问道燃料电池

衣宝廉　侯明　明平文

燃料电池作为汽车动力源是解决传统汽车环境和能源问题的解决方案之一，进入21世纪以来，以全球各大汽车公司为牵引的燃料电池汽车技术得到了蓬勃发展。

燃料电池是一种高效地将化学能转化为电能的电化学装置，它以其高的比能量、环境友好、兼容可再生能源等特点，得到了全球各国政府、企业及研究团体的极大重视。燃料电池在交通运输、便携式电源、分散电站、航空/航天、水下潜器等民用与军用领域展现了广阔的应用前景。

燃料电池在军用领域已经得到成功应用。以燃料电池为主电源的航天飞机从1981年首次飞行至2011年航天飞机宣布退役，在30年间燃料电池累积运行了10.1万小时，可靠性达到99%以上；以燃料电池为不依赖空气动力（AIP）潜艇具有续航时间长、安静、隐蔽性好等优点，德国从2006年开始列装，至今已有十几艘在德国、韩国等国家服役。

燃料电池在民用领域商业化正在快速展开。全球近5年来，W～100W级的燃料电池便携电源、kW～10kW级的燃料电池不间断电源（FC UPS）、食品/药品搬运燃料电池叉车交付量都在逐年递增，使得一些中小型燃料电池企业实现了财务基本平衡。燃料电池不间断电源（UPS）作为电信、银行等关键部门或偏远地区提供环保型电源，结合廉价燃料电池技术与现场制氢技术将是很具有竞争力的产品。住宅用千瓦级燃料电池微热电联供系统自2012年以来年订单均在数万台以上，其中在日本市场尤其活跃，已建立了成熟的生产基地。分散发电用燃料电池电站也发展迅速，美国Fuelcell Energy公司所开发的熔融碳酸盐型燃料电池电站在全球50余地总装机容量已超过300MW，主要用于医院、宾馆、大学、废水处理厂等场所示范发电；Plug Power公司实现了近千台的小型电源的销售；Bloom Energy公司基于固体氧化物燃料电池技术，利用天然气、生物质气等多元燃料，开发了50kW燃料电池模块及集成电站。燃料电池作为汽车动力源是解决传统汽车环境和能源问题的解决方案之一，进入21世纪以来，以全球各大汽车公司为牵引的燃料电池汽车技术得到了蓬勃发展，燃料电池汽车在动力性、安全性、可靠性方面已达到传统汽车水平，目前正在加快推进加氢站等相关基础设施的建设。

工程化变革

燃料电池汽车是电动汽车的高端产品，国际上各大汽车公司都在持续地投入研发力量，燃料电池技术取得了突破性进展，主要体现在以下几个方面：第一，燃料电池汽车性能得到提升。美国GM公司是具有世界领先水平的从事燃料电池车的研发企业，其开发的第五代燃料电池车用燃料电池发动机（Chevrolet Equinox FCV）体积 比第四代技术减少了近一半，与传统的四缸内燃机相当；同时重量减轻了100 kg。日本Toyota电堆最高功率密度输出已达到3kW/L，而尺寸和重量仅为原来的一半，并将在2015年左右装配于新一代燃料电池轿车上 ；多数车企开发的燃料电池汽车最高时速可达160 km/h左右，充一次氢气可运行500km以上 ，与传统的汽油车相当。第二，燃料电池汽车寿命取得了突破。美国UTC公司与美国AC Transit运输公司合作，在加州奥克兰市成功地进行了燃料电池公交车示范运行，寿命超过了12000小时 ；通用、丰田等轿车用燃料电池系统寿命已经从2000小时提高到5000小时以上，并实现了-30℃低温环境下储存、启动与运行 。第三，燃料电池成本大幅降低。国际先进水平燃料电池预测成本（按每年50万辆80kW系统批量）2012年已降低至$47/kW，丰田公司车用燃料电池系统的成本目前已降至2008年的1/10左右，预计到2015年再降低一半以上，届时燃料电池轿车售价在5元至10万美元 ，具备了市场竞争力。第四，各大汽车公司纷纷宣布2015年左右逐渐步入燃料电池汽车商业化。韩国的现代汽车公司已经确认系列生产Hyundai ix35燃料电池电车，从现在到2015年间将有1000辆车在韩国公司的Ulsan制造厂制造，2015年将开始10000产量。丰田公司计划在2014年开始批量生产的燃料电池版普瑞斯，从2015年开始在日本、美国和欧洲市场销售。第五，燃料电池战略联盟已经形成。2013年丰田和宝马，Daimler、福特和Renault-Nissan，本田与GM汽车公司三大联盟已经建立，目的是组建燃料电池汽车公共开发平台，分享一系列燃料电池技术，降低成本，共同促进燃料电池产业化进程。这是继2009年9月7家汽车企业（Daimler，Ford，General Motors，Honda，Hyundai-Kia，Renault-Nissan和Toyota）联合发表声明后，国际大汽车公司对燃料电池发展的又一重要举措 。第六，燃料电池汽车产业链正在建立。大型化学品企业如Johnson Matthey、Tanaka、Toray、SGL、Ballard、Du Pont、BASF、旭硝子、3M、Gore等纷纷进入FC的基础材料行业包括催化剂、炭纸、质子交换膜（PEM）、膜电极组件（MEA）等。此外值得注意的是，众多开发商开始纷纷介入燃料电池系统零部件领域，包括给传统汽车等大产业配套的制造业企业如Eaton、日立精工等，也有众多传统泵阀厂商接入，他们正在开发满足燃料电池系统需求的高效无油压缩机、氢循环器件、空气增湿器、冷却循环泵、节温器等，这些企业的加入将完善燃料电池汽车产业链，会对燃料电池商业化有直接促进作用。

目前，燃料电池汽车商业化主要挑战仍然是成本问题，其中，重点和难点是降低Pt的用量，此外，有限的Pt资源也制约了Pt的使用量。近些年研究者通过不断努力，使得Pt用量有了大幅度降低，国际先进水平从2007年的0.6g/kW，降低到现在的0.2g/kW ，如果Pt用量降到0.1g/kW以下，与传统车尾气处理器所用Pt量在一个数量级（5-10gPt/辆车），将解决燃料电池汽车商业化的一个瓶颈问题。另外，加氢站的建设也越来越得到重视，这是燃料电池商业化所需的必要基础设施。endprint

中国机会

我国燃料电池技术经过科技部九五到"十二五"的持续支持，在燃料电池关键材料、核心部件、系统动力平台与整车技术方面有了长足进展，燃料电池汽车已经进入初级示范阶段，需要国家加大产业投入力度，从而引导燃料电池产业链的发展，推进国内燃料电池汽车相关产品的推广与应用。

第一，巩固燃料电池关键材料研究成果，积极投入建立批量化生产线。目前国内研发单位在燃料电池电催化剂、质子交换膜、碳纸、膜电极组件、双极板等关键材料方面已经取得技术突破，采用自主生产的材料已经能够组装燃料电池电堆，基本性能已经达到或超过进口材料水平。然而，由于没有带质量控制批量生产线，产品的质量与均一性不能得到很好控制，还不能大量用于实际应用。因此，需要国家或政府牵引与带动企业进行投入，促进已研制成功的关键材料技术中试生产线的建立，实现关键材料国产化建设。

第二，深入开展寿命实验研究，提高燃料电池发动机的可靠性与耐久性。寿命是制约商业化的一大技术难题。近年来在燃料电池延长寿命方面不断探索了一些解决方案，并取得了显著的进展。主要研究工作集中在分析燃料电池衰减机理，进而从材料创新与系统控制策略等方面着手，切实可行地提高燃料电池耐久性，目前寿命可达2000～3000h，但距商业化还有一段距离。建议开展燃料电池发动机系统寿命大量考核试验，建立寿命考核平台，研究与制定快速寿命评价方法，通过实验掌握影响寿命的敏感因素，从而为延长寿命制定应对策略。

第三，开发低Pt用量的燃料电池技术，进一步降低成本。在成本控制方面要从材料、部件、系统多方面着手，降低Pt用量、开发低成本的车载70MPa高压储氢瓶及空压机、简化系统等手段是降低成本的有效途径。其重点和难点是降低Pt用量，尤其是车用燃料电池要求在有限空间输出较高功率，且运行环境不可避免地承受空气污染，这些对低Pt燃料电池带来更严峻的挑战。国内技术在降低Pt燃料电池方面取得了一定的进展，Pt用量已由1.0g/kW降至0.4～0.6g/kW。下一步，国家要持续投入支持降低Pt用量燃料电池技术开发，研制低Pt催化剂、低Pt膜电极组件（MEA），提高催化剂利用率，保证大电流密度下电池输出性能，提高杂质耐受力。

第四，积极推进加氢站建设，促进燃料电池大规模示范。我国目前在北京、上海仅有3座加氢站，需要加大力度推进加氢站的建设，建议在大连、广州、武汉等地建立10座以上加氢站，鼓励工业副产氢技术路线，并逐渐与可再生能源结合，开发水电解制氢技术，实现能源可持续发展。在此基础上，建议我国继续支持燃料电池汽车的示范，采用以点带面的方式，扩大示范应用范围，逐步引导商业化应用模式的开展，从实际运行中考核燃料电池寿命，并以示范为龙头，带动产业链和市场培育。

第五，建立燃料电池长期稳定的发展机制，实现与国际同步发展。燃料电池汽车仍处于产业培育期，存在着重大发展机遇，建议尽快明确我国燃料电池汽车发展路线图，进一步明确燃料电池汽车及加氢站的发展目标、路径、推进措施和行动计划，并逐步推进。继续加大科技投入，建立稳定支持、多方参与的投入机制。加大支持燃料电池基础性研究，保持核心技术供给能力。激励汽车、能源企业增加燃料电池技术研发投入。以车用燃料电池和燃料电池电源为突破口，促进燃料电池在交通、通信、能源、商业、军事等领域全面应用。

（作者衣宝廉为中国工程院院士、侯明为中科院大连化学物理研究所研究员、明平文为祈源动力有限公司总经理，文章不代表本刊观点）endprint