本文選自中國工程院院刊《Engineering》2018年第3期
作者：Junye Wang, Hualin Wang, Yi Fan
來源：Techno-Economic Challenges of Fuel Cell Commercialization[J].Engineering,2018,4(3):352-360.
編者按
燃料電池是一種電化學(xué)電池，它通過氧化還原反應(yīng)將燃料(通常是氫氣)和氧化劑(通常是氧氣)的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能。燃料電池在轉(zhuǎn)換能量時(shí)熱效率極高，是傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的兩倍，被視為一種現(xiàn)有熱能系統(tǒng)的理想替代物，在可再生能源和節(jié)能減排方面發(fā)揮重要作用。目前，燃料電池的商業(yè)化尚有較大的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)挑戰(zhàn)亟待突破。
中國工程院院刊《Engineering》刊發(fā)《燃料電池商業(yè)化帶來的技術(shù)經(jīng)濟(jì)挑戰(zhàn)》。文章從燃料電池生命周期、價(jià)值鏈活動層面對燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)與環(huán)境分析，介紹了生命周期和價(jià)值鏈活動、產(chǎn)品的制造與裝配以及研究了最終用戶的接受情況，分析了燃料電池在未來低碳經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮的潛在作用，討論了燃料電池主導(dǎo)綠色產(chǎn)業(yè)的潛能。文章提出，燃料電池面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)主要在可靠性和耐久性方面；制造成本并非是影響最終用戶接受度以及燃料電池商業(yè)化的主要因素，因電池維修和保養(yǎng)造成的額外費(fèi)用以及引發(fā)的可用性降低是提高最終用戶接受度和燃料電池商業(yè)化的重大挑戰(zhàn)。
一、引言
隨著世界人口不斷增長，化石燃料能源供應(yīng)逐漸減少，世界能源供應(yīng)已無法滿足不斷增長的需求或可持續(xù)的環(huán)境目標(biāo)。因此，許多國家更加需要確保未來的能源安全以及可持續(xù)的環(huán)境。國際能源署（IEA）將能源安全定義為：以可支付得起的價(jià)格獲得的充足的能源供應(yīng)。為了確保能源供應(yīng)符合經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及可持續(xù)的環(huán)境目標(biāo)，許多國家都將發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)和綠色產(chǎn)業(yè)作為長期努力方向。實(shí)現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)有兩種方法：一是增加綠色能源的使用份額，以滿足不斷增加的能源需求，并通過減少化石燃料的使用量來緩解溫室氣體（GHG）的排放；二是通過提高現(xiàn)有能源體系的效率來達(dá)到節(jié)能減排的目的。
大量開發(fā)并利用可再生能源有助于發(fā)展綠色低碳經(jīng)濟(jì)，還可帶來新的商機(jī)。目前已經(jīng)開發(fā)了許多類型的可再生能源，如風(fēng)能、太陽能、生物能和潮汐能。盡管每一種可再生能源都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，但將這些可再生能源和現(xiàn)存的化石燃料體系結(jié)合起來會增加能源體系的管理難度，為政府下達(dá)政策和投資帶來困難。因此，要了解一個(gè)國家的能源安全需求和未來能源發(fā)展的整體方向，單獨(dú)分析一種能源體系遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，必須要對更多能源的可用性和多樣性有系統(tǒng)和充分的了解。在許多國家，化石燃料（包括石油、天然氣和煤）依然占主導(dǎo)地位。例如，據(jù)美國能源信息署（EIA）報(bào)道，化石燃料占2011年美國總能源消耗的79.78%。因此，節(jié)能減排還有很大空間，這可以通過提高現(xiàn)有的能源體系效率來實(shí)現(xiàn)。燃料電池在轉(zhuǎn)換能量時(shí)體現(xiàn)出了極高的熱效率，是傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的兩倍，被視為一種現(xiàn)有熱能系統(tǒng)的理想替代物。因此，燃料電池能在傳統(tǒng)體系中的可再生能源和節(jié)能減排方面發(fā)揮重要作用（圖1）。
圖1 能源經(jīng)濟(jì)。（a）化石燃料能源經(jīng)濟(jì)；（b）可再生能源經(jīng)濟(jì)
電池燃料從原型階段到產(chǎn)品部署階段涉及許多因素，因此要確保足夠的資本回收以及積極的生命周期評估，有必要對這些因素加以考慮。然而，沒有政府津貼的支撐，很難獲得足夠的資本回收。我們在一系列出版物中分析并處理了推廣燃料電池面臨的關(guān)鍵問題。我們闡明了氫燃料的“雞和蛋”的問題、氫能基礎(chǔ)設(shè)施的缺乏以及燃料電池的市場滲透問題。氫能基礎(chǔ)設(shè)施并不是開發(fā)燃料電池技術(shù)的關(guān)鍵障礙。人們對于燃料基礎(chǔ)設(shè)施的夸張說法誤導(dǎo)了燃料電池市場。另一方面，比起最終用戶對此項(xiàng)技術(shù)的耐久性的接受度，燃料電池的可靠性更為關(guān)鍵。然而人們對此關(guān)注度不高。我們研究了推廣燃料電池面臨的問題，引入了推廣燃料電池的標(biāo)準(zhǔn)和理論。流場設(shè)計(jì)的目標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)需要擴(kuò)大燃料電池的流通領(lǐng)域。我們還提出了解決推廣燃料電池問題的綜合途徑。
作為燃料電池推廣系列研究的一部分，本文的主要目的是通過統(tǒng)一了解機(jī)構(gòu)障礙來分析燃料電池商業(yè)化面臨的技術(shù)經(jīng)濟(jì)挑戰(zhàn)。我們將調(diào)查各成分的生命周期和價(jià)值鏈活動、產(chǎn)品的制造與裝配，并研究最終用戶的接受情況。這將有助于我們更好地了解面臨的挑戰(zhàn)，以便使政府能夠鼓勵高效利用資源和環(huán)保能源，從而制定更明智的決策來發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)和技術(shù)。本文的另一個(gè)目的是分析燃料電池在未來的低碳經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮的潛在作用，并討論燃料電池主導(dǎo)綠色產(chǎn)業(yè)的潛能。
二、燃料電池在低碳經(jīng)濟(jì)中扮演的潛在作用
圖1（a）展示了化石燃料的傳統(tǒng)商業(yè)鏈?；剂?、內(nèi)燃機(jī)、鍋爐和最終用戶是該傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)的主要成分。圖1（b）展示了一種新的經(jīng)濟(jì)模式，在該模式中，綠色能源作為現(xiàn)有化石能源的替代能源。作為替代能源資源，每一種可再生能源都需要和現(xiàn)有的化石燃料模式具備相同的功能和可靠性。因此，圖1闡釋了燃料電池在低碳技術(shù)和經(jīng)濟(jì)中起到關(guān)鍵作用的兩種方法。首先，燃料電池可以作為可再生能源供應(yīng)鏈中一種新的儲能技術(shù)，如圖1（b）所示。其次，燃料電池作為一種高效的發(fā)動機(jī)技術(shù)，可以取代傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)、渦輪機(jī)或者鍋爐，達(dá)到節(jié)能減排的目的，如圖1（a）所示。然而，很少有人將低碳經(jīng)濟(jì)中的燃料電池的作用和綠色能源資源作為整體來進(jìn)行研究。
（一）燃料電池和二次電池組
創(chuàng)造低碳技術(shù)和綠色產(chǎn)業(yè)，開發(fā)可再生能源是關(guān)鍵。一般而言，風(fēng)能、太陽能和潮汐能是可再生能源商業(yè)鏈中發(fā)電的主要來源[圖1（b）]?？窟@些途徑產(chǎn)生的電可用于汽車或者住房供暖。然而，可再生能源通常需要依賴季節(jié)、氣候或地理?xiàng)l件，其時(shí)空分布也不均勻?？稍偕茉吹倪@種異質(zhì)性需要能源儲存和有效的能源供應(yīng)分布智能網(wǎng)絡(luò)。然而大規(guī)模的電力儲存長久以來都是一大挑戰(zhàn)。目前已經(jīng)開發(fā)了許多技術(shù)來解決儲能的問題，如抽水蓄能電廠、相變材料、充電電池以及燃料電池。如果將可再生能源作為一種可行的替代能源，就需要大規(guī)模儲存電能，與燃料電池相關(guān)的電池技術(shù)和電解燃料是大規(guī)模儲存電能的兩種最佳方法（圖1）。
目前已經(jīng)開發(fā)了多種類型的充電電池，如鋰電子電池和鎳錳電池。充電電池的一個(gè)主要優(yōu)勢在于其蓄電的便利性。輸電網(wǎng)每產(chǎn)生1 kW·h電的成本相對較低，而且電能可以由距離較遠(yuǎn)的地方產(chǎn)生。因此電池技術(shù)被廣泛用于各種輕型動力源，如不間斷電源（UPS）、手機(jī)以及筆記本電腦。然而，對于重型設(shè)備或大型應(yīng)用程序而言，電池存在許多缺點(diǎn)，如充電時(shí)間長、較燃料（如甲烷或氫氣）能量密度低、老化、影響環(huán)境和制造成本較高。充電電池的這些缺點(diǎn)對于車輛來說也很重要。
根據(jù)電池容量的不同，在240 V電壓、一定電流條件下充電將進(jìn)行數(shù)小時(shí)。但是使用超級充電器，在120 kW的狀態(tài)下只需30 min就能充滿。相比之下，使用能量密度燃料（如氫氣和甲烷）的燃料電池的一個(gè)優(yōu)勢就在于它能規(guī)避充電時(shí)長以及充電范圍的問題。一臺燃料電池車（FCV）在3~5 min內(nèi)就能加入足夠的氫氣燃料，可供車輛行駛200~300 mi（1 mi=1.61 km）。美國燃料電池技術(shù)團(tuán)隊(duì)（US drive fuel cell tech team）為FCV制定了目標(biāo)，即能夠行駛大約8000 h或以上（大約相當(dāng)于150 000 mi）。正常情況下，傳統(tǒng)的鉛蓄電池平均壽命為4年，前提是其充電次數(shù)達(dá)到上限，且沒有處于極端溫度。因此，即使完全使用，電池每隔幾年就需要更換，因?yàn)殡姵貢龊屠匣?。與之相比，燃料電池的退化取決于其使用時(shí)長。此外，電池組的成本隨著其容量的增加而增加，其費(fèi)用較之于相同容量的燃料電池要高出很多。因此，電池驅(qū)動的交通工具常用于短途或輕型的操作，如叉車和摩托車，但是對于長距離行駛和重型操作卻不適用。
人們研發(fā)了許多混合動力汽車（HV）。這種車輛的動力系統(tǒng)是發(fā)動機(jī)和電池。這種雙動能汽車可以是內(nèi)燃機(jī)和電池組相結(jié)合，也可以是燃料電池和電池組。目前，將內(nèi)燃機(jī)與電池組相結(jié)合的方法是為了改善內(nèi)燃機(jī)汽車的環(huán)境影響，而研發(fā)混合燃料電池電動汽車（FCEV）是為了結(jié)合燃料電池汽車（FCV）和電動汽車（EV）兩者的特點(diǎn)。插電式FCEV的動力系統(tǒng)是燃料電池，電池電量可供汽車行駛30~50 mi。使用混合的動力系統(tǒng)，這種HV適用于長距離行駛，而且充電時(shí)間很短。因此，其行駛距離可能比其他車輛更遠(yuǎn)，而不會像EV那樣受到里程和充電時(shí)長的限制。例如，豐田汽車公司報(bào)道稱，HV的續(xù)駛里程可長達(dá)1035 km。當(dāng)燃料電池出故障時(shí)，電池還可繼續(xù)發(fā)揮作用以供汽車行駛，因此增加了HV的可靠性。然而，由于HV內(nèi)含有兩套動力系統(tǒng)，因此其成本高于單一動力系統(tǒng)的車輛。此外，兩套動力系統(tǒng)還增加了FCEV的控制系統(tǒng)的難度。
值得注意的是在大多數(shù)國家中，在沒有政府補(bǔ)貼的情況下，到2022年，用于制造EV和FCV的電池和燃料電池成本都需和內(nèi)燃機(jī)汽車一樣經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。人們對燃料電池的實(shí)際成本有很多討論和猜測，因?yàn)榇蠖鄶?shù)EV和FCV的制造商對此沒有做詳細(xì)介紹。最近的研究表明在加拿大和美國，由政府補(bǔ)貼支撐的EV無法在很大程度上減少GHG排放。用于購買EV的政府補(bǔ)貼對GHG排放影響不大，而且比其他激勵措施成本更高。盡管預(yù)測未來的發(fā)展趨勢相當(dāng)困難，但燃料電池技術(shù)確實(shí)是連接減少化石燃料使用和新興可再生能源之間的一種方法，這是引人注目而且極具潛力的。因?yàn)槿剂想姵剞D(zhuǎn)換效率高且排放量低。因此，如果以燃料電池為核心的新型經(jīng)濟(jì)模式能夠成功替代內(nèi)燃動力資源，正如圖1（b）所示，就能走上低碳經(jīng)濟(jì)和環(huán)保產(chǎn)業(yè)的道路。
（二）傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)的替代品
大多數(shù)內(nèi)燃機(jī)在轉(zhuǎn)換能量時(shí)效率很低。一般來說，內(nèi)燃機(jī)的熱效率平均為20%左右。進(jìn)一步提升內(nèi)燃機(jī)和燃?xì)鉁u輪機(jī)技術(shù)也相當(dāng)困難，即使是將其熱效率提高1%~2%都很難實(shí)現(xiàn)。少數(shù)情況下，內(nèi)燃機(jī)的最大熱效率可能會達(dá)到38%，但是熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP）這樣的相關(guān)系統(tǒng)會導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜性和成本的增大，因?yàn)镃HP還涉及了其他技術(shù)。燃料電池作為一種高能效的發(fā)動機(jī)，其熱效率可達(dá)50%以上。由于燃料電池的熱效率可以是內(nèi)燃機(jī)和鍋爐的兩倍，因此將其替代傳統(tǒng)的發(fā)動機(jī)就能將排放量降至原來的1/2。在發(fā)電能力相同的情況下，使用燃料電池就意味著更低的運(yùn)行成本，因?yàn)槿剂想姵鼐哂懈叩霓D(zhuǎn)換效率。此外，燃料電池還更加環(huán)保。要想達(dá)到節(jié)能減排的目的，它是內(nèi)燃機(jī)、渦輪機(jī)和鍋爐理想的替代品。而且，不同的燃料電池使用的燃料也有所不同。例如，固體氧化物燃料電池（SOFC）的燃料是天然氣，直接乙醇燃料電池（DEFC）的燃料是乙醇，質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）的燃料是氫氣。因此，不需要對目前的燃料供應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施做出重大改變。
如果燃料電池取代傳統(tǒng)的能源體系，將其運(yùn)用到備用電源、材料處理、電池以及CHP市場上，那么這種高能效且環(huán)保的系統(tǒng)就能夠極大地促進(jìn)發(fā)電機(jī)市場的發(fā)展，創(chuàng)造新的商業(yè)模式。因此，如果在燃料電池的推廣上取得技術(shù)性突破，將帶來一場新的清潔能源革命。
三、燃料電池生命周期和價(jià)值鏈
作為一種新興的能源技術(shù)，燃料電池在能源市場上 的滲透率仍然不高。成本、耐久性和可靠性是燃料電池 商業(yè)化面臨的主要挑戰(zhàn)。在本文中，根據(jù)燃料電池的價(jià)值鏈活動和最終用戶接受度標(biāo)準(zhǔn)，我們分析了燃料電池發(fā)展的生命周期和價(jià)值鏈，確定了克服這些障礙需要采取的行動。我們需要考慮許多因素，如制造過程的可行性、適用材料、產(chǎn)品質(zhì)量和成本、供應(yīng)鏈復(fù)原能力以及最終用戶接受度。
（一）制造成本模型
一項(xiàng)新的產(chǎn)品要先在實(shí)驗(yàn)過程中達(dá)到經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上的目標(biāo)，然后再根據(jù)合理設(shè)計(jì)的指標(biāo)，在完善的體系內(nèi)進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。制造過程的生命周期和價(jià)值鏈代表了產(chǎn)品的生產(chǎn)過程和成本，如圖2所示。燃料電池組的技術(shù)經(jīng)濟(jì)生命周期可分為兩個(gè)主要的階段：制造階段和最終用戶階段。
圖2 燃料電池生命周期和價(jià)值鏈
制造成本包括設(shè)計(jì)、材料、元件制造和裝配、工人勞動、設(shè)備資產(chǎn)，這些要素貫穿整個(gè)燃料電池的定制以及商業(yè)生產(chǎn)過程。Ahluwalia等在阿貢（Argonne）實(shí)驗(yàn)室計(jì)了80 kWnet質(zhì)子交換膜（PEM）燃料電池的配置體系（圖3）。Yang分析了這種80 kWnet阿貢（Argonne）燃料電池組體系的成本，并準(zhǔn)確計(jì)算出該電池組的總成本為大約30 USD·kW?1。電池的電極（包括陰極和陽極）和催化劑占總成本的51%。電池組的裝配和調(diào)試大約占總成本的7%。因此，燃料電池組中成本最高的3個(gè)部分是電極、雙極板和電池密封圈[圖4（a）]。
圖3 阿貢（Argonne）2009年質(zhì)子交換膜燃料電池配置體系。HT：高溫；LT：低溫；MH：膜增濕器
圖4 80 kWnet的質(zhì)子交換膜燃料電池組系統(tǒng)成本。（a）電池組成本；（b）電池組系統(tǒng)成本
大批量生產(chǎn)的情況下，80 kWnet的PEM燃料電池組系統(tǒng)成本為59 USD·kW–1。電池組占整個(gè)系統(tǒng)成本的50%[圖4（b）]。電池組、空氣管理以及熱管理是該系統(tǒng)中花費(fèi)最高的部分。電池組的裝配和均衡占總成本的14%。
事實(shí)上，質(zhì)子交換膜燃料電池的制造技術(shù)和材料已經(jīng)得到了很大提升。一些材料的成本大幅減小了。例如，電池陽極和陰極的鉑擔(dān)量是0.1/0.15 mg·cm–2，允許0.12~0.3 mg·cm–2的偏差。在整個(gè)系統(tǒng)的成本分析中，假設(shè)鉑的價(jià)格是2000 USD·t oz–1（1 t oz=31.103 48 g），這個(gè)價(jià)格接近于鉑價(jià)格的最高值（圖5）。然而，鉑的價(jià)格波動為±40%，因此其價(jià)格范圍為800~2000 USD·t oz–1以上。目前，鉑的價(jià)格低于1000 USD·t oz–1，這比之前假設(shè)的最大值的一半還低。因此，鉑擔(dān)量不是這個(gè)整體系統(tǒng)成本的主要因素，由于鉑這一主要材料的價(jià)格比其最大值小，燃料電池組的成本也有所降低。所以燃料電池組的成本可能比整個(gè)系統(tǒng)成本的50%還低。
圖5 1996年來鉑的歷史價(jià)格（USD·t oz–1）。2017年6月22日，鉑的價(jià)格為923.95 USD·t oz–1
（二）燃料電池和內(nèi)燃機(jī)的制造成本對比
Elnozahy等對比了FCV、內(nèi)燃機(jī)汽車和HV的成本（表1）。FCV的成本大約為24 363 USD，內(nèi)燃機(jī)汽車成本約為15 805 USD，混合動力汽車成本約為24 050 USD。該對比表明，如果將材料、制造和燃料納入考慮范圍，燃料電池系統(tǒng)的成本與混合動力汽車的成本相當(dāng)，但卻比內(nèi)燃機(jī)汽車的成本高。然而，從表1中可以看出燃料電池的熱效率可達(dá)60%~70%，這比內(nèi)燃機(jī)的效率高很多。因此，由于較高的熱效率，燃料電池的燃料費(fèi)用會大大減少，就長期的運(yùn)行來看，燃料電池的總成本與內(nèi)燃機(jī)相當(dāng)。值得注意的是，據(jù)美國能源署（DOE）報(bào)道，目前燃料電池運(yùn)行的熱效率為40%~60%，低于表1中所示的值。然而，若配置CHP，燃料電池的熱效率就可達(dá)到90%以上。
在上述內(nèi)容中，我們分析了燃料電池的成本問題。盡管燃料電池的成本高于傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)（表1），但其總費(fèi)率與內(nèi)燃機(jī)相當(dāng)，因?yàn)槿剂想姵赜休^高的熱效率。因此，燃料電池的成本不是影響最終用戶接受度的主要因素。很明顯，大多數(shù)關(guān)于燃料電池成本的現(xiàn)有研究都是基于電池組制造成本，并未考慮維修與保養(yǎng)的成本。然而，有必要考慮電池組商品的維修與保養(yǎng)費(fèi)用對于最終用戶接受度的影響。由于很少有人報(bào)道維修與保養(yǎng)費(fèi)用在整個(gè)生命周期成本中所占的比重，只有當(dāng)燃料電池在最終能夠用戶市場存在競爭優(yōu)勢時(shí)才能決定當(dāng)前的服務(wù)活動。使用燃料電池來推動商業(yè)與有競爭力的服務(wù)優(yōu)勢直接相關(guān).
表1 FCV、內(nèi)燃機(jī)汽車和HV的成本對比（改編自參考文獻(xiàn)）
1 hp = 0.7457 kW; 1 gal = 3.785412 L; 1 mi = 1.609344 km.
a The original number from Ref. is 24 363.1.
由于燃料電池是通過重復(fù)使用而得到推廣的（所謂的通過增加數(shù)量達(dá)到推廣目的），膜或氣體擴(kuò)散層（GDL）等原件的失效可能會導(dǎo)致電池失效，進(jìn)而影響到整個(gè)電池組。尤其是當(dāng)原件失效時(shí)，通常需要拆卸整個(gè)電池組以替換該原件。因此，一個(gè)原件的輕微失效就相當(dāng)于增加了電池組和系統(tǒng)的整個(gè)組裝、調(diào)試和均衡的成本。如上述部分分析，電池組系統(tǒng)裝配和均衡占整個(gè)系統(tǒng)成本的14%[圖4（b）]。電池組的均衡、裝配、調(diào)試和封口占電池組的16%[圖4（a）]，由于它們占系統(tǒng)總成本的50%，因此該值應(yīng)該為原來的一半（即8%），而電池組的裝配和均衡以及系統(tǒng)的調(diào)試占整個(gè)電池組系統(tǒng)成本的22%。這22%包含了維修和保養(yǎng)的費(fèi)用，因?yàn)殡姵亟M的裝配、均衡以及調(diào)試都是必要的。因此，一個(gè)單一原件的失效可能導(dǎo)致整個(gè)電池組成本的大幅上升。
如果在燃料電池組的使用過程中需要經(jīng)過兩次維修，那么裝配、調(diào)試和均衡的成本大約為44%。此外，有必要考慮運(yùn)輸成本以及原件失效成本。電池組系統(tǒng)的維修與保養(yǎng)費(fèi)用可能超過系統(tǒng)總成本的60%，取決于維修和保養(yǎng)的次數(shù)。因此，可靠性和耐久性對于大幅降低整個(gè)系統(tǒng)的成本以及提高用戶接受度有重要意義。所以如果一個(gè)供應(yīng)燃料電池的企業(yè)希望勝過同類企業(yè)，這些同類企業(yè)可能使用內(nèi)燃機(jī)和鍋爐，那么該企業(yè)的價(jià)值鏈活動需要優(yōu)于其競爭對手，可以通過更高的質(zhì)量和可靠性來拉開距離。有必要采用在質(zhì)量和成本上占領(lǐng)主導(dǎo)地位的策略來提升燃料電池的可靠性，并減少維修和保養(yǎng)費(fèi)用。
四、燃料電池面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)
可靠性和耐久性能在很大程度上影響燃料電池的可 用性。這對最終用戶接受度是一個(gè)關(guān)鍵因素。燃料電池市場需要可靠的技術(shù)來提升和改進(jìn)操作容差以及 最終用戶接受度。然而，現(xiàn)有的燃料電池發(fā)展和最終用 戶需求之間還存在很大差別。
（一）最終用戶接受度的可靠性
影響最終用戶接受度的因素包括功能、成本、性能（即效率和可靠性）以及環(huán)境影響。帶有發(fā)動機(jī)的燃料電池的功能與內(nèi)燃機(jī)一樣。燃料電池具有環(huán)保且噪聲低的特點(diǎn)，其主要考慮因素是性能，包括效率和可靠性。前者不存在問題，因?yàn)槿剂想姵氐臒嵝释ǔ１葍?nèi)燃機(jī)高出很多。因此，除了由意外的維修和保養(yǎng)造成的額外費(fèi)用，可靠性才是提高最終用戶接受度的最大潛在技術(shù)障礙。
（二）技術(shù)就緒水平
嚴(yán)謹(jǐn)?shù)纳a(chǎn)過程有助于提高重復(fù)精度和密實(shí)度，為了進(jìn)行評估，必須采用可重復(fù)的步驟和標(biāo)準(zhǔn)來實(shí)現(xiàn)規(guī)律性。技術(shù)就緒水平（TRL）被廣泛用于測量某一技術(shù)的成熟度。因此，燃料電池發(fā)展的TRL是對燃料電池就緒水平的評估，以達(dá)到更高耐久性和可靠性的目標(biāo)。這次評估使人們對燃料電池在整個(gè)創(chuàng)新鏈中的技術(shù)地位達(dá)成了共識。TRL可分為10個(gè)等級，0級為最低，9級最高（圖6）。1級和2級TRL代表新興技術(shù)的未來，3級到8級代表工業(yè)發(fā)展項(xiàng)目，9級代表商業(yè)化。
圖6 技術(shù)就緒水平（TRL）（改編自參考文獻(xiàn)）
評估燃料電池的TRL就如同評估一臺精密的化學(xué)加工設(shè)備一樣復(fù)雜。燃料電池與其他產(chǎn)品不同，它沒有確切的TRL。燃料電池產(chǎn)品存在各個(gè)等級的TRL，其分布可從1級（基礎(chǔ)研究）到8級（常見于商業(yè)系統(tǒng)），以至于最高的9級（燃料商業(yè)部署）。雖然人們已經(jīng)對諸如催化劑和通道中的多相流動等假定原理進(jìn)行了大量的基礎(chǔ)研究，但燃料電池系統(tǒng)的部署也不乏報(bào)道。
最終用戶接受度可以是9級TRL的“黃金準(zhǔn)則”，這就涉及燃料電池成本、功能和性能（如效率和可靠性）。如4.1部分中的討論，燃料電池系統(tǒng)是一個(gè)重復(fù)單元，其中某一個(gè)原件失效就可能導(dǎo)致整個(gè)電池組失效。因此，一個(gè)占總成本10%的復(fù)合組件失效就可能消耗燃料電池系統(tǒng)成本的60%。這樣一來，燃料電池可靠性的評估對于整個(gè)加工系統(tǒng)和技術(shù)成熟進(jìn)程至關(guān)重要。因此，有必要基于技術(shù)成熟度和有效性建立可靠的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)檫@兩者是造成高成本和低可用性的主要原因。
（三）可靠性的技術(shù)障礙
如上所述，意外產(chǎn)生的維修和保養(yǎng)費(fèi)用對成本帶來的影響很大。在投入生產(chǎn)時(shí)，電池通道以及電池組系統(tǒng)需要處于相同狀態(tài)?？紤]到推廣燃料電池及其系統(tǒng)所涉及的操作和風(fēng)險(xiǎn)，其框架和推廣方法需要經(jīng)過仔細(xì)審查，這對使用燃料電池技術(shù)的評估來說尤為重要。為了解決燃料電池高成本和低可用性的問題，可靠性成為了關(guān)鍵。
保持各個(gè)通道以及電池在同一水平運(yùn)行十分困難。擴(kuò)大生產(chǎn)的理論表明完全統(tǒng)一的流程分配仍然是一大挑戰(zhàn)。小規(guī)模且不均勻的流程分配可能會導(dǎo)致電池和電池組的操作失準(zhǔn)，從而增加了不確定因素并使效率降低。因此，燃料電池的高成本可能是由頻繁的維修和保養(yǎng)帶來的故障時(shí)間造成的，這就導(dǎo)致了較低的可靠性。Powell指出推廣微型反應(yīng)器時(shí)面臨的同樣問題，也使用了相同的模塊化。將“通過增加數(shù)量來進(jìn)行推廣”的策略作為一種工程途徑運(yùn)用到化工行業(yè)中還存在不確定性。這是因?yàn)樯形创_定設(shè)計(jì)過程、模擬、試運(yùn)行的無效流程分布設(shè)計(jì)所造成的影響。然而，如果能根據(jù)低分布的理論仔細(xì)設(shè)計(jì)流場，就有可能在小范圍或制造公差內(nèi)控制燃料電池組的不均勻性。
五、燃料電池商業(yè)化的策略
美國能源署（DOE）及其他部門對燃料電池設(shè)備做了許多報(bào)道。例如，美國自2009年就報(bào)道了燃料電池備份系統(tǒng)使用情況的顯著提升。到2013年，已經(jīng)安裝了超過7000個(gè)燃料電池系統(tǒng)，總計(jì)16.3 MW。2000多個(gè)備用電源系統(tǒng)被用于電信系統(tǒng)。據(jù)DOE報(bào)道，康涅狄格州的CTtransit安裝了400 kW的燃料電池。該系統(tǒng)為這個(gè)運(yùn)輸機(jī)構(gòu)的維護(hù)設(shè)備和儲存設(shè)施提供電力。一家位于加利福尼亞安大略的廢水處理廠安裝了2.8 MW的燃料電池。然而，所有這些燃料電池的安裝都來自政府津貼的支持。Behling指出建設(shè)燃料電池的商業(yè)市場幾乎要完全依靠政府津貼。
人們還對材料和催化劑性能對燃料電池耐久性的影響做了大量研究。這些研究都強(qiáng)調(diào)擴(kuò)大燃料電池生產(chǎn)主要是解決材料和催化劑性能的問題，因?yàn)檎沁@兩個(gè)因素造成了成本過高。然而，材料和催化劑方面的問題是科學(xué)方面的問題，不能只靠生產(chǎn)規(guī)模決定。因此，由于存在不確定因素，擴(kuò)大生產(chǎn)燃料電池還沒有得到充分的認(rèn)可，燃料電池產(chǎn)品及系統(tǒng)的TRL并未達(dá)到人們估計(jì)的高度。Wang進(jìn)行了一系列擴(kuò)大生產(chǎn)燃料電池的研究。由于可靠性不高，所以無法將試驗(yàn)工廠直接升級為正式工廠，這是投資該新興能源轉(zhuǎn)換技術(shù)面臨的主要障礙。為了解決可靠性問題，人們提出了系統(tǒng)整合。然而，原件、單個(gè)電池以及電池組之間還存在知識差距。
Wang強(qiáng)調(diào)了在燃料電池商業(yè)化過程中可靠性十分重要。他提出了3種操作窗口來連接原件、流場設(shè)計(jì)、單個(gè)電池、電池組、整個(gè)過程的程序設(shè)計(jì)以及控制系統(tǒng)，以此來解決耐久性和可靠性的問題。本研究中，基于TRL和生命周期分析，我們對燃料電池商業(yè)化的大范圍生產(chǎn)技術(shù)提出了建議和標(biāo)準(zhǔn)。與擴(kuò)大生產(chǎn)燃料電池以及提高可靠性相關(guān)的所有人員都要齊心協(xié)力，包括科學(xué)工作者、建模人員、工程師、經(jīng)驗(yàn)豐富且了解關(guān)鍵知識和技術(shù)的設(shè)計(jì)師、政府以及投資者。政府、投資者以及融資機(jī)構(gòu)都應(yīng)支持該技術(shù)集成。為了規(guī)避投資風(fēng)險(xiǎn)，該技術(shù)需要在更大規(guī)模示范單位的基礎(chǔ)上達(dá)到更高水平的生產(chǎn)以及密實(shí)度。
六、結(jié)語
為了確保可持續(xù)的能源供應(yīng)符合經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及可持續(xù)的環(huán)境目標(biāo)，許多國家都將發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)和綠色產(chǎn)業(yè)作為長期努力方向。發(fā)展低碳綠色經(jīng)濟(jì)有兩種途徑：一是增加綠色能源的使用份額，以滿足不斷增加的能源需求，降低GHG排放量，并減少化石燃料的使用量；二是通過提高現(xiàn)有能源體系的效率來達(dá)到節(jié)能減排的目的。燃料電池在這兩種途徑中都可發(fā)揮關(guān)鍵作用。燃料電池有較高的能量轉(zhuǎn)換效率而且環(huán)保，如果其替代內(nèi)燃機(jī)和鍋爐，那么熱效率將提升5%~40%。該分析結(jié)果表明，燃料電池可作為內(nèi)燃機(jī)和鍋爐最有效的替代物，因此燃料電池有助于發(fā)展綠色低碳經(jīng)濟(jì)，甚至有助于綠色工業(yè)革命。
然而，燃料電池的市場滲透率仍然不高。在本文中，通過分析生命周期和價(jià)值鏈，我們對燃料電池系統(tǒng)做出了技術(shù)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境方面的分析。我們分析了燃料電池的生命周期和價(jià)值鏈活動以及最終用戶驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，對燃料電池商業(yè)化面臨的制度障礙有了整體而且統(tǒng)一的了解。分析發(fā)現(xiàn)，盡管目前燃料電池的制造成本高于內(nèi)燃機(jī)，但由于其熱效率很高，其運(yùn)行成本可能比同類產(chǎn)品（如內(nèi)燃機(jī)和鍋爐）低很多。此外，制造成本并非影響最終用戶接受度以及燃料電池商業(yè)化的主要因素。然而，燃料電池可靠性低、產(chǎn)生的意外維修和保養(yǎng)費(fèi)用可能導(dǎo)致其成本增加60%，而且降低其可用性。因此，維修和保養(yǎng)造成的額外費(fèi)用以及降低的可用性是提高最終用戶接受度和燃料電池商業(yè)化面臨的最大障礙。為了解決可靠性和耐久性方面的技術(shù)障礙，燃料電池產(chǎn)業(yè)面臨著巨大的挑戰(zhàn)。
本文考慮到燃料電池目前的發(fā)展速度，對實(shí)現(xiàn)擴(kuò)大生產(chǎn)燃料電池的目標(biāo)提出了質(zhì)疑，但同時(shí)為讀者對該能源領(lǐng)域提供了見解深刻的概述。有必要改變優(yōu)先使用順序，使用系統(tǒng)集成來大幅提升可靠性和耐久性，降低燃料電池系統(tǒng)的服務(wù)成本。過去幾年，我們研究了燃料電池研發(fā)過程中面臨的主要技術(shù)障礙，并思考了解決推廣燃料電池面臨的挑戰(zhàn)的最優(yōu)方法。擴(kuò)大燃料電池的生產(chǎn)還依賴于重復(fù)單元的有效試點(diǎn)。流場設(shè)計(jì)理論和實(shí)踐是擴(kuò)大生產(chǎn)試點(diǎn)單位的基礎(chǔ)。在為經(jīng)濟(jì)增長探索一條更加可持續(xù)的道路上，以燃料電池為主的綠色能源很有可能成為未來的經(jīng)濟(jì)模式。
注：本文內(nèi)容呈現(xiàn)略有調(diào)整，若需可查看原文。
改編原文：
Junye Wang, Hualin Wang, Yi Fan.Techno-Economic Challenges of Fuel Cell Commercialization[J].Engineering,2018,4(3):352-360.
