燃料电池汽车关键技术与应用

随着环境问题和能源问题的日益突出，新能源汽车成为了世界各大汽车厂商及研发机构的研究热点，燃料电池汽车以其高效率和近零排放被普遍认为具有广阔的发展前景。像美国、欧盟、日本和韩国都投入了大量资金和人力 进行燃料电池车辆的研究。我国在燃料电池方面的投入也不断加大，并写入了国务院政府工作 告。

一、中国汽车产业现状

从2009年开始中国汽车产销量超过1000万量，截至2019年中国汽车产销量超过2800万量，连续十年中国汽车产销量蝉联全球第一。

2019年全年累计来看，新能源汽车产销分别完成124.2万辆和120.6万辆其中纯电动汽车生产完成102万辆，同比增长3.4%；销售完成97.2万辆，同比下降1.2%；插电式混合动力汽车产销分别完成22.0万辆和23.2万辆，同比分别下降22.5%和14.5%；燃料电池汽车产销分别完成2833辆和2737辆，同比分别增长85.5%和79.2%。

二、汽车能源的种类

（一）液体燃料汽车

汽油、柴油、乙醇、甲醇、二甲醚

（二）气体燃料汽车

天然气、液化气、氢气、沼气、压缩空气

（三）固体燃料汽车

水煤浆、核燃料

（四）电驱动汽车

纯电动、混合动力、氢燃料电池、甲醇燃料电池

（五）太阳能汽车

从某种意义上讲，太阳能汽车也是电动汽车的一种，所不同的是电动汽车的蓄电池靠工业电 充电，而太阳能汽车用的是太阳能电池。太阳能汽车使用太阳能电池把光能转化成电能，电能会在储电池中存起备用，用来推动汽车的电动机。

三、燃料电池电动汽车的关键技术

燃料电池电动汽车实质上是电动汽车的一种，在车身、动力传动系统、控制系统等方面，燃料电池电动汽车与普通电动汽车基本相同，主要区别在于动力电池的工作原理不同。一般来说，燃料电池是通过电化学反应将化学能转化为电能，电化学反应所需的还原剂一般采用氢气，氧化剂则采用氧气，因此最早开发的燃料电池电动汽车多是直接采用氢燃料，氢气的储存可采用液化氢、压缩氢气或金属氢化物储氢等形式。

（一）车载储氢系统

储氢技术是氢能利用走向规模化应用的关键。

（二）燃料电池系统

（三）空气循环系统

空气压缩机是保证燃料电池高效可靠运行的关键设备空气循环系统总成本占燃料电池系统的22%。主要由空气压缩机、膨胀机、电机、连接管道等组成，工作能耗占燃料电池输出功率的20~30%

什么是质子交换膜燃料电池？

在原理上相当于水电解的“逆”装置。其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为电解质。

四、氢能在能源体系中的定位

根据《中国氢能产业基础设施发展蓝皮书（2016）》预计，到2020年，中国氢燃料电池车将达到1万辆；到2030年，氢燃料电池车保有量将达到200万辆，占全国汽车总产量比重约5%。届时，中国有望成为全球最大的燃料电池汽车市场，氢燃料电池汽车产业产值有望突破万亿元大关。

截止2018年底全球已有加氢站369座，相比2017年新增48座，其中有273座加氢站对外开放，可以像任何传统的零售站一样使用，其余的加氢站用于公共汽车或车队用户等，不对外开放。

中国现有加氢站分布（2018）

五、氢能供给结构预测

我国是全球第一产氢大国，初步评估现有工业制氢能力为2500万吨/年，氢能应用市场潜力巨大；已掌握了部分氢能基础设施与一批燃料电池相关核心技术，制定出台了国家标准86项次，具备一定的产业装备及燃料电池整车的生产能力。

预计到2050年，氢能将在中国终端能源体系中占比接近10%，氢气需求量接近6000万吨，可减排约7亿吨二氧化碳。在商用车领域，估计能占到一半；在乘用车领域，15%会被氢燃料电池汽车替代。

熊树生

浙江大学博士生导师

中国科学院客座教授