氢燃料电池汽车优势及技术现状分析

面对能源消耗、气候变化问题等多重挑战，世界主要国家已将发展燃料电池汽车上升到国家战略高度。

我国目前具备发展氢燃料电池汽车的资源基础、技术积累和市场空间，现在需要大力推动发展。

氢燃料电池汽车具有动力强劲、安全可靠、经济节能等优点。

但目前我国氢燃料电池汽车的发展也面临着燃料电池电堆、空气压缩机、车载储氢系统等技术相对落后的现象。

需要大力的政策支持和加快发展，文章对上述问题进行了详细阐述。

　　前言　　燃料电池汽车是以燃料电池系统作为单一动力源或以燃料电池系统和可充电储能系统作为混合动力源的电动汽车。

氢能是新能源革命的重要领域，将成为支撑我国建设绿色、高效、安全的新能源体系的关键支柱。

燃料电池汽车作为氢能利用的重点领域，将成为我国汽车产业转型发展的重要一步。

方向。

燃料电池汽车的发展具有动力强劲、安全可靠、经济节能等诸多优点，但也面临着燃料电池电堆（包括质子交换膜、催化剂、气体扩散层和双极板）、空气压缩机、车载储氢系统等。

目前技术现状与国外技术存在一定差距。

现将其优点及技术现状分析如下。

　　燃料电池汽车的优点 1.1动力强劲　　燃料电池动力系统采用“电电混合”技术路线，即动力电池与燃料电池并联，由锂电池提供车辆加速、减速等不稳定工况。

所需功率较高，采用燃料电池在稳定工况下提供输出功率。

该方案不仅解决了燃料电池动态响应慢的问题，在提供强劲动力的同时也大大延长了燃料电池的寿命。

以燃料电池城市公交车为例，最大坡度可达22%（同等条件下传统公交车为20%），0-50km/h加速时间仅需8秒，而传统公交车则需要30秒。

可见加速能力优于传统公交车。

　　1.2安全可靠　　通过实际运行，燃料电池汽车的运行时间和里程远高于纯电动汽车，安全性更高，如表1所示。

表1 可靠性对照表燃料电池汽车与纯电动汽车之间从表1可以看出，在整个生命周期中，燃料电池乘用车和商用车比纯电动乘用车和商用车具有更长的运行时间和更长的运行时间。

从里程来看，可以看出燃料电池汽车的耐用性和可靠性比纯电动汽车更好，而且更安全可靠。

　　1.3 经济节能 　　1.3.1 全生命周期成本低 　　 燃料电池汽车能耗成本低，国家政策补贴力度大，因此全生命周期成本较低，如表2.表2 燃料电池汽车与传统汽车、纯电动汽车全生命周期成本对比 　　 从表2可以看出，燃料电池汽车的全生命周期成本远低于传统汽车和纯电动汽车电动汽车，特别是燃油成本远低于传统汽车，完全符合国家节能减排政策。

　　1.3.2 能量转换率高　　燃料电池汽车能量转换效率高。

根据戴克对NECAR4燃料电池汽车的测试，燃料电池堆的能量转换效率为62%。

若剔除燃料电池发动机辅助系统能耗（占比16.4%）和电机及其驱动系统能耗（占比16.4%），则“油箱到车轮”的效率为37.7%，远高于汽油车??16%~18%和柴油车20%~24%的转化效率。

　　燃料电池汽车技术现状　　燃料电池汽车的动力来源是燃料电池系统，其核心技术也在燃料电池系统。

因此，燃料电池系统的技术成熟度决定了燃料电池汽车的发展前景。

现将燃料电池系统的核心部件燃料电池电堆（包括质子交换膜、催化剂、气体扩散层和双极板）、空气压缩机、车载储氢系统的技术现状介绍如下。

　　2.1燃料电池电堆技术现状　　我国汽车燃料电池电堆整体发展水平仍处于起步阶段，技术水平与国际先进水平仍有较大差距，如表3所示。

表3 国内外燃料电池电堆技术及产业化比较 　　 从表3可以看出，国内燃料电池系统的功率普遍在60kW以下，燃料电池电堆的功率密度不超过2.7kW /L，整车冷却最低启动温度为-20℃，其他技术指标低于国外技术。

对其质子交换膜、催化剂、气体扩散层、双极板等核心部件的技术现状进行详细介绍。

　　2.1.1质子交换膜技术现状　　国际上已经掌握了质子交换膜基材和工艺的核心技术，并形成了一定的技术和市场垄断。

美国戈尔公司设计了一种超薄增强型质子交换膜。

最薄可达7-10um。

具有优异的功率密度、机械耐久性和水蒸气扩散自增湿效果，已广泛应用于乘用车。

我国质子交换膜技术近年来取得了一定进展。

山东东岳开发的DF复合膜，膜厚可达15um，在干湿循环和机械稳定性方面，循环次数超过20000次。

总体来看，我国质子交换膜大多处于实验阶段或小批量生产阶段，技术与国际领先水平存在一定差距。

未来，质子交换膜技术将趋向于更薄，这将有助于降低质子传输的阻力，从而实现更高的性能。

　　2.1.2催化剂技术现状　　国际上，燃料电池催化剂技术已形成量产能力。

日本忠高贵金属开发的PV/C催化剂综合性能优异，已应用于本田燃料电池汽车。

其研发的PtCo/C催化剂也开始在燃料电池汽车上试运行。

与国外相比，我国燃料电池催化剂仍处于试验开发阶段，尚未形成有竞争力的产业化产品。

云南贵金属集团已开发出全系列Pt/C催化剂（Pt质量分数为30%~70%），但尚未实现批量生产。

我国科研机构开展催化剂研究并取得重大进展。

大连化学物理研究所研制的PtNi纳米线合金催化剂的质量和面积比活性分别达到Pt/C的2.5倍和3.3倍。

超小型PtCu合金催化剂的质量比活性达到Pt/C的3.8倍。

由于Pt金属价格昂贵且稀有，开发低Pt和无Pt催化剂将是未来燃料电池催化剂的研究趋势。

　　2.1.3气体扩散层技术现状　　国际气体扩散层生产工艺已实现卷材生产，且生产工艺稳定，性能稳定的产品可大批量供货。

例如，德国SGL生产的气体扩散层，基体层非常薄，其微孔层具有优异的透气性，在国际上得到高度认可。

国内产品尚处于小规模生产阶段，碳纸等气体扩散层原材料大多依赖进口。

中南大学提出化学气相沉积（CVD）热解碳改性碳纸新技术，发明了变形机制适应性强的异形碳纸，采用干法成型、CVD、催化碳化和石墨化。

化学生产工艺，其产品的耐用性和稳定性得到了提高。

未来，碳纸技术将趋于更薄，以提高气体扩散能力并减少高电流密度下的传质问题。

　　2.1.4 双极板技术现状　　国外已形成成熟的双极板产业链，在制造技术、质量、成本控制、量产等方面已形成成熟的产业化体系。

其中，金属双极板，其极板设计、精密制造、耐腐蚀涂层开发等核心技术，被视为占领燃料电池技术高地的核心秘密。

很多关键技术都被大公司以知识产权的形式垄断。

。

此外，石墨双极板，加拿大巴拉德公司开发的柔性石墨双极板代表了国际先进水平。

板材厚度小于1mm。

巴拉德燃料电池堆使用的电流密度达到2.5A/cm 2 ，并已累计无故障运行超过0次。

小时。

近年来，国内双极板技术和产业化能力显着提升。

金属双极板涂层技术取得突破，开发出多种具有自主知识产权的石墨基、钛铬基纳米复合涂层并应用于金属板。

此外，金属双极板的设计技术也取得了长足的进步。

开发出不需要加湿的金属双极板。

利用波纹流场结构使流体在板面上合理分布，并通过调节波纹周期参数实现不加湿。

在一定条件下桩体内的保水性。

我国石墨双极板已初步实现产业化。

例如，上海宏丰研发的超薄石墨双极板已应用于燃料电池客车；广东国宏开发的碳基复合双极板已应用于物流车辆等领域。

创新的流场设计、高效的制造工艺和严格的成本控制是未来双极板制造的趋势。

对于金属双极板来说，开发低成本、高耐久性的耐腐蚀涂层是金属双极板技术需要突破的关键问题。

　　2.1空压机技术现状　　国外燃料电池汽车空压机的研发起步较早，在转子、轴承、控制器、高速等核心技术方面积累了较多经验电机；同时，国外空压机公司与汽车零部件企业配套经验丰富，具有较强的前向开发能力，可以根据整车企业的需求进行针对性开发。

目前，螺杆压缩机已广泛应用于美国、加拿大汽车公司的燃料电池系统中。

瑞典OPCON公司开发的螺杆压缩机，压缩比为3.2，排气流量从17g/s到g/s。

燃料电池汽车不同工况下的流量调节。

国内空压机的研发大多是科研机构和高等院校承担的国家“”、“”项目。

缺乏专业制造企业参与，产业化进展缓慢。

总体来看，我国空压机企业和整车企业配套零部件经验不足，前向开发能力较弱，缺乏轴承、控制器、高速电机等国内成熟供应链的支持。

空压机的关键零部件仍依赖进口。

发展大风量、节能高效、全工况快速响应的空压机将成为未来的发展方向。

　　2.3 车用储氢系统技术现状　　 国外储氢系统产业链较为完整，制造技术已趋于成熟。

在储氢瓶方面，国外35MPa、70MPa储氢瓶技术成熟，已形成与整车配套的生产能力，并已成功应用于燃料电池汽车。

例如，国外燃料电池乘用车多采用70MPa IV型储氢瓶。

，储氢质量分数达到5.7%，兆帕级高压储氢容器已处于研制阶段。

我国车载储氢系统技术和产业化水平与国外先进技术水平存在一定差距。

随着车用氢能产业化的不断发展，我国车载储氢系统逐渐开始从样品试制、小批量生产转向规模化生产。

产业配套体系也在逐步构建。

在储氢瓶方面，我国已具备35MPa铝衬碳纤维全缠绕Ⅲ型高压储氢瓶的技术和量产能力，并已陆续在国产燃料电池商用车和乘用车上实施。

由于碳纤维复合材料等储氢瓶关键材料及关键精制部件（如阀门等）国产化水平较低，主要依赖进口，导致车载储氢瓶成本高的问题更突出。

未来，车载高压气态储氢技术将向更高压力、更轻重量和更低成本方向发展。

　　结论　　氢燃料电池汽车无污染，可以实现零排放。

它们是新一代清洁车辆。

我国应大力发展氢燃料电池汽车。

但我国在燃料电池系统关键技术方面与发达国家存在一定差距。

因此，应加大政策支持力度，尽快突破关键技术；大力推进示范行动，注重示范效果评估。

完善标准和监管体系，全面提高检测评价能力。

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相信通过刻苦攻关和努力，我们一定会尽快掌握核心技术，建立健全生产配套体系和法律体系，赶上发达国家。