有關質子交換膜燃料動力電池產業化發展的探析

燃料動力電池技術是一種先進的清潔能源技術，燃料動力電池能夠將燃料的化學能筆直轉化為電能，伴隨高效率、無污染和長壽命等特點。此外，燃料動力電池發電是繼水力發電、火力發電和核能發電之后的第4類發電技術。燃料動力電池依據電解質的類型劃分為質子交換膜燃料動力電池(PEMFC)、堿性燃料動力電池(AFC)、磷酸燃料動力電池(PAFC)、熔融碳酸鹽燃料動力電池(MCFC)和固態氧化物燃料動力電池(SOFC)等。相關于其他類型的燃料動力電池，PEMFC因其能量轉換率高(40%～60%)，工作溫度低和比功率高等優點被廣泛使用。

一、國內外產業發展概述

20世紀60年代，美國UTC公司開發出以液氫和液氧工作的燃料動力電池使用于軍事范疇；1979年，杰佛里·巴拉德（Geoffrey Ballard）同其合伙人于加拿大創立了巴拉德動力系統公司，開發以PEMFC為主的燃料動力電池并使用于汽車范疇；1992年，各國汽車制造商在政府的支持下開始研發燃料動力電池汽車，其中Ballard公司于1993年向世界展示了一輛無污染的PEMFC驅動的公交車，引起全球研發熱潮；1994年，奔馳公司加工了燃料動力電池汽車NECAR1，這也是世界上第1輛燃料動力電池汽車；隨后，美國、日本、韓國相繼推出其燃料動力電池概念車以及量產車。我國對燃料動力電池技術的研究較早，可以追溯到20世紀50年代，國家“863”計劃“十五”電動車重大科技專項、“十一五”節能與新能源汽車重大項目、“十二五”電動車關鍵技術與系統集成重大項目等。國內以往項目的投入更多的是重視技術的研究，但相關于燃料動力電池電動車的研究，仍存在技術短板，如國產質子膜壽命仍與發達國家的產品存在差距；國內電堆低溫啟動的技術和材料難題仍未沖破；燃料動力電池電池衰減機理正在分解等。2009年，美國奧巴馬政府執行經濟刺激計劃中，包括燃料動力電池在內的先進能源技術投入資金為3億美元；2011年對氫能及燃料動力電池技術項目的預算為1.37億美元；2012年美國加州對燃料動力電池的關注程度尤為活躍，包括日本豐田汽車公司、日本本田汽車公司和韓國現代汽車公司3家燃料動力電池電動車制造商于加州供應燃料動力電池汽車（Fuel cell vehicles，FCV）銷售和租賃服務，2012年八月，奧巴馬政府執行新的激勵機制，提高FCV的燃油經濟性標準，而且美國能源部下屬辦公室出臺多項用于獎勵發展燃料動力電池技術的政策。為了鼓勵公眾公司使用燃料動力電池，依據美國燃料動力電池和氫能協會（FCHEA）公布的2016年美國燃料動力電池和氫能源發展總結報告，2016年內美國在10個州頒布了燃料動力電池和氫能相關政策，包括稅收激勵、調整上網電價等措施。2004年，日本在《國家新產業創新戰略》中將燃料動力電池列為國家重點推進的7大新興戰略產業之首，從國家層面上著力推進。2007年，日本政府提出“下一代汽車與燃料行動計劃”，確定了各階段燃料動力電池汽車在成本、性能、壽命等方面的指標。2014年四月，日本內閣會議通過“能源基本計劃”，明確將氫氣作為將來二次能源的核心位置 。日本政府計劃到2020年確保有4萬輛燃料動力電池電動車上路，2025年實現20萬輛的目標，到2030年實現驚人的80萬輛的目標。歐盟對氫能和燃料動力電池研發與推廣的支持緊要通過框架計劃（FP）進行。在第6框架計劃（2002-2006）（FP6）中，1億歐元用于涉及氫能制造、氫能貯藏、氫能安全及其標準制訂、氫能運輸、氫能的最終使用、高溫PEMFC、SOFC、便攜式燃料動力電池以及其他通用技術研發等30個項目。第7框架計劃（2007-2012）（FP7）的目的是沖破燃料動力電池和氫能發展的一些關鍵性技術難點。歐盟對與氫能及燃料動力電池的發展規劃類似于日本政府。在上述政策的鼓勵和推動下，燃料動力電池技術頻繁地使用于固定發電，為公共設施、居民生活區、廠等區域進行供電，同時多余的電能并入公用電網。這些燃料動力電池的安裝部署改善了環境和能源結構，降低溫室氣體排放的同時提高了電力可靠性，新增了能量效率，降低了消費者對電網的依靠。

我國對燃料動力電池的研究較早，“七五”計劃期間研究筆直甲醇燃料動力電池（DMFC），“八五”期間以大連化物所主導的SOFC研究，“九五”期間針對PEMFC研究。此前階段，國內聚集研究燃料動力電池的種類和緊要組件，并在組件取得了較大進展。而后，在后續的“十五”“十一五”“十二五”期間著重研究了燃料動力電池電動車及系統集成技術。隨著燃料動力電池關鍵技術和材料的沖破，包括上海汽車集團股份有限公司、長安汽車股份有限公司等國內汽車公司共有近200 輛燃料動力電池電動車在上海世博園區進行示范運行。我國的燃料動力電池電動客車技術探索從2001年開始，此后經歷了3個階段。在自由探索期（2001年-2005年），面對著動力系統構型不明確、零部件供應鏈不成熟、系統可靠性和穩定性較差、系統故障較多和整車示范運營里程較短等問題。隨后經過5年的參數優化和參與示范運營項目，為研發燃料動力電池汽車積累了珍貴的相關經驗，同時，對零部件供應鏈的培育也趨于穩定，整車性能和可靠性分明提高。在后期發展中，整車公司和研發機構將重心轉移至改善燃料動力電池的耐久性和降低加工成本。國內車企先后于2014年推出首款量產氫燃料動力電池汽車（榮威950），氫燃料動力電池客車（2017年，福田歐輝，大通FCV80），如圖1所示。另外，我國政府于2015年提出《我國制造2025》，該行動綱領中提出燃料動力電池汽車是國內將來重點發展的方向。

圖1 燃料動力電池電動車樣車圖片

燃料動力電池技術以及燃料動力電池電動車經過一百多年的研究和實際使用，在技術上已經積累了較多的相關經驗，燃料動力電池產業化的腳步也越來越近[7]。2009年九月，戴姆勒、通用、福特、豐田、本田、日產和現代7大整車公司聯合簽名表示持續發展燃料動力電池電動車。國外的整車公司做好了燃料動力電池產業化的準備，而我國的燃料動力電池電動車大部分仍停留在汽車行業、研發部門，燃料動力電池技術在國內也并未對周圍的環境，提升能源利用效率、改善能源結構等出現影響。種種跡象聲明，仍有許多因素影響我國燃料動力電池產業化的步伐。

二、質子交換膜燃料動力電池基礎

1839年，英國科學家Grove首次提出了燃料動力電池的原理。燃料動力電池是一種能夠繼續的通過發生在陽極和陰極的氧還原反應將燃料的化學能筆直轉化為電能的裝置，如圖2所示。只要繼續不斷地向燃料動力電池兩極輸入燃料和氧化劑，燃料動力電池就會繼續的工作，即不斷的供應電能，這也是與鋰電池的差別。燃料動力電池的工作原理如下：

陽極：H2 → H+ + 2e

陰極：O2 + 2H+ + 2e → H2O

總反應：2H2 + O2 → 2H2O

依據圖2的示意圖，可以將PEMFC的結構劃分為催化劑、碳紙、氣體擴散層、質子交換膜、集流板等緊要組件。燃料動力電池電動車是基于燃料動力電池系統供應的動力驅動，而燃料動力電池系統中的核心零部件為電堆，即通過將單片燃料動力電池集成于一體，以便于輸出高壓和高功率。電堆是建立在單片PEMFC的基礎上，核心零部件未發生變化。但上述零部件均會對電堆的性能、壽命以及低溫啟動特性出現影響。在20世紀60年代，美國國家航空航天局（NASA）首次將PEMFC使用于航天飛船上作為輔助電源，為人類登月做出積極貢獻，隨后因為壽命問題限制其在航天中的使用。我國雖對上述零部件有較大的研究進展，包括燃料動力電池電催化劑、質子交換膜、碳紙、膜電極組件、雙極板等關鍵材料方面均已取得技術沖破，但部分零部件尚未完全自主化[11-13]。這里的自主化不僅僅是指加工工藝，還有產品及零部件本身的性能，部分自主化后的零部件性能仍與國外存在差距。

圖2 燃料動力電池工作原理示意圖

其中，由于添加燃料的不同氫氣（H2）、甲醇（CH3OH）、乙醇（C2H5OH）等、電解質的差異（酸性、堿性、熔融鹽和聚合物等）和工作溫度的不同均會影響燃料動力電池的分類。在以上燃料動力電池中，以PEMFC的使用范圍最廣，研究最為成熟。如表1所示，PEMFC具有燃料動力電池的通性，如轉換效率高、噪音小、無污染等優勢；通過集成單片燃料動力電池形成電堆，以實現輸出高電壓、強電流密度的特點[12]。PEMFC的使用緊要聚集在3個方面：①固定范疇，為公共場所供應熱能和電力，分散式發電；②便攜式范疇，使用于便攜式電子設備和通信設備以及高精密儀器；③運輸范疇，為運輸工具供應電力，如圖3所示。

表1 燃料動力電池與傳統發動機的比較

圖3 燃料動力電池的使用

除了燃料動力電池電堆本身的結構影響，其燃料也會對燃料動力電池出現影響。PEMFC系統使用的燃料為H2，氫元素是地球上最豐富的元素，但氫氣不以單獨的形式存在于地球上，緊要有其他物質出產出現。常見的富氫物質有水、石油、天然氣和各種生物質等。常見的制氫辦法有：①電解水制氫；②甲烷重整制氫；③石油裂解的合成氣和天然氣制氫；④工業合成副產物制氫等。燃料動力電池作為清潔能源裝置，同時對燃料來源也有要求，上述辦法在不同程度上仍會對環境出現影響，僅是將傳統內燃機的尾氣排放調至燃料的加工階段而已。在這個過程中，燃料動力電池仍會被視為昂貴、低效和污染環境的裝置。實際上，電解水的電力來源未必是來自火力發電，新型的風能、太陽能也可以出現電力分析水，而這個過程是綠色無污染的。

三、燃料動力電池產業化影響因素

PEMFC產業化在國內外面對著相同的問題，即降低燃料動力電池的成本、提高燃料動力電池的效率和加強燃料動力電池耐久性。圖4為美國阿貢國家試驗室PEMFC系統模型，可以看出，通常將燃料動力電池單體按照一定的方式組合成燃料動力電池電堆，并配置相應的輔助設備，同時在燃料動力電池控制單元的控制下，實現燃料動力電池的正常運行，電堆和輔助系統共同構成了燃料動力電池系統。輔助系統緊要包括空壓機、膜加濕器、氫氣循環泵、壓力調節器、系統控制單元和相關閥件。

影響電堆性能的結構緊要有以下幾個方面：①電堆是燃料動力電池系統的緊要元件，包括電極、質子交換膜、雙極板、氣體擴散層、端板等組件。其中，電極、質子交換膜和氣體擴散層3層集成在一起形成膜電極，它是電堆的緊要部件；②電極是質子交換膜和氣體擴散層間具有電傳導性的一層加壓薄層，也是發生電化學反應的地方；③電極催化劑的含量決定著電堆的成本和工作效率。當催化劑鉑（Pt）的含量增高時，電化學活性接觸面積新增，電堆的電流密度也會隨之新增；當接觸面積新增到一定程度后，電流密度不再新增；④質子交換膜是陰極催化層和陽極催化層之間的一層薄膜，是氫質子傳導的介質，質子交換膜的性能筆直影響整個電堆的性能。常用質子交換膜以美國DuPont公司加工的Nafion系列全氟磺酸質子膜為主，此外，質子交換膜的厚度也會影響系統的開路電壓及其結構強度；⑤雙極板用于支撐膜電極，并收集單電池電流。常見材質為石墨，現有被金屬板取代的趨勢。雙極板的流場結構對電堆的水熱管理、低溫啟動有著顯著影響。所有的單電池通過雙極板串聯在一起，供應滿足車用動力需求的電功率。

上述零部件僅是基于電堆結構的分解，氫能問題仍需值得關注。在“質子交換膜燃料動力電池基礎”提到氫氣的制備辦法，有關氫氣的儲存和運輸，以及氫安全方面，我國在這方面的工作仍存在不足。

1.加氫站

加氫站是給燃料動力電池汽車供應氫氣的基礎設施。自從2015年開始，氫燃料汽車首次在加州銷售，在過去3年里，加州有35座加氫站向氫能源汽車供應加氫服務。截至目前，美國共有39座加氫站在運營中，計劃2023年將建設超過100個加氫站。目前全球正在運營的274座加氫站中，有106座位于歐洲，101座位于亞洲，64座位于北美，2座位于南美，1座位于澳大利亞。而我國截止到2017年底，國內運行加氫站僅有6座。加氫站的普及和商業化運營也有助于促使燃料動力電池電動車的普及。

2.儲氫

儲氫是在氫氣的運輸以及車載氫氣要結構安全、符合國際國家標準的儲氫裝置。在氫氣的運輸以及車載氫氣要結構安全、符合國際國家標準的儲氫裝置。傳統儲氫辦法有2種，一種辦法是利用高壓鋼瓶（氫氣瓶）來儲存氫氣，但鋼瓶儲存氫氣的容積小，而且還有爆炸的危險；另一種辦法是儲存液態氫，但液體儲存容器非常龐大，要性能極好的絕熱裝置來隔熱。近年來，一種新型簡便的儲氫辦法應運而生，即利用儲氫合金（金屬氫化物）來儲存氫氣。事實證明，高壓儲氫相關于其他方式更為可靠。這同樣對儲氫容器提出耐高壓、安全可靠的要求。

3.法規標準

國外有關氫能技術規范和標準方面的活動十分活躍，特別是美國、歐盟、日本等發達國家都很重視氫能技術規范和標準的制定以及與技術的同步協調發展工作，同時也非常重視國際間的合作并極力將本國氫能技術規范和標準國際化。發達國家的標準體系已日趨完善，發達國家介入氫能的標準組織緊要有國際標準化組織（ISO）、國際電工委員會（IEC）、美國機械工程師協會（ASME）、氫能法規和標準協調委員會（HCSCC）、電氣和電子工程師協會（IEEE）和自動化工程師協會（SAE）等。自1985年GB/T 4962氫氣使用安全技術規程公布以來，我國已有20年有關氫能標準化的歷史，已公布的標準包括產品、安全使用、氫氧站設計、制氫儲氫等方面的探測辦法和技術條件等國標和行標。

2017年，我國聚集公布了一批標準法規，其中包括8項氫能范疇的標準。我國已初步建立氫能標準體系，燃料動力電池氫能相關標準體系也在完善過程中。

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