上海氫燃料電池展獲悉，中國氫燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展蓬勃有力，目前國內(nèi)多家企業(yè)已擁有氫燃料電池量產(chǎn)能力，并相繼開展了規(guī)?；瘧?yīng)用，推出的氫燃料電池產(chǎn)品性能指標(biāo)與國際先進(jìn)水平不相上下。在產(chǎn)業(yè)如火如荼發(fā)展的同時，也要認(rèn)識到我國氫燃料電池技術(shù)水平與發(fā)達(dá)國家還存在差距，實現(xiàn)其商業(yè)化應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展尚需進(jìn)一步努力。

1 氫燃料電池技術(shù)體系

氫燃料電池具備高效、低噪、零污染等技術(shù)優(yōu)勢，與傳統(tǒng)干蓄電池相比，其體系更為復(fù)雜，由膜電極組件(MEA)、雙極板(BPs)及系統(tǒng)部件等組成。

1.1 膜電極組件

膜電極組件(MEA)是電池中H2和O2電化學(xué)反應(yīng)的場所，對于燃料電池的整體性能起到?jīng)Q定性作用，其主要由質(zhì)子交換膜(PEM)、催化層、氣體擴散層(GDL)及密封邊框等材料組成(圖1)。膜電極制備方法的發(fā)展前后歷經(jīng)3次革新：熱壓法(GDE)、直接噴涂法(CCM)及有序化制備MEA技術(shù)。GDE和CCM法是當(dāng)下主流的膜電極制備技術(shù)，具備高催化利用率的同時，可有效降低接觸電阻和電荷轉(zhuǎn)移造成的極化，大幅提升電池性能。有序化膜電極是第三代膜電極制備技術(shù)，除兼具前兩者的優(yōu)點外，還能顯著降低Pt載量，提升膜電極的耐久性。然而，有序化膜電極技術(shù)目前仍不成熟，距商業(yè)化生產(chǎn)還有較大距離。

1.1.1 PEM

PEM具有傳導(dǎo)質(zhì)子、隔絕電子和隔離氫氧氣體等特性，對電池性能和壽命有決定性影響。PEM可有效彌補傳統(tǒng)陽離子交換膜的短板：①高質(zhì)子電導(dǎo)率、對水分子電滲透性能低;②化學(xué)穩(wěn)定性好;③干濕轉(zhuǎn)換性能好、尺寸變化率低、機械強度高;④可加工性好、價格適中。由于質(zhì)子交換膜制備工藝復(fù)雜、技術(shù)要求高，美國、日本等少數(shù)廠家長期壟斷了市場，在關(guān)鍵技術(shù)和原料供應(yīng)上均占絕對優(yōu)勢。未來質(zhì)子交換膜將在材料、改性、無加濕技術(shù)等領(lǐng)域不斷突破，但由于投入成本居高不下，如何最大化降本增效是PEM今后的重點發(fā)展方向。

1.1.2 催化層

現(xiàn)階段常用的氫燃料電池催化劑有Pt、Pt改性及非Pt基催化劑等，由于非Pt基催化劑的活性較差，發(fā)展相對滯后。Pt或Pt改性催化劑(PtM)由于強催化活性、高納米分散性、高耐久性等優(yōu)勢，已步入商業(yè)化應(yīng)用階段，其催化劑結(jié)構(gòu)見圖2。目前國內(nèi)鉑基催化劑產(chǎn)業(yè)已初具規(guī)模，其中國家電投氫能、擎動科技、濟平新能源等企業(yè)已形成自主化產(chǎn)品，并已在批量化的氫燃料電池產(chǎn)品上獲得應(yīng)用。

1.1.3 GDL

GDL的主要功能為電流傳導(dǎo)、散熱及反應(yīng)物供給等，其不僅具備強導(dǎo)電性和熱穩(wěn)定性，同時還兼具較好的柔韌性和表面平整性，是決定催化層活性的關(guān)鍵因素。GDL還是氫燃料電池的控水系統(tǒng)，利用對水的有效管控，可大幅改善燃料電池的經(jīng)濟性和耐久性。此外，氣體擴散層的表面平整性和厚度對系統(tǒng)傳熱和傳質(zhì)的影響較大，是導(dǎo)致氫燃料電池體系濃差極化的主要原因。目前，人們大多采用減厚的方法來彌補濃差極化的問題，但由于受機械強度及柔韌性等因素的影響，效果欠佳。如何研制出孔結(jié)構(gòu)均勻、親憎水性能合理及高強度的GDL材料是未來該領(lǐng)域的主攻方向。

1.2 雙極板

雙極板的主要功能為支撐MEA、提供H2、O2和冷卻液的流體通道、收集電子、傳熱等。因此，雙極板具有強傳熱性、耐蝕性及熱膨脹系數(shù)，按材質(zhì)可劃分為石墨、金屬和復(fù)合材料雙極板三大類。當(dāng)前，石墨雙極板因其高耐蝕性和穩(wěn)定性的優(yōu)勢，生產(chǎn)規(guī)模最大，卻存在機械性能差、體積大及生產(chǎn)周期長、生產(chǎn)效率低等缺點。金屬雙極板較好地彌補了石墨雙極板面臨的瓶頸問題，已成為現(xiàn)階段主要的發(fā)展方向。但由于雙極板所用金屬材料塑性差、高溫特性活潑等原因，造成工業(yè)化批量生產(chǎn)難度大，發(fā)展進(jìn)程舉步維艱。基于此，諸多學(xué)者提出了復(fù)合材料雙極板技術(shù)。經(jīng)研究表明，復(fù)合材料雙極板具有耐腐蝕、體積小、重量輕等多重優(yōu)點，但由于價格昂貴、電導(dǎo)率低等技術(shù)壁壘，目前尚處于實驗室驗證階段。

1.3 輔助系統(tǒng)

氫燃料電池體系是一套相對復(fù)雜的裝置，由電堆和輔助體系(BOP)構(gòu)成。輔助系統(tǒng)對電堆內(nèi)反應(yīng)氣體的壓力流量、溫濕度環(huán)境和電力進(jìn)行精準(zhǔn)控制，主要設(shè)備包括空壓機、氫氣循環(huán)裝置、氫氣噴射器等。

(1)空壓機

空壓機被譽為氫燃料電池之肺，一般采用小型化無油空壓機，當(dāng)前離心式空壓機由于結(jié)構(gòu)緊湊、封閉性好且振動小等優(yōu)點，已成為主流。中國氫燃料電池空壓機發(fā)展很快，已很大程度上實現(xiàn)國產(chǎn)化。

(2)氫氣循環(huán)裝置

氫氣循環(huán)裝置是氫燃料電池的關(guān)鍵部件，主要由氫氣引射器和氫氣循環(huán)泵構(gòu)成，發(fā)揮著提高燃料利用效率、提升電堆性能等作用。國內(nèi)廠家很早便開始積極布局氫氣引射器相關(guān)產(chǎn)業(yè)，主要廠家有德燃動力、未來能源、浙江宏昇等。

(3)氫氣噴射器

氫氣噴射器是控制氫氣流量和壓力的裝置，一般采用脈寬調(diào)制(PWM)方波信號進(jìn)行控制。一個氫氣噴射裝置往往由多個噴射器并聯(lián)后串聯(lián)一個安全閥所構(gòu)成的總成，目前我國已基本實現(xiàn)氫氣噴射器國產(chǎn)化和自主化。

(4)DC/DC轉(zhuǎn)換器

DC/DC轉(zhuǎn)換器和控制器將氫燃料電池產(chǎn)生的能量傳遞給電機控制器(MCU)等，并有機分配燃料電池與鋰電池間的能量，達(dá)到最佳能效?，F(xiàn)階段國產(chǎn)氫燃料電池DC/DC轉(zhuǎn)換器已占據(jù)大部分市場，基本能滿足各個功率范圍的氫燃料電池系統(tǒng)需求，但芯片、電容等組件仍依賴進(jìn)口。

(5)加濕器

由于實現(xiàn)自增濕技術(shù)難度較大，大部分系統(tǒng)中加濕器仍是重要部件。受技術(shù)門檻高、市場需求度小等因素影響，加濕器的國產(chǎn)化進(jìn)程緩慢，美國博純、韓國科隆等國外企業(yè)仍然占據(jù)較大的市場份額。

2 氫燃料電池技術(shù)應(yīng)用

2.1 汽車領(lǐng)域

氫燃料電池汽車兼具無噪聲、無污染、動力高等特點，具有廣闊的應(yīng)用前景，其工作原理為：高壓儲氫瓶內(nèi)的H2通過供氫機組運輸至燃料電池體系，同空氣中的O2作用產(chǎn)生電能，進(jìn)而和輔助電源一起實現(xiàn)互補供電，再由電機帶動傳動裝置，驅(qū)動車輛前進(jìn)。從結(jié)構(gòu)上看，氫燃料電池汽車由儲氫罐、燃料電池組、驅(qū)動電機等構(gòu)成(圖3)。氫燃料電池汽車的先進(jìn)之處在于用氫燃料電池發(fā)動機代替常規(guī)驅(qū)動裝置，并額外增加了儲氫體系、加氫口和H2安全報警裝置。

1966年，全球首輛氫燃料電池汽車由美國通用公司設(shè)計完成，能夠提供32kW穩(wěn)定的功率輸出，拉開了氫燃料電池汽車開發(fā)的序幕。21世紀(jì)初期，氫燃料電池汽車的研發(fā)大旗被日韓接管，諸多國際著名汽車廠商相繼進(jìn)軍該領(lǐng)域的研發(fā)工作。但相較于國外，國內(nèi)氫燃料電池汽車僅有小批量采購訂單，屬于示范項目，加之積累的實際道路運行數(shù)據(jù)較少，尚未步入規(guī)模化商業(yè)運營階段。此外，國內(nèi)的氫燃料電池發(fā)動機基本用于商用車，乘用車方面僅形成了樣車，尚未有批量產(chǎn)品。

2.2 船舶領(lǐng)域

為了實現(xiàn)船舶的零碳和零污染，多種零碳船動力技術(shù)路線應(yīng)運而生，其中氫燃料電池具有無排放、無污染及續(xù)航長等特點，用于船舶有著獨特的優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在：①氫燃料電池的排放物僅為水，加之無高溫燃燒過程，不排放任何碳、氮、硫化物;②與鋰電池船舶相比，氫燃料電池船舶在續(xù)航方面優(yōu)勢顯著，且加注時間快;③能效轉(zhuǎn)換率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)動力裝置;④氫燃料電池輸出功率變化特性較快，對負(fù)載變化敏感，適用范圍更廣。

目前，美國、日本及歐盟等多個國家和地區(qū)在氫動力船舶領(lǐng)域開展了相關(guān)研究，如德國的氫燃料電池客船Hydra、日本研發(fā)的氫燃料電池賽艇“Energy Observer”號及美國的氫燃料電池客船“Water-Go-Round”號等。中國氫燃料電池船舶處于工程示范階段，2021年初，大連海事大學(xué)新能源船舶動力技術(shù)研究院牽頭，建造了中國第一艘氫燃料電池游輪“蟲湖”號通過試航，標(biāo)志著我國氫燃料電池在船舶動力上的實船應(yīng)用方面邁出關(guān)鍵一步。

2.3 航空領(lǐng)域

氫能航空被認(rèn)為是航空業(yè)未來實現(xiàn)污染物零排放和可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵，由于大型客機對于氫燃料電池能量密度、氫燃料儲存和加注以及氫安全的要求較高，短時間內(nèi)實現(xiàn)大型氫燃料電池飛機的應(yīng)用難度很大。而無人機由于經(jīng)濟、操作便利等特點，產(chǎn)業(yè)鏈越來越廣泛。氫燃料電池具有低噪、環(huán)保、續(xù)航長的特性，在無人機領(lǐng)域應(yīng)用空間廣闊。氫燃料無人機與其他類型動力系統(tǒng)相比，主要優(yōu)勢包括：①清潔、低碳、環(huán)保;②服役壽命和續(xù)航時間長;③加注時間短、生命周期內(nèi)性能衰減小;④無震動和噪聲、紅外信號低。

國內(nèi)已有較多的氫燃料電池?zé)o人機示范項目，包括英國Intelligent energy公司推出的djim100平臺氫燃料電池?zé)o人機、挪威Nordic Unmanned公司研發(fā)的BG-200氫燃料電池?zé)o人機及美國海軍2020年成功試飛的混合型無人機等。此外，德日韓等國也先后在氫動力無人機領(lǐng)域進(jìn)行了實踐。近年來，國內(nèi)許多院校、企業(yè)對氫燃料電池?zé)o人機開展了項目實踐，氫燃料無人機得以在巡航、警用、救援及氣象等領(lǐng)域取得應(yīng)用。

2.4 其他領(lǐng)域

現(xiàn)階段，我國開展了多項氫燃料電池在軌道交通車輛上的應(yīng)用研究和示范運營，其中以有軌電車的研究應(yīng)用最為成熟。2019年，我國首個氫動力有軌電車在廣東佛山市上線，拉開了中國氫燃料軌道交通車發(fā)展的序幕。此外，氫燃料電池兼具紅外信號差、無噪等優(yōu)勢，使其在軍事車輛領(lǐng)域也具有一定的應(yīng)用前景。隨著氫燃料電池技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，相信其應(yīng)用領(lǐng)域有望實現(xiàn)進(jìn)一步拓展。

3 氫燃料電池產(chǎn)業(yè)面臨的挑戰(zhàn)及對策

3.1 挑戰(zhàn)

作為新興產(chǎn)業(yè)，氫燃料電池與未來交通、航天、軍工等多項產(chǎn)業(yè)的發(fā)展關(guān)系密切，但在大規(guī)模普及與應(yīng)用方面仍面臨諸多的挑戰(zhàn)。

(1)從產(chǎn)業(yè)規(guī)模和市場環(huán)境層面分析，當(dāng)前氫燃料電池在航天和交通運輸領(lǐng)域的應(yīng)用尚處于試驗階段，未能形成大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。加之我國尚未建立全國性的氫燃料電池市場，跨省跨區(qū)域發(fā)展不均，產(chǎn)品消納“壁壘”突出。

(2)從技術(shù)設(shè)備層面分析，現(xiàn)有的航空、大型運輸車及巨型油輪發(fā)動機結(jié)構(gòu)不適合燃?xì)?，加之氫燃料燃燒時會產(chǎn)生過量的NOx，且易發(fā)生回火現(xiàn)象，難以實現(xiàn)氫的穩(wěn)定燃燒。

(3)從經(jīng)濟性層面分析，隨著相關(guān)技術(shù)的不斷成熟，氫燃料電池的研發(fā)成本不斷下降，但仍明顯高于鋰電池技術(shù)。加之氫燃料電池使用的主要材料為Pt等貴金屬，也相應(yīng)增大了氫燃料電池的研制和生產(chǎn)成本。

(4)從氫儲安全層面分析，車用、船用儲氫是限制其發(fā)展的主要難點，由于大型車輛與船舶續(xù)航長、氫氣耗量大，因此必須要統(tǒng)籌儲氫密度、安全性及儲氫成本間的平衡，研究出自適應(yīng)性的高性能儲氫體系。

(5)從行業(yè)發(fā)展層面分析，盡管我國燃料電池產(chǎn)業(yè)近年來取得了很大進(jìn)展，在關(guān)鍵材料部件方面仍存在“卡脖子”問題。氫燃料電池的關(guān)鍵材料進(jìn)口依存度高，未來需要盡快打破國外壟斷。

3.2 推動氫燃料電池發(fā)展的對策建議

3.2.1 建立健全頂層規(guī)劃、法規(guī)與政策體系

由國家牽頭，賦予氫燃料電池明確的戰(zhàn)略定位，并結(jié)合國情制定長期的發(fā)展意見和規(guī)劃。同時頒布相應(yīng)的法律法規(guī)和優(yōu)惠政策，鼓勵和刺激地方政府和企業(yè)，結(jié)合自身實情，制定具體、科學(xué)、有效的氫燃料電池發(fā)展路線。

3.2.2 加大氫燃料電池核心技術(shù)的研發(fā)

以掌握先進(jìn)氫燃料電池技術(shù)的大型企業(yè)為表率，圍繞核心業(yè)務(wù)，在工藝和技術(shù)方面加大研發(fā)力度，自主拓展研發(fā)氫燃料電池關(guān)鍵材料的解決方案，確保技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新與升級。多方位突破陸域、海域、航空等不同領(lǐng)域氫燃料電池的技術(shù)壁壘。

3.2.3 穩(wěn)步降低氫氣燃料使用成本

加大中央財政資金對氫燃料電池技術(shù)研發(fā)、成果轉(zhuǎn)化的資金支持和補貼力度。與研究機構(gòu)、高校等開展合作，共同研究核心降本技術(shù)，發(fā)展培育低成本化氫燃料電池技術(shù)。

3.2.4 夯實氫燃料儲存和安全監(jiān)測系統(tǒng)

建立完整的氫氣監(jiān)控體系和安全輔助裝置，在確保氫燃料電池安全運行的同時，對系統(tǒng)進(jìn)行過溫過壓保護(hù)，做到一旦發(fā)生預(yù)警，迅速切斷電源，進(jìn)而阻止事故發(fā)展，從源頭上把控氫氣使用的安全性和穩(wěn)定性。

3.2.5 加強優(yōu)勢研發(fā)資源和產(chǎn)業(yè)資源的整合

統(tǒng)籌協(xié)調(diào)政府、地區(qū)、企業(yè)間的不同優(yōu)勢，廣泛調(diào)動交通、軍工等不同領(lǐng)域的力量共同推動氫燃料電池規(guī)?；l(fā)展目標(biāo)的實現(xiàn)。同時利用現(xiàn)有的氫燃料電池實用性技術(shù)，與其他氫動力技術(shù)互通互用，構(gòu)建完整的產(chǎn)業(yè)鏈、供應(yīng)鏈，實現(xiàn)氫燃料電池的共制、共建和共享。

4 結(jié)語與展望

氫燃料電池具有清潔零碳、安全高效、用途多元等特點，可代替汽柴油在汽車、輪船、飛機等機動性強的現(xiàn)代交通工具中發(fā)揮重要作用。但是，在行業(yè)熱度高漲的同時也應(yīng)看到，我國氫燃料電池產(chǎn)業(yè)仍處于起步階段，尚存在缺乏中遠(yuǎn)期定位和規(guī)劃、核心技術(shù)和材料高度依賴進(jìn)口、氫燃料電池制造成本居高不下、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不足等困境。一方面，中國應(yīng)充分借鑒國外先進(jìn)的氫燃料電池技術(shù)，求同存異、取長補短、縮小差距，形成符合本國國情的氫燃料電池發(fā)展戰(zhàn)略和研發(fā)體系。另一方面，加大對國內(nèi)氫燃料電池的財政投入和政策支持，加強跨行業(yè)、跨區(qū)域的協(xié)同合作，構(gòu)建全域聯(lián)動機制，集中力量攻關(guān)氫燃料電池的關(guān)鍵設(shè)備和核心材料，以期快速實現(xiàn)其全產(chǎn)業(yè)國產(chǎn)化和自主化。

當(dāng)前，國內(nèi)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展正處在降本增效、技術(shù)創(chuàng)新以及協(xié)同推進(jìn)的初期探索階段，氫能產(chǎn)業(yè)鏈上下游協(xié)同聯(lián)動效果還未完全顯現(xiàn)出來。燃料電池汽車成本何時能夠下降?氫能核心技術(shù)問題何時能夠攻破?氫能應(yīng)用何時能夠真正落地等問題逐步顯現(xiàn)……

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