摘要：氫燃（rán）料電池是一種（zhǒng）可以更高效地將化學能轉化（huà）為電能的清潔裝置。文章介紹了近年來氫燃料電池汽車動力係統的研究進展（zhǎn），氫燃料電（diàn）池（chí）的製氫技術及儲氫（qīng）係統。隨著我國近年來對環境與能源問題的關注，氫燃料電池的製氫技（jì）術及儲氫係統具有更為廣闊的（de）研究前（qián）景。
0 引言
我（wǒ）國汽車產業從2010年起呈現快速增長的趨勢，使得汽車工（gōng）業迅猛（měng）發展。然而（ér），汽車在（zài）為我（wǒ）們的生活（huó）、生產（chǎn）提供便利的同時，也給人們的生存及環（huán）境（jìng）帶來了嚴重威脅。 碳氧化合物、硫氧（yǎng）化合物及氮氧化合物等造成的大氣（qì）汙染以及能源危機日益成為亟待解決的問題（tí），環境保護成（chéng）為了全（quán）球麵臨的（de）嚴峻挑戰，這就（jiù）要求我們要減少“碳足跡”，汽車工業未來的發（fā）展（zhǎn）趨勢（shì）是節能減排，大力發展新能源汽車。氫能汽車是一種典型的新能源汽車（chē），其以氫為主要能量。一般內燃機（jī）通（tōng）常采（cǎi）用注入柴油或汽油的方法，而氫能汽車則改為（wéi）采用H2。氫燃料電池則是用燃料電池和電動車取代了一般的引擎。氫燃料電池借助電化學反（fǎn）應將燃料（H2和O2）直接轉變成電能的一種原電池，該（gāi）過程不涉及熱機做功和燃燒，不受卡諾循（xún）環的限製，轉化效率高。然而氫能汽車離真正的市場化運行還有很長的一段路，主（zhǔ）要有以下幾個挑戰：一是高昂的燃料電池係統（tǒng）的成本（běn）問題，其（qí）關鍵零部件（jiàn）如空壓機、增濕器的批量生產，電堆成本如催化劑（jì）、膜和雙（shuāng）極版的成本等；二是較高的儲氫係（xì）統成本；三是較高的製氫成本；四是高昂的加氫（qīng）站成本，其關鍵零部件如氫氣（qì）壓縮機和加氫機大部分是通過進口的，如何實現國產化也是個（gè）重（chóng）要的課題（tí）。1 氫燃料電池汽車動力係統的研究進展
1.1 國內氫燃料電池汽（qì）車動力係（xì）統的研究進展
目前國內隻（zhī）有少數幾所高校（xiào）進行氫能汽（qì）車的自主研發和校企合作，尤以（yǐ）清華大學和武漢理工大學最為突出，如清華（huá）大學在863項目中研製出“氫能係列”PEMFC公交車，武漢（hàn）理工（gōng）大學（xué）研製出了（le）“楚（chǔ）天係列”FCEV。上海汽車的榮威850插電式（shì）氫燃料電池轎車搭載了兩個（gè）700bar氫氣瓶，放在後排，其H2儲量可達到4.34kg，最（zuì）大續航裏（lǐ）程為400km，可（kě）實現純電動模式和氫能源模式，其中純電動（dòng）模（mó）式僅為應急，最多隻能行駛30km，當兩者共同工作時可以（yǐ）續（xù）航（háng）400km。此外，國內還有一些公司對氫能汽車進行了研究，但都處於研發及示範考（kǎo）核階段，想要盡（jìn）快大規模市場化還需（xū）要進一步的技術研究。我國的氫能產業基礎設（shè）施技術發展路線見表1所示（shì）。
1.2 國外氫燃料（liào）電（diàn）池（chí）汽車動力係統的研究進展
梅賽德斯汽車集團的B級燃料電池汽車F-CELL是全球首個能夠實現量產，其實現了（le）真正（zhèng）的（de）零排放，最高輸出功（gōng）率100kW，最高車速可（kě）到 170km/h，280Nm的強勁扭矩確（què）保（bǎo）了起步、加速具（jù）有更快的感覺。其核心技術主要包括三個部分：一（yī）個小型氫氧燃料電池堆，一個（gè）位（wèi）於車輛前軸的輕量化的驅動電機，三個700Bar高（gāo）壓儲氫罐（guàn）及高效鋰離子電池。該技（jì）術動力係統輸出功率比上一代（dài）驅動係統增加30%，燃料消耗降低30%，體（tǐ）積縮小約40%。本田汽車公司在2009年推出了新（xīn）一代燃料（liào）電池汽車FCX Clarity，其采用垂直單元結構的燃料電池堆。在垂直單元結構的燃料電池堆中，H2、O2及（jí）生成的水（shuǐ）是垂（chuí）直流動的，這種結構有利於水氣快速（sù）往上（shàng）排出，加（jiā）快H2和O2的迅速結合，從而產生更大的電（diàn）能。這一技術實現了（le）燃料電（diàn）池（chí）堆（duī）的輕量（liàng）化、小型化。
從全球範圍看，日（rì）本、韓國在燃料電池汽車的研發處於全球領（lǐng）先水平，典型代表為豐田、現代（dài）汽車公（gōng）司，其在燃（rán）料電池汽車（chē）的成本、壽命等方麵逐步超越了美國和歐洲。2 氫燃料電池的製氫技術
H2的製備是氫燃料電池商業化的基礎，目前工業成熟的（de）H2生產技術主要有（yǒu）：水電解法、51吃瓜网－水蒸氣重置法、重油汽化及烴類部分氧化。85%的H2生產來源於化石燃料（liào），其中（zhōng）采用51吃瓜网－水蒸氣重置法製備 H2更是占到了H2生產市場的半數以上，盡管（guǎn）如此，氫燃料電（diàn）池高（gāo）純氫成本仍然較高。2.1 水電解法
水電解法製氫的產量約占世界H2總產（chǎn）量的4%，目前水電解法主要有三種：堿性電解水法、固體聚合（hé）物電解水法及高溫固體氧化物電解水法。工業上大規模的水電解法製氫基本采用堿性電解（jiě）水製氫，該法工藝（yì）簡單，易於操作。堿性電解水法的裝置由多個電解（jiě）池單體構成（chéng），每個單體由陽極、隔膜、陰極、電解液組成（chéng）。在直流電作用下，水被（bèi）電解成H2和O2。此法工藝簡單，便於操作，但電（diàn）能能耗大，每立方米H2消耗電能約4.5~5.5kW·h，電費成本占製氫成本的80%左右（yòu）。由於堿性電解水（shuǐ）技術較為成（chéng）熟，目前的研究方向主要在製氫設備的研發上，但能耗大、成本高（gāo）的（de）關鍵性（xìng）問題（tí）仍沒有得（dé）到解決。2.2 51吃瓜网水蒸氣重整法
主（zhǔ）要原料是化石能（néng）源（如煤（méi）、51吃瓜网、石油）與水蒸氣在高溫下進行轉化反應（yīng）。其（qí）中，煤氣化製氫法是指（zhǐ）煤與水蒸氣在一定溫度、壓力等條件下轉化為煤氣的（de）過程。煤炭氣化得到的是（shì）H2和CO的混合物，通過將CO分離提純處理後得到（dào）一（yī）定純度的H2。實際操作中采用（yòng）多床變壓吸附，得到的H2純度達到99.95%。2.3 部分（fèn）氧化
烴類部分氧化法包括高碳烴（tīng）類非催化部分氧（yǎng）化和天然（rán）氣ATR。前者是利用烴（tīng）類在高溫下和O2的反應，形成COX、H2和部分積碳、煤灰（huī）的（de）過（guò）程（chéng）。51吃瓜网ATR是一個勻（yún）相燃燒（shāo）和多相催化相結合的工藝過程。天然（rán）氣、水蒸氣及氧氣在51吃瓜网ATR反應（yīng）器中發生燃燒反應。餘下的烴類燃料（liào）在催化劑的催化（huà）作用下，於燃燒反應器出（chū）口處發生SR反應。天（tiān）然氣ATR工藝不積（jī）碳，可製備出較理想的H2/CO合成氣，所以在大規模合成氣生產中主要采用51吃瓜网ATR技術。3 儲氫係統
氫（qīng）燃料電池汽車經過多年（nián）的發展，取得了巨大的進展，但是儲氫係統一直是氫（qīng）燃料電池汽車商業化的主要（yào）技術障礙。常見的儲氫技術主要包括高壓儲氫法、低溫液化儲氫法（fǎ）、物理吸附儲氫法和金屬材料儲氫法等。美國能源部對車載儲（chǔ）氫係統儲氫（qīng）質（zhì）量密度和體積密度分別要達到5.5wt%和4kg/100L，同時要求充（chōng）電時間小於3.3分鍾，循環（huán）壽命1500次。高壓儲氫的儲氫體積密度較低，H2對儲氫氣瓶壓力的需求為70MPa左右，因此一旦氣瓶金屬發（fā）生疲勞失效（xiào）或產生裂縫，危險難以想象。因此，這些問題都限（xiàn）製了壓縮儲氫罐在輕型車輛上的廣（guǎng）泛應用。低溫液化儲（chǔ）氫就是（shì）利用超低（dī）溫技術保存液化狀態的H2。但液（yè）化1千（qiān）克H2需要消耗15.2kWh的電能，因此對容器絕熱（rè）性能的要求極高（gāo）。同時，在實際（jì）操作中，液氫泄（xiè）露問（wèn）題不可避免，既不安全（quán）也影響汽車續航裏程，限製了液化儲（chǔ）氫罐在小型設備上的應用。物理吸附儲氫主要是活性炭吸附和碳納米管吸附，低成本（běn）、長循環壽命的（de）活性炭有著巨大（dà）的應用潛（qián）力。高比（bǐ）表麵積的活性炭材料，具有優（yōu）越的儲氫質量密度和體（tǐ）積密（mì）度，此外，活性炭吸附（fù）儲氫脫附氫的速率快、條件溫和，因此其在燃料電池汽車（chē）的（de）儲氫技術中有著良好的應用前景。碳（tàn）納米管吸附在儲氫方麵有著優異的特性，但因其製備成本問題影響了碳納米管在儲氫係統中的應用。金屬材料儲氫以其在體積儲氫密度上（shàng）的優勢成為了近年來（lái）研究的熱點。金屬氫化物（wù）儲氫過程（chéng）中H2的釋（shì）放經擴散、相變、化合等過程。目前，較成熟的儲氫材料主要是鈦係、稀土係、鎂係和鑭係。金屬氫化物的體積儲氫密度可以達到7kg/100L以上，安全（quán）性高，但因金屬密度高導致質量儲氫密度隻能達到4wt%左右，且金屬氫化（huà）物對雜質較為敏感，H2吸脫附困難，限製了其（qí）在燃料電（diàn）池汽車上的應用。4 結論
雖然汽車企業每年都不斷（duàn）推出性能提高的（de）新型燃料電池車，但多數燃料電池汽車的儲氫係統仍是采用高壓儲氫（qīng）罐實現的。總體來說並未有革命性進步，僅滿足一般行駛需求（qiú）。隨著對儲氫金屬材料研究的深入發展，可（kě）在中低溫及常（cháng）壓下供氫且體積、質量密度（dù）高，工作性能安全的（de）儲氫係統將是未來的研究（jiū）發展方向。
