近年来，随着全球社会经济的飞速发展，能源消耗速度与需求不断攀升，以煤炭、石油、天然气为主体的传统化石能源可动用储量锐减，开采难度与成本陡升，同时化石能源的过度开发利用导致环境污染问题、全球温室效应日益严峻，因此，各国对于开发利用绿色、清洁、低碳、可循环的新型替代能源迫在眉睫。

其中，氢能作为优质的清洁可再生能源及载体，既可以直接燃烧或经化学反应供能，也可以作为波动性可再生能源载体储能并释放。具备储能密度高（142MJ/kg）、来源广泛、可循环、清洁、零碳、利用形式多样等优势，其规模化应用是缓解能源危机、治理环境污染以及实现全球碳中和的重要途径。

然而，要实现氢能大规模、商业化低碳应用，仍存在一系列关键性技术问题亟待解决，其中，发展安全高效、经济可靠的燃料电池技术以及燃料电池汽车关键零部件是实现氢能在交通运输领域规模化应用的重要前提。目前，燃料电池技术以及燃料电池汽车形式多样，但普遍存在配套核心材料、关键零部件研制成本高昂、转换效率与响应速率有待提升等问题。

车用燃料电池技术链

燃料电池发电原理与原电池或二次电池相似，电解质隔膜两侧分别发生氢氧化反应与氧还原反应，电子通过外电路作功，反应产物为水（图1）。燃料电池单电池包括膜电极组件（MEA）、双极板及密封元件等。

图1 燃料电池工作原理

与原电池和二次电池不同的是，燃料电池发电需要有一相对复杂的系统（图2）。

图2 燃料电池系统组成

燃料电池汽车动力链的主流技术为“电-电”混合模式（图3），平稳运行时依靠燃料电池提供动力，需要高功率输出时，燃料电池与二次电池共同供电，在低载或怠速工况燃料电池给二次电池充电。

图3 燃料电池汽车动力链组成

典型的燃料电池动力系统车上布局如图4所示，可采用底板布局或前舱布局。

图4 燃料电池动力系统车上布局

目前燃料电池大规模应用的障碍是造价高，在经济性上要与常规发电方式竞争尚需时日。燃料电池的技术关键涉及电池性能、寿命、大型化、价格等与商业化有关的项目，主要涉及新的电解质材料和催化剂。熔融碳酸盐电池（MCFC）在高温条件下液体电解质的损失和腐蚀渗漏降低了电池的寿命，使MCFC的大型化及实用化受到限制。需要解决电池构成材料的腐蚀；电极细孔构造变化使电池性能下降等问题。

固体氧化物燃料电池（SOFC）使用固体电解质且工作温度很高,对构成材料及其加工有特殊要求。为了得到高温下化学性稳定和致密性（不通过气体）的电解质，在氧化锆中加入Y2O3生成钇稳定氧化锆。为了降低工作温度，应尽可能减少电解质薄膜厚度。通常采用熔射法、烧结法和电化学蒸发涂层法制备电解质薄膜。

实用的电解质膜的厚度为0.03～0.05 mm。比较先进的已达到0.01 mm。这样薄的电解质陶瓷材料除应当有足够的机械强度外，必须具有高度的气体致密性，否则将丧失燃料电池的性能。燃料极使用镍锆等耐热金属陶瓷，镍还用作燃料重整的催化剂，空气极在运行中处在高温氧化中，难以使用一般金属。铂的稳定性好，但费用昂贵，需要寻找替代材料，可用电子导电陶瓷。为了降低工作温度，另外一个重要的研究方向是寻找低温的质子导电的电解质。工作温度倘若能降低到700 ℃以下，SOFC的造价就可以大幅度降低。

思考与展望

氢能作为优质绿色可再生能源以及高储能密度能源载体兼具物质与能源特性，既可用作燃烧或化学工业原料供能，也能作为波动性可再生能源载体进行储能并释放，具备高储能密度（142MJ/kg）、来源广泛、可循环、清洁、零碳、利用形式多样等多重优势。因此，推动氢能源替代传统化石能源在工业生产与生活消费中规模化应用，对于加速能源结构绿色转型、缓解能源危机以及实现全球碳中和战略目标意义重大。

目前，氢能作为重要化工原料，应用范围仍主要集中于传统化工生产领域，但要充分发挥氢能绿色环保、低碳高效的巨大潜力，则必须积极拓展氢能利用技术路线、打通氢能规模化应用的关键技术环节。其中，氢燃料电池发电与氢燃料电池汽车技术充分利用氢能电化学转化效率高的突出优势，已成为现阶段推广氢能应用的热门领域。然而，氢燃料电池与燃料电池汽车技术普遍存在配套核心材料、关键零部件研制成本高昂、转换效率与响应速率有待提升等问题。因此，为发挥氢能在交通运输领域的显著优势，实现燃料电池汽车的大规模商用化，除了优化燃料电池发动机整体关键技术，还需积极开展燃料电池汽车核心零部件研发，以实现核心零部件国产化应用，降低生产成本、提高使用寿命，从而整体提升燃料电池汽车经济适用性；同时大力开发利用天然气掺氢（HCNG）内燃机技术是实现传统燃气（油）汽车向氢能源燃料电池汽车过渡阶段的重要可行性发展方向。

文章来源： 百科天地，机工教育，中国化工信息周刊