氢燃料电池特性试验分析研究

【摘" 要】在“双碳”目标及可持续发展战略背景下，氢燃料电池汽车备受国内外关注，其在节能减排、环保方面作用重大。但氢燃料电池汽车发展受制氢与储氢技术、燃料电池特性及稳定性等因素限制。为发挥燃料电池的环保价值，文章主要对氢燃料电池汽车的发展现状及电池特性进行分析和研究，期望能促进氢能产业发展，加快燃料电池升级，推进氢燃料汽车发展，推动汽车产业绿色节能。

【关键词】氢燃料电池汽车；燃料电池；电池关键特性

中图分类号：U469.72""" 文献标识码：A""" 文章编号：1003-8639（2025）01-0028-03

Experimental Analysis of Hydrogen Fuel Cell Battery Characteristics

ZHAO Xiaolong，LU Yayun，ZHOU Yanyan，MA Cheng，BA Yinliang

（Xinjiang Vocational University，Urumqi 830013，China）

【Abstract】Under the background of“dual carbon”goal and sustainable development strategy，hydrogen fuel cell vehicles have attracted much attention at home and abroad，and play an important role in energy saving，emission reduction and environmental protection. However，the development of hydrogen fuel cell vehicles is limited by factors such as hydrogen production and hydrogen storage technology，fuel cell characteristics and stability. In order to exert the environmental protection value of fuel cells，the paper mainly analyzes and studies the development status of hydrogen fuel cell vehicles and battery characteristics，hoping to promote the development of hydrogen energy industry，accelerate the upgrading of fuel cells，promote the development of hydrogen fuel vehicles，and promote the green energy saving of the automobile industry.

【Key words】hydrogen fuel cell vehicle；fuel cell；key characteristics of battery

能源和环境是实现可持续发展的必备条件。社会发展使传统汽车保有量持续上升，导致能源短缺和污染陷入恶性循环。为解决能源、环境、气候等问题，开发新能源刻不容缓。其中，氢能清洁、高效、安全、可持续，被视为21世纪极具潜力的清洁能源，各国高度重视氢能开发[1]。以氢燃料电池作为汽车动力，让汽车成为“绿色燃料”汽车。

1" 氢燃料电池汽车发展现状

纵观国内外氢燃料电池汽车发展，目前国外已经在成本控制、续航里程、关键技术等方面领先于国内，具体表现在以下几个方面。

1）成本：国外已经把成本控制在10～30万元/每车，未来还会有新的突破。

2）续航里程：已达到500～850km，与电动汽车相比，不再有续航焦虑。

3）加注时间：氢燃料加注时间在3～5min，环保效益更明显。

4）抗低温和高温性能：出色，可以在-35～45℃的温度区间运行，这点与电动汽车相比优势更突出。

5）寿命：能够达到30年或60万公里。

因为燃料电池汽车的推广和发展需要大力投入氢能基础设施建设，考虑到商用车运行路线相对单一，加之对加氢能基础设施的要求较低，所以中国采取了以商用车示范运营的战略方针推进燃料电池商业化发展。

2" 氢燃料电池汽车发展需要解决的问题

燃料电池汽车的发展依赖氢能产业，只有氢能行业快速发展，才能推动氢燃料电池汽车前行。氢能全产业链包括制、运、储等环节。目前，化石燃料制氢、工业副产氢和可再生能源制氢3种路线并存。化石燃料制氢技术成熟、成本低，但碳排放高且不可再生，产能扩张受限；化工副产氢成本较低，但规模取决于主产品，扩张有限，可补充氢源；电解水制氢零碳排、可持续，却因成本制约难以普及[2]。

现阶段，中国氢能储运主要靠长管拖车高压气态储运，运输量小，不适合远途，且有易爆危险。长远看，大规模应用需管道输送以实现跨区域、长距离应用。氢燃料电池汽车发展需要解决以下问题：①解决氢源及氢气储存的问题，采用大量制取廉价氢气的方法，传统的电解方法价格昂贵无法推广；②解决氢气的安全储运问题；③解决汽车所需的高性能、廉价的氢供给系统；④优化氢燃料电池关键特性，降低氢燃料电池的成本[3]；⑤降低电极的铂负载量；⑥研究性能优异的质子交换膜；⑦双极成本降低。

3" 氢燃料电池关键技术探索研究

3.1" 氢燃料电池结构

燃料电池发动机包含燃料电池电堆、氢气子系统、空气子系统、热管理子系统、负载控制子系统[4-5]。单个电池的电压约为0.6～0.8V，数百个单电池串联起来使用便可获得高压。氢燃料电池结构如图1所示。

3.2" 氢燃料电池的工作原理

将氢气送到燃料电池的负极，经过催化剂（铂）的作用，氢原子中的一个电子被分离出来，失去电子的氢离子（质子）穿过质子交换膜，到达燃料电池正极，而电子不能通过质子交换膜，电子只能经外部电路到达燃料电池正极，从而在外电路中产生电流。电子到达正极后，与氧原子和氢离子重新结合为水。由于供应给正极的氧，可以从空气中获得，因此只要不断地给负极供应氢，给正极供应空气，并及时把水（蒸气）带走，就可以不断地提供电能，如图2所示。

3.3" 氢燃料电池的特性分析

1）试验目的。通过对比测量氢燃料电池质子交换膜加湿与不加湿状态下的电压值、流量值与功率值等参数，探究质子交换膜的工作特性及最佳工作效率。

2）试验设备。设备有流量计、减压阀、氢气压缩罐、冷却风扇、氢燃料电池堆、功率表、电流表、电压表。图3为氢燃料电池特性分析试验设备。

3）试验方法。采用两种试验方法，一种是燃料电池不加湿法，另一种是加湿法，如图4、图5所示。试验时，首先通过减压阀把高压氢罐的氢气压力调为0.07MPa，工作温度保持不变。然后逐渐增大燃料电池堆的输出电流，分别记录功率表、电流表、电压表及流量计的读数。

4）试验数据。加湿前后两种方法数据测量记录见表1。

通过对比加湿法和不加湿法两种情况下的燃料电池特性、功率特性和流量特性，可以发现采用加湿法后最大输出电流提高了27.3%，而输出电流为5.5A处的端电压提高了24.9%，输出功率也提高了24.4%，如图6所示，最大输出功率提高了37.5%，如图7所示，最大流量提高了28.2%，如图8所示。

从以上试验分析可知，氢燃料电池的质子交换膜需要有水才能比较好地传导质子。质子交换膜的导电与其水含量密切相关，膜的水含量对于燃料电池的性能和寿命具有非常重要的作用。因此，对质子交换膜燃料电池必须进行加湿处理，这样才能使质子交换膜燃料电池得以高效工作。

4" 燃料电池的创新技术

1）随着燃料电池领域技术的逐渐突破，第三代车用燃料电池的成本从100万美元降到5万美元，降幅高达95%。

2）第三代燃料电池汽车加满5kg氢气可以连续行驶650km以上。

3）第三代燃料电池堆在正极上采用“3D立体微流道技术”，通过更好地排出副产物水，让更多空气流入，有效改善了发电效率；在电极催化剂层上采用铂钴合金催化剂，活性提升1.8倍，同时气体扩散层采用低密度材料，质子交换膜的厚度减少1/3，导电性提升3倍。整个电池堆的发电效率达到了3.1kW/L，比第二代整整提升了2.2倍。

4）由于燃料电池堆栈中每片电池发电的电压大约在0.6～0.8V之间，370片薄片燃料电池，整体也不会超过300V电压，所以为了更好驱动电动机，安装了一个升压器，将电压提升到650V，这样使第三代燃料电池的质量比第二代减少了48%。

5" 结语

氢能源是未来可以同时解决能源危机和环境污染问题的绿色能源，是未来能源的发展趋势。氢燃料电池汽车作为氢能产业的下游产业，发展主要依赖于制氢、运氢和储氢及燃料电池技术。本文通过对氢燃料电池的关键特性进行试验、分析，总结了影响燃料电池性能的主要因素，对氢燃料电池的关键技术突破有指导意义。

参考文献

[1] 朱刚.“双碳”目标下燃料电池汽车产业发展思考[J].上海节能，2024（2）：182-186.

[2] 刘畅，林汉辰，史陈芳达，等.中国氢燃料电池汽车市场发展现状及展望[J].南方能源建设，2024，11（2）：162-171.

[3] 陈轶嵩，兰利波，郝卓，等.氢燃料电池汽车动力系统生命周期评价及关键参数对比[J].环境科学，2022，43（8）：4402-4412.

[4] 黎妍，云祉婷，孙琪深.氢燃料电池汽车关键技术的研究现状[J].内燃机与配件，2024（7）：134-136.

[5] 谯康伟.氢燃料电池膜电极的结构设计及其性能研究[D].北京：北京化工大学，2024.

（编辑" 凌" 波）