氫，但綠氫有著更大發(fā)展?jié)摿?。綠氫在國內(nèi)目前占比不到1%，但隨著可再生能源占比持續(xù)提升，電解水制氫成本將進一步下降，使得綠氫普及有望得到大范圍推廣。

（2）儲氫

儲存氫氣的方式共有3 種：氣態(tài)儲氫、液態(tài)儲氫和固態(tài)儲氫。

①氣態(tài)儲氫

目前應(yīng)用最廣泛的是高壓氣態(tài)儲氫，它是技術(shù)最為成熟的儲氫技術(shù)，即通過高壓將氫氣液化至氣瓶中加以儲存[7]，但是在安全性和儲氫密度方面存在瓶頸，且對儲氫壓力容器的耐高壓性能要求較高。目前氣態(tài)儲氫的關(guān)鍵環(huán)節(jié)在于壓縮，用到的設(shè)備為氫氣壓縮機。

氫氣在經(jīng)過壓縮后，需要專門的儲氫瓶儲存。目前我國已經(jīng)完全突破了純鋼制金屬瓶儲氫瓶（Ⅰ型） 和鋼制內(nèi)膽纖維環(huán)向纏繞瓶儲氫瓶（Ⅱ型）的儲氫難關(guān)，但Ⅰ型和Ⅱ型儲氫密度低，而鋁內(nèi)膽纖維全纏繞瓶儲氫瓶（Ⅲ型）和塑料內(nèi)膽纖維纏繞瓶儲氫瓶（Ⅳ型）具有重容比小、單位質(zhì)量儲氫密度高等優(yōu)點。目前Ⅲ型已有應(yīng)用但仍有局限。在國外，Ⅳ型已經(jīng)投入日常使用，但我國還處于研發(fā)階段。

②液態(tài)儲氫

高壓氣態(tài)儲氫雖然為當前儲氫主流，但其儲氫密度低的問題依然無法得到很好解決，為此人們提出了液態(tài)儲氫的概念，液態(tài)儲氫分為低溫液態(tài)儲氫和有機液態(tài)儲氫2 種。低溫液態(tài)儲氫需消耗大量能量進行多段壓縮，成本相對高。除此之外，為了避免液氫蒸發(fā)造成損耗，對液態(tài)氫儲存容器的絕熱性能要求較為苛刻，需用到具有很好絕熱性能的材料[8]。有機液態(tài)儲氫是指通過加氫反應(yīng)將氫氣固定在芳香族有機化合物中，并形成穩(wěn)定的氫有機化合物液體[9]。其優(yōu)點是在常溫常壓下即可實現(xiàn)高效儲氫，使得儲運過程高效安全，但缺點在于有機物高效脫氫技術(shù)難度大，目前還沒有得到有效解決。目前國外已有產(chǎn)品和項目，國內(nèi)產(chǎn)業(yè)化極少。

③固態(tài)儲氫

固態(tài)儲氫分為物理吸附儲氫、 金屬氫化物儲氫、復雜氫化物儲氫和直接水解制氫。吸附材料主要包括金屬合金、碳質(zhì)材料、金屬框架物等。固態(tài)儲氫是在溫和條件下，氫在高比表面積的材料中實現(xiàn)的可逆吸脫附。多孔材料是一種理想的氫氣吸附儲存材料，具有高比表面積、 結(jié)構(gòu)可調(diào)等優(yōu)點，如碳基儲氫材料、氫化物固態(tài)儲氫等。由于科技條件的限制，雖然在一定條件下物理類固態(tài)儲氫技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)氫的吸附，但室溫下其儲氫量遠低于商業(yè)化應(yīng)用的水平，且吸附材料的制備也相當昂貴[10]。在目前所有固態(tài)儲氫材料中，最具實用化前景的是金屬氫化物基儲氫合金，其具備儲氫體積密度大、操作容易、運輸方便、成本低、安全性好及可逆循環(huán)好等優(yōu)點，是未來重點突破的方向。

（3）運氫

根據(jù)運輸中氫氣所處狀態(tài)，氫氣運輸分為氣態(tài)儲運、液氫儲運、氫載體儲運和固態(tài)儲運。

①氣態(tài)儲運

氫氣經(jīng)加壓至一定壓力后，利用長管拖車和管道等工具輸送。因成本因素限制，長管拖車運輸適用于短距離氫氣運輸，低壓管道運輸適用于大規(guī)模點對點運輸。由于氫氣會與某些金屬存在氫脆現(xiàn)象，因此對管道材料有特殊要求，該方式的投入成本高、造價昂貴[11]。

②液氫儲運

將氫氣深冷至-253℃以下液化，利用槽罐車等輸送。低溫液態(tài)儲運氫涉及的核心技術(shù)裝備主要有氫液化裝置與液氫儲罐。液氫槽罐運輸使用槽罐車。液氫的單車運輸效率高，運氫能力是氣氫的10 倍以上，能有效降低綜合成本，不足的是該運輸方式增加了氫氣液化深冷過程，對工藝設(shè)備的要求更高[12]。液氫運輸技術(shù)要求的國家標準、移動液氫槽罐的團體標準已經(jīng)發(fā)布，奠定了液氫運輸?shù)臉藴驶A(chǔ)，未來液氫運輸將成為我國氫能發(fā)展的大動脈。

③氫載體儲運

利用不飽和芳香烴、 烯炔烴等作為儲氫載體實現(xiàn)氫氣輸送，涉及的核心技術(shù)裝備主要有供熱脫氫裝置。

④固態(tài)儲運

通過金屬氫化物吸附氫氣實現(xiàn)氫氣輸送。氫化物固態(tài)儲氫作為一種新的儲氫技術(shù)，近年來的表現(xiàn)愈發(fā)亮眼，具有體積儲氫密度高、低壓和儲運安全等優(yōu)點，不過其對儲氫材料要求高，因此更適合固定式儲氫。

氣態(tài)氫氣運輸、 液態(tài)氫氣運輸為目前主要使用方式，現(xiàn)階段，我國普遍采用20MPa 氣態(tài)高壓儲氫與集束管車運輸?shù)姆绞絒13]。氫載體儲運、固態(tài)儲運受制于技術(shù)和成本，暫時無法規(guī)模化應(yīng)用。隨著用氫規(guī)模擴大、運輸距離增長，提高氣氫運輸壓力或采用液氫槽車、 輸氫管道等方案才能滿足高效經(jīng)濟的要求。

（4）加氫

加氫站是為氫燃料電池汽車充裝氫氣燃料的專門場所。氫氣經(jīng)壓縮增壓后，在高壓儲罐內(nèi)儲存，然后通過氫氣加注機為氫燃料電池汽車加注氫氣。根據(jù)氫氣來源不同，加氫站可分為站外供氫加氫站和站內(nèi)制氫加氫一體站兩類。

站外供氫方式運輸能力低(運載氫氣質(zhì)量約占拖車總質(zhì)量的1%，裝卸時間長(一船需要4 小時左右)，運輸成本高，綜合能效低，使得在實際的終端氫氣成本中，氫氣的儲運成本就占了20%～30%。可見氫氣的儲存和運輸是影響氫能市場競爭力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

站內(nèi)制氫加氫一體站的流程及主要設(shè)備相對簡約，它采用“分布式制氫+站內(nèi)加注設(shè)備”提供穩(wěn)定氫源的氫氣供應(yīng)方式，可以實現(xiàn)氫氣的現(xiàn)制現(xiàn)用，能最大限度減少氫氣儲運過程帶來的高額費用和安全風險[14]，有效降低車用加氫站氫源成本，降低氫燃料電池汽車用氫價格。同時省去了氫氣運輸成本，避免了高壓卸氣、加氣、運輸環(huán)節(jié)的安全隱患，且可作為加氫母站向周邊加氫站供氫，解決地區(qū)氫源供應(yīng)問題。

2.中游：氫燃料電池及系統(tǒng)

氫燃料電池系統(tǒng)包括電堆、 空氣供給循環(huán)系統(tǒng)、水和熱管理系統(tǒng)、氫氣供給循環(huán)系統(tǒng)、電控系統(tǒng)等部件。

①電堆

電堆產(chǎn)生電能，是燃料電池系統(tǒng)的核心。因?qū)⒍鄠€燃料電池串聯(lián)堆疊，故形象稱為電堆。單個燃料電池由膜電極、雙極板、密封圈等組成，而膜電極又由質(zhì)子交換膜、催化劑、擴散層等部件組成。

膜電極組件是將質(zhì)子交換膜、催化層電極、擴散層在浸潤全氟磺酸型聚合物溶液后，在一定溫度和壓力下，熱壓而成的三合一組件，是保證電化學反應(yīng)能高效進行的核心，其制備技術(shù)不但直接影響電池性能，而且對降低電池成本、提高電池比功率與比能量至關(guān)重要[15]。

質(zhì)子交換膜是膜電極組件的核心部件之一，其作用是允許質(zhì)子通過而阻止未電解的燃料和氧化劑滲透。目前燃料電池使用的質(zhì)子交換膜大多采用全氟化聚合物材料合成。該材料具有穩(wěn)定性好、使用壽命長的優(yōu)點，但開發(fā)和生產(chǎn)難度大，制造成本高。

催化劑是氫燃料電池電堆成本占比最高的核心部件之一。燃料電池催化劑位于質(zhì)子交換膜的兩側(cè)，起到降低電極反應(yīng)活化能、提高反應(yīng)速率的作用，通過降低燃料電池的活化極化能明顯提升燃料電池的功率密度，在很大程度上影響著燃料電池的性能表現(xiàn)，是燃料電池的關(guān)鍵材料和運行保障，因此催化劑活性非常關(guān)鍵。催化層是發(fā)生電化學反應(yīng)的場所，是電極的核心部分。

目前氫燃料電池的催化劑主要為3 個大類：鉑（Pt）催化劑、低鉑催化劑和非鉑催化劑。Pt 作為催化劑可以吸附氫氣分子促成離解，是行業(yè)商用的首選，但鉑儲量有限，價格昂貴，電化學穩(wěn)定性較差，且易被毒化。這些問題嚴重制約了氫燃料電池的應(yīng)用與發(fā)展。

氣體擴散層的主要作用是支撐催化層，傳遞反應(yīng)氣體與產(chǎn)物，并傳導電流?；耐ǔ槎嗫讓щ姷牟馁|(zhì)，如炭紙、炭布，且用PTFE 等進行憎水處理構(gòu)成氣體通道。目前市場上商業(yè)化的氣體擴散層基材供應(yīng)商主要包括日本東麗集團、 德國西格里集團與科德寶集團、 加拿大巴拉德動力系統(tǒng)公司。我國動力總成企業(yè)濰柴動力通過收購巴拉德股份成為加拿大巴拉德第一大股東，由加拿大巴拉德向濰柴提供技術(shù)研發(fā)服務(wù)，有助于我國在氫燃料動力總成性能和質(zhì)量上實現(xiàn)突破，提升市場競爭力。

膜電極的質(zhì)子交換膜、 催化劑和氣體擴散層的性能決定了電堆的使用壽命和工況適應(yīng)性。氫燃料電池系統(tǒng)占整車成本約40%，電堆占燃料電池系統(tǒng)成本約62%，因此降低電堆成本是燃料電池汽車商業(yè)化的關(guān)鍵。

雙極板是燃料電池電堆的核心零部件，位于陰極和陽極之間，用于分隔和導電。其主要作用是提供氫氣、氧氣和冷卻液流體通道，并分隔氫氣和氧氣、收集電子、傳導熱量。

②氫氣供給循環(huán)系統(tǒng)

氫氣供給系統(tǒng)的功能是儲存氫氣，并能為燃料電池汽車在工作期間源源不斷提供滿足壓力和流量需求的氫氣。

氫氣供給系統(tǒng)主要由瓶口閥、 過流閥、 過濾器、 減壓閥、泄壓閥、截止閥、氣水分離器、氫氣循環(huán)泵、管路和接頭等部件組成，根據(jù)系統(tǒng)需求不同還配有單向閥、阻火器和噴射器等。

③空氣供給循環(huán)系統(tǒng)

空氣供給系統(tǒng)主要包括濾清器、 空氣壓縮機（空壓機）、增濕器，重要部件為空壓機。空壓機是為電池正極提供空氣的設(shè)備，常用空壓機分為羅茨式、渦旋式、螺桿和離心式空壓機?？諝夤┙o循環(huán)系統(tǒng)的作用是提供反應(yīng)所需的氧（純氧或者空氣）?？諝夤┙o一般采用送風機或空氣壓縮機。

④水和熱管理系統(tǒng)

水管理系統(tǒng)的作用是將陰極生成的水及時帶走，以免造成燃料電池功能失效。在質(zhì)子交換膜燃料電池中，質(zhì)子以水合離子狀態(tài)進行傳導時需要水的參與，水量多少會影響電解質(zhì)膜的質(zhì)子傳導特性，進而影響電池的性能。

燃料電池的工作條件是有一定溫度限制的。熱管理系統(tǒng)的作用是及時將燃料電池產(chǎn)生的熱量帶走，避免因溫度過高對電解質(zhì)膜產(chǎn)生破壞。熱管理系統(tǒng)常用的熱傳導介質(zhì)是水和空氣。

⑤電控系統(tǒng)

電控系統(tǒng)的DC/DC 變換器可以把電堆產(chǎn)生的直流電降壓后給蓄電池充電，也可以在經(jīng)過逆變器轉(zhuǎn)變成交流電驅(qū)使牽引馬達運轉(zhuǎn)。牽引馬達的供電源主要是電堆，蓄電池可以起到輔助作用。

3.下游：氫燃料電池的應(yīng)用

固定電源、 交通運輸和便攜式電源是氫燃料電池的三大類應(yīng)用場景。其中，交通運輸應(yīng)用是目前關(guān)注度最高的氫燃料電池應(yīng)用領(lǐng)域。交通運輸市場包括為乘用車、巴士、客車、叉車及其他以氫燃料電池作為動力的車輛提供的燃料電池，例如特種車輛、 物料搬運設(shè)備和越野車輛的輔助供電裝置等[16]。

氫燃料電池車一般主要由以下部分組成：氫燃料電池電堆、儲氫罐、驅(qū)動電機、動力電池、電力電子控制器、DC/DC、熱管理（冷卻）系統(tǒng)和變速器等。氫燃料電池車核心部件為氫燃料電池電堆，而大量的零部件與純電動汽車相類似。

氫燃料電池汽車并不直接利用燃料與氧氣反應(yīng)的化學能作為動力。氫氣與氧氣在燃料電池電堆中進行反應(yīng)，釋放的能量轉(zhuǎn)化為電能。氫燃料電池電堆與電池一起協(xié)同工作，為電機提供電能，而電機則作為動力源為車輛提供動力，驅(qū)動車輛行駛。由此可見，氫燃料電池車的驅(qū)動力來源于電動機，正因如此，行業(yè)里將氫燃料電池車稱之為“自帶氫燃料發(fā)電機的電動車”。

過去的十多年里，在國家支持政策和產(chǎn)業(yè)補貼等措施激勵下，中國氫燃料電池客車、物流車等商用車的應(yīng)用已經(jīng)領(lǐng)先于其他氫燃料電池汽車。根據(jù)《中國氫能發(fā)展報告2020》的測算，氫燃料電池商用車將率先實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的運行，氫燃料電池客車、物流車、重型卡車等將在2030 年前取得與純電動車型相當?shù)娜芷诮?jīng)濟性。

結(jié)束語

氫燃料電池汽車行業(yè)起步較晚，現(xiàn)階段該行業(yè)已經(jīng)在國家相關(guān)支持政策下完成了初期導入。我國燃料電池系統(tǒng)發(fā)展初期主要依賴國外的產(chǎn)品與技術(shù)，因此系統(tǒng)電堆成本居高不下。隨著我國燃料電池系統(tǒng)廠家加大在研發(fā)方面的投入，在燃料電池系統(tǒng)成本中占比較高的燃料電池堆成本將不斷下降，帶動燃料電池系統(tǒng)成本進一步下降。同時，燃料電池系統(tǒng)市場研發(fā)技術(shù)水平的整體提高及批量生產(chǎn)的開始，也將帶動膜電極和雙極板成本下降。隨著國產(chǎn)化替代加速，燃料電池系統(tǒng)成本下降空間仍較大，氫燃料電池汽車有望加速進入提速發(fā)展階段。