楊尚霖 宋維程 孫京程 姜浩

摘 要：氫燃料電池是將氫氣轉(zhuǎn)化為電能的裝置，其基本原理是電解水的逆反應(yīng)，氫氣通過(guò)管道到達(dá)陽(yáng)極，在陽(yáng)極催化劑的作用下，1個(gè)氫分子解離為2個(gè)氫質(zhì)子，并釋放出2個(gè)電子，在電池的另-端，氧氣（或空氣）通過(guò)管道到達(dá)陰極，在陰極催化劑的作用下，氧分子和氫離子與通過(guò)外電路與到達(dá)陰極的電子發(fā)生反應(yīng)生成水。作為一種新能源，各大車企對(duì)氫燃料電池都有研究。氫燃料電池還面對(duì)諸多難題，如何發(fā)展氫燃料電池，降低其成本、提高安全性成了研究的主要方向。

關(guān)鍵詞：汽車新能源；氫燃料電池；節(jié)能環(huán)保

1 緒論

1.1研究背景及意義

氫能是一種清潔能源，《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》、《“十三五”國(guó)家科技創(chuàng)新規(guī)劃》、《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃（2016-2030年）》、《能源技術(shù)創(chuàng)新“十三五”規(guī)劃》和《可再生能源中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》等中都提出了對(duì)氫能的利用。氫燃料電池只會(huì)產(chǎn)生水和熱，并不會(huì)產(chǎn)生二氧化碳，對(duì)環(huán)境無(wú)任何污染。但是氫燃料電池燃料種類單一，制氫、儲(chǔ)氫技術(shù)復(fù)雜，價(jià)格昂貴；密封性、安全性要求嚴(yán)格；在電動(dòng)汽車上使用時(shí)需要配備輔助電池系統(tǒng)。燃料電池電動(dòng)汽車技術(shù)是目前世界環(huán)保汽車技術(shù)的熱點(diǎn)，我國(guó)應(yīng)更加積極開(kāi)展燃料電池電動(dòng)汽車技術(shù)研究，較快縮小與西方汽車工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的汽車環(huán)保技術(shù)的差距，從能源和環(huán)保角度來(lái)講，進(jìn)行燃料電池電動(dòng)汽車技術(shù)開(kāi)發(fā)對(duì)能源多樣化，發(fā)展燃料電池汽車，將促進(jìn)一系列技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，形成國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新增長(zhǎng)點(diǎn)。

2 國(guó)內(nèi)外研究成果綜述

2.1國(guó)內(nèi)研究成果

1997年葛盾倡在全球科技經(jīng)濟(jì)瞭望的科技的期刊中提到了氫的研究開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀。氫是一種最干凈的載能體，它在燃燒過(guò)程中與氧反應(yīng)合成水，其所排放的碳?xì)浠衔锖偷趸锓謩e為0.04克/千瓦時(shí)和0.4克/千瓦時(shí)，而汽油在燃燒過(guò)程中排放的碳?xì)浠衔锖偷趸飫t分別為0.2克/千瓦時(shí)和1.8克/千瓦時(shí)。以氫作燃料由于其低放射而對(duì)保護(hù)環(huán)境、保護(hù)氣候有著十分重要的意義。[1]

2001年北京理工大學(xué)孫逢春、孫立清、白文杰在中國(guó)會(huì)議上介紹氫嫩料電池的種類和特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)介紹了國(guó)內(nèi)外質(zhì)子交換膜氫燃料電池技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r以及其在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀。[2]

2003年清華大學(xué)核能技術(shù)設(shè)計(jì)研究院助理研究員王誠(chéng)在國(guó)際會(huì)議上提出氫燃料汽車將是解決城市大氣污染的最重要途徑之一，將形成綠色朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)而影響社會(huì)經(jīng)濟(jì)生活，認(rèn)為氫燃料電動(dòng)車是汽車工業(yè)的一大革命，是21世紀(jì)真正的純綠色環(huán)保車。[3]

2006年由北京理工大學(xué)牽頭，聯(lián)合國(guó)家高技術(shù)綠色材料發(fā)展中心、中山中炬森萊高技術(shù)有限公司、北京航空航天大學(xué)等單位承擔(dān)的《EQ7200HEV混合動(dòng)力轎車用鎳氫動(dòng)力電池組及管理模塊》課題在廣東省中山市通過(guò)了驗(yàn)收。課題組通過(guò)對(duì)電極材料進(jìn)行預(yù)處理和對(duì)電極進(jìn)行表面改性，可減少溫使氣體排放30%，降低油耗30%。[4]

2009年常樂(lè)指出氫的運(yùn)輸在整個(gè)氫能供應(yīng)鏈的經(jīng)濟(jì)、能耗和排放性能中占有很大比重。并通過(guò)設(shè)計(jì)以運(yùn)氫規(guī)模和運(yùn)輸距離為特征參數(shù)的“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”運(yùn)輸情景，對(duì)比分析了3種運(yùn)氫方式（氣氫拖車、氣氫管道和液氫罐車）在不同情景參數(shù)下的成本、能耗和CO2排放特性。[5]

2010年9月7日，科技部、聯(lián)合國(guó)開(kāi)發(fā)計(jì)劃署“促進(jìn)中國(guó)燃料電池汽車商業(yè)化發(fā)展項(xiàng)目”佛山項(xiàng)目啟動(dòng)儀式在丹灶舉行，會(huì)上，首期投資120億元的長(zhǎng)江氫動(dòng)力佛山研發(fā)中心及整車生產(chǎn)項(xiàng)目簽約落戶丹灶，包括總投資達(dá)10億元的長(zhǎng)江汽車全球唯一的氫動(dòng)力汽車研發(fā)中心，成為佛山今年引進(jìn)的首個(gè)投資額超百億的制造業(yè)項(xiàng)目。整車項(xiàng)目生產(chǎn)制造純電動(dòng)和氫燃料電池的新能源汽車，定位為長(zhǎng)江汽車全球唯一的氫能汽車生產(chǎn)基地，其將帶動(dòng)丹灶氫能汽車從零部件生產(chǎn)邁向整車制造。[6]

2012年張富剛、樊越甫、劉方、劉海東針對(duì)變電站直流系統(tǒng)，應(yīng)用新型氫燃料后備電源替代蓄電池組作為后備電源產(chǎn)品，旨在將氫燃料電源作為直流系統(tǒng)整體后備電源，氫燃料應(yīng)急移動(dòng)直流電源，直流技改中氫燃料后備電源的可行性和解決方案進(jìn)行測(cè)試研究，提出新型后備電源設(shè)計(jì)、采取措施以及提出一整套系統(tǒng)的解決方案。[7]

2012年武漢理工大學(xué)孫緒琪研究了氫燃料電池汽車五種動(dòng)力系統(tǒng)以及兩種能量控制策略，通過(guò)詳細(xì)比較及分析其中的優(yōu)缺點(diǎn)，選定燃料電池和蓄電池（FC+B型）作為驅(qū)動(dòng)車輛行駛的能量來(lái)源，并選定功率跟隨式控制策略作為該車的控制策略。對(duì)某轎車改型的氫燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)了以氫燃料電池汽車的主動(dòng)力源，鋰離子電池作為車輛的輔助動(dòng)力源，異步交流電機(jī)作為車輛的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。使動(dòng)力系統(tǒng)的各部件均能夠工作在高效率區(qū)，使氫燃料的消耗降低。[8]

2013年北京化工大學(xué)閆貫博針對(duì)額定功率為 2kW 的氫燃料電池電堆輸出特性，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的、電能轉(zhuǎn)換效率較高的 DC-AC-DC 變換器，并選用一種適合該系統(tǒng)的穩(wěn)壓方式，以克服氫燃料電池的輸出電壓低和電壓值不穩(wěn)定的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了氫燃料電池輸出電壓的提升和穩(wěn)定，改善了氫燃料電池輸出電壓特性，提高了電能利用效率。[9]

2013年倪紅軍、呂帥帥、裴一、陳林飛、袁銀男介紹了一種新型氫燃料電池-鋰離子電池混合動(dòng)力系統(tǒng)，總結(jié)了氫燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)和車載儲(chǔ)氫系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展，并討論了車用燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)能源效率的影響因素以及提高動(dòng)力系統(tǒng)效率的途徑。為了提高系統(tǒng)的能量效率，應(yīng)對(duì)燃料電池與動(dòng)力電池系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行優(yōu)化，并減少附加功率消耗；同時(shí)應(yīng)采用小電流對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行充電，電池和氣體增濕溫度應(yīng)選擇一個(gè)合理的溫度范圍，從而簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)。[10]

2015年董巨輝針對(duì)流體帶電問(wèn)題中的流動(dòng)特點(diǎn)，提出用二階迎風(fēng)格式和中心差分格式求解電荷密度方程，使用Matlab數(shù)學(xué)工具得到仿真結(jié)果，得到了速度、溫度等參數(shù)對(duì)管內(nèi)電荷密度分布的影響，得到了對(duì)實(shí)際液氫輸送和儲(chǔ)存中消除或者抑制靜電產(chǎn)生的有益指導(dǎo)性結(jié)果。[11]

2016年微山鋼研稀土材料有限公司、鋼鐵研究總院功能材料研究所、精密合金技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室高金良、袁澤明、尚宏偉、雍輝、祁焱在氫儲(chǔ)存技術(shù)及其儲(chǔ)能應(yīng)用研究進(jìn)展一文中提出氫能的發(fā)展應(yīng)用中，結(jié)合我國(guó)稀土資源特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的具有高容量、易活化的 RE-Ti-Fe儲(chǔ)氫合金，豐富了儲(chǔ)能技術(shù)研究成果。[12]

2017年王寶華閥門(mén)了一種氫氣增壓輸送系統(tǒng)，該發(fā)明提供的一種氫氣增壓輸送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、占地面積小、造價(jià)低，且該系統(tǒng)自動(dòng)化程度較高，可以減少人工操作，降低現(xiàn)場(chǎng)工人工作量。[13]

2018年同濟(jì)大學(xué)許思傳教授開(kāi)發(fā)出了燃料電池汽車“電電混合”動(dòng)力系統(tǒng)，在燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)及關(guān)鍵部件方面，開(kāi)發(fā)了陰極無(wú)增濕水管理系統(tǒng)、高效一體化高壓電子水泵、氫循環(huán)控制系統(tǒng)、車用燃料電池用空氣壓縮機(jī)；在儲(chǔ)氫率上也有所突破。[14]

2018年山東交通學(xué)院楊慶敏研究了我國(guó)氫燃料電池車量產(chǎn)面臨許的問(wèn)題，提出提高核心技術(shù)水平，降低成本和加強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)將是發(fā)展重點(diǎn)。[15]

2018年重汽崔志先開(kāi)發(fā)出了燃料電池電堆方案-增濕、增壓和整車氫-電-結(jié)構(gòu)耦合安全性綜合管理和互鎖控制系統(tǒng)。整車氫-電-結(jié)構(gòu)耦合安全性綜合管理和互鎖控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)整車在碰撞、失火、氫氣泄漏和漏電等情況下氫、電設(shè)備安全防護(hù)，及時(shí)斷電、斷氫提升整車安全性，制定緊急狀態(tài)下的氫電聯(lián)動(dòng)安全控制策略。[16]

2.2國(guó)外研究成果

2007年英國(guó)科學(xué)家UK-SHEC 項(xiàng)目組的研究人員發(fā)明出一種鋰化合物，可使機(jī)載燃料電池存儲(chǔ)足夠的氫，從而能驅(qū)動(dòng)汽車連續(xù)行駛 300英里。[17]

2011年Electro Pow erSystem s SpA.發(fā)布公司新技術(shù) ElectroSelf，它是世界上第一個(gè)完全自我充電的氫燃料電池技術(shù)。該技術(shù)旨在任何地點(diǎn)，無(wú)論是否離網(wǎng)，還是缺乏可靠電力或極端氣候的位置，都為移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)提供可靠的備用電源。[18]

2012年Nancy L.Garland 討論了最近關(guān)于燃料電池成本，耐用性和性能的結(jié)果，以及氫氣相關(guān)技術(shù)和交叉活動(dòng)的現(xiàn)狀。 美國(guó)能源部已經(jīng)在關(guān)鍵的早期市場(chǎng)部署了燃料電池，包括備用電源和叉車。 最近的分析表明，燃料電池電動(dòng)汽車（FCEV）是減少溫室氣體排放和石油使用的最有前途的選擇之一。 初步分析還表明，F(xiàn)CEV的總擁有成本將與其他先進(jìn)的車輛和燃料選擇相當(dāng)。[19]

2015年J.Huang、C.H.Wong通過(guò)MD模擬研究了氫原子通過(guò)中樞神經(jīng)系統(tǒng)的運(yùn)輸特性。指出在更高的抽速下，氫原子更可能逸入空氣中。而且，CNS的直徑越大，吸收和泄漏的氫原子的數(shù)量也越多。[20]

2016年Milton Borsato通過(guò)在氫燃料電池堆的模擬模型上進(jìn)行的數(shù)值模擬研究來(lái)解決優(yōu)化氫燃料電池堆的操作參數(shù)的問(wèn)題。提出了一個(gè)在Matlab Simulink中開(kāi)發(fā)的氫燃料電池堆系統(tǒng)的數(shù)值模擬模型，并且模擬結(jié)果允許選擇和優(yōu)化適合于特定使用條件的控制參數(shù)。該模型反映了電池的性能特征，并且允許由氫氣罐，控制閥和控制器，傳感器，能量緩沖系統(tǒng)（超級(jí)電容器）等組成的氫燃料電池堆的模擬工作和控制。[21]

2017年日本11家公司在全日本開(kāi)展氫燃料電池車（FCEV）加氫站的戰(zhàn)略性布局，以推動(dòng)FCEV的普及和加氫站的獨(dú)立運(yùn)營(yíng)[22]

2018年Sivaprakash Sengodan認(rèn)為生產(chǎn)燃料電池應(yīng)用的氫氣或合成氣最具吸引力的路線之一是碳?xì)浠衔锏闹卣筒糠盅趸?碳?xì)浠衔镌诟邷厝剂想姵刂械氖褂猛ㄟ^(guò)外部或內(nèi)部重整來(lái)實(shí)現(xiàn)。 重整和部分氧化催化將碳?xì)浠衔镛D(zhuǎn)化為富氫合成氣在燃料加工技術(shù)中發(fā)揮著重要作用?？偨Y(jié)了當(dāng)前用于制氫的碳?xì)浠衔镏卣筒糠盅趸淖罴研阅艽呋瘎┑母艣r。[23

2.3國(guó)內(nèi)外研究成果總結(jié)

氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展在世界各國(guó)備受關(guān)注，美國(guó)、德國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家相繼將發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)提升到國(guó)家能源戰(zhàn)略高度。氫能是未來(lái)能源系統(tǒng)的重要組成部分，各國(guó)紛紛將發(fā)展氫能提升到國(guó)家戰(zhàn)略層面，制定戰(zhàn)略規(guī)劃路線圖，探索產(chǎn)業(yè)化發(fā)展途徑。中國(guó)在氫燃料電池電堆及其關(guān)鍵材料領(lǐng)域已初步形成產(chǎn)業(yè)鏈，但技術(shù)成熟度差距較大。國(guó)外在氫燃料電池關(guān)鍵材料和其他零部件方面，如催化劑、質(zhì)子交換膜、碳紙、空壓機(jī)、氫循環(huán)泵膜電極等核心零部件上的研究遙遙領(lǐng)先于我國(guó)，雖然我國(guó)氫氣年產(chǎn)量已逾千萬(wàn)噸規(guī)模，位居世界第一，工業(yè)副產(chǎn)氫資源豐富，為我國(guó)開(kāi)展大規(guī)模副產(chǎn)氫提純和電解水制氫工作提供了優(yōu)勢(shì)條件，但氫源產(chǎn)業(yè)鏈尚未建立完善，有能力配套的企業(yè)少，技術(shù)水平較低，大多屬于空白或尚未成熟，需要采用進(jìn)口材料，國(guó)際上也被少數(shù)企業(yè)壟斷，價(jià)格極高。

在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面，組織了有關(guān)企業(yè)，建立完善的加氫站建設(shè)、氫氣供應(yīng)、加氫站運(yùn)營(yíng)體系；同時(shí)明確了地方加氫站建設(shè)審批主體、理順責(zé)任關(guān)系、規(guī)范審批流程，為發(fā)展氫能源舔磚加瓦、鋪路搭橋。我國(guó)也深刻認(rèn)識(shí)到提高核心技術(shù)水平，降低成本和加強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)將是發(fā)展重點(diǎn)。通過(guò)政策技術(shù)雙驅(qū)動(dòng)消除瓶頸，規(guī)模效應(yīng)降成本，推動(dòng)燃料電池汽車最終實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，成為我國(guó)未來(lái)新能源汽車戰(zhàn)略中的重要組成。

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