关于质子交换膜燃料电池产业化发展的探析

燃料电池技术是一种先进的清洁能源技术，燃料电池能够将燃料的化学能直接转化为电能，伴随高效率、无污染和长寿命等特点。此外，燃料电池发电是继水力发电、火力发电和核能发电之后的第4类发电技术。燃料电池根据电解质的类型划分为质子交换膜燃料电池(PEMFC)、碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)和固态氧化物燃料电池(SOFC)等。相对于其他类型的燃料电池，PEMFC因其能量转换率高(40%～60%)，工作温度低和比功率高等优势被广泛应用。

一、国内外产业发展概述

20世纪60年代，美国UTC公司开发出以液氢和液氧工作的燃料电池应用于军事领域；1979年，杰佛里·巴拉德（Geoffrey Ballard）同其合伙人于加拿大创立了巴拉德动力系统公司，开发以PEMFC为主的燃料电池并应用于汽车领域；1992年，各国汽车制造商在政府的支持下开始研发燃料电池汽车，其中Ballard公司于1993年向世界展示了一辆无污染的PEMFC驱动的公交车，引起全球研发热潮；1994年，奔驰公司生产了燃料电池汽车NECAR1，这也是世界上第1辆燃料电池汽车；随后，美国、日本、韩国相继推出其燃料电池概念车以及量产车。我国对燃料电池技术的研究较早，可以追溯到20世纪50年代，国家“863”计划“十五”电动汽车重大科技专项、“十一五”节能与新能源汽车重大项目、“十二五”电动汽车关键技术与系统集成重大项目等。国内以往项目的投入更多的是注重技术的研究，但相对于燃料电池电动车的研究，仍存在技术短板，如国产质子膜寿命仍与发达国家的产品存在差距；国内电堆低温启动的技术和材料难题仍未突破；燃料电池电池衰减机理正在分析等。2009年，美国奥巴马政府实施经济刺激计划中，包括燃料电池在内的先进能源技术投入资金为3亿美元；2011年对氢能及燃料电池技术项目的预算为1.37亿美元；2012年美国加州对燃料电池的关注程度尤为活跃，包括日本丰田汽车公司、日本本田汽车公司和韩国现代汽车公司3家燃料电池电动汽车制造商于加州提供燃料电池汽车（Fuel cell vehicles，FCV）销售和租赁服务，2012年8月，奥巴马政府实施新的激励机制，提高FCV的燃油经济性标准，而且美国能源部下属办公室出台多项用于奖励发展燃料电池技术的政策。为了鼓励公众企业使用燃料电池，根据美国燃料电池和氢能协会（FCHEA）发布的2016年美国燃料电池和氢能源发展总结报告，2016年内美国在10个州颁布了燃料电池和氢能相关政策，包括税收激励、调整上网电价等措施。2004年，日本在《国家新产业创新战略》中将燃料电池列为国家重点推进的7大新兴战略产业之首，从国家层面上着力推进。2007年，日本政府提出“下一代汽车与燃料行动计划”，确定了各阶段燃料电池汽车在成本、性能、寿命等方面的指标。2014年4月，日本内阁会议通过“能源基本计划”，明确将氢气作为未来二次能源的核心位置 。日本政府计划到2020年确保有4万辆燃料电池电动汽车上路，2025年实现20万辆的目标，到2030年实现惊人的80万辆的目标。欧盟对氢能和燃料电池研发与推广的支持主要通过框架计划（FP）进行。在第6框架计划（2002-2006）（FP6）中，1亿欧元用于涉及氢能制造、氢能贮藏、氢能安全及其标准制订、氢能运输、氢能的最终应用、高温PEMFC、SOFC、便携式燃料电池以及其他通用技术研发等30个项目。第7框架计划（2007-2012）（FP7）的目的是突破燃料电池和氢能发展的一些关键性技术难点。欧盟对与氢能及燃料电池的发展规划类似于日本政府。在上述政策的鼓励和推动下，燃料电池技术频繁地应用于固定发电，为公共设施、居民生活区、工厂等区域进行供电，同时多余的电能并入公用电网。这些燃料电池的安装部署改善了环境和能源结构，降低温室气体排放的同时提高了电力可靠性，增加了能量效率，降低了消费者对电网的依赖。

我国对燃料电池的研究较早，“七五”计划期间研究直接甲醇燃料电池（DMFC），“八五”期间以大连化物所主导的SOFC研究，“九五”期间针对PEMFC研究。此前阶段，国内集中研究燃料电池的种类和主要组件，并在组件取得了较大进展。而后，在后续的“十五”“十一五”“十二五”期间着重研究了燃料电池电动汽车及系统集成技术。随着燃料电池关键技术和材料的突破，包括上海汽车集团股份有限公司、长安汽车股份有限公司等国内汽车企业共有近200 辆燃料电池电动汽车在上海世博园区进行示范运行。我国的燃料电池电动客车技术探索从2001年开始，此后经历了3个阶段。在自由探索期（2001年-2005年），面临着动力系统构型不明确、零部件供应链不成熟、系统可靠性和稳定性较差、系统故障较多和整车示范运营里程较短等问题。随后经过5年的参数优化和参与示范运营项目，为研发燃料电池汽车积累了宝贵的经验，同时，对零部件供应链的培育也趋于稳定，整车性能和可靠性明显提高。在后期发展中，整车企业和研发机构将重心转移至改善燃料电池的耐久性和降低生产成本。国内车企先后于2014年推出首款量产氢燃料电池汽车（荣威950），氢燃料电池客车（2017年，福田欧辉，大通FCV80），如图1所示。另外，我国政府于2015年提出《中国制造2025》，该行动纲领中提出燃料电池汽车是国内未来重点发展的方向。

图1 燃料电池电动车样车图片

燃料电池技术以及燃料电池电动汽车经过一百多年的研究和实际应用，在技术上已经积累了较多的经验，燃料电池产业化的脚步也越来越近[7]。2009年9月，戴姆勒、通用、福特、丰田、本田、日产和现代7大整车企业联合签名表示继续发展燃料电池电动汽车。国外的整车企业做好了燃料电池产业化的准备，而我国的燃料电池电动汽车大部分仍停留在汽车行业、研发部门，燃料电池技术在国内也并未对周围的环境，提升能源利用效率、改善能源结构等产生影响。种种迹象表明，仍有许多因素影响我国燃料电池产业化的步伐。

二、质子交换膜燃料电池基础

1839年，英国科学家Grove首次提出了燃料电池的原理。燃料电池是一种能够持续的通过发生在阳极和阴极的氧还原反应将燃料的化学能直接转化为电能的装置，如图2所示。只要连续不断地向燃料电池两极输入燃料和氧化剂，燃料电池就会持续的工作，即不断的提供电能，这也是与锂离子电池的区别。燃料电池的工作原理如下：

阳极：H2 → H+ + 2e

阴极：O2 + 2H+ + 2e → H2O

总反应：2H2 + O2 → 2H2O

根据图2的示意图，可以将PEMFC的结构划分为催化剂、碳纸、气体扩散层、质子交换膜、集流板等主要组件。燃料电池电动汽车是基于燃料电池系统提供的动力驱动，而燃料电池系统中的核心零部件为电堆，即通过将单片燃料电池集成于一体，以便于输出高压和高功率。电堆是建立在单片PEMFC的基础上，核心零部件未发生变化。但上述零部件均会对电堆的性能、寿命以及低温启动特性产生影响。在20世纪60年代，美国国家航空航天局（NASA）首次将PEMFC应用于航天飞船上作为辅助电源，为人类登月做出积极贡献，随后因为寿命问题限制其在航天中的应用。我国虽对上述零部件有较大的研究进展，包括燃料电池电催化剂、质子交换膜、碳纸、膜电极组件、双极板等关键材料方面均已取得技术突破，但部分零部件尚未完全自主化[11-13]。这里的自主化不仅仅是指生产工艺，还有产品及零部件本身的性能，部分自主化后的零部件性能仍与国外存在差距。

图2 燃料电池工作原理示意图

其中，由于添加燃料的不同氢气（H2）、甲醇（CH3OH）、乙醇（C2H5OH）等、电解质的差异（酸性、碱性、熔融盐和聚合物等）和工作温度的不同均会影响燃料电池的分类。在以上燃料电池中，以PEMFC的应用范围最广，研究最为成熟。如表1所示，PEMFC具有燃料电池的通性，如转换效率高、噪音小、无污染等优点；通过集成单片燃料电池形成电堆，以实现输出高电压、强电流密度的特点[12]。PEMFC的应用主要集中在3个方面：①固定领域，为公共场所提供热能和电力，分散式发电；②便携式领域，应用于便携式电子设备和通信设备以及高精密仪器；③运输领域，为运输工具供应电力，如图3所示。

表1 燃料电池与传统发动机的对比

图3 燃料电池的应用

除了燃料电池电堆本身的结构影响，其燃料也会对燃料电池产生影响。PEMFC系统使用的燃料为H2，氢元素是地球上最丰富的元素，但氢气不以单独的形式存在于地球上，主要有其他物质加工产生。常见的富氢物质有水、石油、天然气和各种生物质等。常见的制氢方法有：①电解水制氢；②甲烷重整制氢；③石油裂解的合成气和天然气制氢；④工业合成副产物制氢等。燃料电池作为清洁能源装置，同时对燃料来源也有要求，上述方法在不同程度上仍会对环境产生影响，仅是将传统内燃机的尾气排放调至燃料的生产阶段而已。在这个过程中，燃料电池仍会被视为昂贵、低效和污染环境的装置。实际上，电解水的电力来源未必是来自火力发电，新型的风能、太阳能也可以产生电力分解水，而这个过程是绿色无污染的。

三、燃料电池产业化影响因素

PEMFC产业化在国内外面临着相同的问题，即降低燃料电池的成本、提高燃料电池的效率和增强燃料电池耐久性。图4为美国阿贡国家实验室PEMFC系统模型，可以看出，通常将燃料电池单体按照一定的方式组合成燃料电池电堆，并配置相应的辅助设备，同时在燃料电池控制单元的控制下，实现燃料电池的正常运行，电堆和辅助系统共同构成了燃料电池系统。辅助系统主要包括空压机、膜加湿器、氢气循环泵、压力调节器、系统控制单元和相关阀件。

影响电堆性能的结构主要有以下几个方面：①电堆是燃料电池系统的主要元件，包括电极、质子交换膜、双极板、气体扩散层、端板等组件。其中，电极、质子交换膜和气体扩散层3层集成在一起形成膜电极，它是电堆的主要部件；②电极是质子交换膜和气体扩散层间具有电传导性的一层加压薄层，也是发生电化学反应的地方；③电极催化剂的含量决定着电堆的成本和工作效率。当催化剂铂（Pt）的含量增高时，电化学活性接触面积增加，电堆的电流密度也会随之增加；当接触面积增加到一定程度后，电流密度不再增加；④质子交换膜是阴极催化层和阳极催化层之间的一层薄膜，是氢质子传导的介质，质子交换膜的性能直接影响整个电堆的性能。常用质子交换膜以美国DuPont公司生产的Nafion系列全氟磺酸质子膜为主，此外，质子交换膜的厚度也会影响系统的开路电压及其结构强度；⑤双极板用于支撑膜电极，并收集单电池电流。常见材质为石墨，现有被金属板取代的趋势。双极板的流场结构对电堆的水热管理、低温启动有着显著影响。所有的单电池通过双极板串联在一起，提供满足车用动力需求的电功率。

上述零部件仅是基于电堆结构的分析，氢能问题仍需值得关注。在“质子交换膜燃料电池基础”提到氢气的制备方法，关于氢气的储存和运输，以及氢安全方面，我国在这方面的工作仍存在不足。

1.加氢站

加氢站是给燃料电池汽车提供氢气的基础设施。自从2015年开始，氢燃料汽车首次在加州销售，在过去3年里，加州有35座加氢站向氢能源汽车提供加氢服务。截至目前，美国共有39座加氢站在运营中，计划2023年将建设超过100个加氢站。目前全球正在运营的274座加氢站中，有106座位于欧洲，101座位于亚洲，64座位于北美，2座位于南美，1座位于澳大利亚。而我国截止到2017年底，国内运行加氢站仅有6座。加氢站的普及和商业化运营也有助于促进燃料电池电动汽车的普及。

2.储氢

储氢是在氢气的运输以及车载氢气需要结构安全、符合国际国家标准的储氢装置。在氢气的运输以及车载氢气需要结构安全、符合国际国家标准的储氢装置。传统储氢方法有2种，一种方法是利用高压钢瓶（氢气瓶）来储存氢气，但钢瓶储存氢气的容积小，而且还有爆炸的危险；另一种方法是储存液态氢，但液体储存容器非常庞大，需要性能极好的绝热装置来隔热。近年来，一种新型简便的储氢方法应运而生，即利用储氢合金（金属氢化物）来储存氢气。事实证明，高压储氢相对于其他方式更为可靠。这同样对储氢容器提出耐高压、安全可靠的要求。

3.法规标准

国外有关氢能技术规范和标准方面的活动十分活跃，特别是美国、欧盟、日本等发达国家都很重视氢能技术规范和标准的制定以及与技术的同步协调发展工作，同时也非常注重国际间的合作并极力将本国氢能技术规范和标准国际化。发达国家的标准体系已日趋完善，发达国家介入氢能的标准组织主要有国际标准化组织（ISO）、国际电工委员会（IEC）、美国机械工程师协会（ASME）、氢能法规和标准协调委员会（HCSCC）、电气和电子工程师协会（IEEE）和自动化工程师协会（SAE）等。自1985年GB/T 4962氢气使用安全技术规程发布以来，我国已有20年有关氢能标准化的历史，已发布的标准包括产品、安全使用、氢氧站设计、制氢储氢等方面的测试方法和技术条件等国标和行标。

2017年，我国集中公布了一批标准法规，其中包括8项氢能领域的标准。我国已初步建立氢能标准体系，燃料电池氢能相关标准体系也在完善过程中。