車(chē)用氫燃料電池技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展方向

劉海利 宋利軍 梁 欣

中國(guó)石化銷(xiāo)售有限公司油品技術(shù)研究所

關(guān)鍵字：車(chē)用氫燃料電池；壽命；成本

0 引言

能源與環(huán)境污染已成為全社會(huì)高度關(guān)注的重要問(wèn)題。推動(dòng)和加快能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型不僅是化解全球能源危機(jī)和環(huán)境污染的約束，也是應(yīng)對(duì)大氣污染的根本途徑。氫能源熱值高、儲(chǔ)量豐富、來(lái)源多樣、應(yīng)用廣泛及環(huán)境友好，是理想的替代能源。氫燃料電池具有能量密度高、充氫快速、排放無(wú)污染等優(yōu)勢(shì)，作為汽車(chē)動(dòng)力源，將成為汽車(chē)工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要方向之一。

氫燃料電池是燃料電池汽車(chē)的主要?jiǎng)恿υ矗菍淙剂匣瘜W(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置，其原理是電解水的逆反應(yīng)，產(chǎn)物是電能與水，同時(shí)產(chǎn)生熱量。氫燃料電池能量轉(zhuǎn)化過(guò)程不涉及燃燒，不受卡諾循環(huán)的限制，能量轉(zhuǎn)化率高達(dá)90%。氫燃料電池化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物僅為水，不產(chǎn)生CO、NOx、SOx、顆粒物等大氣污染物。氫燃料電池還具有低溫下正常工作、無(wú)振動(dòng)、噪音等級(jí)低的優(yōu)點(diǎn)。目前氫燃料電池因壽命短、成本高等諸多問(wèn)題制約了氫燃料電池汽車(chē)的普及。

1 氫燃料電池分類(lèi)

按照不同的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，氫燃料電池可劃分為不同的類(lèi)別[1]。以電池的運(yùn)行機(jī)理可分為酸性燃料電池和堿性燃料電池。按電解質(zhì)種類(lèi)分為質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）、磷酸燃料電池（PAFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）、堿性燃料電池（AFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、直接甲醇燃料電池（DMFC）等。按工作溫度范圍分為低溫型（低于200℃）、中溫型（200℃～750℃）和高溫型（高于750℃）燃料電池。通常AFC、PEMFC為低溫燃料電池，PAFC、MCFC和DMFC為中溫燃料電池，而SOFC則為高溫燃料電池。

車(chē)用氫燃料電池工作條件不受環(huán)境溫度的影響，在低負(fù)荷或高負(fù)荷下均能高效率工作，輸出高密度電流，無(wú)需維護(hù)，還具有很強(qiáng)的耐振性和耐沖擊性，能滿(mǎn)足這些條件的首推是以純氫氣為燃料的PEMFC。

2 質(zhì)子交換膜燃料電池工作原理

在催化劑作用下，燃料電池陽(yáng)極上的氫分解為質(zhì)子和電子，質(zhì)子穿過(guò)隔膜到達(dá)陰極，電子在外部電路運(yùn)行產(chǎn)生電能。同時(shí)，在催化劑作用下，陰極上的氧與質(zhì)子發(fā)生化合反應(yīng)生成水[2]。氫燃料不斷輸入，電化學(xué)反應(yīng)不斷進(jìn)行，持續(xù)電流即可帶動(dòng)負(fù)載工作，工作原理如圖1所示[3]。

圖1 PEMFC工作原理

化學(xué)反應(yīng)為：

3 質(zhì)子交換膜燃料電池結(jié)構(gòu)

PEMFC包括質(zhì)子交換膜（PEM）、催化層、氣體擴(kuò)散層、雙極板等部件，結(jié)構(gòu)如圖2所示[3]。

圖2 PEMFC的結(jié)構(gòu)

3.1 質(zhì)子交換膜

質(zhì)子交換膜（PEM）是燃料電池的核心部件，其功能是隔離氫燃料與氧化劑，傳遞氫質(zhì)子。質(zhì)子交換膜要求具有氫離子高傳導(dǎo)性能、良好的化學(xué)性、機(jī)械穩(wěn)定性強(qiáng)和耐久性好等性能。

滿(mǎn)足上述性能的質(zhì)子交換膜材料首選含氟高分子樹(shù)脂。根據(jù)氟含量可分為全氟質(zhì)子交換膜、部分氟化聚合物質(zhì)子交換膜、非氟聚合物質(zhì)子交換膜、復(fù)合質(zhì)子交換膜四類(lèi)[4]。全氟磺酸樹(shù)脂分子主鏈含有聚四氟乙烯（PTFE）結(jié)構(gòu)，因此該類(lèi)膜具有很好的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性和較高的力學(xué)強(qiáng)度。聚合物膜壽命較長(zhǎng)，同時(shí)分子支鏈上存在親水性磺酸基團(tuán)，具有良好的氫離子傳導(dǎo)特性。非氟質(zhì)子膜工作環(huán)境比較苛刻，化學(xué)穩(wěn)定性差。復(fù)合質(zhì)子交換膜可改善全氟磺酸膜導(dǎo)電率低及阻醇性差等缺點(diǎn)。

已經(jīng)商業(yè)化的全氟磺酸質(zhì)子交換膜有美國(guó)的Nafion膜、Dow膜，日本Aciplex膜和lemion膜等，但都存在衰減和價(jià)格昂貴問(wèn)題[5]。對(duì)機(jī)械強(qiáng)度高、化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性好的聚合物進(jìn)行改進(jìn)，提升其傳導(dǎo)質(zhì)子的能力，可以替代價(jià)格昂貴、生產(chǎn)工藝復(fù)雜的全氟磺酸膜。將多孔材料、碳納米管、TiO2納米管等與全氟磺酸樹(shù)脂復(fù)合，可有效地增強(qiáng)膜的機(jī)械性能。短側(cè)鏈復(fù)合膜具有較好的質(zhì)子傳導(dǎo)率和高穩(wěn)定性，是質(zhì)子交換膜未來(lái)很好的發(fā)展方向。

3.2 催化層

催化層是發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的場(chǎng)所，是氫燃料電池反應(yīng)的催化劑。催化層不僅要為氣體和電解質(zhì)提供較大的接觸面積，還要為電池的化學(xué)反應(yīng)起催化作用。氫燃料電池催化劑要求具有高穩(wěn)定性、抗毒性、高使用壽命和低成本特點(diǎn)。

提高催化劑活性始終是氫燃料電池研究的重點(diǎn)工作。目前氫燃料電池的典型催化劑為Pt/C。研究顯示，燃料電池工作時(shí)，Pt/C活性嚴(yán)重衰減，燃料電池壽命縮短，同時(shí)Pt成本較高且資源有限[6]。因此研究催化劑抗衰減和低Pt用量是氫燃料電池催化劑的發(fā)展方向。一些新型碳材料如碳納米管、石墨烯等因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，作為催化劑載體的改進(jìn)，在一定程度上提高了催化劑的電化學(xué)反應(yīng)活性與抗氧化腐蝕。在低鉑與非鉑催化劑方面，日本Tanaka和英國(guó)Johnson Matthey研制的催化劑Pt用量小于0．1 g/kW～0．2 g/kW。在合金催化劑方面，豐田采用Pt-Co合金催化劑，優(yōu)化Pt-Co合金比，使催化劑的性能提高了80%[7]。

3.3 擴(kuò)散層

擴(kuò)散層是催化劑支撐層，為電化學(xué)反應(yīng)提供電子、氣體、排水通道的隔層。擴(kuò)散層要求具有良好的熱量與電流傳遞性能。

目前擴(kuò)散層研究重點(diǎn)是改善生產(chǎn)工藝，提高穩(wěn)定性和耐久性。

3.4 雙極板

雙極板是輸送和分配氫燃料及氧化劑、收集電流、帶走反應(yīng)生成水的部件。

雙極板研究以非貴金屬為基材、輔以導(dǎo)電與耐腐蝕兼容的表面涂層材料的薄金屬雙極板，以提高燃料電池的功率密度。雙極板包括石墨碳板、復(fù)合雙極板和金屬雙極板。目前商用車(chē)的氫燃料電池系統(tǒng)普遍采用石墨板或者復(fù)合板，未采用高功率密度的金屬雙極板。近年來(lái)，石墨板在性能上有較大提升，但與金屬板仍有顯著的差別，雖然目前成本較低，但是其制備與加工工藝復(fù)雜。將金屬和石墨復(fù)合制成的復(fù)合雙極板具有優(yōu)良的性能，且加工工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，材料成本較低，可以替代脆性大的石墨雙極板。從加工便利性和材料發(fā)展趨勢(shì)分析，金屬板成本會(huì)低于石墨板。目前金屬雙極板先進(jìn)技術(shù)主要有豐田的鈦板和歐美的金屬板[7]。

3.5 電池堆

一節(jié)單電池額定工作電壓約為0．7 V，為了滿(mǎn)足一定功率需求，氫燃料電池通常由數(shù)百個(gè)單電池串聯(lián)形成氫燃料電池堆或模塊，并配有相應(yīng)的輔助系統(tǒng)，共同構(gòu)成氫燃料電池系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)氫燃料電池的正常工作。

4 車(chē)用氫燃料電池技術(shù)現(xiàn)狀

4.1 車(chē)用氫燃料電池性能

氫燃料電池發(fā)展至今已有180年，其在汽車(chē)領(lǐng)域應(yīng)用基本完成了性能研發(fā)階段，整車(chē)性能成熟度已接近產(chǎn)業(yè)化階段。

在電池功率上，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)功率密度較早期有大幅提升，已達(dá)到傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的水平。目前國(guó)外燃料電池乘用車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率在80 kW～100 kW，本田Clarity的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)功率可達(dá)130 kW，國(guó)內(nèi)典型燃料電池轎車(chē)的電池功率為35 kW～50 kW。根據(jù) Fuel Cell Industry Review 2017統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2017年全球氫燃料電池出貨功率為670 MW，同比增長(zhǎng)30%。

在電池壽命方面，燃料電池壽命已能滿(mǎn)足商用要求，如轎車(chē)為幾千小時(shí)，大巴車(chē)已經(jīng)達(dá)到了上萬(wàn)小時(shí)。

在使用環(huán)境方面，車(chē)用燃料電池能夠適應(yīng)-30℃的氣候條件，達(dá)到傳統(tǒng)車(chē)水平。

國(guó)內(nèi)外車(chē)用氫燃料電池整體性能對(duì)比見(jiàn)表1[8]。

表1 國(guó)內(nèi)外氫燃料電池整體性能對(duì)比

4.2 車(chē)用氫燃料電池成本

2014年，日本生產(chǎn)和銷(xiāo)售“未來(lái)”混合動(dòng)力燃料電池車(chē)的出廠(chǎng)價(jià)為每輛723．6萬(wàn)日元（包含稅費(fèi)），扣除政府補(bǔ)貼，其價(jià)格仍偏高[5]，一個(gè)主要因素是燃料電池成本高。

燃料電池價(jià)格高的原因：一是其構(gòu)造特殊，二是電池堆中使用了昂貴的原材料。電堆中雙極板、催化劑、質(zhì)子交換膜、碳紙是氫燃料電池主要成本[9]。在氫燃料電池系統(tǒng)成本中，電堆成本約占總系統(tǒng)成本的60%，質(zhì)子交換膜和催化劑成本約占電堆成本的50%，雙極板成本約占電堆成本的40%。氫燃料電池使用鉑族金屬作為催化劑，其價(jià)格昂貴。不同汽車(chē)購(gòu)車(chē)成本和運(yùn)營(yíng)成本比較見(jiàn)表2[8]。通過(guò)比較可見(jiàn)，氫燃料電池汽車(chē)的綜合成本最高。

表2 各類(lèi)購(gòu)車(chē)及運(yùn)營(yíng)成本比較（2016年實(shí)際價(jià)格水平）

5 車(chē)用氫燃料電池發(fā)展趨勢(shì)

目前車(chē)用氫燃料電池技術(shù)存在應(yīng)用成本高、基礎(chǔ)設(shè)施配套不完善及建設(shè)成本高、制氫能耗高和對(duì)環(huán)境污染大、政策引導(dǎo)不夠等問(wèn)題，極大制約了其商業(yè)化推廣與應(yīng)用。未來(lái)車(chē)用氫燃料電池技術(shù)及其相關(guān)發(fā)展方向，主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

1）提高氫燃料電池性能和壽命，進(jìn)一步降低燃料電池的成本。目前我國(guó)車(chē)用質(zhì)子交換膜燃料電池的使用壽命一般為2 500 h～3 000 h[10]，計(jì)劃到2025年，乘用車(chē)用質(zhì)子交換膜燃料電池的運(yùn)行壽命均要達(dá)到6 000 h以上，燃料電池堆比功率達(dá)到2．5 kW/kg，冷啟動(dòng)溫度低于-40℃，材料成本為500元/kW。到2030年，乘用車(chē)用質(zhì)子交換膜燃料電池的運(yùn)行壽命均要達(dá)到8 000 h，燃料電池堆比功率達(dá)到3．0 kW/kg，冷啟動(dòng)溫度低于-40℃，材料成本為150元/kW。

2）氫燃料電池模塊化和系列化發(fā)展，實(shí)現(xiàn)不同車(chē)輛對(duì)燃料電池功率等級(jí)的需求。

3）氫燃料電池汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)混合化，可以有效提高燃料電池壽命，降低車(chē)輛成本。美國(guó)、德國(guó)、日本燃料電池客車(chē)功率從120 kW～200 kW，都配有鋰電池，續(xù)駛里程為300 km左右，耐久性平均達(dá)到10 000 h。

4）配套設(shè)施（制氫、儲(chǔ)氫、加氫）等全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)提升，加氫站形成網(wǎng)絡(luò)化，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)建立和完善，如電池、電堆，氫能及基礎(chǔ)設(shè)施、氫燃料電池汽車(chē)等標(biāo)準(zhǔn)。

5）減小制氫污染、降低制氫能耗。2017年中國(guó)石化集團(tuán)公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院研究報(bào)告關(guān)于CNG汽車(chē)、燃油汽車(chē)、電動(dòng)汽車(chē)與氫燃料電池汽車(chē)全生命周期CO2排放比較，表明車(chē)用氫燃料電池在使用中對(duì)環(huán)境零排放，但所用的高純氫制取過(guò)程所產(chǎn)生的CO2排放最高【8】。

6）加大對(duì)燃料電池汽車(chē)的扶持政策。2014年日本豐田“未來(lái)”車(chē)在日本國(guó)內(nèi)售價(jià)為700萬(wàn)日元（約合40萬(wàn)元人民幣或6．86萬(wàn)美元），日本政府將對(duì)每輛汽車(chē)補(bǔ)貼202萬(wàn)日元，價(jià)格仍偏高。2018年2月，我國(guó)由財(cái)政部、工業(yè)和信息化部、科技部、發(fā)展改革委共同印發(fā)的《四部委關(guān)于調(diào)整完善新能源汽車(chē)推廣應(yīng)用財(cái)政補(bǔ)貼政策的通知》中明確燃料電池汽車(chē)補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)，即燃料電池乘用車(chē)按照搭載燃料電池系統(tǒng)的額定功率補(bǔ)貼6 000元/kW，燃料電池輕型客車(chē)、貨車(chē)定額補(bǔ)貼上限30萬(wàn)元/輛，大中型客車(chē)、中重型貨車(chē)定額補(bǔ)貼上限50萬(wàn)元/輛，并制定了燃料電池汽車(chē)技術(shù)要求。2018年2月，上海市規(guī)定大于8 m長(zhǎng)的燃料電池客車(chē)與重型卡車(chē)可以獲得中央政府50萬(wàn)元和上海地方政府60萬(wàn)元，總計(jì)110萬(wàn)元人民幣的補(bǔ)貼。

6 結(jié)語(yǔ)

面對(duì)能源轉(zhuǎn)型與降低汽車(chē)大氣污染物排放的迫切需求，氫燃料電池汽車(chē)已成為燃料電池技術(shù)應(yīng)用的重要領(lǐng)域。隨著車(chē)用氫燃料電池技術(shù)逐步成熟與完善，以及各國(guó)政府從政策上大力支持，氫燃料電池汽車(chē)已在全球逐漸得到應(yīng)用。然而，進(jìn)一步降低氫燃料電池汽車(chē)的成本、提升車(chē)用氫燃料電池性能、提高車(chē)用氫燃料電池壽命，達(dá)到商用量產(chǎn)普及的程度還有很長(zhǎng)的路要走。

歐洲、美國(guó)和日本的車(chē)用氫燃料電池及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)技術(shù)始終列于世界先進(jìn)水平，與上述先進(jìn)國(guó)家相比較，我國(guó)差距仍較大。伴隨相關(guān)政策的出臺(tái)，我國(guó)將發(fā)展氫燃料電池汽車(chē)，將其相關(guān)產(chǎn)業(yè)提升到一定高度。因此，建立以低碳排、低污染的氫燃料電池能量轉(zhuǎn)化技術(shù)新體系是我國(guó)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展目標(biāo)。