氢燃料电池技术发展现状及未来展望

氢燃料电池技术发展现状及未来展望
摘要：能源与环境污染己成为全社会高度关注的问题，推动和加快能源结构
转型是化解全球能源危机和环境污染的关键，特别是应对大气污染的根本途径。

氢能源热值高、储量丰富、来源多样、应用广泛及环境友好，是理想的替代能源。

氢燃料电池是燃料电池汽车的主要动力源，它是将氢燃料化学能转化为电能的发
电装置，氢燃料电池能量转化过程不涉及燃烧，不受卡诺循环的限制，能量转化
率高达 90 %。

氢燃料电池化学反应产物仅为水，不产生 CO、NOx、SOx、颗粒物
等大气污染物。

另外，氢燃料电池还具有低温下正常工作、无振动、噪音等级低
的优点。

目前氢燃料电池寿命短、成本高等诸多问题制约氢燃料电池汽车的普及。

关键词：氢燃料；电池技术；应用
当前人类建立在以消耗煤炭、石油、天然气为主的不可再生能源基础之上的
经济发展模式，导致了日益突出的环境污染和温室效应问题。

为实现人类社会可
持续发展，建立人与自然的和谐关系，发展风能、水能、太阳能、生物质能、地
热能、海洋能等绿色能源，成为世界各国高度关注的课题。

一、氢燃料电池的原理与用途
1、原理。

燃料电池可以将化学能转变为电能，最终达到应用电能的目的。

由于燃料电池兼具电池和热机两个方面的特征，因此具有能量转化效率高、排放
后无污染、噪声小、震动频率低、可低温快速启动等特点。

根据电解质的不同，
电解质隔膜两侧可以发生氢氧化反应和氧还原反应，最终产生电能。

从理论的角
度进行探究，燃料电池的能量转化效率可以达到 90%以上，但是在各种因素的影
响下，其工业条件受到限制，实际转化率只能达到 40%～60%.如果将纯氢气作为
燃料电池，那么可以消除 CO、NOx、SOx、粉尘等污染，也可以达到无排量，这
时化学产物仅仅为水，体现出其清洁、可靠、能移动、寿命长等特征，同时也可
以在供电的基础上，实现有效的供暖。

2、用途。

最初的时候，燃料电池由于其体积小、容量较大，出现到大家的
视野当中，并主要应用于航天领域。

随着科技的进一步发展，氢燃料电池也开始
应用到发电与汽车行业，现在新能源汽车风靡全球。

从目前的形势上看，氢燃料
电池主要应用于便携式领域、固定领域、运输领域，且正在向大、中型电站，小
型便携式电源延伸。

二、氢燃料电池应用现状
1、在分散型发电站的应用。

在发电站，不管是火电还是水电或核电，都是
向电网发输电力之后，再向用户输送。

但是因为不同的用户有不同的负荷，所
以就会引发电压不稳定或者是停电的情况。

而且，因为传统的火力发电燃烧，
需要消耗大量的化石燃料，而且还会向空气排放大量的有毒气体。

但是对氢燃
料电池应用，能量转换效率就会比较高，而且具有较小的噪音，也没有什么污染，使用起来非常灵活，所以具有比较广泛的应用范围。

2、在电池车方面的应用。

当前燃料电池的一个研究热点就是在汽车上应用
氢燃料电池，很多世界上知名的汽车企业都推出了氢燃料动力汽车，通过对燃料
电池应用，不断降低大气污染，并且将现代社会对石油的依赖度不断降低。

中
国的燃料电池汽车技术研发已经得到了很大的发展，已经掌握了相关的核心技术，并且还建立了燃料电池汽车动力系统技术平台，以及一整套研发体系。

国外通
过长时间的研究，燃料电池汽车产品在环境适应方面以及可靠性方面也取得了
很大的突破，并且不断深入，燃料电池汽车已经向技术与市场示范阶段迈进。

3、在可移动电源方面的应用。

随着社会的不断发展和完善，科学技术得到
了很大的进步，当前在全球都对手机以及电脑等电子设备应用，而且这些设备
都具有越来越多的功能，需要将电池的能量密度增加，将这些设备的使用时间增长。

但是当前在市场上的锂离子电池，已经无法满足人们日益增长的需求。

但
是世界上一些企业已经研究出将PEMFC 作为手机电池的方案，手机待机时间可以
达到 1000 个小时。

而且，氢燃料电池还可以在一些便携式充电器上应用[3]。

三、氢燃料电池汽车行业趋势分析
未来世界能源系统将向清洁低碳转型，氢能具备长远发展的前景。

中国氢能
来源广泛，既有大量的工业副产氢，又有大量的弃风弃光电、低谷电等可供制氢
的存量资源，发展利用氢能可有效应对能源环境问题。

但由于氢能 -燃料电池产
业发展的前景受制于燃料电池的技术进步、成本下降、规模增加、氢源供应的丰
富化、加氢站数量等因素影响，氢经济的实现相对漫长。

发达国家普遍瞄准
2030-2040 年后实现氢经济；中国将实现氢经济作为中长期目标。

2016 年 10月，中国汽车工程学会发布的《节能与新能源汽车技术路线图》指出，到 2020 年，
燃料电池汽车在公共服务领域的示范应用要达到 5000 辆规模；到 2025 年，实
现氢燃料电池汽车的推广应用，规模达到 5 万辆；到 2030 年，实现氢燃料电
池汽车的大规模推广应用，氢燃料电池汽车规模超过一百万辆。

《中国制造2025》也提出，“到 2025 年，燃料电池堆系统可靠性和经济性大幅提高，和传统汽车、电动汽车相比具有一定的市场竞争力，实现批量生产和市场化推广。

”
从能源利用效率、系统成本及技术发展趋势分析，氢燃料电池汽车续航里程长、加氢快、兼顾环保，可以成为电动化的有益补充。

氢燃料电池汽车更适宜商
用车/ 大型长距离乘用车。

氢燃料电池汽车预计将首先在公共领域实现突破，在
政策支持下，短中期将以商用车的区域性示范运营为主。

当前中国燃料电池汽车
发展路径，前期通过商用车发展，规模化降低燃料电池和氢气成本，同时带动加
氢站配套设施建设，后续逐步拓展到私人用车领域。

从政策法规趋势来看，氢燃料电池汽车的发展短中期将以政策驱动为主。

当
前燃料电池技术和产业基础薄弱，预计短中期较难实现市场驱动的突破，仍需依
靠政府补贴、双积分引导、科研项目等扶持政策推动。

此外，氢燃料电池汽车的
发展具有区域性的特点。

从政策导向、集群效应、成本约束等方面看，氢燃料电
池汽车的发展将受到区域性氢经济的限制，按照有关部门 2016 年提出的《中国
氢能产业基础设施发展蓝皮书》来看，2020年中国各地加氢站数量可在 100 以上，2025 年达到 1000 之上，短中期难以全面铺开。

从氢能产业链来看，氢能
产业链（制氢、氢气储运和加氢站等）的发展对燃料电池汽车的推广普及至关重要，但我国氢能 - 燃料电池汽车产业链总体处于起步阶段，尚未形成系统规模。

氢能来源广泛，但相关体系尚未形成，仍需统筹规划制氢产业；设备供应链逐渐
完善，但加氢站运行经验欠缺，相关法规也有待完善，此外还存在国内部分关键材料技术空白等系列问题需要解决。

综上所述，氢能源在新常态的背景之下，可能会成为下一代的基础能源。

随着车用氢燃料电池技术逐步成熟与完善，加上各国政府从政策上大力支持，氢燃料电池汽车已经在全球逐渐得到应用。

然而进一步降低氢燃料电池汽车的成本、提升车用氢燃料电池性能、提高车用氢燃料电池寿命，达到商用量产普及的程度还有很长的路要走。

氢燃料电池的应用范围非常广泛，可以缓解环境污染问题，需要不断的将这项技术加以完善和发展。

参考文献：
[1] 杨健.氢燃料电池的技术特点及应用探讨[J].通信电源技术，2018，
33(3)：83-85.
[2] 王洪建，程健，张瑞云.质子交换膜燃料电池应用现状及分析[J].热力发电，2019，45(3)：1-7+19.
[3] 黄格省，阎捷，师晓玉 . 新能源制氢技术发展现状及前景分析 [J]. 石化技术与应用，2019，37（5）：289-296.。