氢能时代，燃料电池汽车助你清洁出行

2020年11月9日，科技部公布了针对《关于加快推动燃料电池商用车发展的建议》的答复，文件指出：“科技部将结合国家中长期科技发展规划研究和“十四五”国家重点研发计划重点专项凝练等工作，继续加强氢能与燃料电池技术攻关，加快关键核心技术取得实质性突破，提升燃料电池技术成熟度，为燃料电池商用车技术进步和产业发展提供强有力技术支撑。”那么燃料电池和燃料电池汽车是什么？现今发展如何？商业化还存在什么难题呢？让我们一探究竟。

一、什么是燃料电池？

燃料电池是通过化学反应将化学能直接转换为电能的发电装置。按电解质分类，燃料电池一般分为质子交换膜燃料电池、磷酸燃料电池、碱性燃料电池、固体氧化物燃料电池及熔融碳酸盐燃料电池等。

以最简单的氢燃料电池为例：氢燃料电池的发电原理是电解水的逆反应，氢气（H2）在阳极发生氧化反应，生成质子（H+）和电子（e-），质子穿过隔膜在燃料电池内部迁移至阴极，电子则通过外电路迁移至阴极，氧气（O2）在阴极发生还原反应与质子、电子生成水（H2O）。对外电路，发生氧化反应的电极为负极，发生还原反应的电极为正极，电子在外电路中由负极迁移至正极，产生由正极流向负极的电流。

燃料电池因直接将化学能转换为电能，没有中间能量转换损失，能量利用率高，同时燃料电池工作时无噪音、污染物排放极少等特点，使其在新能源汽车、便携式电源、航空航天及水下潜器等领域具有广阔的应用前景。

二、什么是燃料电池汽车？

燃料电池汽车是用车载燃料电池装置产生的电力作为动力的汽车。燃料电池汽车使用的燃料包括氢、甲醇等，国际上普遍采用的是高能量密度的液态氢。与传统燃油汽车相比，燃料电池汽车具有以下优点：（1）能量转换效率高；（2）污染物零排放或近似零排放；（3）降低了温室气体的排放；（4）运行平稳、低噪声。

三、燃料电池汽车发展如何？

20世纪90年代，质子交换膜燃料电池的性能特点证明了它应用于汽车领域的可能，但当时质子交换膜制作工艺复杂、产量低、价格高等因素限制了其发展。

此后，世界多国开始布局燃料电池汽车，如：2001年欧盟的“欧洲清洁城市交通（CUTE）”燃料电池公共汽车示范项目；2003年美国总统提出的氢能相关计划；我国也于2006年将“氢能及燃料电池技术”列入前沿技术。

2014年起，多款燃料电池商用车在世界范围内销售，如：韩国现代SUV NEXO、丰田Mirai和本田Clarity Fuel Cell等。目前，世界范围内已有近两万辆燃料电池乘用车在应用。在我国，截至2020年9月，共计在32个城市开展了氢燃料电池汽车示范运行，累计运行里程超过1亿公里，单车最大运行里程超过14万公里。

当前，燃料电池汽车正处于由技术研发向商业化推广的过渡阶段。各国都在竞相发展：美国、欧盟、日本、韩国等纷纷提出了未来10-20年内的发展计划。国内北京、上海、广东等多地近日也发布了燃料电池汽车产业发展规划。

四、商用化存在哪些问题？

燃料电池汽车的发展进度取决于燃料电池汽车和氢气储运相关装备的成本降低情况以及配套的氢能产业链的建设进度。

（1）燃料电池系统成本降低。与膜电极有关的原材料成本是燃料电池系统的主要成本，因此持续的原材料研究与开发是控制成本的重要途径。

（2）氢气储运成本高，造成加氢费用高。通过发展氢储运技术，如液氢储运、氢的管道运输以及新型储氢材料如有机液体储氢等，降低氢气储运成本。

（3）加氢站等基础设施不完善，直接制约了氢燃料电池汽车的发展、商业化示范运行和大规模应用。氢气基础设施及加氢站数量瓶颈的突破，是实现清洁氢能源技术的大规模普及和应用的重要条件。

据国际氢能委员会预计，到2030年，全球将有1000万至1500万辆氢燃料电池汽车。氢燃料电池汽车已成为全球能源转型和汽车动力转型的重大战略方向，我国氢燃料电池汽车产业也将进入快速发展期。随着政策的倾斜支持及技术的持续创新，燃料电池汽车将成为越来越多人出行的交通工具。

参考资料：

[1]对十三届全国人大三次会议第6592号建议的答复.中华人民共和国科学技术部.2020.11.09

[2]孙芳著,直接乙醇燃料电池和葡萄糖氧化所需阳极催化剂的研究,冶金工业出版社,2019.07,第1页

[3]侯明,衣宝廉.燃料电池技术发展现状与展望[J].电化学,2012,18（01）:1-13.

[4]陈玉华主编,新型清洁能源技术,知识产权出版社,2019.01,第145页

[5]王洪涛，王焱编著,燃料电池及其组件,合肥工业大学出版社,2019.01,第2页

[6]马文胜，贾丽娜，郝金魁主编,新能源汽车技术,北京理工大学出版社,2018.07,第2页

[7]贠强,中国制造2025 节能与新能源汽车,山东科学技术出版社,2018.05,第131页

[8]陈家昌, 王菊, 伦景光. 国际燃料电池汽车技术研发动态和发展趋势[J]. 汽车工程, 2008（05）:380-385.

[9]赵洪雪,李枭,庞知非,余海涛,高润泽.氢燃料电池汽车发展现状浅析[J].交通节能与环保,2020,16（04）:11-15.

[10] 新能源汽车产业全景扫描.经济参考报.2020.10.30

[11] 杨铮,韩红梅.我国燃料电池产业发展概述[J].化学工业,2020,38（2）:21-28,33.

[12] 李建秋,方川,徐梁飞.燃料电池汽车研究现状及发展[J].汽车安全与节能学报,2014,5(01):17-29.

[13] 邵志刚,衣宝廉.氢能与燃料电池发展现状及展望[J].中国科学院院刊,2019,34（04）:469-477.