氢燃料电池技术在电能车的应用
摘 要：氢能作为能源发展转型的重要方向之一，在未来的能源格局中扮演着重要角。氢燃料电池的开发和应用于电能车的推广，具有诸多节能环保和能源利用率提升的优势，对于未来绿产业的发展和环境保护工程具有重大意义，也是促进中国双碳目标实现的关键一环。本文从成本、技术、安全和政策方面提供了相关建议，期望能够有效的改善目前所遇到的发展阻力。
关键词：氢燃料电池 氢燃料电池工作原理 氢燃料电池车
引言
氢能是氢气和氧气发生化学反应所产生的一种能源，氢能的能量效能是石化能源的3倍多，氢能的发展会推动人类能源结构的发展。而氢能电池是把氢能所产生的化学能转换为电能所利用的承载体，本文主要通过系统深化对氢燃料电池技术的研究，探讨其在电能车上的应用。
1.氢燃料电池
1.1氢燃料电池工作原理
氢气经过燃料电池内部装置中的阳极电板，在催化剂的作用下，氢原子中电子被分离出来，形成了可运动的自由电子，电子在电路中运动形成电流使得阳极电板带负电，自由电子不能通过交换膜，只能从外部电路输出，达到燃料电池的负极，从而外部显示有电流状态，通常一层交换膜尽可产生0.7V左右的电压，如果通过特殊的工艺把交换膜叠加，就可以产生很高的电压，大量的自由电子的运动，就形成了燃料电池电流。在此过程中氧原子与氢离子发生化学反应，产生无污染的水和热量。
1.2我国氢燃料电池现状
全球氢燃料电池主要生产商为Panasonic，Plug Power和Toshiba ESS等。三者约占60%的市场份额。亚太是最大的氢燃料电池市场，约占46%的市场份额。其次是北美和欧洲，约占50%的市场份额。2019年6月中国氢能联盟发布的《中国氢能源及燃料电池产业白皮书》指出，氢能为我国未来重要的能源，预计到2050年氢能将在终端能源体系占比至少达到12%，燃料电池商用车到2050年将达到180万辆，市场占有率达到38%。国内在政策支持及技术研发的快速发展下，氢燃料电池车生产、销售已快速提升。根据国家能源局数据资料统计，2017-2021年，我国的氢燃料电池产能呈现出连年增长的态势（如图1）。2021年，我国氢
燃料电池产能为425MW，同比增长35.48%。氢燃料电池深入推进，国内氢燃料电池企业也在不断加速发展，据相关统计，2022年我国有超过20家燃料电池企业进行规模扩张。例如，2022年7月，捷氢科技有限公司在内蒙古内举行了燃料电池项目封顶仪式，该项目总投资约1.68亿元，预计建成后可年产5000套燃料电池系统和储氢系统。随着氢燃料电池企业的投产，在未来我国氢燃料电池产能将得到大幅度的增长。
图1：近五年氢燃料电池产生趋势图
1.3氢燃料电池优势
氢燃料电池在使用时实际上比许多其他能源更有效，包括许多绿能源解决方案。这种燃料
效率允许每磅燃料产生更多的能量。传统的燃烧发电厂一般发电效率只有35%左右，而氢燃料电池的发电效率可达到70%左右。氢燃料电池车也是如此，使用了50%左右的燃料能量，同时减少了60%的燃料消耗。更不会向化石燃料那样产生大量的有毒气体，而氢燃料电池发电只产生水和热量。在此过程几乎没有排放，不会排放温室气体，在使用过程中不会产生碳足迹。在加油时间方面，氢燃料电池可以在5分钟左右充满氢气，使用时提供更高效的能量。而纯电动这需要几个小时的充电。在续航里程方面氢燃料电池和化石燃料电池不相上下。在工作工程中氢燃料电池车无噪音，无抖动。而在实际中氢燃料电池比通过燃料方式而工作的发动机效率更高，宇航员在太空中就是将氢气作为一种资源，将生产的水通过相关技术作为生活饮用水。这表明氢燃料电池是一种无毒的来源。按重量计算，氢在所有普通燃料中具有能量含量。高压气态和液态氢的重量能量密度约为柴油和液化天然气的三倍，体积能量密度与天然气相近。
1.4推进氢燃料电池技术应用建议
首先是要深化研究制氢技术。制氢技术的发展会使得氢燃料成本降低，有利氢燃料电池技术的推广应用。大规模的氢燃料电池的应用，会进一步降低系统综合成本。氢是氢燃料电池的
源头产品，其价格决定了氢燃料电池的发展。为未来要不断的推动制氢、储运氢、加氢站的发展。加大绿制氢规模。降低制氢成本。
其次是要加快氢燃料电池关键材料、部件的制备技术与转化应用。降低材料成本，提升材料性能。建立政府、科研机构、企业系统创新机制，加快技术市场转化，在有条件的地区建设氢能产业园区，促进氢燃料电池系统及氢气成本的技术性下降；支持自主研发企业的产品进驻氢能产业园区进行培育示范，多渠道、全方位引入社会资本参与加氢站、储运氢基础设施建设，通过项目试点和示范运营，助推氢燃料电池全产业链的稳健发展。
最后要构建政策保障体系，建议研究制定有关氢能、氢燃料电池技术的中长期发展规划，做好系统的顶层设计。合理保持对氢燃料电池产业链的投入，从土地、税收、技术标准等诸多方面给予积极支持，鼓励和引导氢燃料电池企业从事研发与产业化应用活动。完善相关技术标准体系的构建，制定加氢站等基础设施的安全标准建设文件，车辆、船舶、发电站等应用场景下氢燃料电池系统的技术和检测标准，出台法规文件缩短加氢站及氢燃料电池项目从审批、建设到运营的时间历程。
2.氢燃料电池在电能车的应用
我国于2022年3月出台了《氢能产业发展中长期规划》，将氢能正式纳入我国的能源战略体系。氢能产业发展在我国以交通为先导，氢燃料电池汽车在续航里程、燃料补剂速度、节能减排降噪等方面有着综合优势，同时在体验方面接近传统燃油车，更符合用户的体验。据统计我国燃料电池汽车保有量也超过了1.3万辆，加氢站超过了320座，在全世界处于前列的水平。未来氢燃料电池车将会快速发。
2.1氢燃料电池车工作原理燃料电池电动汽车
氢燃料电池车与普通汽车相比，差别主要体现在动力系统上。普通汽车以汽油等燃料在内燃机中燃烧做的功为动力；而氢燃料电池车是以氢燃料电池产生的电能为电动机供电，以电动机做的功作为动力的。氢燃料电池由燃料电池堆系统、 氢气储存系统、电池管理系统、安全管理系统组成。氢燃料电池车的动力系统主要由以下几部分构成：燃料加注口、锂电电池、氢气储罐、燃料电池、电机（如图2）。其中燃料加注口是氢气的加注入口和氢气储罐直接连着；锂电电池是在加减速的时候提供动力，同时将部分机械能转化为电能储存，在需要时候为整车提供能源等；氢气储罐是内部充满高压氢气作为汽车的燃料，其内部压力一般为40MPa，少部分车辆可达到75MPa；燃料电池：氢燃料电池车核心部件，为电动发动机供电，保证汽车平稳行驶；电机是汽车的直接动力源。
图2：氢燃料电池车工作原理示意图
2.2氢燃料电池在电能车上应用可行性分析
首先在政策方面可行性分析。在“双碳”目标指引下，我国氢能产业发展正步入快车道。在两会期间氢能及燃料电池首次被写入政府工作报告中， 2021 年氢能被正式写入“十四五”规划中。2021年10月，国家发改部门联合印发《“十四五”全国清洁生产推行方案》，支持开展氢能冶金等领域清洁生产技术集成应用示范。在去年初发改部门和能源局联合应发了《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》，这个是我国首个氢能源长夜中长期规划。2020年11月，国务院印发了《新能源汽车产业发展规划（2021-2035年）》提出，要以纯电动汽车、
插电式混合动力汽车、燃料电池汽车为“三纵”，布局整车技术创新链。这些都是从政策上表面了，未来国家在政策上氢能源的发展。
其次在经济方面可行性分析。随着化石能源危机的枯竭及污染严重，人们已经开始认识到了新能源取代化石能源的重要性，当前大多企业都在开发新能源汽车取代目前的燃料发动机汽车。目前市场上有锂电和氢燃料电池车两种线路，在技术方面，两者都非常成熟，但在成本方面都有面临成本过高的可能性，都需要进一步产业化。就当前锂电汽车和氢燃料电池车比较与分析，最核心还是在成本比较，新能源车主要通过三电系统代替以往的化石燃料机系统。氢燃料电池车用的是电堆控制系统，锂电汽车用的是锂电系统。同时都有电机控制系统。最后综合比较还是在电堆和锂电池。在未来技术突破了壁垒两者都有一定的经济性。但最终氢燃料电池车是无污染产品，更符合未来市场需求。
最后在环保方面可行性分析。传统的汽、柴油车电力来源于燃烧和锂电池储能等。燃烧会释放碳、氮、硫等气体氧化物和粉尘，造成空气污染，而氢燃料电池车无污染它是通过电化学反应的方式提供电力，只会产生热和水。噪声小，氢燃料电池运行安静，噪声大约在50db，相当于人们正常交谈的水平。高效率，氢燃料电池是将电化学能转化为电能，不需要经过热
能和机械能（发动机）的中间变换，能量转换率可以达到60%-80%，在能量转换、排放物、噪声等方面更节能，更环保。