刘宫瑛 杨志超
安徽安凯汽车股份有限公司技术中心 安徽合肥 230051
摘要：在全球气候变暖的背景下，面对石油危机、气候危机和环境危机等问题，世界各国开始把目光投向清洁能源。氢燃料电池技术由此应运而生，并成为大家热议的对象。氢燃料电池技术以其高效、零排量的特点，被认为是未来新能源汽车发展的重要方向之一。
关键词：氢燃料电池；应用现状；发展趋势
在新常态背景下，氢能可能成为下一代的基础能源。国内外对氢燃料电池技术的研究已取得了很大的成就，但若要全面应用氢燃料电池还需不断努力。氢燃料电池有着广泛的应用，可缓解环境污染问题，因此，需不断完善及发展该项技术。本文重点论述了氢燃料电池技术应用现状及其发展趋势。
一、氢燃料电池工作原理
氢燃料电池是一种将氢和氧的化学能通过电化学反应直接转化为电能的装置，其单体结构主要由阳极、阴极、质子交换膜和双极板组成，其中阳极为氢电极，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1，其中燃料是指氢气，反应物质(氢气、氧气)在电化学反应过程中不断被消耗，从而产生电能。
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二、氢燃料电池的优势
1、能量转换效率高，绿色无污染。燃料电池通过电化学反应，不是采用燃烧(柴、汽油)或储能(蓄电池)方式，燃料电池只会产生水、热与电能，对环境无污染。若制氢过程是通过可再生能源产生的，整个循环过程就是彻底的不产生有害物质。
2、无振动、噪声低。根据燃料电池的工作原理可知，只要燃料和催化剂从外部不断地输入，燃料电池即可不断地发出电能，其使用寿命远高于普通原电池和充电电池。因无往复和回转运动的机械结构，所以燃料电池运行时震动小，噪声大约只有55dB，相当于人们正常交流的水平。另外，在整个工作中无噪声与机械振动，减少了机械器件的相互磨擦，从而在一定程度上延长了使用寿命。
3、制氢原料多，能源补充快。燃料电池所使用的氢气来源广泛，自然界中氢大量存储在水中，可采用水电解制氢；也可从可再生能源中获得，可用天然气、甲醇、汽油及再生能源等。燃料电池所需燃料主要是氢气，充气或更换氢气瓶一般只需几分钟，比纯电动汽车的蓄电池充电时间短。
三、氢燃料电池应用现状
1、在分散型发电站的应用。在一些大型发电站，不管是火电还是水电或核电，都是向电网发输电力后，再向用户输送。但因不同的用户有不同负荷，所以会引发电压不稳定或停电情况。而且，因传统的火力发电燃烧，需消耗大量化石燃料，而且还会向空气排放大量有毒气体。但对氢燃料电池应用，能量转换效率会较高，而且具有较小的噪音，无污染，使用较灵活，所以具有较广泛的应用范围。
2、在电池车方面的应用。当前燃料电池的一个研究热点是在汽车上应用氢燃料电池，很多世界上知名的汽车企业都推出了氢燃料动力汽车，通过对燃料电池应用，不断降低大气污染，并且将现代社会对石油的依赖度不断降低。中国的燃料电池汽车技术研发已得到了很大的发展，已掌握了相关的核心技术．并且还建立了燃料电池汽车动力系统技术平台，以及一整套研发体系。国外通过长时间的研究，燃料电池汽车产品在环境适应方面及可靠性方面也取得了很大的突破，并且不断深入，燃料电池汽车已向技术与市场示范阶段迈进。
3、在军事方面的应用。英国国防评估和研究机构已鉴定了固体氧化物燃料电池在未来海军船只方面的应用，认为燃料电池和水面舰艇的动力要求相符合，而且是最合适的选择。荷兰也对燃料电池开展了相关的研究，通过开展可行性论证及燃料电池的相关设计和实验，得出变化条件对燃料电池性能不会产生明显影响的结论，所以燃料电池在军舰上应用的发展前景较广泛，而且具有较高的安全性。
4、在可移动电源方面的应用。随着社会的发展和完善，科技得到了很大的进步，当前在全球都对手机及电脑等电子设备应用，而且这些设备都具有越来越多的功能，需将电池的能量密度增加，将这些设备的使用时间增长。但当前在市场上的锂离子电池，已无法满足人们日益增长的需求。但世界上一些企业已研究出将PEMFC作为手机电池的方案，手机待机时间可达到1000h。另外，氢燃料电池还可在一些便携式充电器上应用。
四、氢燃料电池技术应用遇到的挑战
1、氢燃料的制取成本和排放达不到要求。从商业化角度来看，氢气制备需要在原有的基础上实现大规模构建。从目前形势来看，可实现制氢技术的大规模应用，但氢燃料电池成本和污染物排放达不到相关要求。
2、氢气运输体系不够完善。从加氢站网络化分布上看，运输水平还需上升一个很大的台阶。从目前形势来看，还不能有效解决运输方面的问题。在一些发达国家，氢气管道总长度已超过16000km，但在我国，运输的范围受限，远距离运输还未形成一种常态，不适合大规模的商业化应用。
3、储氢技术有待突破。氢在常温常压下呈气态，密度小，仅为空气的1/14。一直以来，氢燃料安全和高效存储是氢燃料电池技术大规模商用化的瓶颈。储氢技术是利用氢燃料电池的关键技术，也是难点所在。如高压储氢容器体积大，存在着泄漏和氢脆等安全隐患；液氢储氢耗能大，液氢蒸发问题导致存在储罐安全隐患；可逆金属氢化物储氢重量大等。
4、国内催化剂原料资源不多。据不完全统计，铂族元素的世界存储量较少。我国催化剂原料资源也不是很多。到2030年时，若需要内燃料电池车达到200万辆，则需消耗40t金属电催化剂，这对能源的需求巨大。
5、经济性差。燃料电池的高昂成本和寿命制约着其商业化应用。燃料电池大都采用铂催化剂作为电极，铂用量大且利用率低。尽管近年来，随着新型三维有序化电极结构的深入研究，使电极上铂催化剂用量降低了3个数量级，大幅降低了整个燃料电池成本，但其成本仍太高。燃料电池中大都采用Nafion膜，该膜是一种全氟磺酸膜，生产工艺较复杂，目前市场价格较昂贵。此外，燃料电池主要采用石墨双极板，其技术虽已成熟，但机械强度差和加工成本高使其在工业上难以大规模应用。
6、政策风险。氢燃料电池技术大规模应用前，尚存在着基础设施建设不健全，成本过高，制氢、储氢和输氢技术存在安全风险等一系列问题。政府的支持是目前发展氢燃料电池技术产业的关键因素。由于锂电池起步早，商业化程度高，整车成本低，充电可利用现有的电网系统，总体成本更低，因此当前我国汽车行业主推纯电动汽车。燃料电池汽车商业化需国家进一步支持。
五、我国氢燃料电池发展趋势
国家发改委和能源局在2016年联合印发的《能源技术革命创新行动计划(2016-2030)年》，明确了燃料电池和氢能产业发展的目标，即实现燃料电池和氢能2020年示范运行，2030年大规模推广运用，2050年普及应用。2017年公布的《节能与新能源汽车技术路线图》为我国燃料电池汽车的发展指明了方向，发展重点包括：新型燃料电池核心材料、先进燃料电池电堆、关键辅助系统零部件技术、高性能燃料电池系统、混合型燃料电池动力系统和制氢运氢储氢及加氢基础设施。
国家计划在京津冀地区、长三角地区、珠三角地区等地，率先实现氢能汽车的规模化推广应用。上述地区是国内氢燃料电池汽车技术研发应用的领航者，并且有良好的氢能基础设施建设和运营经验。因此，我国氢能汽车技术能在国家政策的不断扶持下，技术节节攀升，实现普及应用的目标。
氢燃料电池的序幕已拉开，市场关注度空前高涨。氢燃料电池因其能量密度高与零排放零污染的优势，具有强大的市场潜力。国家对燃料电池汽车的补贴政策持续发力，在市场需求与政策激励的双重驱动下，氢燃料电池有望在多向领域同步发展。
参考文献：
[1]徐洪流.氢燃料电池技术应用现状及发展趋势分析[J].科技与创新，2019(02).
[2]程一步.氢燃料电池技术应用现状及发展趋势分析[J].石油石化绿色低碳，2018(11).