燃料電池技術是一種先進的清潔能源技術，燃料電池能夠將燃料的化學能直接轉化為電能，伴隨高效率、無污染和長壽命等特點。此外，燃料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。燃料電池根據電解質的類型劃分為質子交換膜燃料電池(PEMFC)、堿性燃料電池(AFC)、磷酸燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)和固態氧化物燃料電池(SOFC)等。相對于其他類型的燃料電池，PEMFC因其能量轉換率高(40%～60%)，工作溫度低和比功率高等優勢被廣泛應用。

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電池應用于軍事領域；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為主的燃料電池并應用于汽車領域；1992年，各國汽車制造商在政府的支持下開始研發燃料電池汽車，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，奔馳公司生產了燃料電池汽車NECAR1，這也是世界上第1輛燃料電池汽車；隨后，美國、日本、韓國相繼推出其燃料電池概念車以及量產車。我國對燃料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”電動汽車重大科技專項、“十一五”節能與新能源汽車重大項目、“十二五”電動汽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注重技術的研究，但相對于燃料電池電動車的研究，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突破；燃料電池電池衰減機理正在分析等。2009年，美國奧巴馬政府實施經濟刺激計劃中，包括燃料電池在內的先進能源技術投入資金為3億美元；2011年對氫能及燃料電池技術項目的預算為1.37億美元；2012年美國加州對燃料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家燃料電池電動汽車制造商于加州提供燃料電池汽車（Fuel cell vehicles，FCV）銷售和租賃服務，2012年8月，奧巴馬政府實施新的激勵機制，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電池技術的政策。為了鼓勵公眾企業使用燃料電池，根據美國燃料電池和氫能協會（FCHEA）發布的2016年美國燃料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”，確定了各階段燃料電池汽車在成本、性能、壽命等方面的指標。2014年4月，日本內閣會議通過“能源基本計劃”，明確將氫氣作為未來二次能源的核心位置 。日本政府計劃到2020年確保有4萬輛燃料電池電動汽車上路，2025年實現20萬輛的目標，到2030年實現驚人的80萬輛的目標。歐盟對氫能和燃料電池研發與推廣的支持主要通過框架計劃（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、氫能的最終應用、高溫PEMFC、SOFC、便攜式燃料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）的目的是突破燃料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，燃料電池技術頻繁地應用于固定發電，為公共設施、居民生活區、工廠等區域進行供電，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，增加了能量效率，降低了消費者對電網的依賴。

我國對燃料電池的研究較早，“七五”計劃期間研究直接甲醇燃料電池（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，國內集中研究燃料電池的種類和主要組件，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電池電動汽車及系統集成技術。隨著燃料電池關鍵技術和材料的突破，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企業共有近200 輛燃料電池電動汽車在上海世博園區進行示范運行。我國的燃料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），面臨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，為研發燃料電池汽車積累了寶貴的經驗，同時，對零部件供應鏈的培育也趨于穩定，整車性能和可靠性明顯提高。在后期發展中，整車企業和研發機構將重心轉移至改善燃料電池的耐久性和降低生產成本。國內車企先后于2014年推出首款量產氫燃料電池汽車（榮威950），氫燃料電池客車（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《中國制造2025》，該行動綱領中提出燃料電池汽車是國內未來重點發展的方向。


燃料電池技術以及燃料電池電動汽車經過一百多年的研究和實際應用，在技術上已經積累了較多的經驗，燃料電池產業化的腳步也越來越近[7]。2009年9月，戴姆勒、通用、福特、豐田、本田、日產和現代7大整車企業聯合簽名表示繼續發展燃料電池電動汽車。國外的整車企業做好了燃料電池產業化的準備，而我國的燃料電池電動汽車大部分仍停留在汽車行業、研發部門，燃料電池技術在國內也并未對周圍的環境，提升能源利用效率、改善能源結構等產生影響。種種跡象表明，仍有許多因素影響我國燃料電池產業化的步伐。

二、質子交換膜燃料電池基礎

1839年，英國科學家Grove首次提出了燃料電池的原理。燃料電池是一種能夠持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直接轉化為電能的裝置，如圖2所示。只要連續不斷地向燃料電池兩極輸入燃料和氧化劑，燃料電池就會持續的工作，即不斷的提供電能，這也是與鋰離子電池的區別。燃料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

根據圖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、集流板等主要組件。燃料電池電動汽車是基于燃料電池系統提供的動力驅動，而燃料電池系統中的核心零部件為電堆，即通過將單片燃料電池集成于一體，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產生影響。在20世紀60年代，美國國家航空航天局（NASA）首次將PEMFC應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應用。我國雖對上述零部件有較大的研究進展，包括燃料電池電催化劑、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突破，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生產工藝，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。


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電池的分類。在以上燃料電池中，以PEMFC的應用范圍最廣，研究最為成熟。如表1所示，PEMFC具有燃料電池的通性，如轉換效率高、噪音小、無污染等優點；通過集成單片燃料電池形成電堆，以實現輸出高電壓、強電流密度的特點[12]。PEMFC的應用主要集中在3個方面：①固定領域，為公共場所提供熱能和電力，分散式發電；②便攜式領域，應用于便攜式電子設備和通信設備以及高精密儀器；③運輸領域，為運輸工具供應電力，如圖3所示。

表1 燃料電池與傳統發動機的對比


除了燃料電池電堆本身的結構影響，其燃料也會對燃料電池產生影響。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，主要有其他物質加工產生。常見的富氫物質有水、石油、天然氣和各種生物質等。常見的制氫方法有：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。燃料電池作為清潔能源裝置，同時對燃料來源也有要求，上述方法在不同程度上仍會對環境產生影響，僅是將傳統內燃機的尾氣排放調至燃料的生產階段而已。在這個過程中，燃料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、太陽能也可以產生電力分解水，而這個過程是綠色無污染的。

三、燃料電池產業化影響因素

PEMFC產業化在國內外面臨著相同的問題，即降低燃料電池的成本、提高燃料電池的效率和增強燃料電池耐久性。圖4為美國阿貢國家實驗室PEMFC系統模型，可以看出，通常將燃料電池單體按照一定的方式組合成燃料電池電堆，并配置相應的輔助設備，同時在燃料電池控制單元的控制下，實現燃料電池的正常運行，電堆和輔助系統共同構成了燃料電池系統。輔助系統主要包括空壓機、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主要有以下幾個方面：①電堆是燃料電池系統的主要元件，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，它是電堆的主要部件；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增加，電堆的電流密度也會隨之增加；當接觸面積增加到一定程度后，電流密度不再增加；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，質子交換膜的性能直接影響整個電堆的性能。常用質子交換膜以美國DuPont公司生產的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，提供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析，氫能問題仍需值得關注。在“質子交換膜燃料電池基礎”提到氫氣的制備方法，關于氫氣的儲存和運輸，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

加氫站是給燃料電池汽車提供氫氣的基礎設施。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提供加氫服務。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進燃料電池電動汽車的普及。

2.儲氫

儲氫是在氫氣的運輸以及車載氫氣需要結構安全、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需要結構安全、符合國際國家標準的儲氫裝置。傳統儲氫方法有2種，一種方法是利用高壓鋼瓶（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；另一種方法是儲存液態氫，但液體儲存容器非常龐大，需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方法應運而生，即利用儲氫合金（金屬氫化物）來儲存氫氣。事實證明，高壓儲氫相對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，同時也非常注重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主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發布以來，我國已有20年有關氫能標準化的歷史，已發布的標準包括產品、安全使用、氫氧站設計、制氫儲氫等方面的測試方法和技術條件等國標和行標。

2017年，我國集中公布了一批標準法規，其中包括8項氫能領域的標準。我國已初步建立氫能標準體系，燃料電池氫能相關標準體系也在完善過程中。

美國U.S. DRIVE Partnership在其燃料電池技術路線圖中，針對燃料電池電堆和系統的現狀作了整理和分析，如圖4.2所示。可以發現，系統的耐久性和系統成本仍未達到目標要求（圖5）。歐洲對燃料電池電動客車的壽命要求是質保15年，換算后燃料電池需達到50 000h，日本豐田也提出在商用車領域2025年燃料電池壽命要求也是50 000h。這意味著長壽命的目標對電堆結構和系統控制提出了嚴格的要求。另外，還需考慮燃料電池電動汽車在低溫、高溫、高壓下的壽命需求。即使是時至今日，燃料電池的成本和耐久性仍是阻礙燃料電池產業化的主要問題。在此基礎上，關于氫能的普及和基礎設施建設也是燃料電池產業化面臨的最現實的問題之一。


四、燃料電池產業化解決方案

燃料電池的耐久性與成本看似是矛盾關系，提高燃料電池的耐久，間接提高了燃料電池的成本；反之，降低了燃料電池的成本，也將影響燃料電池的壽命。豐田之所以可以降低燃料電池的生產成本，一方面得益于電堆中催化劑使用量已下降至此前水平的1/3；另外一方面得益于碳纖維材料在儲氫容器中的應用。關于氫能基礎設施的建設、法規完善亦是迫在眉睫。筆者從多個角度嘗試為燃料電池產業化提供相應建議，思路如下：

1.降低燃料電池成本的途徑：

在燃料電池電動汽車的成本中，燃料電池系統和車載儲氫系統分別占比約為63%和8%。燃料電池系統的關鍵成本在電堆和輔助系統2個部分。而電堆的核心在于催化劑和質子交換膜；輔助系統側重于零部件及供應鏈體系，如空氣壓縮機、膜增濕器和供氫系統相關的閥件等。在產業化的背景下，電堆和輔助系統零部件的成本均會下降。但在當前，國內尚未達到產業化批量化生產、供應鏈體系尚未成熟、系統相關的法規標準尚未完善的背景下，上述系統成本依然會維持短期內相對高價的狀態。

①在維持電堆正常輸出的前提下，降低催化劑中的鉑含量。當前豐田在其Mirai車型中鉑含量為20g/輛，為鉑含量最少的車型，比上一代Mirai降低了90%的用量，整車成本較之2008年豐田FCHV-adv降低了95%；或采用非鉑催化劑替代原有貴金屬催化劑，鉑催化劑在燃料電池系統啟停期間已被損壞、發生鉑溶解現象，進而加速燃料電池衰減。使用非鉑催化劑可以避免復雜的MEA加工過程、催化劑中毒現象，也可以降低電堆成本。

②改善催化劑的中毒問題，提高材料和電堆的穩定性。在電堆內的電化學反應過程中，由于鉑催化劑提供反應活性位點促進氫氣和氧氣的電化學反應，一氧化碳和其他雜質氣體極易吸附在催化劑表面，降低反應活性面積，從而影響電堆效率和穩定性。防中毒現象可以從2方面做起：（a）進入電堆的空氣需過濾分離處理，但部分雜質氣體密度近似空氣密度，操作難度大，成本高，該舉措得不償失；（b）優化催化劑結構和性能或使用非鉑催化劑，該方法需要技術有所突破，國內外已有實驗室開發出新型催化劑，對于能否車載使用亟待驗證。

③質子交換膜國產化，并在性能上有所突破。國內現有電堆壽命最高可達到5000 h，國際上電堆壽命達到18 000 h，國內外差距較大。質子交換膜的研發成本較高、設計路線復雜，而且研發周期較長。電堆壽命與質子交換膜緊密相關，需要國內產學研緊密結合制備高性能質子交換膜。

④催化劑載體的自主化，常見載體為碳紙，可為催化劑提供附著位點，有提高結構的穩定性。國產化載體亦可降低成本。

⑤雙極板的成本批量化后會明顯降低，在燃料電池產業化前仍會長期處于間歇性多型號高價供貨階段，日本和韓國整車企業采用金屬材質雙極板代替歐美國家流行的石墨材質的雙極板，使得電堆厚度在復合結構極板的基礎上降低1/3，間接地使電堆輕量化，實現降低成本的目的。

⑥培育完整、成熟的供應鏈；市場證明，批量化或商業化的產品生產成本會明顯低于小批量或樣品的成本。批量化生產的優勢對于燃料電池系統供應鏈依然如此。日本豐田燃料電池電動汽車的量產伴隨著相應成熟的供應鏈體系，同時促進燃料電池產業的發展和壯大。當前，我國成熟的燃料電池產業鏈尚未完全形成，各大整車企業仍處于前期預研和樣車試制階段。雖有小部分企業具有量產的能力，但配套的供應鏈亦存在參差不齊的現象。供應鏈體系應同燃料電池產業一同發展，既可相互依靠支撐，也可以降低生產成本。

⑦具有穩定的、成熟的工藝生產路線。各零部件的生產工藝受限于規模小的緣故，使得配套零部件生產成本較高，同時零部件的技術條件仍不能滿足部分系統需求，零部件的加工定制無形中增加了系統成本。

2.提高燃料電池耐久性的途徑：

燃料電池耐久性面臨著長時間工作、復雜的城市路況、季節變化以及大氣質量的影響。燃料電池系統在怠速狀態和啟停狀態，電堆處于高電位狀態（＞0.85V），膜電極附近發生的電化學反應會產生雙氧水，在產物中也發現雙氧水的存在，雙氧水對膜電極有腐蝕作用，從而影響電堆壽命、加速衰減。復雜的城市路況，對于燃料電池系統而言意味著系統經受頻繁變換載荷，該過程仍會加速電堆壽命衰減。不僅僅大氣質量對燃料電池系統的耐久性有影響，環境溫度和海拔也會對其耐久性產生影響。為了提高系統的耐久性或者電堆的壽命，需要從上述幾個方面維持系統的穩定性，從而保證系統的耐久性。除此之外，還可以通過燃料電池系統中其他電器部件和控制策略部分進行優化，以及對系統狀態進行監控等措施，全方位地維持甚至提高燃料電池的耐久性。具體做法如下：

①在實驗的基礎上提高電催化劑的用量；電催化劑的含量可以改善電堆的使用壽命，但是隨著其含量的增加，其輸出的電流密度會趨于穩定，不再隨催化劑含量增加而增加。因此，需要經過實驗的優化，選擇適當的催化劑用量。

②分析燃料電池的壽命衰減機理；燃料電池壽命衰減影響因素較多，前文中分析的啟停怠速狀態、復雜的城市工況以及環境的變化均會影響其壽命。目前為止，關于燃料電池壽命的研究更多的是停留在高校實驗室研究階段。受限于燃料電池電動汽車的商業化，尤其是國內，對于汽車在各工況的測試、臺架測試以及相應的仿真分析，尚未建立有效的壽命衰減模型，以期實現預測燃料電池壽命。

③加強燃料電池電動汽車在各工況下的試驗，并分析解讀其數據。

④采用仿真技術模擬燃料電池壽命影響因素和衰減趨勢。

⑤嘗試從電堆結構角度優化結構組成提升其耐久性。

⑥從燃料電池系統角度優化控制策略提高壽命。

3.氫能的普及和基礎設施建設：

氫能、加氫站之于燃料電池電動汽車，與汽油/柴油、加油站之于燃油車，因此，普及氫能和修建加氫站對于燃料電池產業化的重要性不言而喻。氫氣的特殊性又與汽油存在差異，加氫站不會像加油站一樣普及。即使至今，在美國加州擁有世界上最大規模的燃料電池電動汽車，其加氫站也僅有35座。國內的加氫站數量僅能滿足燃料電池電動車示范運行的需要，遠遠不能滿足燃料電池市場化的規模。故對此有如下建議：

①完善國內對氫能標準和法規的建設；2國家政府鼓勵支持加氫站的建設；3加強“氫安全”的宣傳；④強調綠色制氫的方法，逐漸改善能源結構；⑤研發耐高壓的儲氫容器，并完善相關標準。

4.國家、企業和投資者的角度

我國雖在燃料電池及相關產業中取得階段性進展，與國外先進的燃料電池技術和整車水平相比，差距依然存在且明顯。雖然我國內整車企業經歷奧運會、世博會和新加坡運動會等示范運行項目，目前距離燃料電池產業化仍有諸多不足。在產業化的過程中，國家、企業和消費者仍有許多工作可以做，正如中國科學院大連化學物理研究所衣寶廉院士所言，燃料電池項目要真正形成一個整體，只有加強交流和合作，才能達到預期目標。

①國家應加大對燃料電池技術的研究投入，包括基礎科研領域、科研攻關項目和零部件國產化方面。

②國家政策應建立良好的氫能環境和燃料電池發展氛圍，即國家層面、借鑒國際經驗營造良好的氫環境，可以做到安全用氫，以此促進產業發展。此外，還應當指明國家對于氫能的發展路線、技術路線，引導科研機構開展高效研發等。

③國家加大對燃料電池行業的扶持和企業間的強強聯合。

④企業對燃料電池技術的研發可結合國家相關項目，可與高校、研究機構互相合作。

⑤企業注重燃料電池電動汽車在生產制造以及售后出現的問題，并對產品持續優化改進。

⑥適時引入社會資本，加強對加氫站等基礎設施的建設。

五、結語

在全球范圍內，燃料電池技術不斷有所突破，越來越多的燃料電池電動汽車進入市場，越來越多的國家接受這一清潔能源技術，并從國家層面自上而下的支持鼓勵發展這一新型技術。雖然燃料電池電動汽車并未向傳統燃油車一樣普及，綠色、高效的燃料電池技術、電動汽車終究會被公眾接受。目前而言，燃料電池產業化面對2大難題：成本和壽命，均會影響公眾對燃料電池電動汽車的接受程度。新材料、新技術以及量產化是解決成本和性能矛盾關系的最佳方案。筆者相信，在不遠的將來，隨著加氫站的普及和新材料技術的實現，燃料電池產業化終將到來。