氢燃料电池在轻型乘用车上的应用

高文日

摘 要：随着社会技术的不断进步、石油资源紧张以及环境污染问题日益突出，一定程度上推动氢燃料技术的不断发展与进步，有利于解决目前遇到的一系列问题，也是推动实现可持续发展战略的有效途径。本文主要通过对现有氢燃料电池的工作原理、氢燃料汽车的特点以及氢燃料电池在轻型乘用车方面的运用进行针对性分析与研究，把氢燃料电池广泛运用到汽车领域具有较强的现实方面意义，也是进一步推动氢燃料电池汽车成为社会发展趋势的有效方式。

关键词：氢燃料电池;应用现状;发展趋势

随着社会的不断发展与进步，氢燃料电池的发展成为各国关注的热点话题。氢能产业链包括上游制氢、储氢和运输、中游燃料电池系统和零部件制造，以及下游氢燃料电池应用和氢站运营。随着技术的飞速发展，新能源汽车成为社会发展的方向，呈现出多元化的技术路线。其中，基于电动汽车的新能源汽车越来越成熟，拥有量也在不断增加。截至2017年底，全国新能源汽车市场已超过170万辆。燃料电池汽车通常使用氢作为汽车的能源。其原理是电解水的反作用：氢被输入燃料电池，氢原子的电子被质子交换膜阻挡，通过外部电路从负电极传导到正电极，成为一种能量驱动电机。氢燃料电池作为车辆的动力来源，质子可以通过质子交换膜排出，氧化成纯水雾，同时实现“零排放”，见图1。

1 氢燃料电池工作原理

氢燃料电池重要利用氢气和氧气两者之间凭借电发生的化学反应来完成电能转换的目标，其 单体结构包括阳极、阴极、质子交换膜以及双极板，氢电极为阳极，阴极为氧电极，两电极间是电解质。氢燃料电池的工作原理见图2。

2 氢燃料电池汽车的特点

氢燃料电池汽车的工作原理如下图3。

2.1 氢燃料电池的优势

（1）高能量效率转换速度快，绿色循环;燃料电池主要利用电完成一系列的化学反应，不会涉及到其他能源的使用，具有环保的特色。

（2）氢燃料电池振动幅度小，没有产生噪音，使用时间长;通过对氢燃料电池进行深入分析可以对电池的工作原理具有系统化的认识，也可以了解到燃料的来源的广泛性;燃料电池输出的电能无穷无尽，其使用时间较长。由于没有机械部件往复和旋转运动，燃料电池运行非常安静，只有55分贝的噪音，相当于正常水平的对话标准。另一方面，由于没有噪声和机械振动在整个工作过程中，有利于减少机械设备的磨损，延长使用其寿命。

（3）制氢原料多种多样的，能源补充速度快：燃料电池涉及到的氢燃料范围广，天然氢在水中大量储存，可以利用水分解制氢。可再生资源是原料的主要来源，可以利用现代化的技术实现从不同种类资源中提取丰富的原料来源。氢燃料电池的主要原料是氢气，与纯电动汽车相比，氢燃料电池可以在短时间内实现充电工作，也是进一步实现长距离行驶的有效途径。

2.2 氢燃料电池发展局限

燃料类型方面比较单一，氢气生产和储氢技术复杂程度较高，价格昂贵：氢气是燃料电池的最为主要的燃料，氢气的生成，储存等一系列环节是复杂的，成本方面以及安全系数方面要求比较高，也是造成氢燃料电池造价方面比价高的主要因素。严格的密封要求：由于氢是一种非常小的分子，很容易造成泄漏。一旦泄漏，将导致不可估量的后果，因此需要非常严格的密封。这种严格的要求使燃料电池发动机的制造过程复杂化并且给使用和维护带来许多困难。需要辅助电池系统用于电动车辆：燃料电池可以连续发电，但不能充电和恢复燃料电池电动车辆的再生制动的反馈能量。为此，通常将辅助电池或超级电容器添加到燃料电池车辆以存储燃料电池的丰富能量并且在燃料电池车辆减速时接收由再生制动产生的能量。

3 氢燃料电池在轻型乘用车上的应用

3.1 经济价值

能量密度高、能量转换效率，更有效;電池使用寿命很长，超过20年，没有衰减;小型电池，高安全;长期，充满一个圆柱体的射程超过600公里，一致的灌装速度和燃料车辆只有3-5分钟;相同功率的氢燃料电池重量不到一半的化学电池，可以大大降低移动设备的负担，从城市的供电负荷的角度，大力发展电动汽车，城市供电系统完全将带来很大的负担，但是氢燃料电池汽车是分布式能源的应用程序，不会带来不利影响原始能源供应系统。

3.2 环保价值

高能量密度，高能量转换效率，更节能;环保优势，只排放水，对空气无污染;运行噪音低;里程长，充满气瓶可以实现600多公里;结构简单，用电方便，集成方便。H智能系统;安全性高，燃油不易泄漏;燃油价格优势小;车辆维修简单，维修成本低。

4 几种氢燃料电池在乘用车上的应用

4.1 丰田氢燃料电池汽车

丰田不仅将氢燃料电池技术用于小型汽车，而且也广泛应用于大型巴士、家庭用氢燃料电池等各种各样的产品和领域中。除了氢燃料电池车“MIRAI”以外，与日野汽车公司（株）共同研发中的氢燃料电池巴士也计划在2016年投入市场，与丰田自动织机公司（株）共同开发叉车用的氢燃料电池系统、与爱信精机公司共同研发的家庭用氢燃料电池集中供热系统已经从2012年开始销售。

4.2 现代氢燃料电池汽车

现代Nexo氢燃料电池SUV获得了IIHS（美国公路安全保险协会）颁发的最高安全奖。

在驾驶员侧前方的小重叠区域，乘客侧前侧的小重叠区域，中间重叠的前侧，侧面，车顶强度和头枕碰撞测试中，对车辆进行了良好的评估。前防撞系统和前大灯进行了很好的评估。也获得了很高的评价。该车在2018年国际消费电子展上首次亮相，这是第一款获得IIHS最高安全等级的燃料电池汽车，也是IIHS测试过的第一款燃料电池汽车，该汽车在欧洲实现了最高的安全性评分。

5 结语

燃料汽车面临的政策更为严格，市场表现相当疲弱。为了开拓市场，汽车公司开始在新能源汽车上开拓市场，插电式混合动力汽车，纯电动汽车和燃料电池汽车等新能源汽车开始出现。作为实际应用中零排放的清洁能源，氢燃料电池汽车有其独特的优势，绿色环保，加氢时间短，续航里程长的燃料电池汽车得到了强有力的政策支持。国家对氢燃料电池产业发展的资金支持逐年增加，越来越多的省市也大力支持当地氢能燃料电池汽车产业的发展。自2018年以来，包括北京，上海，广东，武汉，重庆，西安，苏州，河南，海南和宁波在内的省市已对氢燃料电池汽车实行了地方补贴。在国家政策和财政的支持下，通过政策和技术推动消除瓶颈，规模效应，降低成本，促进燃料电池汽车的商业化，氢燃料电池有望实现广泛的推广和应用。氢燃料电池汽车领域成为中国的新未来以及能源汽车战略的重要组成部分。

参考文献：

[1]中国标准化研究院，全国氢能标准化委员会.中国氢能产业基础设施发展蓝皮书（2016）[M].北京：中国质检出版社，中国标准化出版社，2016.

[2]IEA.氢能及燃料电池技术路线图（2015） [EB/OL]. http：//www.iea.org/publications/freepublications/publication/TechnologyRoadmapHydrogenandFuelCells.pdf.

[3]毛宗强，毛志明.氢气生产及热化学利用[M].北京：化学工业出版社， 2015.

[4]张国昀.电动汽车产业研究[M].北京：中国石化出版社，2016.