氢燃料汽车发展简述及试验室规划要点

氢燃料汽车发展简述及试验室规划要点

梁连昊，武文捷

                   （中汽研汽车工业工程（天津）有限公司） 天津 300300

摘要：本文主要从氢燃料汽车发展历程、发展现状等方面进行了简要介绍，并从试验室规划的角度进行了要点描述。为氢燃料汽车试验室规划提供参考。

关键词：氢燃料汽车；试验室建设

1 概述

近年来，随着我国能源革命的深化，“碳达峰、碳中和”目标的不断提出，以构建绿色低碳、清洁环保、高效安全为核心的新型能源和产业体系正在稳步推进。从目前进程看，氢能作为资源丰富、来源多样、清洁无碳、应用广泛的能源，在降低传统化石能源比重，提高清洁能源应用水平，优化能源产业结构，构造安全可靠能源供应上具有重要意义。同时，随着我国汽车产业的迅猛发展，汽车保有量逐年增加，传统汽车产业面临的能源短缺、环境污染等一系列问题愈加突出。因此，发展氢燃料电池汽车是我国应对气候变化，推动绿色发展的一项重要战略举措。

2 氢燃料汽车发展历程

氢燃料汽车的发展历程可以大概分为以下几个阶段：

早期探索阶段，从1802年到20世纪中叶。氢燃料电池的最早概念可以追溯到1802年，而世界上第一块气体燃料电池是在1839年由英国的威廉·格罗夫发明的。 20世纪50年代，英国剑桥大学的Francis T. Bacon建造了第一个实用的氢-空气燃料电池系统。 20世纪60年代，燃料电池技术首次应用于美国航空航天局（NASA）的阿波罗登月飞船上。

技术验证与示范阶段，从1966年到2000年。1966年，通用汽车推出了全球第一款燃料电池汽车Electrovan。在2000年之前，燃料电池汽车产业发展始终处于概念设计及原理性认证阶段，仅以概念车形式推出氢燃料电池汽车。

示范运行与技术攻关阶段，从2000年到2015年。其中2000到2010年是燃料电池汽车示范运行验证、技术攻关研究阶段。2010-2015年是燃料电池汽车性能提升阶段，在此时期，燃料电池汽车的寿命、功率密度寿命取得进步，在特定领域商业化取得初步成功。

商业化推广阶段，2015年之后。2015年之后，燃料电池汽车开始进入商业化推广阶段，以丰田Mirai和本田Clarity的上市为标志，燃料电池汽车开始面向私人乘用车领域销售。

3 氢燃料汽车发展现状

氢燃料汽车的关键部件之一是氢燃料电池，在氢燃料电池产业布局方面，近几年，国内珠江三角洲、长江三角洲、京津冀等地区涌现出了数百家氢燃料电池公司。这些公司涵盖了氢燃料电池的各个环节，从电池制造到应用示范。

在产品开发与市场应用方面，目前氢燃料电池商用车已实现批量生产，而燃料电池乘用车尚处在应用示范阶段。国产乘用车、商用车的电堆功率与国外产品大致相当，但在系统可靠性、耐久性、比功率、综合寿命方面还需工况验证。

在技术方面，国内一些企业已掌握了氢燃料电池系统研发技术，相关产品的冷启动、功率密度等性能显著提升，具有年产万台的批量化生产能力。

在市场规模方面，近年来我国氢燃料电池汽车市场规模保持高速增长，2023年，我国氢燃料电池系统市场规模已达到39.3亿元，预计至2024年底，我国氢燃料电池系统市场规模将达到59.9亿元。以商用车为主要应用场景发展渗透。

在产销量方面，2024年1-7月，全国氢燃料电池汽车实现产量3673辆，实现销量3422辆，分别同比增长28%和25.5%。2024年上半年，氢燃料电池汽车产销分别完成2773辆和2644辆，累计同比分别增长11.1%和9.7%，均创新史上同期最高水平。

4 氢燃料汽车试验室规划要点

氢气是是一种无色、无味、无臭的气体，具有易燃易爆、易扩散等特性，而且氢气密度非常小，只有空气的 1/14，故其有最大的浮力和扩散性，如果发生泄漏，泄漏的氢气将会很快上升并向各个方向快速扩散，因此试验室安全性是规划的首要考虑因素。

4.1氢燃料汽车试验室的建筑安全

首先，涉氢厂房定性为有爆炸危险的甲类厂房，涉氢厂房耐火等级不应低于二级，防火墙的耐火极限不应低于4.00h。氢气是爆炸极限范围相当宽的一种气体，当空气中氢气气体的体积分数在4％~75％范围内时，遇到火源，即可立刻引起燃烧或爆炸。氢气爆炸产生的超压是一般建筑物难以抵御的，由于爆炸荷载难以定量确定，而按照不同爆炸物质在不同条件下试验得到的最大爆炸压力进行结构设计是极不经济的。对于涉氢试验室等，如需要将控制室与试验室相邻设置，则必须在控制室与试验室间设置抗爆墙，抗爆墙需要能抵抗降低后的爆炸压力。其设计核心是预估爆炸荷载的峰值、作用时间、升压曲线等参数及对抗爆墙的动力响应分析。

在试验室规划建筑方面，一般氢燃料试验室的试验区域均规划为一层结构，控制间及物流通道区域可建设多层，所有试验室物流门均需直接对外，且设置为泄爆门，泄爆门外区域也有安全距离的考虑，控制间的观察窗也需设置防爆窗，出于安全考虑，人员门位置设置过渡间。通常，屋顶也会有一定坡度，便于氢气的收集。

4.2氢燃料汽车试验室的公用安全

试验室内需安装氢气体泄漏探测器、火灾探测器和烟雾探测器进行监控。在测试样品和试验设备上方应该安装一个或多个氢气浓度检测探头，并且这些探头必须同试验室供氢、排风、消防等设施互锁，以满足分级报警和采取具体应急措施的需要。氢气火灾爆炸极限是体积密度达到4%-75%。达到极限密度后与明火会发生爆炸。氢气探测器一般布置在吊顶或梁上，同时在氢气易泄漏的地方也应布置。监测范围根据传感器选型不同可达到半径4-5m，具体数量应根据面积进行计算。

鉴于氢气的挥发性及低密度等特性，试验室的通风排气系统也是至关重要的。实验室要设计事故紧急通风系统，氢气泄露报警系统要和事故风机联动控制。

4.3氢燃料汽车试验室测试类别

燃料电池汽车使用氢气作为燃料，通过燃料电池将氢气和氧气的化学能直接转化为电能，然后利用电动机驱动车辆行驶，因此，从某种意义上讲，氢燃料电池汽车也属于电动汽车，属于一种新型燃料的新能源汽车，所有与汽车有关的测试，氢燃料汽车也都少不了，但由于氢气的特殊性，对传统能源试验室进行改造的方式基本行不通，所有试验室均需重新规划，重新建设，从标准体系来看，燃料电池汽车主要分为部件级、系统级、整车级，从测试类别来看，主要包括几大类，整车测试类（整车性能、整车耐久、整车环境…）、动力总成类、NVH、EMC、安全测试等等，这些试验室也因为涉氢而需要特殊设计，而针对氢燃料电池试验室还会增加一些氢燃料专属的测试，比如电堆测试、储氢瓶测试、质子交换膜测试等等。

5 氢燃料汽车展望

在技术与应用领域拓展方面，预计到2035年，燃料电池系统功率密度将由当前约3.1 kW/L全面提升到约4.5 kW/L，乘用车、商用车电堆寿命将由当前的5000小时、15000小时分别增加到6000小时、20000小时。这表明氢燃料电池技术将持续进步，应用领域将从目前的商用车逐步扩展到乘用车、有轨电车、船舶、工业建筑、分布式发电等多个领域。

在产品成本与市场渗透率方面，随着技术的进步和成本的降低，氢能汽车的市场渗透率有望大幅提升。预计到2035年，氢燃料电池汽车的成本将显著下降，使得其购置成本接近纯电动汽车，这有利于解决燃料电池成本问题，提高市场竞争力。

在政策支持与基础设施建设方面，中国市场已成为氢燃料汽车发展的亮点，实现了逆势上涨，市场占比逼近50%。这离不开国家政策的支持，如推进氢能“制储输用”全链条发展和完善充（换）电站、加氢（醇）站等基础设施网络，均为氢能汽车发展提供了有力支持。

在氢能交通前景方面，在2025年以前，我国尚处于燃料电池汽车的萌芽阶段，主要以商用车为主、乘用车为辅。2030年以后，氢能汽车将进入全面推广期，乘用车和商用车并行发展，预计氢燃料电池关键技术基本达到国际一流或国际领先水平。

未来燃料电池汽车将与电动汽车形成氢电互补的行业格局，引领市场进入百万级规模。

6结语

尽管目前在氢燃料汽车乘用车的推进上还存在种种困难，但在“碳中和、碳达峰”的大背景下，清洁能源的替代已是大势所趋，我相信，随着科技的进步，重点难点也会一一攻克，同时用户的意识也会慢慢转变，不再谈氢色变，毕竟地球是我们共同生存的家园，维护地球环境是我们每个人应尽的义务。

参考文献

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[2]郝冬,张妍懿,王仁广,等.燃料电池汽车试验室的安全要求分析[J].汽车零部件,2019(7):98-100.

[3]刘闯,郑治强.燃料电池试验室氢安全研究与设计[J].工程建设与设计,2022(10):263-266.