浅谈氢燃料电池汽车的现状及发展趋势
赵燕 张敏
摘 要：石油资源的日益减少和汽车尾气的过度排放迫使汽车行业需要寻找新出路。各国都在致力于研发能够替代传统燃油的清洁燃料，以减少对石油资源的过度依赖和汽车尾气的过度排放。新能源汽车的出現给学者们的研究带来了新希望。而新能源汽车中的氢燃料电池汽车作为动力足、无污染的一类电动汽车，是未来新能源汽车的发展方向。本文通过对氢燃料电池汽车的现状及发展趋势进行分析，对调整我国的能源消耗占比、实现氢燃料电池汽车的快速应用，同时提升自身能源安全具有重大意义。
关键词：氢燃料电池汽车 新能源汽车 燃料电池
Talking about the Current Situation and Development Trend of Hydrogen Fuel Cell Vehicles
Zhao Yan，Zhang Min
Abstract：The ever-decreasing petroleum resources and excessive emission of automobile exhaust have forced the automobile industry to find a new way out. Countries are committed to the research and development of clean fuels that can replace traditional fuels to reduce excessive dependence on petroleum resources and excessive emissions of automobile exhaust. The emergence of new energy vehicles has brought new hope to scholars" research. In the new energy vehicles， hydrogen fuel cell vehicles， as a kind of electric vehicles with sufficient power and pollution-free， are the development direction of new energy vehicles in the future. This article analyzes the current status and development trend of hydrogen fuel cell vehicles， and it is of great significance to adjust the proportion of energy consumption in our country， to realize the rapid application of hydrogen fuel cell vehicles， and to improve its own energy security at the same time.
Key words：hydrogen fuel cell vehicles， new energy vehicles， fuel cells
1 引言
传统汽车的出现，使人们的出行更加便利和多样化。但是在汽车产业蓬勃发展的同时也产生了一些不良后果，例如汽车尾气过度排放导致的环境污染;汽车保有量增多导致的石油资源快速减少等问题。因此国家出台一系列政策来改善目前汽车产业所面临的难题。“三步走”，就是近年全球汽车产业为了避免我国电动车技术研究人员进入研究瓶颈而在新能源汽车产业方面逐步形成的统一共识：近期：推广天然气、乙醇等清洁能源;中期：推广油电混合动力系统设计作为传统汽车和纯电动汽车之间的过渡阶段;远期：发展氢动力。
在地球上蕴藏着巨大的能量，在空气中H2的含量达到了70%，也可以通过阳光、风力、植物、水能等方式提取，而氢燃料电池就是以H2和O2为原材料向新能源汽车提供能量。作为新能源汽车的主要动力能源，其排放几乎达到了无污染。因此氢燃料电池将替代汽油和柴油成为未来汽车的主要动力能源，同时氢燃料电池也被誉为是最有发展前景的动力电池之一。
2 燃料电池概述
在《世界能源统计年鉴2020》中提到：2019年一次能源消费增速放缓至1.3%，不到2018年增速的一半（2.8%），但就国家层面而言，中国仍然是能源消耗大国[1]。为了缓解一次能源消耗带来的资源短缺和环境污染等问题，国家大力发展新能源汽车，新能源汽车主要包括纯电动汽车、增程式电动汽车、混合动力汽车和其他新能源汽车。其中燃料电池汽车被认为是最有发展潜力的新能源汽车中的一种。
燃料电池汽车以燃料电池系统作为单一动力源或者是以燃料电池系统与可充电储能系统作为混合动力源的电动汽车[2]。在燃料电池汽车中，燃料电池是核心，燃料电池实际上是一种化学电池，能直接将物质发生化学反应释放的电能转变为电能，工作时需要连续不断的向其供给活性物质——氢和氧化剂。燃料电池从表面看有正负极和电解质，像一个蓄电池，但它不能储能，而是一个发电厂。因此在使用的过程中为了能够回收制动能量，通常采用蓄电池+燃料电池组合作为汽车的动力电池。
按照电解质的不同，燃料电池可分为质子交换膜燃料电池、碱性燃料电池、磷酸燃料电池、再生型燃料电池等，其中质子交换膜燃料电池有可能成为继磷酸盐燃料电池之后最早实现商业化的燃料电池。
燃料电池内部反应过程实际上是氧化还原反应，其单体电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，氢燃料在阳极发生反应，氧气在阴极发生反应，同时在阳极和阴级都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜为电解质。
在反应过程中，氢气通过阳极集流板-扩散层-催化剂层，在催化剂的作用下分解成带正电的氢离子和带负电的电子，氢离子穿过质子交换膜来到阴极，电子通过外电路来到阴极，在电池的另一端，氧气从阴极集流板-扩散层-催化剂层，在催化剂的作用下与氢离子和电子反应生成水，
阴极：2H2=4H++4e-
阳极：4H++4e-+O2=2H2O
电池总反应：2H2+O2=2H2O
工作原理圖如下图1所示：
氢气和氧气在反应的过程中由于只生成水，因此被认为是最清洁的能源之一。氢燃料电池汽车较于传统汽车的优点是：
（1）氢燃料电池汽车是将氢燃料和氧化剂转化为动力，能量转化效率高。目前车用燃料电池发动机的综合效率已可达40%～50%。（2）氢燃料电池发生反应后主要产生水，近似无污染环境的废气排放。（3）氢燃料电池汽车与传统汽车不同，是利用电动机产生动力驱动车辆行驶，这样既简化传统机构，又能保证效率的提升，同时还可以保证回收制动能量。（4）氢燃料电池可以像传统汽车那样快速的加燃料。因为燃料电池汽车普遍采用高压氢气储存罐的方式来存储氢气，改善了燃料电池汽车里程短的缺陷。（5）氢燃料电池汽车打破汽车的动力来源常规获取方式，燃料电池的主要原料为氢，氢是大自然中最丰富的资源之一，不论是天然气还是水，都蕴藏了大量的资源。随着燃料电池研究技术的发展，获得氢燃料会更加简便。
3 燃料电池汽车的应用现状
目前的汽车可以说是从传统汽车向纯电动汽车的演变，也就是汽车动力来源的变化，实际上，1840年就有电动汽车的雏形，在随后70年间也在大力的发展，蓄电池也在1958年问世并沿用至今的，但是在1915年以后，由于传统汽车性能好、动力足等优势而大力发展，延缓了电动汽车的发展。
就目前而言，日本和韩国的研究水平处于全球领先水平，尤其是丰田、日产和现代汽车公司。2014年丰田Mirai燃料电池汽车实现量产并投入市场，把人们带进燃料电池汽车时代[3]。同年现代起亚汽车集团投资5万亿韩元用于氢燃料电池等新能源技术的研发，并在欧洲市场推出FCEV“ix35”。
当前我国的燃料电池依然处于研发和小规模示范运行的阶段。在“863”高技项目、“十五规划”的电动汽车重大科技专项与“十一五规划”节能与新能源汽车重大项目的支持下，我国的PEMFC和FCEV整车研究发展迅速[4]。2003年，同济大学万钢教授的团队成功研制中国第一辆燃料电池轿车“超越号”并示范运行[3]。在整车方面，根据2017年中国新能源汽车目录统计[5]，全国氢燃料电池商用车产量共1226辆，包括10家车企、11个品牌的22款氢燃料电池汽车。中国在《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》中提出：推进燃料电池汽车研发与产业化，到2020年，实现燃料电池汽车批量生产和规模化示范应用。[6]
4 氢燃料电池汽车的发展趋势
为了新能源汽车产业的不断壮大，国家多次出台利好政策以扶持新能源汽车产业的发展。在国务院发布的关于印发新能源汽车产业发展规划（2021—2035年）的通知（下称《规划》）中提出：到2025年我国新能源汽车市场竞争力明显增强，动力电池、驱动电机、车用操作系统等关键技术取得重大突破，安全水平全面提升[7]。氢燃料电池汽车的性能现与传统汽车性能差不多持平，但要想被广泛应用，需要进一步完善氢燃料电池汽车的缺陷，例如成本和推广，同时其附属设施的建设也要跟得上氢燃料汽车的发展脚步。未来，各国将根据自身实际颁布更多利好政策用于新能源汽车的研究与应用。同时针对于氢燃料电池汽车，各类加氢站以及其他基础设施也将根据氢燃料电池汽车的发展应运而生。随着国家技术的不断突破和政策的不断推进，燃料电池市场前景广阔。
5 结语
燃料电池性能的是否提升关系着氢燃料电池汽车的广泛发展。目前氢燃料电池技术不断精进，可以预见，氢燃料电池汽车的广泛应用指日可待。
参考文献：
[1]经贸风险情报.《世界能源统计年鉴2020》发布[EB/OL].（2020-07-08）[2].http：//www.tradeinvest.cn/information/6334/detail.
[2]GB/T19596-2017电动汽车术语[S].北京：中国标准出版社，2017.
[3]王丽敏.燃料电池汽车的发展与展望[J].职教天地，2019（6）：127.
[4]温延兵.氢燃料电池轿车能源与动力系统优化匹配及控制策略研究[D].，2016.
[5]FCEV汽车.氢燃料电池汽车发展现状、挑战及未来方向[EB/OL].（2018-03-30）[2].http：//baijiahao.baidu.com/s？id=1596257431800406155&wfr=spider&for=pc.
[6]中国商业研究院.2019年燃料电池市场前景研究报告[J].电器工业，2019（4）：23-31.
[7]中商情报网.“十四五”新能源汽车产业发展规划前瞻：产销规模或达千万辆[EB/OL].（2020-11-18）[2021.2.1].https：//baijiahao.baidu.com/s？id=1683685560565869932.
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