燃料电池是汽车能源的终极解决方案?

我们日常接触到的主要储能单元都是以化学能的方式保存的，通过氧化还原反应将化学能转化为热能、电能、机械能等等。无论是煤炭、汽油、天然气的燃烧，或是电池中电子从负极出发经过负载到达正极，本质上都是氧化还原反应。

既然能量转化的是以电子移动做功的形式产生的，那么理论上同等重量或体积的物质拥有的可移动电子越多越适合做为储能载体。而采用能量密度高的载体则汽车可以以最小的载重获得更久的续航里程。

因此我们会为质量轻、有可移动电子、且非惰性的元素设计一套“可控的”、“氧化还原反应”机制成为我们的能源解决方案。

查看元素周期表我们初步可以发现，在元素周期表前几行的轻原子比较符合要求，去掉惰性元素、有毒有害、以及氧化剂（氧元素），则剩下氢（H）、碳（C）、锂（Li）、钠（Na）等。

在实际生活中我们采用的大多数能量载体也正如分析结果所示，如煤炭、汽油、天然气等都是碳氢化合物。汽油的能量密度约12.8 kwh/kg（46 MJ/Kg），煤炭约8.05 kwh/kg（29 MJ/Kg）。而虽然锂元素能量密度可达12 kwh/kg，但锂电池能量密度仅有0.2 kwh/kg（原因稍后分析），由此可见碳氢化合物已经是自然界中能源载体的较优解了。（注：氢气的能量密度约38.8 kwh/kg）

既然汽油、柴油已经是能源方案中比较适合的选项了，为什么还需要寻找新能源替代呢？ 我觉得主要有三个原因，前两个不用说大家想必也了解，化石燃料的不可再生属性和碳排放引起的环境问题。

第三个我觉得是能源利用效率问题。内燃机燃烧做工时的效率往往只有30%，原因在燃烧过程中的电子移动是无序的，多数能量以产热而非做工的形式消耗。而电池在进行氧化还原反应过程中的电子移动是有序的并形成电流，因此能量利率可达90%以上。但也正因为电池需要保持电子移动的有序性，需要构建一套反应机制和环境（如电池中需要有正负极材料、电解液、隔膜等其他辅助材料）则导致了能量密度极大程度的降低。

因此锂电池作为汽车能量载体虽然解决了资源问题、环境问题、能量效率问题，但目前锂电池能量密度低的问题始终限制着电动汽车完全替代传统汽车。

既然汽油、柴油已经是能源方案中比较适合的选项了，为什么还需要寻找新能源替代呢？ 我觉得主要有三个原因，前两个不用说大家想必也了解，化石燃料的不可再生属性和碳排放引起的环境问题。

第三个我觉得是能源利用效率问题。内燃机燃烧做工时的效率往往只有30%，原因在燃烧过程中的电子移动是无序的，多数能量以产热而非做工的形式消耗。而电池在进行氧化还原反应过程中的电子移动是有序的并形成电流，因此能量利率可达90%以上。但也正因为电池需要保持电子移动的有序性，需要构建一套反应机制和环境（如电池中需要有正负极材料、电解液、隔膜等其他辅助材料）则导致了能量密度极大程度的降低。

因此锂电池作为汽车能量载体虽然解决了资源问题、环境问题、能量效率问题，但目前锂电池能量密度低的问题始终限制着电动汽车完全替代传统汽车。

1.燃料电池原理及系统架构

燃料电池技术原理如下图所示：氢气与空气中的氧气在催化剂（Pt）的作用下进行氧化还原反应反应从而产生电流。为确保电堆的有效工作燃料电池系统需要构建一整套能量循环系统，主要包括：空气循环、氢气循环、冷却循环、以及电路循环。

氢气喷射器：根据输出电流调节氢气压力；

氢气循环泵：调节不同电流下的氢气回流量；

空气过滤器：过滤空气中的粉尘，花粉，细菌等;

空压机：压缩空气体积，增加气体压力；

增湿器：增加氢气和过滤后空气的湿度；

燃料电池电堆：整个系统的核心部件，根据功率大小，由多片单池串联而成一个电堆；

冷却系统：通过水泵将电堆反应产生的热带出，通过散热风扇散热；

DC/DC：将燃料电池的输出电压调整到需要的电压值；

同时为了测量系统的物理量需要安装不同的传感器：空气的流量传感器和压力传感器；氢气的压力传感器；空压机的电流、电压传感器；冷却系统的压力和温度传感器；电堆的电流和电压传感器。将燃料电池动力系统应用在交通工具上时，需要辅助的电力存储设备用来防止燃料电池电压突跳和制动能量回收。

因此锂离子动力电池配合燃料电池的混动方案可能是未来的趋势之一，在不便于补充氢气时可通过充电补充能量，在需要长距离行驶时加注氢气可实现远距离出行的要求。

2.当前限制燃料电池汽车产业化应用的瓶颈

目前国内外对燃料电池技术的研究都在进行中，燃料电池汽车目前依然以示范运行为主，实现产业化应用的却不多。限制其产业化应用的瓶颈大致可分三个方面：

1）技术成熟度

2）成本可接受度

3）配套设施普及程度

燃料电池寿命通过近些年的发展已经有了显著的进步，国内从此前从几百小时延长至了5000小时，国外有些企业做到了10000小时的使用寿命。但距离25000小时的耐久性目标依然有很长的路要走。同时在低温性能、电池活性的一致性控制等方面还存在未解决的技术问题。

同时燃料电池系统造价高，系统主要由电堆、供气及冷却系统、控制系统组成，其中电堆的成本约占总成本的60%。

电堆主要材料有质子交换膜、双极板、气体扩散层、催化剂。其中催化剂成本占比最高（约50%），作为催化剂的铂暂时还没有找到低成本的替代品。再加之目前产量达不到规模效应的作用，电控、结构、工艺等方面的成本也高居不下。

同时目前城市中缺乏燃料电池汽车所需的加氢站、制氢厂等配套设施。在10年前电动汽车推向市场是也遇到类似问题，在先有电动车还是先有充电桩的困境中进展缓慢。

美国国家可再生能源实验室（NREL）也对燃料电池客车（FCEB）项目给出评估认为燃料电池客车还处于技术成熟度TRL7，这就是说产品正在现实相关环境中接受全面验证与检测。

加拿大、欧洲现阶段也认为将燃料电池应用于商用车或特种车辆是短期内较为可行的路线，开展的示范运营项目也主要针对公共交通领域。而作为燃料电池专利大国的日本在技术推进上相对比较激进。

2015年丰田汽车率先推出了Mirai车型，售价近40万RMB，并宣布开放5680项燃料电池技术专利，专利涵盖燃料电池电堆、高压储氢、燃料电池系统控制以及加氢站技术。

当然意图也非常明显，希望以此吸引更多的合作方入场，构建燃料电池应用的整套供应链体系。同时为了进一步降低成本丰田采取一系列的措施。

首先是优化了电堆，新电堆质子交换膜的厚度减薄了三分之二，促进了水的反向扩散，使得质子导电率提高为原来的三倍；同时，高价聚合物电解质（electrolyte polymer）的用量也相应的减少。

通过优化铂钴合金比，催化剂的性能提高了80%；催化剂的碳载体也由空心体改为实体，这使得铂金催化剂只能附着于碳载体表面而不会进入到内部空心中，铂的利用率提高为原来的两倍，铂的消耗量减少了三分之二，有效地降低了材料成本。

其次是简化了燃料电池系统，Mirai的燃料电池系统取消了外部增湿器和氢气稀释器，高压氢瓶数量减为2个，空压机类型由涡旋式改为罗茨式，同时将进气阀和分流阀合并、排气阀与调压阀合并。

来源：IND4汽车人

作者：Ray