让燃料电池更“长寿”

上海科技奖励获奖成果科普化特别报道

本文相关成果“长寿命商用车燃料电池运行控制关键技术与应用”荣获2022年度上海市科技进步奖一等奖.

氢的奇幻之旅

在浩瀚无垠的宇宙中，氢是已知最轻、最简单的元素。不过，氢的实力却不可小觑，它就像是拥有无穷魔力的绿色魔法师，可以化身为一种清洁、高效的能源——氢能。它的魔力源自一个简单而又神奇的化学反应——当氢气和氧气邂逅时，它们会结合成水，并释放出能量。

氢的奇幻之旅始于水，又终于水。通过电解水的方式，我们可以将水中的氢分离出来，得到纯净的氢气。这些氢气被储存在高压容器中，就像一个个充满魔力的能量球，为我们的生活提供绿色、可持续的动力。

氢能作为一种清洁、高效、可再生的能源形式，在推动实现碳达峰、碳中和的过程中扮演着重要角色。氢能具有能源转化率高、燃烧热值高、清洁零排放、来源广泛、利用形式多样等特点，是推动传统化石能源清洁高效利用和支撑可再生能源大规模发展的理想互联媒介。氢能在交通运输、工业和建筑等领域的推广应用，可以有效减少化石能源的消耗和温室气体的排放。

中国氢能联盟预测：到2025年，我国氢能产业产值将达到1万亿元；到2050年，氢气需求量接近6 000万吨，可实现二氧化碳减排约7亿吨，氢能产业链年产值达到12万亿元。目前，我国在氢能领域积极开展关键核心技术攻关，已形成较完整的氢能产业链，掌握了氢燃料电池及其关键零部件、动力系统、整车集成和氢能基础设施等核心技术。

氢燃料电池

氢燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的装置，其工作原理类似于电解水的逆反应。氢燃料电池中，氢气作为燃料，与氧气经电化学反应后透过质子交换膜产生电能。与目前新能源汽车和电动自行车上广泛使用的铅酸电池和锂电池不同，氢燃料电池是一个发电系统，而铅酸电池和锂电池是一种电能储存装置，它们在使用前需要先充电，然后再将储存的电能释放出来。

氢燃料电池具有广泛的应用前景。在交通运输领域，氢燃料电池汽车具有零排放、续航里程长等优势。在固定发电领域，氢燃料电池可以为商业建筑、工业园区和偏远地区提供稳定、清洁的电力供应。此外，氢燃料电池还可应用于航空航天、医疗保健和教育等领域，推动各行业的绿色转型。

2021年，罗兰贝格管理咨询公司发布的《中国氢燃料电池重卡行业发展白皮书》指出，氢燃料电池下游应用广泛，除了交通运输外，还可应用于便携式电池、发电和建筑储能领域，但道路车辆将成为未来的核心增量。其中，商用车存在相对固定的路线场景，加氢站需求少，其应用场景和所需条件更适合氢燃料电池的技术特点和产业基础，因此商用车未来将成为氢燃料电池的发展重点。

具体而言，在市场发展初期，由于氢燃料电池成本相对较高、系统及电堆功率较低等原因，客车和中轻型物流车成为氢燃料电池汽车的主要车型。中长期以氢燃料重型卡车为主体，尤其是随着电堆功率增大以及氢燃料电池政策补贴向重型卡车倾斜，氢能源重型卡车发展预计在2025—2030年进入加速发展区间。

但是，在氢能商用车运营实践中，燃料电池系统的实际运行寿命往往低于电堆的寿命，如系统控制不当、反应条件不足、低温启停、进气杂质等因素都会降低燃料电池系统的运行寿命。这一问题也严重制约了燃料电池商用车的大规模推广。

▲燃料电池汽车（图片来源：上海重塑能源科技有限公司网站）

让燃料电池更“长寿”的三大秘技

上海重塑能源科技有限公司牵头联合同济大学等单位完成了“长寿命商用车燃料电池运行控制关键技术与应用”项目。项目组基于“政产学研用”模式，进行了6年的协同攻关，针对商用车运行工况多变、运行温区较宽、进气条件复杂等特点，创新燃料电池反应条件控制、低温启停控制及进气处理控制技术，突破了燃料电池系统实车运行寿命低于电堆寿命的应用瓶颈，自主掌握了长寿命商用车燃料电池运行控制关键技术。

该项目实现了压力浓度解耦的反应条件控制、基于内部状态在线识别的低温启停控制、自适应进气杂质处理及系统控制三大技术创新，取得了重大原创性成果，燃料电池阳极反应压力控制精度、系统低温冷启动性能以及系统实际运行寿命等指标达到了国际领先水平。

值得一提的是，该项目成果是国内首个通过欧盟产品技术标准认证的燃料电池系统，已在20多家整车企业的数十款车型上实现了商业化应用，累计搭载于超4 000辆燃料电池汽车，运行总里程超1.4亿千米，并出口日本、马来西亚、德国和美国等国，应用规模全球领先。

展望未来，随着燃料电池基础材料国产化程度的提高，以及产品性能的进一步提升，氢燃料电池商用车将在大宗工业物流、冷链运输等商业化场景获得更广泛的应用。

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《科学画报》2024年第4期