氫燃料電池發展綜述

楊尚霖 宋維程 孫京程 姜浩

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

關鍵詞：汽車新能源；氫燃料電池；節能環保

1 緒論

1.1研究背景及意義

氫能是一種清潔能源，《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006-2020年）》、《“十三五”國家科技創新規劃》、《能源技術革命創新行動計劃（2016-2030年）》、《能源技術創新“十三五”規劃》和《可再生能源中長期發展規劃》等中都提出了對氫能的利用。氫燃料電池只會產生水和熱，并不會產生二氧化碳，對環境無任何污染。但是氫燃料電池燃料種類單一，制氫、儲氫技術復雜，價格昂貴；密封性、安全性要求嚴格；在電動汽車上使用時需要配備輔助電池系統。燃料電池電動汽車技術是目前世界環保汽車技術的熱點，我國應更加積極開展燃料電池電動汽車技術研究，較快縮小與西方汽車工業發達國家的汽車環保技術的差距，從能源和環保角度來講，進行燃料電池電動汽車技術開發對能源多樣化，發展燃料電池汽車，將促進一系列技術和產業的發展，形成國民經濟發展的新增長點。

2 國內外研究成果綜述

2.1國內研究成果

1997年葛盾倡在全球科技經濟瞭望的科技的期刊中提到了氫的研究開發現狀。氫是一種最干凈的載能體，它在燃燒過程中與氧反應合成水，其所排放的碳氫化合物和氮氧化物分別為0.04克/千瓦時和0.4克/千瓦時，而汽油在燃燒過程中排放的碳氫化合物和氮氧化物則分別為0.2克/千瓦時和1.8克/千瓦時。以氫作燃料由于其低放射而對保護環境、保護氣候有著十分重要的意義。[1]

2001年北京理工大學孫逢春、孫立清、白文杰在中國會議上介紹氫嫩料電池的種類和特點的基礎上，重點介紹了國內外質子交換膜氫燃料電池技術的發展狀況以及其在汽車領域的應用現狀。[2]

2003年清華大學核能技術設計研究院助理研究員王誠在國際會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，將形成綠色朝陽產業而影響社會經濟生活，認為氫燃料電動車是汽車工業的一大革命，是21世紀真正的純綠色環保車。[3]

2006年由北京理工大學牽頭，聯合國家高技術綠色材料發展中心、中山中炬森萊高技術有限公司、北京航空航天大學等單位承擔的《EQ7200HEV混合動力轎車用鎳氫動力電池組及管理模塊》課題在廣東省中山市通過了驗收。課題組通過對電極材料進行預處理和對電極進行表面改性，可減少溫使氣體排放30%，降低油耗30%。[4]

2009年常樂指出氫的運輸在整個氫能供應鏈的經濟、能耗和排放性能中占有很大比重。并通過設計以運氫規模和運輸距離為特征參數的“點對點”運輸情景，對比分析了3種運氫方式（氣氫拖車、氣氫管道和液氫罐車）在不同情景參數下的成本、能耗和CO2排放特性。[5]

2010年9月7日，科技部、聯合國開發計劃署“促進中國燃料電池汽車商業化發展項目”佛山項目啟動儀式在丹灶舉行，會上，首期投資120億元的長江氫動力佛山研發中心及整車生產項目簽約落戶丹灶，包括總投資達10億元的長江汽車全球唯一的氫動力汽車研發中心，成為佛山今年引進的首個投資額超百億的制造業項目。整車項目生產制造純電動和氫燃料電池的新能源汽車，定位為長江汽車全球唯一的氫能汽車生產基地，其將帶動丹灶氫能汽車從零部件生產邁向整車制造。[6]

2012年張富剛、樊越甫、劉方、劉海東針對變電站直流系統，應用新型氫燃料后備電源替代蓄電池組作為后備電源產品，旨在將氫燃料電源作為直流系統整體后備電源，氫燃料應急移動直流電源，直流技改中氫燃料后備電源的可行性和解決方案進行測試研究，提出新型后備電源設計、采取措施以及提出一整套系統的解決方案。[7]

2012年武漢理工大學孫緒琪研究了氫燃料電池汽車五種動力系統以及兩種能量控制策略，通過詳細比較及分析其中的優缺點，選定燃料電池和蓄電池（FC+B型）作為驅動車輛行駛的能量來源，并選定功率跟隨式控制策略作為該車的控制策略。對某轎車改型的氫燃料電池汽車動力系統進行了重新設計了以氫燃料電池汽車的主動力源，鋰離子電池作為車輛的輔助動力源，異步交流電機作為車輛的驅動電機。使動力系統的各部件均能夠工作在高效率區，使氫燃料的消耗降低。[8]

2013年北京化工大學閆貫博針對額定功率為 2kW 的氫燃料電池電堆輸出特性，設計了相應的、電能轉換效率較高的 DC-AC-DC 變換器，并選用一種適合該系統的穩壓方式，以克服氫燃料電池的輸出電壓低和電壓值不穩定的缺點，實現了氫燃料電池輸出電壓的提升和穩定，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-鋰離子電池混合動力系統，總結了氫燃料電池汽車動力系統和車載儲氫系統的國內外研究進展，并討論了車用燃料電池動力系統能源效率的影響因素以及提高動力系統效率的途徑。為了提高系統的能量效率，應對燃料電池與動力電池系統的控制策略進行優化，并減少附加功率消耗；同時應采用小電流對動力電池進行充電，電池和氣體增濕溫度應選擇一個合理的溫度范圍，從而簡化控制系統。[10]

2015年董巨輝針對流體帶電問題中的流動特點，提出用二階迎風格式和中心差分格式求解電荷密度方程，使用Matlab數學工具得到仿真結果，得到了速度、溫度等參數對管內電荷密度分布的影響，得到了對實際液氫輸送和儲存中消除或者抑制靜電產生的有益指導性結果。[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、精密合金技術北京市重點實驗室高金良、袁澤明、尚宏偉、雍輝、祁焱在氫儲存技術及其儲能應用研究進展一文中提出氫能的發展應用中，結合我國稀土資源特點，開發具有自主知識產權的具有高容量、易活化的 RE-Ti-Fe儲氫合金，豐富了儲能技術研究成果。[12]

2017年王寶華閥門了一種氫氣增壓輸送系統，該發明提供的一種氫氣增壓輸送系統結構簡單、占地面積小、造價低，且該系統自動化程度較高，可以減少人工操作，降低現場工人工作量。[13]

2018年同濟大學許思傳教授開發出了燃料電池汽車“電電混合”動力系統，在燃料電池動力系統及關鍵部件方面，開發了陰極無增濕水管理系統、高效一體化高壓電子水泵、氫循環控制系統、車用燃料電池用空氣壓縮機；在儲氫率上也有所突破。[14]

2018年山東交通學院楊慶敏研究了我國氫燃料電池車量產面臨許的問題，提出提高核心技術水平，降低成本和加強基礎設施建設將是發展重點。[15]

2018年重汽崔志先開發出了燃料電池電堆方案-增濕、增壓和整車氫-電-結構耦合安全性綜合管理和互鎖控制系統。整車氫-電-結構耦合安全性綜合管理和互鎖控制技術，實現整車在碰撞、失火、氫氣泄漏和漏電等情況下氫、電設備安全防護，及時斷電、斷氫提升整車安全性，制定緊急狀態下的氫電聯動安全控制策略。[16]

2.2國外研究成果

2007年英國科學家UK-SHEC 項目組的研究人員發明出一種鋰化合物，可使機載燃料電池存儲足夠的氫，從而能驅動汽車連續行駛 300英里。[17]

2011年Electro Pow erSystem s SpA.發布公司新技術 ElectroSelf，它是世界上第一個完全自我充電的氫燃料電池技術。該技術旨在任何地點，無論是否離網，還是缺乏可靠電力或極端氣候的位置，都為移動網絡提供可靠的備用電源。[18]

2012年Nancy L.Garland 討論了最近關于燃料電池成本，耐用性和性能的結果，以及氫氣相關技術和交叉活動的現狀。 美國能源部已經在關鍵的早期市場部署了燃料電池，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，FCEV的總擁有成本將與其他先進的車輛和燃料選擇相當。[19]

2015年J.Huang、C.H.Wong通過MD模擬研究了氫原子通過中樞神經系統的運輸特性。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量也越多。[20]

2016年Milton Borsato通過在氫燃料電池堆的模擬模型上進行的數值模擬研究來解決優化氫燃料電池堆的操作參數的問題。提出了一個在Matlab Simulink中開發的氫燃料電池堆系統的數值模擬模型，并且模擬結果允許選擇和優化適合于特定使用條件的控制參數。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（超級電容器）等組成的氫燃料電池堆的模擬工作和控制。[21]

2017年日本11家公司在全日本開展氫燃料電池車（FCEV）加氫站的戰略性布局，以推動FCEV的普及和加氫站的獨立運營[22]

2018年Sivaprakash Sengodan認為生產燃料電池應用的氫氣或合成氣最具吸引力的路線之一是碳氫化合物的重整和部分氧化。 碳氫化合物在高溫燃料電池中的使用通過外部或內部重整來實現。 重整和部分氧化催化將碳氫化合物轉化為富氫合成氣在燃料加工技術中發揮著重要作用。總結了當前用于制氫的碳氫化合物重整和部分氧化的最佳性能催化劑的概況。[23

2.3國內外研究成果總結

氫能產業的發展在世界各國備受關注，美國、德國、日本等發達國家相繼將發展氫能產業提升到國家能源戰略高度。氫能是未來能源系統的重要組成部分，各國紛紛將發展氫能提升到國家戰略層面，制定戰略規劃路線圖，探索產業化發展途徑。中國在氫燃料電池電堆及其關鍵材料領域已初步形成產業鏈，但技術成熟度差距較大。國外在氫燃料電池關鍵材料和其他零部件方面，如催化劑、質子交換膜、碳紙、空壓機、氫循環泵膜電極等核心零部件上的研究遙遙領先于我國，雖然我國氫氣年產量已逾千萬噸規模，位居世界第一，工業副產氫資源豐富，為我國開展大規模副產氫提純和電解水制氫工作提供了優勢條件，但氫源產業鏈尚未建立完善，有能力配套的企業少，技術水平較低，大多屬于空白或尚未成熟，需要采用進口材料，國際上也被少數企業壟斷，價格極高。

在基礎設施建設方面，組織了有關企業，建立完善的加氫站建設、氫氣供應、加氫站運營體系；同時明確了地方加氫站建設審批主體、理順責任關系、規范審批流程，為發展氫能源舔磚加瓦、鋪路搭橋。我國也深刻認識到提高核心技術水平，降低成本和加強基礎設施建設將是發展重點。通過政策技術雙驅動消除瓶頸，規模效應降成本，推動燃料電池汽車最終實現商業化，成為我國未來新能源汽車戰略中的重要組成。

參考文獻

[1]葛盾倡，氫的研究開發現狀，全球科技經濟瞭望 1997；

[2]孫逢春、孫立清、白文杰，氫燃料電池技術及其在汽車領域的研究現狀 2001；

[3]王誠，發展氫燃料電池電動汽車應關注的幾個問題 2003；

[4]邱國茂，混合動力汽車車用鎳氫動力電池分析，上海汽車 2006；

[5}常樂，氫能供應鏈中最佳運氫方式的選擇，清華大學學報 2009；

[6]南海丹灶，氫時代 領未來“氫能周”進行中！丹灶氫能事業發展正在路上，新能源網 2010；

[7]張富剛，氫燃料電池在電力系統后備能源的應用研究 2012；

[8]孫緒琪，氫燃料電池汽車動力系統設計及建模仿真，武漢理工大學 2012；

[9}閆貫博，氫燃料電池發電DC-AC-DC電能變換研究，北京化工大學 2013；

[10]倪紅軍，氫燃料電池汽車動力系統與儲氫系統研究 2013；

[11]董巨輝 液氫流體輸送和貯存靜電積聚特性研究 上海交通大學 2015；

[12]高金良，氫儲存技術及其儲能應用研究進展，金屬功能材料 2016；

[13]王寶華，氫氣增壓輸送系統 2017

[14]許思傳，燃料電池汽車技術發展現狀與趨勢，同濟大學 2018；

[15]楊慶敏，推廣普及氫燃料電池車急需解決的問題，山東交通學院 2018；

[16]崔志先，氫電池在商用車中應用，重汽 2018

[17]UK-SHEC，Major breakthroughs in hydrogen fuel cell research and development 2007；

[18]Electro Pow erSystem s SpA，release new technology”ElectroSelf” 2011；

[19]Nancy L.Garland，Hydrogen and Fuel Cell Technology：Progress，Challenges，and Future Directions 2012；

[20]AJ.Huang、C.H.Wong，Hydrogen transportation properties in carbon nano-scroll investigated by using molecular dynamics simulations 《Computational Materials Science》 2015；

[21]Milton Borsato，Optimisation of Operational Parameters Based on Simulation Numerical Model of Hydrogen Fuel Cell Stack Used for Electric Car Drive 2016

[22]日本敲定氫能源戰略 建成首個氫能市政供電設施，觀察者網 2017；

[23]Sivaprakash Sengodan，Advances in reforming and partial oxidation of hydrocarbons for hydrogen production and fuel cell applications 2018；