同济大学杨彦博博士：氢燃料电池技术的安全原理
氢”风吹拂，公交行业作为氢燃料汽车先行先试的“试验田”，应努力配合国家新能源技术路线发展变化实现模范带头作用。为了扩大氢能及燃料电池汽车知识普及度，2019年12月12日，由中国土木工程学会城市公共交通分会与上海燃料电池汽车促进中心主办，苏州弗尔赛、氢智会、汽车总站网协办的“氢燃料公交车技术应用及售后服务规范事项培训班”在上海国际客车展期间引发全场瞩目。
会上，同济大学新能源汽车工程中心杨彦博博士发表了主题演讲，以下为演讲实录：
嘉宾介绍
同济大学新能源汽车工程中心杨彦博博士
演讲实录
各位领导，各位来宾，感谢学会、上海燃料电池汽车商业化促进中心给我这个机会和大家介绍一下氢能源及燃料电池的一些简单的原理。
我今天下午的报告是四个方面，一个是氢能源，氢安全，燃料电池，燃料电池汽车动力系统。
氢气在元素周期表是第一，氢元素是宇宙大爆炸产生的第一个元素，后面的元素是氢元素聚合形成的，太阳中氢元素占71%，这个占比是很高。之前提到的氢气的能量的密度，在能源体系里面是比较高，对比天然气也有3倍，对比锂电池也有200倍。
氢气不止是一个能源，它在未来的能源体系中还能起到纽带的作用。通过1次能源像煤，天然气、石油、风能、太阳能、水能可以直接发电。在晚上，或者像在汛期电能过剩的时候，可以把这些能源发的电制氢气，然后去存储，需要的时候通过燃料电池把氢气变成电去供能。
大家可能认为氢气是一个危化品，但是氢气相对于石油、天然气这些化石能源来说还是安全的。氢气的分子质是比较小的，当它达到18.3的爆炸极限时需要大量的氢气，相对汽油、天然气来反而说没有那么容易爆炸。
这个里面演示一下一个实验，左边这个是氢燃料电池车，右边是传统的汽油车，当发生安全事故以后，我们可以看到左边的氢燃料电池车由于氢气的压力比较大，密度小，扩散速率快，它的火焰是向外喷射。右边是汽油车的情况，他在下面会形成火焰。过了一分钟以后，氢燃料电池车来说是比较完好，汽油车会爆炸，所以我们觉得氢燃料电池相对传统的汽车是更安全。
接下来我再介绍一下燃料电池，虽然说燃料电池是电池，是和锂电池不一样，它不是储能的装置是一个能量的转化价值，将氢气的化学能变成电能的装置，从示意图可以看到左边是燃料电池的负极，右边是燃料电池的正极。我们将氢气通入到燃料电池的负极，将空气或者氧气通入到正极生成电。
这个是燃料电池的电堆，这个有很多的燃料电池单电池串联而成，我们可以把它当做类比于锂电池的单体，去串联。
这个是燃料电池的单体的结构，主要是由双极板、气体扩散层，催化剂层，包括中间的膜组成的。左边就是氢气变成氢离子和电子，右边是和氧气还原变成水。
这个是燃料电池里面比较关键的部分，是质子交换膜。目前我们用的质子交换膜主要还是国外进口的。这个膜我们对比锂电池的话，就是中间的隔膜是电子绝缘，可以导氢离子。这个是质子交换膜的结构，为什么可以导氢离子？里面有一个氟磺酸的结构，这个和水结合以后可以进行质子的传导，它和水结合的程度是影响到质子的传输的速率。
接下来介绍一下催化层，催化层现在用的就是铂作为催化剂，为了它的性能很好，我们将它纳米化，附着在碳的表面，增加它的比表面积，可以使氢和氧更快的反应，使燃料电池发挥出更好的性能。
接下来介绍一下气体扩散层，气体扩散层主要的作用就是为气体提供一个流动的通道，从双极板扩散到催化剂层进行反应。也提供一个水的通道，将水从催化剂层流到双极板流道里面，还有一个作用就是将反应物产生的电子通过这个扩散层导出去，也要将热成为反应热导出去。
这个气体扩散层主要的是由碳纤维或者是碳纸材料来做，目前的话主要是碳纸为主。
燃料电池单体的最外面就是双极板，就是气体和水的通道。我们可以看到这个上面有蛇型或者是直型的凹槽，这个凹槽给气体提供流动的通道。目前有两种技术路线，一个是石墨板，一个是金属板。石墨板的寿命比较好，它也有一些缺点就是在低温下面的性能不好，用石墨板做电堆的话功率密度比较低，如果用在商用车上面，会选择使用石墨板的电堆。
金属板的寿命相对石墨板没有那么好，但是它的重量比较轻，所以像丰田，现代、本田这些厂商的第一代车的燃料电池电堆都是用的金属版的电堆。他们的电堆功率密度是3.1千瓦每升，用在空间比较小、空间比较局促的乘用车上面是比较好的。目前国内的话这一年也有很多的燃料电池的厂商生产出了大功率金属板电堆。
这个是燃料电池的分类，质子交换膜燃料电池是由于它的工作温度比较低，在汽车行业是主要用这一种燃料电池。
最后介绍一下燃料电池系统。燃料电池在汽车上面工作的话，除了电堆以外还有其他的一些辅助系统，包括氢气、供给、冷却、控制。要把这些子系统都组装在一起才可以使燃料电池在汽车上面正常的运作。
这个是燃料电池的电气结构，我们看到燃料电池出来有一个DC/DC对它的电压进行升高，通过PDU（电源分配单元）把电能分配给电机和低压的供电单元，我们在燃料电池系统里面会匹配一定量的储能单元，像镍氢电池、锂电池这一类电池。我们为什么这么做？因为燃料电池的响应速率比较慢，我们加速或者爬坡的时候，燃料电池没有那么快的响应，所以我们需要储能单元去提供一部分的功率，使整个使用感觉相对比较平稳一点。
空气子系统主要由空气过滤器，空压机，冷却系统和加湿系统组成。大家知道空气里面有对燃料电池寿命有影响的杂质气体，像硫化物，氮化物。我们通过过滤器过滤杂质，提高燃料电池的寿命。空压机是对空气增压，使燃料电池能够在更好的工况下面工作。
这个就是空压机的示意图。
氢气子系统方面，主要是由氢瓶，减压系统，氢气循环泵组成。它的核心部件就是氢气的循环泵，氢气会过量供给，当反应不完氢气可以通过循环泵回到电堆，可以提高氢气利用率，也会减少氢气排空对大气的影响。
这个就是氢气这一块我们做的示意图。
还有一个比较重要的就是冷却系统，我们要让燃料电池在比较平稳的温度下工作，我们有一个冷却系统，让燃料电池在一个比较平稳的温度下工作，我们一般会设定在80度左右。因为电堆的工作温度相对比较低，所以当在环境温度比较高的时候，散热压力是比较大。这个是冷却系统里面循环水泵的示意图。
另外就是控制系统。主要就是控制器、传感器、驱动器等部件构成。它的主要的作用就是根据车辆的功率需求控制发动机工作在相应的功率输出状态，提高燃料电池系统的可靠性、安全性，效率。