來源： 葉磊 IND4汽車人
編者按：
今年的北京車展上，博世展臺留給小編印象最深刻的有三個部分。第一是陳列在在內展廳只對特定用戶開放的神秘展品；其次是展示其技術穿透力的碳化硅組件；還有一個燃料電池的電堆展品。今天跟大家分享一篇燃料電池方面的文章。
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我們日常接觸到的主要儲能單元都是以化學能的方式保存的，通過氧化還原反應將化學能轉化為熱能、電能、機械能等等。無論是煤炭、汽油、天然氣的燃燒，或是電池中電子從負極出發經過負載到達正極，本質上都是氧化還原反應。既然能量轉化的是以電子移動做功的形式產生的，那麼理論上同等重量或體積的物質擁有的可移動電子越多越適合作為儲能載體。而採用能量密度高的載體則汽車可以以最小的載重獲得更久的續航里程。
因此我們會為質量輕、有可移動電子、且非惰性的元素設計一套“可控的”“氧化還原反應”機制成為我們的能源解決方案。查看元素週期表我們初步可以發現，在元素週期表前幾行的輕原子比較符合要求，去掉惰性元素、有毒有害、以及氧化劑（氧元素），則剩下氫（H）、碳（C）、鋰（Li）、鈉（Na）等。在實際生活中我們採用的大多數能量載體也正如分析結果所示，如煤炭、汽油、天然氣等都是碳氫化合物。汽油的能量密度約12.8 kwh/kg（46 MJ/Kg），煤炭約8.05 kwh/kg（29 MJ/Kg）。而雖然鋰元素能量密度可達12 kwh/kg，但鋰電池能量密度僅有0.2 kwh/kg（原因稍後分析），由此可見碳氫化合物已經是自然界中能源載體的較優解了。（注：氫氣的能量密度約38.8 kwh/kg）
既然汽油、柴油已經是能源方案中比較適合的選項了，為什麼還需要尋找新能源替代呢？ 我覺得主要有三個原因，前兩個不用說大家想必也瞭解，化石燃料的不可再生屬性和碳排放引起的環境問題。 第三個我覺得是能源利用效率問題。內燃機燃燒做工時的效率往往只有30%，原因在燃燒過程中的電子移動是無序的，多數能量以產熱而非做工的形式消耗。而電池在進行氧化還原反應過程中的電子移動是有序的並形成電流，因此能量利率可達90%以上。但也正因為電池需要保持電子移動的有序性，需要構建一套反應機制和環境（如電池中需要有正負極材料、電解液、隔膜等其他輔助材料）則導致了能量密度極大程度的降低。因此鋰電池作為汽車能量載體雖然解決了資源問題、環境問題、能量效率問題，但目前鋰電池能量密度低的問題始終限制著電動汽車完全替代傳統汽車。
燃料電池汽車所需的氫氣屬於二次資源不必有枯竭的擔憂，同時氫氣和氧氣反應產生水實現了動力的零排放，並且能源利用效率達到了65%以上，更為重要的是有著非常高的能量密度和快速補給能力（3分鐘即可完成燃料加註），以上四個方面都較為理想的解決了現有儲能原料存在的不足，因此有觀點認為燃料電池技術將是汽車能源的終極解決方案。
1.燃料電池原理及系統架構
燃料電池技術原理如下圖所示：氫氣與空氣中的氧氣在催化劑（Pt）的作用下進行氧化還原反應反應從而產生電流。為確保電堆的有效工作燃料電池系統需要構建一整套能量循環系統，主要包括：空氣循環、氫氣循環、冷卻循環、以及電路循環。
氫氣噴射器：根據輸出電流調節氫氣壓力；
氫氣循環泵：調節不同電流下的氫氣迴流量；
空氣過濾器：過濾空氣中的粉塵，花粉，細菌等;
空壓機：壓縮空氣體積，增加氣體壓力；
增溼器：增加氫氣和過濾後空氣的溼度；
燃料電池電堆：整個系統的核心部件，根據功率大小，由多片單電池串聯而成一個電堆；
冷卻系統：通過水泵將電堆反應產生的熱帶出，通過散熱風扇散熱；
DC/DC：將燃料電池的輸出電壓調整到需要的電壓值；
同時為了測量系統的物理量需要安裝不同的傳感器：空氣的流量傳感器和壓力傳感器；氫氣的壓力傳感器；空壓機的電流、電壓傳感器；冷卻系統的壓力和溫度傳感器；電堆的電流和電壓傳感器。將燃料電池動力系統應用在交通工具上時，需要輔助的電力存儲設備用來防止燃料電池電壓突跳和制動能量回收。因此鋰離子動力電池配合燃料電池的混動方案可能是未來的趨勢之一，在不便於補充氫氣時可通過充電補充能量，在需要長距離行駛時加註氫氣可實現遠距離出行的要求。
2.當前限制燃料電池汽車產業化應用的瓶頸
目前國內外對燃料電池技術的研究都在進行中，燃料電池汽車目前依然以示範運行為主，實現產業化應用的卻不多。限制其產業化應用的瓶頸大致可分三個方面：
1）技術成熟度
2）成本可接受度
3）配套設施普及程度
燃料電池壽命通過近些年的發展已經有了顯著的進步，國內從此前從幾百小時延長至了5000小時，國外有些企業做到了10000小時的使用壽命。但距離25000小時的耐久性目標依然有很長的路要走。同時在低溫性能、電池活性的一致性控制等方面還存在未解決的技術問題。同時燃料電池系統造價高，系統主要由電堆、供氣及冷卻系統、控制系統組成，其中電堆的成本約佔總成本的60%。電堆主要材料有質子交換膜、雙極板、氣體擴散層、催化劑。其中催化劑成本佔比最高（約50%），作為催化劑的鉑暫時還沒有找到低成本的替代品。再加之目前產量達不到規模效應的作用，電控、結構、工藝等方面的成本也高居不下。同時目前城市中缺乏燃料電池汽車所需的加氫站、制氫廠等配套設施。在10年前電動汽車推向市場也遇到類似問題，在先有電動車還是先有充電樁的困境中進展緩慢。
美國國家可再生能源實驗室（NREL）也對燃料電池客車（FCEB）項目給出評估認為燃料電池客車還處於技術成熟度TRL7，這就是說產品正在現實相關環境中接受全面驗證與檢測。加拿大、歐洲現階段也認為
將燃料電池應用於商用車或特種車輛是短期內較為可行的路線，開展的示範運營項目也主要針對公共交通領域。而作為燃料電池專利大國的日本在技術推進上相對比較激進。
2015年豐田汽車率先推出了Mirai車型，售價近40萬RMB，並宣佈開放5680項燃料電池技術專利，專利涵蓋燃料電池電堆、高壓儲氫、燃料電池系統控制以及加氫站技術。當然意圖也非常明顯，希望以此吸引更多的合作方入場，構建燃料電池應用的整套供應鏈體系。同時為了進一步降低成本豐田採取一系列的措施。首先是優化了電堆，新電堆質子交換膜的厚度減薄了三分之二，促進了水的反向擴散，使得質子導電率提高為原來的三倍；同時，高價聚合物電解質（electrolyte polymer）的用量也相應的減少。通過優化鉑鈷合金比，催化劑的性能提高了80%；催化劑的碳載體也由空心體改為實體，這使得鉑金催化劑只能附著於碳載體表面而不會進入到內部空心中，鉑的利用率提高為原來的兩倍，鉑的消耗量減少了三分之二，有效地降低了材料成本。其次是簡化了燃料電池系統，Mirai的燃料電池系統取消了外部增溼器和氫氣稀釋器，高壓氫瓶數量減為2個，空壓機類型由渦旋式改為羅茨式，同時將進氣閥和分流閥合併、排氣閥與調壓閥合併。
參考文獻：
[1] 燃料電池系統和故障診斷技術，重塑科技，2016
[2] EVS28，Toyota Fuel Cell System (TFCS)，2015
