摘要：随着氢能产业的蓬勃发展，氢燃料电池汽车已成为世界各国重点关注对象。通过文献计量与政策工具，分析目前氢燃料电池汽车技术的主要内容、瓶颈及未来发展趋势。可以发现，我国在催化剂、高压储氢瓶、空压机、气体扩散层材料、密封胶材料等领域与国外有一定的差距，在质子交换膜、石墨双极板、氢燃料电池电堆和系统研发制造等领域已取得一些成果，最后从政策规划与支持、产业布局与培育、技术合作与研发、平台建设与推广、人才外培与内引等方面提出对策建议。
关键词：氢燃料电池汽车；技术现状；发展趋势；对策建议
随着《氢能产业发展中长期规划（2021－2035年）》的发布，国内加紧氢能产业的发展步伐，氢燃料电池汽车作为氢能产业的中下游应用端，有着独特的地位和价值。近年来，国内外都加强了对氢燃料电池汽车技术的研究，如美国重点开发氢能重卡，欧洲重点在商用车，日韩重点在乘用车，本文将梳理这些关键技术的内容、特征及瓶颈所在，并结合我国氢能产业、汽车产业基础特点，提出一些具有针对性的建议，为我国氢燃料电池汽车技术的发展提供参考。
1、 概述
1.1 燃料电池
燃料电池是一种可将燃料的化学能直接转换成电能的装置，也是一种发电技术。因不受卡诺循环效应的限制，燃料电池的能量转化效率较高，其使用寿命较长，从节能环保角度而言，燃料电池发电是未来应用价值很高的发电技术。按电解质种类可分为磷酸燃料电池、固体氧化物燃料电池、质子交换膜燃料电池等[1]。
1.2 氢燃料电池
氢燃料电池内部的化学反应，相当于电解水的逆反应，将氢和氧分别供给阳极和阴极。氢燃料电池具有三大优点：一是无污染，仅通过电化学反应，并不燃烧，只产生水和热；二是无噪声，其工作时噪声只有55 dB左右；三是高效率，其发电效率可到50%以上。
1.3 氢燃料电池汽车
氢燃料电池汽车的主要结构如表 1所示，具体而言，氢燃料电池发出的电，经控制装置为电动机供电，再经传动轴、万向节、主减速器、差速器到达汽车车轮。
表1 氢燃料电池汽车的主要结构部件
2、 氢燃料电池汽车技术现状
2.1 质子交换膜
2.1.1 功能及研究方向
质子交换膜，其功用主要是为质子迁移和传输提供通道，同时阻隔电子和离子，其性能直接影响电池性能和使用寿命，要求其热稳定性好、机械强度高、耐久性强。目前氢燃料电池质子交换膜的研究主要集中在降低成本、提升寿命、改善环境耐受性等方面，重点关注膜的机械强度、质子电导率、热稳定性和化学稳定性等核心性能指标[2]。
2.1.2 种类
质子交换膜一般可分为全氟磺酸、部分氟化聚合物、非氟化聚合物三种。全氟磺酸（PFSA）质子交换膜最早由美国杜邦公司开发并实现商业化生产，目前应用最为广泛，但PFSA的树脂价格昂贵，为此部分国家将研发重点转向成本较低的部分氟化聚合物质子交换膜制备，如加拿大巴拉德先进材料公司开发的BAM3G系列，其使用寿命已突破1 000 h。
2.1.3 制备工艺
目前最为典型的两种制备方法是熔融成膜法与溶液成膜法。熔融成膜法所制备的薄膜各处厚度一致，并且生产效率高、可应用于生产线，其制备过程中无需使用溶剂，十分环保，但膜还需进行水解转型才能得到最终产品，这一过程中难以保持膜的平整。我国在溶液流延法这一领域所取得的成就较为突出，如已掌握PFSA 树脂单体合成、聚合反应、溶液流延成膜等全产业链核心技术。
2.2 氢燃料电池汽车供氢系统
氢燃料电池供应系统主要有三种工作模式，即直排流通模式、死端模式、再循环模式[3]。直排流通模式是一种较为简单的氢气供应系统模式，其工作原理如图1所示，氢气从阳极进入，一部分氢气参与电堆化学反应，另一部分氢气从出口直接排出。由此可见，该氢气供应系统较简单、成本较低，但直接排出的氢气会造成安全隐患。死端模式是在电堆阳极出口位置装上常闭吹扫电磁阀，以延长氢气在电堆内部停留时间，但空气中的杂质气体也会通过质子交换膜扩散到电堆阳极，堵塞气体通道，导致氢气不能有效与催化剂层接触，从而造成电池电压下降[4]。再循环模式是通过特定装置将出口处氢气循环至进口，是燃料电池汽车中应用最广泛的供氢模式。
图1 直排模式原理示意图
2.3 氢燃料电池汽车氢气循环系统
氢气循环系统目前有单氢气循环泵、单引射器、双引射器、引射器和氢气循环泵并联、喷射器和氢气循环泵并联、引射器和喷射器集成设计、电化学氢泵等七种方案。
以单氢气循环泵方案为例，东风汽车的一项专利中提出一种燃料电池氢气循环系统及其控制方法，通过在燃料电池阳极入口处设置了压力传感器和湿度传感器，获取氢气循环泵的目标转速实现对氢气循环泵的控制[5]。以单引射器方案为例，韩国现代集团研发的燃料电池汽车中将引射器固定，通过比例阀调节压力，满足不同工况下氢气循环量的要求[6]。以引射器和氢气循环泵并联方案为例，中山大洋电机股份有限公司所公开的一项专利如图2所示，若燃料电池高功率工作，可关闭氢气循环泵，只通过引射器进行氢气循环，等功率下降时，再开启氢气循环泵[7]。
图2 引射器和氢气循环泵并联方案
2.4 材料技术
2.4.1 催化剂材料
目前常用催化剂是 Pt/C，是由纳米级的Pt颗粒（3～5 nm）和支撑这些 Pt颗粒的大比表面积活性碳构成，选用Pt是由于其为所有金属材料中氢氧化反应（HOR）和阴极氧还原反应（ORR）性能最高的材料[8]，但其作为稀有金属，价格十分昂贵，供应量很低，已成为燃料电池技术走向商业化应用的最大拦路石。长期目标是催化剂用量实现小于 0.05 g/kW，3M公司所开发的产品中铂载量仅为 0.118 mg/cm2。未来催化剂的主要研究方向为改进催化剂的微观结构，如开发Pt高度分散的新型碳载体[9]。
2.4.2 气体扩散层材料
气体扩散层一般由碳布/碳网和防水剂聚四氟乙烯材料构成。目前商业化的碳纤维纸/布等材料已满足使用需求，若实现规模化生产，则大幅度减少氢燃料电池生产成本。气体扩散层行业由几家大公司垄断，即日本 Toray、加拿大 Ballard、德国SGL。国内对碳纸的研发主要是由北京化工大学、中南大学、武汉理工大学等高校完成，国内外碳纤维纸主要企业产品性能对比如表2所示。
表2 国内外碳纤维纸产品性能对比
2.4.3 密封胶材料
密封胶是燃料电池电堆内部的主要承力与传力部件，其功用是确保电堆紧凑性布置和密封。密封垫片可在燃料电池制造的最后工序中与电池单元一体加工成形[10]。密封材料可分为固态垫圈材料与液态垫圈材料。2017年中科院大连化物所研发出一款高精密氟橡胶密封垫。
2.4.4 双极板材料
双极板又叫流场板，其功用是输送、分配燃料、隔离阴阳两极气体，主要分为石墨板、金属板、复合材料板三种类型，其基体材料需具有强度高，致密性好，耐蚀性、导电性和导热性好等特点[11]。金属双极板的主要成分是铝、镍等金属材料、加工工艺较为简单、但其密度较大、耐蚀性能较差。石墨双极板应用最多，目前已实现国产化，其今后的研究重点是生产工艺优化与减小石墨板厚度。复合材料双极板主要成分是树脂混合石墨粉和增强纤维等预制料，其综合了前两者优点，但加工工艺复杂，成本较高。国内供应商主要是上汽集团、新源动力等企业。
2.5 车载储氢技术
物理储氢包括高压气态储氢和低温液态储氢，化学储氢如有机液体储氢[12]。衡量储氢技术性能的主要参数是储氢体积密度、可循环使用寿命等[13]。
高压气态储氢技术应用最为广泛，其核心部件是储氢瓶。储氢瓶可分为纯钢质金属、钢制内胆纤维缠绕、铝内胆纤维缠绕、塑料内胆纤维缠绕、无内胆纤维缠绕五种类型。铝内胆纤维缠绕型储氢瓶与塑料内胆纤维缠绕型储氢瓶的储氢质量密度较大。其中，前者已在国内占据了主流市场，后者正逐步进入市场，还需解决一些技术问题，如在氢气与储氢瓶重量比值系数过低时，如何降低运输成本和风险。后者与前者的密封结构设计是不同的，后者需考虑金属与塑料之间的密封[14]。
低温液化储氢是一种新兴储氢技术，如宝马汽车公司的氢动力汽车H7，该款汽车可液氢与汽油两用[15]。有机液体储氢技术可分为加氢反应、储存和运输、有机液体脱氢三个阶段。
2.6 氢燃料电池汽车制氢方案
目前氢燃料电池汽车制氢方案主要有甲烷催化重整法、甲醇催化裂解法、电解水法和氨裂解法四种，其中电解水法制氢的矿产资源消耗、化石能源消耗和环境影响均最高，甲醇催化裂解法制氢的矿产资源消耗和化石能源消耗均为最低，甲烷催化重整法制氢的环境影响最低[16]。如：氢燃料电池汽车动力系统生命周期评价研究，对比了甲烷蒸气重整制氢、基于混合电网电解水制氢、基于水电电解水制氢三种制氢方法。此外，降低动力系统生命周期化石能源消耗和全球变暖潜值的措施包括优化能量控制策略降低氢能消耗、规模化发展可再生能源发电电解水制氢产业和聚焦突破燃料电池堆栈关键技术实现性能提升[17]。基于我国的要素禀赋，通过单一清洁能源发电已难于满足社会需求，需提高电解水制氢的能源利用率，方能使其成为未来大规模制氢的有效方案。
2.7 氢燃料电池汽车系统部件
氢燃料电池汽车系统部件主要有氢循环泵、氢瓶、增湿器、空气压缩机等。氢循环泵可根据工况条件实时控制氢气流量，提高氢气利用效率[18]。氢燃料电池系统中的空气压缩机，可提供与电堆功率密度相匹配的氧化剂[19]，车载燃料电池的空压机可分为离心式、螺杆式、涡旋式三种。螺杆式空压机使用的最多，但离心式空压机具有密闭性好、结构紧凑、振动小、能量转换效率高等特点，较具应用前景[20]。空压机所包含的一些关键部件，如轴承与电机，还有诸多瓶颈技术需要攻克，而涂层材料则是将低成本、耐摩擦作为未来研发的重点。
2.8 氢燃料电池系统控制技术
氢燃料电池系统的寿命或耐久性，与系统控制策略密切相关[21]。氢燃料电池汽车的实际工况包含启动/停止、怠速、高/低负载等，而且是随机性变化的。为此，可基于现有系统构造，通过优化控制策略来确保汽车正常工作，当前研究人员在这一研究领域已经开发或应用了模糊逻辑控制、神经网络控制等方法。如氢燃料电池汽车能量管理系统模糊控制仿真研究表明，在锂离子动力电池荷电状态（State Of Charge, SOC）处于0.6～0.8时，模糊控制策略相较于功率跟随控制策略，氢燃料电池氢气消耗量降低7.8%，氢燃料电池在最佳效率区间的工作时间增加44.61%[22]。
3、 氢燃料电池汽车发展趋势
3.1 总体形势
2016－2019 年中国氢燃料电池汽车销量持续增长，2020年受到疫情和补贴政策退坡等因素的影响，燃料电池汽车销量出现下降。2021年销量达到1 586辆，2022年上半年销量达到1 379辆，同比增长194.0%。国内多地加快氢能产业布局与培育的步伐，其中氢燃料电池汽车迎来了发展风口。如《辽宁省氢能产业发展规划（2021－2025年）》提出，到2025年，全省燃料电池车辆保有量将达到2 000辆以上；山西省计划到2030年燃料电池汽车保有量将达到5万辆；吉林省计划到2035年氢燃料电池汽车运营规模达到7万辆。
3.2 发展趋势
3.2.1 国产化进程加快
目前，国内在膜电极、氢气循环泵、空气压缩机等核心组件，PEM、催化剂等关键材料上，已实现小规模自主生产，其中，氢燃料电池系统的国产化程度已从2017年的 30% 提高到2020年的60%。预计到2025年，高经济性、高速度的空压机可实现小规模自主生产。
3.2.2 关键零部件的材料与制造技术研发步伐加快
未来将加大针对膜电极组件、金属双极板、催化剂、空压机、储氢罐等关键零部件材料与制造技术的研发。如通过寻找新型材料实现膜的稳定化、高质子传导率化、低成本化；离心式空压机、涡旋式空压机皆具有成本低、稳定性好等优点，将会是未来空压机研发的重点方向；新型制氢技术、膜分离技术、新型储存罐材料研发等皆是当前的研究热点。
3.2.3 成本降低
预计到2030年氢燃料电池系统生产成本将降低至当前的一半。通过建立分析模型，可预测燃料电池系统各部件的成本占比：膜电极占27%，BPs占12.4%，空气循环子系统占25.8%，冷却回路占11.2%，其他占 23.6%。据预测，到2035年我国氢燃料电池系统的生产成本将降至目前的五分之一，到 2050年将降至300元/kW[23]。此外，到 2035年，汽车生产成本方面，氢燃料电池汽车将具备与内燃机汽车同等的竞争力。
3.2.4 性能提高，电池寿命延长
随着关键材料物理性能的改进，各组件电化学稳定性逐步提高，电池寿命也得到延长，如预计到2035年，燃料电池系统功率密度可提高45%，乘用车电堆寿命可增加20%，商用车电堆寿命可增加30%。
4、 结论与建议
4.1 结论
国际上氢燃料电池汽车的发展集中在美国、日本、韩国、中国等4个区域[24]，但目前我国氢燃料电池汽车产业的标准化体系尚处于初级阶段[25]。总体而言，氢燃料电池汽车技术的诸多细分领域，我国与国外都有一定差距，如催化剂、高压储氢瓶、空压机、气体扩散层材料、密封胶材料等领域，经过国内研究人员的不懈努力，现如今已在质子交换膜、石墨双极板、氢燃料电池电堆和系统研发制造等领域已取得了突破。
4.2 对策建议
4.2.1 政策规划与支持
建立组织与领导机构，成立国家氢燃料电池汽车关键技术创新合作联盟，制定短期规划《氢燃料电池汽车关键技术攻关三年规划》、中期规划《氢燃料电池汽车关键技术攻关五年规划》、长期规划《氢燃料电池汽车关键技术攻关十年规划》。建立氢能产业金融制度，重点支持氢燃料电池汽车关键技术的研发。吸引上市企业负责人、投资者、慈善家参与氢燃料电池汽车基金的建设，授予参与人员荣誉称号，颁发荣誉奖章。确保中小企业拥有足够的资金参与氢燃料电池汽车核心技术的研发、产品的生产与推广等。
4.2.2 产业布局与培育
根据国内各区域的资源禀赋，分区域布局质子交换膜、氢燃料电池汽车供氢系统、氢气循环系统、系统控制技术、燃料电池关键零部件材料与制造等高新技术企业。车载储氢技术是未来氢能大规模应用所必须攻克的难题，而国内在此领域与国外还有一定的差距，应重点培育。
4.2.3 技术合作与研发
国家科技部等部委积极推进燃料电池核心技术科技攻关，解决科学和工程技术问题[26]。重点攻关双极板、催化剂、气体扩散层、储氢罐、空压机等核心零部件的关键技术，建立完整的车载储氢技术标准体系；在有机溶液储氢和固态储氢两个方向上加大研发投入，最终以提高储氢密度为目标；优化燃料电池结构、创新研究方法、改进电池的加工及组装技术，提高电池工作稳定性和使用寿命。
4.2.4 平台建设与推广
建立氢燃料电池汽车关键技术平台，提供氢燃料电池汽车各领域技术辅导。收集企业意见反馈单，从而制定应对策略；建立关键技术项目库，进一步细化技术类别；建立关键技术服务库，定向辅导企业，加速技术成果转化与推广。
4.2.5 人才外培与内引
氢燃料电池技术研发需跨学科、跨领域的专业技术人才联合攻关。国内科研院所、高校、企业三方建立合作机制，制定人才培养方案，确定氢燃料电池汽车领域人才培养的课程、学分、学制等内容。如中小学生启蒙与科学普及，职业院校技术技能型人才培养，本科院校、科研院所基础研究和技术研发人员培养，即“中小学生－职校生－研究生”三层级人才培养体系。
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来源：《汽车实用技术》 2023年第13期 P14-19
作者：陈雷， 程凤军， 许栋
