关键词：燃料电池；燃料电池汽车；基本原理；现状；规划

Abstract: Fuel cell is a new kind of energy, which converts chemical energy into electric energy through chemical reaction so as to drive cars. It can achieve pollution-free and zero-emission. At present, the mainstream countries in the world are actively promoting the research and promotion of fuel cell vehicles. This paper briefly introduces the working principle of fuel cell, analyzes the structural characteristics of fuel cell vehicles, and reveals that fuel cell vehicles have the dual advantages of traditional vehicles and pure electric vehicles. This paper analyzes and compares the research status of fuel cell vehicles at home and abroad, and reveals the bottleneck problems that have not been broken in the development of fuel cell vehicles. The development trend of future fuel cell vehicles at home and abroad is analyzed.

Key words: Fuel cells; Fuel cell vehicles; Basic principles; Status quo; Planning

1  前言

自21世纪以来，伴随着经济社会发展和人们平均收入的提高，世界范围内的车辆保有量每年都有比较明显的增幅，由此引发石油资源日益枯竭、环境恶化、海平面升高等问题，引起人们的广泛关注。虽然传统汽车对社会的整体发展进程有着不可避免地负面影响，但是汽车工业融入我们的生活已经长达100多年，即使在飞机、高铁迅猛发展的大环境下，汽车依然是当今社会最便捷的交通方式之一，和我们的生活密不可分。

在这种背景下，我们致力于研发不再使用常规燃料、零排放、零污染的新能源汽车。氢燃料电池汽车是众多新型能源汽车种类中的一种，它利用氢和氧发生的氧化还原反应，将化学能转化为电能作为电机动力源，从而驱动汽车行驶，由于氢燃料电池内部的化学反应最终的产物是H₂O，从而实现车辆零排放的终极目标。由于上述原因，目前世界各国都在积极开展燃料电池汽车的相关研究工作。虽然我国氢燃料电池汽车研发起步早，但是规模较小，目前在氢燃料电池汽车方面我国和国际之间尚存在一定差距，因此研究氢燃料电池汽车的基本原理、国内外发展现状、发展阻碍、及发展趋势，对我国燃料电池汽车的发展起到积极的推进作用。

2  氢燃料电池基本技术原理

不同形式的电动汽车对应着不同种类的电池，但是无论电池的形式如何变化，它的本质都是作为汽车的储能装置。而氢燃料电池技术，是它利用氢和氧发生的氧化还原反应，把化学能转化为电能从而驱动车辆行驶。燃料电池主要由以下几种形式：PEMFC、SOFC、MCFC、AFC及PAFC等^[2]。本文主要对PEMFC燃料电池工作原理进行分析，如图1所示。

                                                            图1  PEMFC工作原理图

由图1化学反应可知，PEMFC燃料电池主要由正负极、质子交换膜、以及电解质和外部电路组成。这种电池最为核心的技术就是电池两极材料的研发，这种特殊材料不仅制造工艺极其复杂，成型之前还需要进行特殊处理。这种电极主要有两个作用：首先，保障氧化剂、还原剂和电解质之间存在较大的接触面；第二，还要对电池的化学反应起催化作用。上述电池具体工作原理：H₂被运输至到阳极，在特殊催化剂的作用下H₂被分解为H⁺和e^-，H⁺穿过质子交换膜到达阴极，而e^-则由外部电路流到阳极，与此同时，在阴极的氧化剂（O ₂）与由膜穿透而来的H⁺以及经过外电路传输来的e^-结合，从而完成电能转化，其化学反应方程式如下：

阳极：H₂→2H⁺+2e^-

阴极：1/2O₂+2H⁺+2e^-→H₂O

总反应：H⁺+1/2O₂→H₂O

事实上各类燃料电池的基本原理相同，其他种类工作原理可以参看上述。

3  燃料电池汽车

3.1  燃料电池汽车基本结构

氢燃料电池汽车构成的核心部分由燃料电池模块、驱动电机模块、电机控制器模块、高压储氢罐以及外加辅助动力源和整车控制器等组成。氢燃料电车汽车在结构上和传统汽车差别不大，如图2所示。本质区别仅在于常规电动汽车以普通蓄电池作为车辆动力源，而燃料电池汽车以FC作为车辆动力源。供氢系统将车载储氢罐里的氢气输送到FC里与氧气经过一系列电化学反应并产生电能，电能再经过电机控制器中的DC/DC模块，与蓄电池耦合后为驱动电机提供高压直流电能，为汽车提供动力。

图2  燃料电池组成

3.2  燃料电池汽车主要优势

氢燃料电池汽车几乎接近完美的工作原理是其最大的优势所在。车辆在行驶的过程中，经过动力源的化学反应最终产物为水，不会排放其它有害气体，符合大自然规律，这正是人们向往和追求的。燃料电池汽车的基本性能如表1所示。

其次，从车辆动力装置来看，其产生的动力不通过热机过程，不受热力循环限制，基本上没有热释放和热能损失，这样一来其能源转换效率可以达到60%-70%，大约是传统汽车热效率的2-3倍^[3]。地球上氢资源不仅丰富而且可再生，可供人类取之不尽，用之不竭，这样我们便不会再为能源问题而担忧。

最后，如果燃料电池汽车能够像传统汽车一样盛行，那么我们便能够摆脱长期以来对石油产品的寄托，因为我国有大量的氢准备资源，其中比较常见的就是沼气、天然气等可重复利用天然资源。

除上述优点之外，氢燃料电池汽车还具有传统燃油汽车超长续航里程和纯电动汽车安静舒适的双重优势。当我们一次性加满氢燃料之后，它的续航里程几乎可以媲美于传统内燃机汽车，与此同时还能氢燃料电池汽车可以像常规电动汽车一样，在行驶过程会有极好乘坐舒适性的同时还能兼顾零排放、无污染，一举多得。

4  国内外氢燃料电池汽车发展现状

4.1  国外发展现状

截至2019年9月^[4]世界范围内燃料电池乘用车制造量累计7000多台。而丰田Maria全球共计生产超过6000辆。日本政府继续加大关于氢燃料电池汽车政策服务支持^[6]。丰田企业在1992制定氢燃料电池研发计划，1996研发出氢燃料电池试验车，2013年推出MIRAI氢燃料汽车并于2017实现量产3000辆；继丰田之后本田推出Clarity氢燃料电池汽车，行驶里程将近750Km，有望打破丰田在氢燃料电池汽车的垄断地位，并有望在2020年实现量产^[7]。

美国从2002年起^[5]，由上到下各个相关部门都开始大力扶持氢燃料电池汽车产业。比如，福特汽车公司、通用汽车公司、以及韩国现代、日本的日产、丰田等汽车公司都将在美国的加利福尼亚洲参与氢燃料电池汽车示范运行。美国通用汽车公司是世界上最早开始研制氢燃料电池汽车公司之一，早在1968通用汽车便研制出全球第一台可以真正运行的氢燃料电池汽车-Seques。在2015年上海汽车车展时期，通用旗下的这代氢燃料电池汽车隆重亮相，并赢得业内人士的一致好评，这也侧面反映了美国氢燃料电池汽车的技术实力。

4.2  国内发展现状

我国对氢燃料电池汽车的研发与国外略有不同，2000年清华研发制造了中国第一辆燃料电池汽车；2001年，北京工业大学与清华大学合作研发了氢燃料电池客车。

随后中国以能源技术和科技核心为出发点，以在国际竞争中争夺氢燃料电池汽车的主动权为目标，国家在863中计划开始大力扶持燃料电池汽车的电池、电极、质子交换膜等相关零部件的研发工作，同时加大力度扶持国内整车研发。投入大量人力物力以期待早日解决燃料电池的瓶颈问题，争取尽快搭建完全自主知识产权的燃料电池汽车动力系统平台。近期我国在“十三五”规划中将氢燃料电池汽车和加氢站建设列为国家重点扶持对象。

时至今日，经过将近20年的攻坚研发，我国在氢燃料电池汽车制造研发方面取得了较大的进步，比如在2010年上海世博会期间，我们投入运营完全自主研发的氢燃料电池轿车90辆、公交车6辆以及观光旅行车100辆，整个世博会期间这些燃料电池汽车进行了大规模、超负荷、超长时间运行，为氢燃料电池汽车进一步研发改进打下坚实基础^[8]。但是和日、美、韩等发达国家相比较我国的氢燃料电池汽车无论是整车制造成本、行驶里程还是加速性能及氢燃料电池的核心技术都有明显差距,其对比如表3、表4所示。