氫氣是一種可再生的能量載體。氫燃料電池系統(tǒng)和內(nèi)燃機一樣，都是能量轉(zhuǎn)換裝置。豐田、本田、現(xiàn)代和奔馳先后推出了量產(chǎn)的氫燃料電池汽車。花費3-5分鐘加滿氫氣之后，綜合續(xù)航里程500-600公里。本文通過結(jié)構(gòu)原理的類比，進一步介紹這種新能源動力系統(tǒng)。

背景知識：單個燃料電池的基本原理

一個燃料電池單體由質(zhì)子交換膜（全氟磺酸膜）、鉑-碳（Pt-C）催化劑、氣體擴散層和氣體導(dǎo)流層組成。氫氣由導(dǎo)流層進入擴散層，在陽極催化劑（Pt-C）中失去電子。隨著氫離子H+離子的聚集，中間的質(zhì)子交換膜作為酸性電解質(zhì)開始遷移氫離子，然后在陰極催化劑（Pt-C）里和氧氣反應(yīng)，最后產(chǎn)生水和熱量，電子在外圍電路形成電流。

一個電池單體的電壓通常只有0.6~0.9V，因此需要幾百個單體串聯(lián)，例如豐田使用了370片。

工作特性類比：氫燃料電池系統(tǒng)與內(nèi)燃機

要維持電池系統(tǒng)的運行，除了核心的電池組，還需要冷卻系統(tǒng)、空氣供給系統(tǒng)、氫氣供給系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)需要被整合，做成一個非常緊湊的氫燃料電池系統(tǒng)，相當(dāng)于內(nèi)燃機動力總成。

氫燃料電池的工作溫度為80°C左右，所以和內(nèi)燃機類似，燃料電池也有冷啟動的概念，也要求低溫適應(yīng)性，目前能做到零下30°C冷啟動。而且燃料電池運行后會持續(xù)產(chǎn)生熱量，所以其內(nèi)部也有獨立的冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，和內(nèi)燃機類似。

氫氣儲存壓力的國際標(biāo)準(zhǔn)是70MPa，約是691個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。氫氣需要經(jīng)過減壓閥和穩(wěn)流閥后變成0.16MPa輸入電池組。相應(yīng)地，空氣過濾后需要通過壓縮機加壓到相同壓力。空氣壓縮機會消耗電池輸出功率的20%-30%，因此就必須保持氫氣較高的反應(yīng)速率，否則就像汽車的怠速，輸出的功率大多消耗在氣門、油泵和內(nèi)摩擦上，整體效率非常低。

電池工作的時候會在陰極催化劑上生成水，如果水來不及排出去，過多的水會堵塞氣體擴散層的毛細孔，以多孔碳黑為基體的鉑催化劑會被淹沒，這都會阻礙電池的正常工作。另一方面，質(zhì)子交換膜作為傳遞氫離子的酸性電解質(zhì)，需要保持濕潤來維持導(dǎo)電性和離子濃度。

所以，氫燃料電池既要用加濕器使進氣濕潤，又要及時排水。這就和內(nèi)燃機的機油類似，既要維持運動部件接觸面的潤滑，同時也要及時回流。否則潤滑不良會造成磨損，氣缸壁機油過多就會燒機油。

氫氣從哪里來

1、現(xiàn)場制氫：電解水生產(chǎn)氫氣

豐田、本田和日產(chǎn)等公司組建了一個加氫站建設(shè)運營公司，它們的加氫站采用太陽能發(fā)電，然后電解水產(chǎn)生氫氣。但是太陽能發(fā)電制氫的單日產(chǎn)量不穩(wěn)定，產(chǎn)量也不高。因此有的方案使用電網(wǎng)的電源制氫，在用電需求低、電價低的波谷制氫，起到調(diào)峰作用。

2、工業(yè)制氫：工業(yè)副產(chǎn)物

氫氣是鋼鐵行業(yè)、煤炭焦化行業(yè)、合成氨、氯堿等化工行業(yè)的副產(chǎn)物，產(chǎn)量非常巨大，且價格低廉。例如，每生產(chǎn)一噸甲醇，就要產(chǎn)生大約550立方米的氫氣。這些工業(yè)副產(chǎn)氣體，經(jīng)過提純和加壓之后被運送到加氫站。

再或者，專門使用水蒸氣重整、自動供熱重整或部分氧化重整制氫。這些方法能夠把碳氫化合物（CH）原料轉(zhuǎn)化為氫氣，是專門的工業(yè)制氫方法。之所以提這個，是因為有的方案將這些技術(shù)小型化，直接安裝在加氫站里，用工業(yè)方法現(xiàn)場制氫。

氫燃料電池系統(tǒng)核心技術(shù)

1、質(zhì)子交換膜以及催化劑

質(zhì)子交換膜需要有一定的強度，不破損、耐高溫、耐久性好，從而使電池的壽命長，輸出功率穩(wěn)定，提高能量轉(zhuǎn)換效率。

催化劑要求有很高的催化效率，特別是陰極的效率，還要求成本低。為了達成高效率、低成本的目標(biāo)，目前的貴金屬鉑（Pt）已經(jīng)制造到納米級的尺寸。為了進一步降低成本，豐田成功開發(fā)了先進的鉑-鈷（Pt-Co）催化劑。現(xiàn)在外國先進系統(tǒng)的用量是0.4g/kW。

2、空氣壓縮機

作為外圍設(shè)備，空氣壓縮機成為核心技術(shù)，不是因為結(jié)構(gòu)原理有多復(fù)雜。而是，壓縮機是耗能大戶、噪聲的主要來源，也是電池系統(tǒng)成本的大頭（約20%）。要求它能耗低、可靠性高、噪聲小、結(jié)構(gòu)緊湊、控制系統(tǒng)足夠先進。

3、70兆帕（MPa）儲氫罐

耐高壓罐頭也是核心技術(shù)。前面已經(jīng)提及，70MPa約是691個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。要求有極高的機械強度，耐撞、耐高壓、耐氫脆、耐刺穿等······

豐田、本田和現(xiàn)代的儲氫罐，中間的加強材料是碳纖維。儲存壓力越高，儲存的氫氣就越多，關(guān)系到續(xù)航里程。目前國內(nèi)加氫站和商用車的燃料電池，儲存壓力主要是35MPa。

目前氫燃料電池汽車的補貼非常可觀，國家財政對每輛乘用車最高補貼20萬，輕型商用車30萬，重型商用車50萬。然后北京、上海和深圳等城市，還會以1:1的比例對每輛車追加補貼。比如上汽大通V80燃料電池版，指導(dǎo)價130萬，國家+地方補貼100萬，零售價30萬。在這種支持力度下，業(yè)內(nèi)的動態(tài)很多，只排放水的氫燃料電池汽車將逐漸投放市場。