关于质子交换膜燃料电池产业化发展的探析

美国U.S. DRIVE Partnership在其燃料电池技术路线图中，针对燃料电池电堆和系统的现状作了整理和分析，如图4.2所示。可以发现，系统的耐久性和系统成本仍未达到目标要求（图5）。欧洲对燃料电池电动客车的寿命要求是质保15年，换算后燃料电池需达到50 000h，日本丰田也提出在商用车领域2025年燃料电池寿命要求也是50 000h。这意味着长寿命的目标对电堆结构和系统控制提出了严格的要求。另外，还需考虑燃料电池电动汽车在低温、高温、高压下的寿命需求。即使是时至今日，燃料电池的成本和耐久性仍是阻碍燃料电池产业化的主要问题。在此基础上，关于氢能的普及和基础设施建设也是燃料电池产业化面临的最现实的问题之一。

图4 阿贡实验室PEMFC系统模型燃料电池电堆和系统的目标与现状

图5 氢燃料电池过去和将来工程应用的经济性

四、燃料电池产业化解决方案

燃料电池的耐久性与成本看似是矛盾关系，提高燃料电池的耐久，间接提高了燃料电池的成本；反之，降低了燃料电池的成本，也将影响燃料电池的寿命。丰田之所以可以降低燃料电池的生产成本，一方面得益于电堆中催化剂使用量已下降至此前水平的1/3；另外一方面得益于碳纤维材料在储氢容器中的应用。关于氢能基础设施的建设、法规完善亦是迫在眉睫。笔者从多个角度尝试为燃料电池产业化提供相应建议，思路如下：

1.降低燃料电池成本的途径：

在燃料电池电动汽车的成本中，燃料电池系统和车载储氢系统分别占比约为63%和8%。燃料电池系统的关键成本在电堆和辅助系统2个部分。而电堆的核心在于催化剂和质子交换膜；辅助系统侧重于零部件及供应链体系，如空气压缩机、膜增湿器和供氢系统相关的阀件等。在产业化的背景下，电堆和辅助系统零部件的成本均会下降。但在当前，国内尚未达到产业化批量化生产、供应链体系尚未成熟、系统相关的法规标准尚未完善的背景下，上述系统成本依然会维持短期内相对高价的状态。

①在维持电堆正常输出的前提下，降低催化剂中的铂含量。当前丰田在其Mirai车型中铂含量为20g/辆，为铂含量最少的车型，比上一代Mirai降低了90%的用量，整车成本较之2008年丰田FCHV-adv降低了95%；或采用非铂催化剂替代原有贵金属催化剂，铂催化剂在燃料电池系统启停期间已被损坏、发生铂溶解现象，进而加速燃料电池衰减。使用非铂催化剂可以避免复杂的MEA加工过程、催化剂中毒现象，也可以降低电堆成本。

②改善催化剂的中毒问题，提高材料和电堆的稳定性。在电堆内的电化学反应过程中，由于铂催化剂提供反应活性位点促进氢气和氧气的电化学反应，一氧化碳和其他杂质气体极易吸附在催化剂表面，降低反应活性面积，从而影响电堆效率和稳定性。防中毒现象可以从2方面做起：（a）进入电堆的空气需过滤分离处理，但部分杂质气体密度近似空气密度，操作难度大，成本高，该举措得不偿失；（b）优化催化剂结构和性能或使用非铂催化剂，该方法需要技术有所突破，国内外已有实验室开发出新型催化剂，对于能否车载使用亟待验证。

③质子交换膜国产化，并在性能上有所突破。国内现有电堆寿命最高可达到5000 h，国际上电堆寿命达到18 000 h，国内外差距较大。质子交换膜的研发成本较高、设计路线复杂，而且研发周期较长。电堆寿命与质子交换膜紧密相关，需要国内产学研紧密结合制备高性能质子交换膜。

④催化剂载体的自主化，常见载体为碳纸，可为催化剂提供附着位点，有提高结构的稳定性。国产化载体亦可降低成本。

⑤双极板的成本批量化后会明显降低，在燃料电池产业化前仍会长期处于间歇性多型号高价供货阶段，日本和韩国整车企业采用金属材质双极板代替欧美国家流行的石墨材质的双极板，使得电堆厚度在复合结构极板的基础上降低1/3，间接地使电堆轻量化，实现降低成本的目的。

⑥培育完整、成熟的供应链；市场证明，批量化或商业化的产品生产成本会明显低于小批量或样品的成本。批量化生产的优势对于燃料电池系统供应链依然如此。日本丰田燃料电池电动汽车的量产伴随着相应成熟的供应链体系，同时促进燃料电池产业的发展和壮大。当前，我国成熟的燃料电池产业链尚未完全形成，各大整车企业仍处于前期预研和样车试制阶段。虽有小部分企业具有量产的能力，但配套的供应链亦存在参差不齐的现象。供应链体系应同燃料电池产业一同发展，既可相互依靠支撑，也可以降低生产成本。

⑦具有稳定的、成熟的工艺生产路线。各零部件的生产工艺受限于规模小的缘故，使得配套零部件生产成本较高，同时零部件的技术条件仍不能满足部分系统需求，零部件的加工定制无形中增加了系统成本。

2.提高燃料电池耐久性的途径：

燃料电池耐久性面临着长时间工作、复杂的城市路况、季节变化以及大气质量的影响。燃料电池系统在怠速状态和启停状态，电堆处于高电位状态（＞0.85V），膜电极附近发生的电化学反应会产生双氧水，在产物中也发现双氧水的存在，双氧水对膜电极有腐蚀作用，从而影响电堆寿命、加速衰减。复杂的城市路况，对于燃料电池系统而言意味着系统经受频繁变换载荷，该过程仍会加速电堆寿命衰减。不仅仅大气质量对燃料电池系统的耐久性有影响，环境温度和海拔也会对其耐久性产生影响。为了提高系统的耐久性或者电堆的寿命，需要从上述几个方面维持系统的稳定性，从而保证系统的耐久性。除此之外，还可以通过燃料电池系统中其他电器部件和控制策略部分进行优化，以及对系统状态进行监控等措施，全方位地维持甚至提高燃料电池的耐久性。具体做法如下：

①在实验的基础上提高电催化剂的用量；电催化剂的含量可以改善电堆的使用寿命，但是随着其含量的增加，其输出的电流密度会趋于稳定，不再随催化剂含量增加而增加。因此，需要经过实验的优化，选择适当的催化剂用量。

②分析燃料电池的寿命衰减机理；燃料电池寿命衰减影响因素较多，前文中分析的启停怠速状态、复杂的城市工况以及环境的变化均会影响其寿命。目前为止，关于燃料电池寿命的研究更多的是停留在高校实验室研究阶段。受限于燃料电池电动汽车的商业化，尤其是国内，对于汽车在各工况的测试、台架测试以及相应的仿真分析，尚未建立有效的寿命衰减模型，以期实现预测燃料电池寿命。

③加强燃料电池电动汽车在各工况下的试验，并分析解读其数据。

④采用仿真技术模拟燃料电池寿命影响因素和衰减趋势。

⑤尝试从电堆结构角度优化结构组成提升其耐久性。

⑥从燃料电池系统角度优化控制策略提高寿命。

3.氢能的普及和基础设施建设：

氢能、加氢站之于燃料电池电动汽车，与汽油/柴油、加油站之于燃油车，因此，普及氢能和修建加氢站对于燃料电池产业化的重要性不言而喻。氢气的特殊性又与汽油存在差异，加氢站不会像加油站一样普及。即使至今，在美国加州拥有世界上最大规模的燃料电池电动汽车，其加氢站也仅有35座。国内的加氢站数量仅能满足燃料电池电动车示范运行的需要，远远不能满足燃料电池市场化的规模。故对此有如下建议：

①完善国内对氢能标准和法规的建设；2国家政府鼓励支持加氢站的建设；3加强“氢安全”的宣传；④强调绿色制氢的方法，逐渐改善能源结构；⑤研发耐高压的储氢容器，并完善相关标准。

4.国家、企业和投资者的角度

我国虽在燃料电池及相关产业中取得阶段性进展，与国外先进的燃料电池技术和整车水平相比，差距依然存在且明显。虽然我国内整车企业经历奥运会、世博会和新加坡运动会等示范运行项目，目前距离燃料电池产业化仍有诸多不足。在产业化的过程中，国家、企业和消费者仍有许多工作可以做，正如中国科学院大连化学物理研究所衣宝廉院士所言，燃料电池项目要真正形成一个整体，只有加强交流和合作，才能达到预期目标。

①国家应加大对燃料电池技术的研究投入，包括基础科研领域、科研攻关项目和零部件国产化方面。

②国家政策应建立良好的氢能环境和燃料电池发展氛围，即国家层面、借鉴国际经验营造良好的氢环境，可以做到安全用氢，以此促进产业发展。此外，还应当指明国家对于氢能的发展路线、技术路线，引导科研机构开展高效研发等。

③国家加大对燃料电池行业的扶持和企业间的强强联合。

④企业对燃料电池技术的研发可结合国家相关项目，可与高校、研究机构互相合作。

⑤企业注重燃料电池电动汽车在生产制造以及售后出现的问题，并对产品持续优化改进。

⑥适时引入社会资本，加强对加氢站等基础设施的建设。

五、结语

在全球范围内，燃料电池技术不断有所突破，越来越多的燃料电池电动汽车进入市场，越来越多的国家接受这一清洁能源技术，并从国家层面自上而下的支持鼓励发展这一新型技术。虽然燃料电池电动汽车并未向传统燃油车一样普及，绿色、高效的燃料电池技术、电动汽车终究会被公众接受。目前而言，燃料电池产业化面对2大难题：成本和寿命，均会影响公众对燃料电池电动汽车的接受程度。新材料、新技术以及量产化是解决成本和性能矛盾关系的最佳方案。笔者相信，在不远的将来，随着加氢站的普及和新材料技术的实现，燃料电池产业化终将到来。