陳專(同濟(jì)大學(xué))

【摘要】綜述了燃料電池電動(dòng)汽車商業(yè)化存在的9個(gè)方面的問(wèn)題，這些問(wèn)題解決的程度和速度，關(guān)系到燃料電池電動(dòng)汽車商業(yè)化的時(shí)間問(wèn)題。這些問(wèn)題可以分為兩類：性能與成本問(wèn)題和燃料供應(yīng)與基礎(chǔ)設(shè)施問(wèn)題。介紹了解決這些問(wèn)題的方法以及與此相關(guān)的研究方向和熱點(diǎn)。

0引言

早在1839年，利用氫氣作為燃料發(fā)電的燃料電池就被人類發(fā)明了。然而，在很長(zhǎng)的一段時(shí)間里面，燃料電池技術(shù)的發(fā)展都很緩慢。直到20世紀(jì)60年代初期在太空科技發(fā)展的推動(dòng)下，才開(kāi)始了燃料電池技術(shù)的高速發(fā)展。

在人類進(jìn)入21世紀(jì)后的今天，環(huán)境污染的日益嚴(yán)重以及石油資源的日益短缺，迫切需要人類盡早實(shí)現(xiàn)燃料電池電動(dòng)汽車的商業(yè)化，以解決環(huán)境污染和石油短缺的問(wèn)題。需要說(shuō)明的是，驅(qū)動(dòng)燃料電池電動(dòng)汽車商業(yè)化的最大動(dòng)力是來(lái)自環(huán)境的壓力，能源短缺的問(wèn)題其次。

1燃料電池電動(dòng)汽車商業(yè)化存在的問(wèn)題

經(jīng)過(guò)近20多年的高速發(fā)展，質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)取得了巨大的進(jìn)步，成功地解決了很多問(wèn)題。但是要想實(shí)現(xiàn)質(zhì)子交換膜燃料電池電動(dòng)汽車的商業(yè)化，還有很多關(guān)鍵問(wèn)題需要解決。

(1)開(kāi)發(fā)高性能低成本的雙極板，提高電池組的體積比功率；

(2)開(kāi)發(fā)高性能低成本的質(zhì)子交換膜，提高燃料電池系統(tǒng)工作溫度；

(3)開(kāi)發(fā)陰極新觸媒，以降低過(guò)電位、增加交換電流密度，降低成本；

(4)提高燃料電池電動(dòng)車的環(huán)境適應(yīng)性，如低溫啟動(dòng)性能；

(5)提高燃料電池電動(dòng)車的安全性；

(6)資源再循環(huán)利用問(wèn)題，如催化劑的再利用；

(7)氫氣的來(lái)源問(wèn)題，如何經(jīng)濟(jì)地制造氫氣；

(8)氫氣的儲(chǔ)存問(wèn)題，如何提高燃料電池電動(dòng)汽車的續(xù)航能力。

(9)加氫站的建設(shè)問(wèn)題，解決燃料電池電動(dòng)汽車的加氫問(wèn)題。

這些問(wèn)題可以分為兩類：一類是性能與成本的問(wèn)題(1～6)；二是燃料供應(yīng)與基礎(chǔ)設(shè)施問(wèn)題(7～9)。

1.1性能與成本問(wèn)題

要想實(shí)現(xiàn)燃料電池電動(dòng)汽車的商業(yè)化，必須使燃料電池電動(dòng)汽車的性能相當(dāng)于甚至優(yōu)于現(xiàn)在的內(nèi)燃機(jī)汽車，同時(shí)價(jià)格與現(xiàn)在的內(nèi)燃機(jī)汽車價(jià)格持平甚至比其更低。毫無(wú)疑問(wèn)，現(xiàn)在燃料電池電動(dòng)汽車成本如此高的主要原因在于燃料電池系統(tǒng)本身的成本太高。目前，燃料電池制造成本已經(jīng)降至數(shù)百美元/kW左右。但是，燃料電池電動(dòng)汽車應(yīng)用成本的目標(biāo)是50美元/kW，距離還很大。如何提高燃料電池性能與降低其制造成本是燃料電池電動(dòng)汽車商業(yè)化的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

在燃料電池系統(tǒng)中，無(wú)孔石墨雙極板的費(fèi)用(包括石墨板材料的費(fèi)用以及流場(chǎng)結(jié)構(gòu)加工費(fèi)用)占了整個(gè)燃料電池系統(tǒng)成本的50%以上。無(wú)孔石墨板的優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)電性好、質(zhì)量輕、耐腐蝕。缺點(diǎn)是機(jī)械強(qiáng)度低、不易加工、難以薄片化(現(xiàn)有水平是1.5～5mm)，與之相比，金屬雙極板僅需用100μm厚就可以達(dá)到相同的強(qiáng)度。而且，在石墨板上機(jī)械加工流場(chǎng)的難度很大，也導(dǎo)致其費(fèi)用很高。如今，世界各國(guó)都在研究改用金屬板或復(fù)合板作為燃料電池的雙極板，采用金屬板和復(fù)合板不僅能夠大幅度降低其材料的成本，降低加工流場(chǎng)的難度，而且還可以采用大量生產(chǎn)技術(shù)，達(dá)到降低成本和提高電池組的體積比功率的目的。

質(zhì)子交換膜占燃料電池系統(tǒng)中第二高成本?，F(xiàn)在，光質(zhì)子交換膜的費(fèi)用就將近50美元/kW?，F(xiàn)在廣泛采用的全氟磺酸型膜的工作溫度極限為85℃，大大限制了燃料電池電堆的使用溫度。為保證大功率燃料電池的正常工作，必須用電池產(chǎn)生能量的51%用于冷卻燃料電池系統(tǒng)，移走所產(chǎn)生的熱量，這樣大大地降低了燃料電池的比功率。提高質(zhì)子交換膜所用高分子材料的使用溫度，提高燃料電池電堆的使用溫度，已成為質(zhì)子交換膜燃料電池電動(dòng)汽車商業(yè)化的關(guān)鍵問(wèn)題。

催化劑鉑的用量已經(jīng)從20世紀(jì)80年代時(shí)的4mg/cm2降到目前的0.2～0.4mg/cm2。所以，鉑用量已經(jīng)不再是燃料電池系統(tǒng)的主要成本了。但是，鉑是人工無(wú)法合成的元素，而且是非常匱乏、昂貴的元素，當(dāng)燃料電池廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車的時(shí)候，可能會(huì)引起鉑來(lái)源不充分而漲價(jià)的問(wèn)題。所以，尋求鉑的替代物以及完善鉑的回收技術(shù)也是燃料電池商業(yè)化的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

低溫啟動(dòng)性能和安全性是燃料電池電動(dòng)汽車商業(yè)化的另外兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。要想實(shí)現(xiàn)燃料電池電動(dòng)汽車的商業(yè)化，必須將低溫啟動(dòng)溫度降低到-20℃以下，這樣才能滿足絕大部分地區(qū)用戶的需要。安全性方面，必須盡快制定新的安全評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，確保燃料電池電動(dòng)汽車的安全性能與現(xiàn)在的汽車同樣出色。

1.2燃料供應(yīng)與基礎(chǔ)設(shè)施問(wèn)題

要想實(shí)現(xiàn)燃料電池電動(dòng)汽車的商業(yè)化，燃料(氫氣)的供應(yīng)和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)問(wèn)題必須得到同步解決。設(shè)想燃料電池電動(dòng)汽車本身性能和成本都滿足商業(yè)化要求，但是無(wú)法解決燃料供應(yīng)和基礎(chǔ)設(shè)施配套的問(wèn)題，那么燃料電池電動(dòng)汽車也將失去燃料來(lái)源，燃料電池電動(dòng)汽車的商業(yè)化依舊不可能實(shí)現(xiàn)。

盡管現(xiàn)在有部分燃料電池電動(dòng)汽車采用現(xiàn)場(chǎng)制氫的方式，但是燃料電池電動(dòng)汽車最終采用的方式應(yīng)該是純氫直接供應(yīng)。因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)制氫的方式結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，且不能達(dá)到真正的零排放，只能是一種過(guò)渡手段。

氫氣是一種與石油性質(zhì)完全不同的物質(zhì)。所以，氫氣的來(lái)源、運(yùn)輸供應(yīng)、儲(chǔ)存和加注就成了燃料電池電動(dòng)汽車商業(yè)化發(fā)展的重要問(wèn)題。這些問(wèn)題的解決，在很大程度上比燃料電池電動(dòng)汽車的性能和成本問(wèn)題更關(guān)鍵，也更難。

如果燃料電池電動(dòng)汽車實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，氫氣的供應(yīng)也將是大量的，如何解決氫氣的來(lái)源問(wèn)題，以及如何用最經(jīng)濟(jì)和最環(huán)保的方法制取氫氣是關(guān)鍵技術(shù)。氫的來(lái)源很多，現(xiàn)在主要采用的是通過(guò)化石燃料的重整來(lái)制取，這并沒(méi)有完全擺脫對(duì)傳統(tǒng)燃料的依賴，且依舊會(huì)產(chǎn)生污染氣體。在未來(lái)，利用太陽(yáng)能和核能制氫、生物制氫是重點(diǎn)發(fā)展方向，這也是現(xiàn)在各國(guó)研究的熱點(diǎn)。

燃料電池電動(dòng)汽車商業(yè)化的另一個(gè)難題是如何在車上安全地、高效地儲(chǔ)存氫氣，保證車輛有足夠的續(xù)航里程。目前主要的儲(chǔ)氫方法有高壓儲(chǔ)氫、液態(tài)儲(chǔ)氫、金屬氫化物儲(chǔ)氫和吸附儲(chǔ)氫。這些方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，如何提高高壓儲(chǔ)氫系統(tǒng)的體積儲(chǔ)氫密度；如何解決液氫的汽化問(wèn)題和成本問(wèn)題；如何提高金屬氫化物儲(chǔ)氫的重量密度問(wèn)題等是決定燃料電池電動(dòng)汽車商業(yè)化的關(guān)鍵技術(shù)之一。

如果說(shuō)解決上述問(wèn)題主要靠研究開(kāi)發(fā)的話，那么，基礎(chǔ)建設(shè)的問(wèn)題則主要靠國(guó)家政策的支持。加氫站的投入是巨大的，沒(méi)有哪家公司能夠單獨(dú)承擔(dān)建設(shè)大量加氫站的費(fèi)用，只有國(guó)家在經(jīng)濟(jì)政策上給予一定的投入加上各大能源公司之間通力合作，加氫站的大量建設(shè)才有可能實(shí)現(xiàn)，從而燃料電池電動(dòng)汽車的商業(yè)化才能大規(guī)模地實(shí)現(xiàn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)在建造能加相當(dāng)于100萬(wàn)桶石油的加氫站的費(fèi)用是約1000億美元，而這僅能滿足美國(guó)現(xiàn)有汽車10%的需求，可見(jiàn)建造加氫站的費(fèi)用是巨大的。

在美國(guó)和歐洲，加氫站建設(shè)的法規(guī)在前幾年就已經(jīng)成型了，我國(guó)也正在積極地做相關(guān)的工作。

2結(jié)語(yǔ)

毫無(wú)疑問(wèn)，燃料電池電動(dòng)汽車的商業(yè)化只是時(shí)間問(wèn)題，這項(xiàng)汽車工業(yè)的技術(shù)革命遲早要來(lái)。如今，世界各國(guó)政府(特別是西方發(fā)達(dá)國(guó)家和日本)、汽車公司和能源企業(yè)都投入了重金加速推進(jìn)燃料電池電動(dòng)汽車商業(yè)化。即便現(xiàn)在處在財(cái)政困境中的通用汽車公司，每年也拿出了數(shù)億美元在做燃料電池電動(dòng)汽車的研發(fā)，可見(jiàn)其對(duì)燃料電池電動(dòng)汽車的重視。在這種情況下，我國(guó)企業(yè)要想不被落下，現(xiàn)在也必須投入相應(yīng)的人力和資金進(jìn)行相關(guān)研發(fā)。不然的話，在我們快掌握了傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車技術(shù)的時(shí)候，我們又在另一項(xiàng)技術(shù)上落后于世界了。

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