中國儲能網(wǎng)訊：一、前言
當(dāng)前人類建立在以消耗煤炭、石油、天然氣為主的不可再生能源基礎(chǔ)之上的經(jīng)濟發(fā)展模式，導(dǎo)致了日益突出的環(huán)境污染和溫室效應(yīng)問題。為實現(xiàn)人類社會可持續(xù)發(fā)展，建立人與自然的和諧關(guān)系，發(fā)展風(fēng)能、水能、太陽能、生物質(zhì)能、地?zé)崮?、海洋能等綠色能源，成為世界各國高度關(guān)注的課題。多數(shù)可再生能源所固有的間隙性、隨機與波動性，導(dǎo)致了嚴(yán)重的棄風(fēng)、棄光、棄水等現(xiàn)象。氫能作為可存儲廢棄能源并推動由傳統(tǒng)化石能源向綠色能源轉(zhuǎn)變的清潔能源，其能量密度（140 MJ/kg）是石油的 3 倍、煤炭的 4.5 倍，被視為未來能源革命的顛覆性技術(shù)方向 [1]。
氫燃料電池是以氫氣為燃料，通過電化學(xué)反應(yīng)將燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電裝置，具有能量轉(zhuǎn)換效率高、零排放、無噪聲等優(yōu)點，相應(yīng)技術(shù)進(jìn)步可推動氫氣制備、儲藏、運輸?shù)燃夹g(shù)體系的發(fā)展升級。在新一輪能源革命驅(qū)動下，世界各國高度重視氫燃料電池技術(shù)，以支撐實現(xiàn)低碳、清潔發(fā)展模式 [2,3]。發(fā)達(dá)國家或地區(qū)積極發(fā)展“氫能經(jīng)濟”，制定了《全面能源戰(zhàn)略》（美國）、《歐盟氫能戰(zhàn)略》（歐盟）、《氫能 / 燃料電池戰(zhàn)略發(fā)展路線圖》（日本）等發(fā)展規(guī)劃，推動燃料電池技術(shù)的研發(fā)、示范和商業(yè)化應(yīng)用。我國也積極跟進(jìn)氫能相關(guān)發(fā)展戰(zhàn)略，2001 年確立了 863 計劃中包括燃料電池在內(nèi)的“三縱三橫”戰(zhàn)略；《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計劃（2016—2030）》《汽車產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃》（2017 年）等國家政策文件均明確提出支持燃料電池汽車發(fā)展。2020 年，科技部啟動了國家重點研發(fā)計劃“可再生能源與氫能技術(shù)”重點專項，將重點突破質(zhì)子交換膜、氣體擴散層碳紙、車用燃料電池催化劑批量制備技術(shù)、空壓機耐久性、高可靠性電堆等共性關(guān)鍵技術(shù)。國家能源局將氫能及燃料電池技術(shù)列為“十四五”時期能源技術(shù)裝備重點任務(wù)。
研究表明，氫能及氫燃料電池技術(shù)有望大規(guī)模應(yīng)用在汽車、便攜式發(fā)電和固定發(fā)電站等領(lǐng)域 [3]，也是航空航天飛行器、船舶推進(jìn)系統(tǒng)的重要技術(shù)備選方案，但面臨低生產(chǎn)成本（電解質(zhì)、催化劑等基礎(chǔ)材料）、結(jié)構(gòu)緊湊性、耐久性及壽命三大挑戰(zhàn)。美國能源部燃料電池技術(shù)項目研究認(rèn)為 [4]，燃料電池電動汽車是減少溫室氣體排放、降低石油使用量的最有效路徑之一，隨著技術(shù)進(jìn)步，全過程生產(chǎn)成本和氫燃料成本將與其他類型車輛及燃料相當(dāng)。優(yōu)化系統(tǒng)控制策略、開發(fā)催化劑及其抗腐蝕載體等新型基礎(chǔ)材料，是提高系統(tǒng)耐久性和壽命、進(jìn)而促成氫燃料電池技術(shù)大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的有效路徑 [5]。近期的綜述性研究工作 [6~10]，報道了氫燃料電池系統(tǒng)在雙極板、氣體擴散層、催化劑、膜電極、流場設(shè)計與分析等材料或組件方面的新進(jìn)展。
我國提出了將于 2030 年實現(xiàn)碳達(dá)峰、2060 年實現(xiàn)碳中和的發(fā)展愿景。積極發(fā)展氫能，引導(dǎo)高碳排放制氫工藝向綠色制氫工藝轉(zhuǎn)變，是能源革新發(fā)展，實現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的重要舉措。氫能將是我國能源領(lǐng)域的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，氫燃料電池技術(shù)是實現(xiàn)氫能利用的先決條件。為了促進(jìn)我國氫燃料電池技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈的全面發(fā)展，本文依托中國工程院咨詢項目的支持，分析國內(nèi)外氫燃料電池技術(shù)關(guān)鍵材料、核心組件的研發(fā)與應(yīng)用現(xiàn)狀，凝練我國發(fā)展氫燃料電池技術(shù)面臨的問題，梳理未來相關(guān)技術(shù)發(fā)展方向并提出保障措施建議，以期為行業(yè)技術(shù)發(fā)展提供基礎(chǔ)性參考。
二、氫燃料電池技術(shù)體系及發(fā)展現(xiàn)狀
氫燃料電池與常見的鋰電池不同，系統(tǒng)更為復(fù)雜，主要由電堆和系統(tǒng)部件（空壓機、增濕器、氫循環(huán)泵、氫瓶）組成。電堆是整個電池系統(tǒng)的核心，包括由膜電極、雙極板構(gòu)成的各電池單元以及集流板、端板、密封圈等。膜電極的關(guān)鍵材料是質(zhì)子交換膜、催化劑、氣體擴散層，這些部件及材料的耐久性（與其他性能）決定了電堆的使用壽命和工況適應(yīng)性。近年來，氫燃料電池技術(shù)研究集中在電堆、雙極板、控制技術(shù)等方面，氫燃料電池技術(shù)體系及部分相關(guān)前沿研究如圖 1 所示。
圖 1 氫燃料電池技術(shù)體系
（一）膜電極組件
膜電極（MEA）是氫燃料電池系統(tǒng)的核心組件，通常由陰極擴散層、陰極催化劑層、電解質(zhì)膜、陽極催化劑層和陽極氣擴散層組成，直接決定了氫燃料電池的功率密度、耐久性和使用壽命。根據(jù) MEA 內(nèi)電解質(zhì)的不同，常用的氫燃料電池分為堿性燃料電池（AFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、磷酸燃料電池（PAFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）、質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）等。各類型燃料電池具有相應(yīng)的燃料種類、質(zhì)量比功率和面積比功率性能，其中質(zhì)子交換膜燃料電池以啟動時間短（~1 min）、操作溫度低（<100 ℃）、結(jié)構(gòu)緊湊、功率密度高等成為研究熱點和氫燃料電池汽車邁入商業(yè)化進(jìn)程的首選。MEA 裝配工藝有熱壓法（PTFE 法）、梯度法、CCM（catalyst coated-membrane）和有序化方法等。熱壓法是第一代技術(shù)；目前廣泛使用的是第二代的 CCM 方法，包括轉(zhuǎn)印、噴涂、電化學(xué)沉積、干粉噴射等，具有高鉑利用率和耐久性的優(yōu)點；有序化方法可使 MEA 具有最大反應(yīng)活性面積及孔隙連通性，以此實現(xiàn)更高的催化劑利用率，是新一代 MEA 制備技術(shù)的前沿方向。
1. 質(zhì)子交換膜（PEM）
全氟磺酸膜是常用的商業(yè)化 PEM，屬于固體聚合物電解質(zhì)；利用碳氟主鏈的疏水性和側(cè)鏈磺酸端基的親水性，實現(xiàn) PEM 在潤濕狀態(tài)下的微相分離，具有質(zhì)子傳導(dǎo)率高、耐強酸強堿等優(yōu)異特性。代表性產(chǎn)品有美國杜邦公司的 Nafion 系列膜、科慕化學(xué)有限公司的 NC700 膜、陶氏集團的 Dow 膜、3M 公司的 PAIF 膜，日本旭化成株式會社的 Aciplex 膜、旭硝子株式會社的 Flemion 膜，加拿大巴拉德動力系統(tǒng)公司的 BAM 膜，這些膜的差異在于全氟烷基醚側(cè)鏈的長短、磺酸基的含量有所不同。我國武漢理工新能源有限公司、新源動力有限公司、上海神力科技有限公司、東岳集團公司已具備全氟磺酸 PEM 產(chǎn)業(yè)化的能力。
輕薄化薄膜制備是降低 PEM 歐姆極化的主要技術(shù)路線，膜的厚度已經(jīng)從數(shù)十微米降低到數(shù)微米，但同時也帶來膜的機械損傷、化學(xué)降解問題。當(dāng)前的解決思路，一是采用氟化物來部分或全部代替全氟磺酸樹脂，與無機或其他非氟化物進(jìn)行共混（如加拿巴拉德動力系統(tǒng)公司的 BAM3G 膜，具有非常低的磺酸基含量，工作效率高、化學(xué)穩(wěn)定性和機械強度較好，價格明顯低于全氟類型膜）；二是采用工藝改性全氟磺酸樹脂均質(zhì)膜，以多孔薄膜或纖維為增強骨架，浸漬全氟磺酸樹脂得到高強度、耐高溫的復(fù)合膜（如美國科慕化學(xué)有限公司的 NafionXL-100、戈爾公司的 Gore-select 膜、中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所的 Nafion/PTFE 復(fù)合膜與碳納米管復(fù)合增強膜等 [11]）。值得一提的是，戈爾公司掌握了 5.0 μm 超薄質(zhì)子交換膜的制備技術(shù)， 2019 年投產(chǎn)世界首條氫燃料電池車用 PEM 專用生產(chǎn)線，在日本豐田汽車公司的 Mirai 汽車上獲得使用。此外，為了耐高溫、抗無水并具有較高的高質(zhì)子傳導(dǎo)率，高溫 PEM、高選擇性 PEM、石墨烯改性膜、熱穩(wěn)定 PEM、堿性陰離子交換膜、自增濕功能復(fù)合膜等成為近年來的研究熱點。
2. 電催化劑
在氫燃料電池的電堆中，電極上氫的氧化反應(yīng)和氧的還原反應(yīng)過程主要受催化劑控制。催化劑是影響氫燃料電池活化極化的主要因素，被視為氫燃料電池的關(guān)鍵材料，決定著氫燃料電池汽車的整車性能和使用經(jīng)濟性。催化劑選用需要考慮工作條件下的耐高溫和抗腐蝕問題，常用的是擔(dān)載型催化劑 Pt/C（Pt 納米顆粒分散到碳粉載體上），但是 Pt/ C 隨著使用時間的延長存在 Pt 顆粒溶解、遷移、團聚現(xiàn)象，活性比表面積降低，難以滿足碳載體的負(fù)載強度要求 [11]。Pt 是貴金屬，從商業(yè)化的角度看不宜繼續(xù)作為常用催化劑成分，為了提高性能、減少用量，一般采取小粒徑的 Pt 納米化分散制備技術(shù)。然而，納米 Pt 顆粒表面自由能高，碳載體與 Pt 納米粒子之間是弱的物理相互作用；小粒徑 Pt 顆粒會擺脫載體的束縛，遷移到較大的顆粒上被兼并而消失，大顆粒得以生存并繼續(xù)增長；小粒徑 Pt 顆粒更易發(fā)生氧化反應(yīng)，以鉑離子的形式擴散到大粒徑鉑顆粒表面而沉積，進(jìn)而導(dǎo)致團聚。為此，人們研制出了 Pt 與過渡金屬合金催化劑、Pt 核殼催化劑、Pt 單原子層催化劑，這些催化劑最顯著的變化是利用了 Pt 納米顆粒在幾何空間分布上的調(diào)整來減少Pt用量、提高Pt利用率，提高了質(zhì)量比活性、面積比活性，增強了抗 Pt 溶解能力。通過碳載體摻雜氮、氧、硼等雜質(zhì)原子，增強 Pt 顆粒與多種過渡金屬（如 Co、Ni、Mn、Fe、Cu 等）的表面附著力，在提升耐久性的同時也利于增強含 Pt 催化劑的抗遷移及團聚能力。
為了進(jìn)一步減少 Pt 用量，無 Pt 的單 / 多層過渡金屬氧化物催化劑、納米單 / 雙金屬催化劑、碳基可控?fù)诫s原子催化劑、M-N-C 納米催化劑、石墨烯負(fù)載多相催化劑、納米金屬多孔框架催化劑等成為領(lǐng)域研究熱點；但這些新型催化劑在氫燃料電池實際工況下的綜合性能，如穩(wěn)定性、耐腐蝕性、氧還原反應(yīng)催化活性、質(zhì)量比活性、面積比活性等，還需要繼續(xù)驗證。美國 3M 公司基于超薄層薄膜催化技術(shù)研制的 Pt/Ir(Ta) 催化劑，已實現(xiàn)在陰極、陽極平均低至 0.09 mg/cm2 的鉑用量，催化功率密度達(dá)到 9.4 kW/g （150 kPa 反應(yīng)氣壓）、11.6 kW/g （250 kPa 反應(yīng)氣壓）[12]。德國大眾汽車集團牽頭研制的 PtCo/ 高表面積碳（HSC）也取得重要進(jìn)展，催化功率密度、散熱能力均超過了美國能源部制定的規(guī)劃目標(biāo)值（2016—2020 年）[13]。后續(xù)，減少鉑基催化劑用量、提高功率密度（催化活性）及基于此目標(biāo)的 MEA 優(yōu)化制備，仍是降低氫燃料電池系統(tǒng)商用成本的重要途徑。
3. 氣體擴散層
在氫燃料電池的電堆中，空氣與氫氣通入到陰、陽極上的催化劑層還需要穿越氣體擴散層（GDL）。GDL 由微孔層、支撐層組成，起到電流傳導(dǎo)、散熱、水管理、反應(yīng)物供給的作用，因此需要良好的導(dǎo)電性、高化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性，還應(yīng)有合適的孔結(jié)構(gòu)、柔韌性、表面平整性、高機械強度；這些性能對催化劑層的電催化活性、電堆能量轉(zhuǎn)換至關(guān)重要，是 GDL 結(jié)構(gòu)和材料性能的體現(xiàn)。微孔層通常由碳黑、憎水劑構(gòu)成，厚度為 10~100 μm，用于改善基底孔隙結(jié)構(gòu)、降低基底與催化層之間的接觸電阻、引導(dǎo)反應(yīng)氣體快速通過擴散層并均勻分布到催化劑層表面、排走反應(yīng)生成的水以防止“水淹” 發(fā)生。因編織碳布、無紡布碳紙具有很高的孔隙率、足夠的導(dǎo)電性，在酸性環(huán)境中也有良好的穩(wěn)定性，故支撐層材料主要是多孔的碳纖維紙、碳纖維織布、碳纖維無紡布、碳黑紙。碳纖維紙的平均孔徑約為 10.0 μm，孔隙率為 0.7~0.8 [14]，制造工藝成熟、性能穩(wěn)定、成本相對較低，是支撐層材料的首選；在應(yīng)用前需進(jìn)行疏水處理，確保 GDL 具有適當(dāng)?shù)乃畟鬏斕匦裕ǔＪ菍⑵浣氲绞杷畡ㄈ?PTFE）的水分散溶液中，當(dāng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)被完全浸透后轉(zhuǎn)移至高溫環(huán)境中進(jìn)行干燥處理，從而形成耐用的疏水涂層。為進(jìn)一步提高碳纖維紙的導(dǎo)電性，可能還會進(jìn)行額外的碳化、石墨化過程。
在功能角度看，GDL 均勻地將反應(yīng)氣體從流場引導(dǎo)至催化劑層，確保組件的機械完整性，并以一定的速度排除陰極上的反應(yīng)產(chǎn)物（水），防止陰極催化劑層發(fā)生“水淹”，也避免因失水過多導(dǎo)致陰極組件干燥而降低各離子的傳導(dǎo)率。因此，發(fā)生在 GDL 上的過程有：熱轉(zhuǎn)移過程、氣態(tài)輸運過程、兩相流過程、電子輸運過程、表面液滴動力學(xué)過程等。GDL 是燃料電池的水管理“中心”，通過對水的有效管理，提高燃料電池的穩(wěn)定性、經(jīng)濟性；燃料電池對水的控制可以通過水管理系統(tǒng)的增濕器或自增濕 PEM 來部分實現(xiàn)，但主要還靠 GDL 的作用。GDL 的厚度、表面預(yù)處理會影響傳熱和傳質(zhì)阻力，是整個氫燃料電池系統(tǒng)濃差極化、歐姆極化的主要源頭之一；通常以減小 GDL 厚度的方式來降低濃差極化、歐姆極化，但也可能導(dǎo)致 GDL 機械強度不足。因此，研制親疏水性合理、表面平整、孔隙率均勻且高強度的 GDL 材料，是氫燃料電池關(guān)鍵技術(shù)。對 GDL 的研究，除了材料制備，還有關(guān)于壓縮、凍融、氣流、水溶造成的機械降解以及燃料電池啟動、關(guān)閉及“氫氣饑餓”時的碳腐蝕造成的化學(xué)降解等的性能退化研究。此外，為促進(jìn) GDL 材料設(shè)計與開發(fā)，研究者利用中子照相技術(shù)、X-ray 電子計算機斷層描繪技術(shù)、光學(xué)可視化技術(shù)、熒光顯微術(shù)等手段來可視化 GDL 材料結(jié)構(gòu)和表面水的流動狀態(tài)，并利用隨機模型法、兩相流模型數(shù)字化重構(gòu) GDL 宏觀形貌（孔隙）結(jié)構(gòu)；為研究 GDL 氣 – 液兩相流行為，較多運用雙流體模型、多相混合模型、格點 Boltzmann 方法、孔隙網(wǎng)絡(luò)模型、流體體積（VOF）法等。
GDL 技術(shù)狀態(tài)成熟，但面臨挑戰(zhàn)是大電流密度下水氣通暢傳質(zhì)的技術(shù)問題和大批量生產(chǎn)問題，生產(chǎn)成本依然居高不下；商業(yè)穩(wěn)定供應(yīng)的企業(yè)主要有加拿大巴拉德動力系統(tǒng)公司、德國 SGL 集團、日本東麗株式會社和美國 E-TEK 公司。日本東麗株式會社早在 1971 年開始進(jìn)行碳纖維產(chǎn)品生產(chǎn)，是全球碳纖維產(chǎn)品的最大供應(yīng)商，其他公司主要以該公司的碳產(chǎn)品為基礎(chǔ)材料。
（二）雙極板
氫燃料電池中的雙極板（BPs）又稱流場板，起到分隔反應(yīng)氣體、除熱、排出化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物（水）的作用；需滿足電導(dǎo)率高、導(dǎo)熱性和氣體致密性好、機械和耐腐蝕性能優(yōu)良等要求?；诋?dāng)前生產(chǎn)能力， BPs 占整個氫燃料電池電堆近 60% 的質(zhì)量、超過 10% 的成本 [15]。根據(jù)基體材料種類的不同，BPs 可分為石墨 BPs、金屬 BPs、復(fù)合材料 BPs。石墨 BPs 具有優(yōu)異的導(dǎo)電性和抗腐蝕能力，技術(shù)最為成熟，是 BPs 商業(yè)應(yīng)用最為廣泛的碳質(zhì)材料，但機械強度差、厚度難以縮小，在緊湊型、抗沖擊場景下的應(yīng)用較為困難。因此，更具性能和成本優(yōu)勢的金屬 BPs 成為了發(fā)展熱點 [16]，如主流的金屬 BPs 厚度不大于 0.2 mm，體積和質(zhì)量明顯減少，電堆功率密度顯著增加，兼具延展性良好、導(dǎo)電和導(dǎo)熱特性優(yōu)、斷裂韌性高等特點；當(dāng)前，主流的氫燃料電池汽車公司（如本田、豐田、通用等品牌）都采用了金屬 BPs 產(chǎn)品。
也要注意到，金屬 BPs 耐腐蝕性較差，在酸性環(huán)境中金屬易溶解，浸出的離子可能會毒化膜電極組件；隨著金屬離子溶解度的增加，歐姆電阻增加，氫燃料電池輸出功率降低。為解決耐腐蝕問題，一方面可在金屬 BPs 表面涂覆耐腐蝕的涂層材料，如貴金屬、金屬化合物、碳類膜（類金剛石、石墨、聚苯胺）等；另一方面是研制復(fù)合材料 BPs。復(fù)合材料 BPs 由耐腐蝕的熱固性樹脂、熱塑性樹脂聚合物材料、導(dǎo)電填料組成，導(dǎo)電填料顆?？杉?xì)分為金屬基復(fù)合材料、碳基復(fù)合材料（如石墨、碳纖維、炭黑、碳納米管等）。新型聚合物 / 碳復(fù)合材料 BPs 成本低、耐腐蝕性好、質(zhì)量輕，是金屬 BPs、純石墨 PBs 的替代品。為了降低 BPs 的生產(chǎn)成本以滿足實際需求，發(fā)展和應(yīng)用了液壓成形、壓印、蝕刻、高速絕熱、模制、機械加工等制造方法 [17]。BPs 供應(yīng)商主要有美國 Graftech 國際有限公司、步高石墨有限公司，日本藤倉工業(yè)株式會社，德國 Dana 公司，瑞典 Cellimpact 公司，英國 Bac2 公司，加拿大巴拉德動力系統(tǒng)公司等。
（三）氫燃料電池系統(tǒng)部件
為了維持電堆的正常工作，氫燃料電池系統(tǒng)還需要氫氣供應(yīng)系統(tǒng)、水管理系統(tǒng)、空氣系統(tǒng)等外部輔助子系統(tǒng)的協(xié)同配合，對應(yīng)的系統(tǒng)部件有氫循環(huán)泵、氫瓶、增濕器、空氣壓縮機。燃料電池在工作狀態(tài)下會產(chǎn)生大量的水，過低的水含量會產(chǎn)生“干膜”現(xiàn)象，阻礙質(zhì)子傳輸；過高的水含量會產(chǎn)生“水淹”現(xiàn)象，阻礙多孔介質(zhì)中氣體的擴散，導(dǎo)致電堆輸出電壓偏低 [11]。從陰極側(cè)穿透到陽極的雜質(zhì)氣體（N2）不斷積累，阻礙氫氣與催化劑層的接觸，造成局部“氫氣饑餓”而引起化學(xué)腐蝕。因此，水的平衡對 PEM 氫燃料電池的電堆壽命具有重要意義，解決途徑是在電堆中引入氫氣循環(huán)設(shè)備（循環(huán)泵、噴射器）來實現(xiàn)氣體吹掃、氫氣重復(fù)利用、加濕氫氣等功能。
氫氣循環(huán)泵可根據(jù)工況條件實時控制氫氣流量，提高氫氣利用效率，但在涉氫、涉水的環(huán)境下易發(fā)生“氫脆”現(xiàn)象，在低溫下的結(jié)冰現(xiàn)象可能導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常工作；因此，氫循環(huán)泵需要具有耐水性強、輸出壓強穩(wěn)定、無油的性能，制備難度較大，制造成本昂貴。為此發(fā)展出了單引射器、雙引射器方案，前者在高 / 低負(fù)載、系統(tǒng)啟停、系統(tǒng)變載等工況下不易保持工作流的穩(wěn)定性，后者能適應(yīng)不同工況但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制難度大 [18]。還有一些引射器與氫循環(huán)泵并聯(lián)、引射器加旁通氫循環(huán)泵方案，也有著鮮明的優(yōu)缺點。2010 年，美國技術(shù)咨詢公司提出了一種氫循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計方案，利用回流的尾氣對注入氫氣加濕（無需陽極增濕器），這代表了未來氫循環(huán)設(shè)備的發(fā)展方向。
氫燃料電池系統(tǒng)中的空氣壓縮機，可提供與電堆功率密度相匹配的氧化劑（空氣），壓比高、體積小、噪聲低、功率大、無油、結(jié)構(gòu)緊湊 [19]，常見的車載燃料電池空壓機有離心式、螺桿式、渦旋式等類型。目前使用較多的是螺桿式空氣壓縮機，但離心式空氣壓縮機因密閉性好、結(jié)構(gòu)緊湊、振動小、能量轉(zhuǎn)換效率高等特點，較具應(yīng)用前景 [20]。在空氣壓縮機的關(guān)鍵部件中，軸承、電機是瓶頸技術(shù)，低成本、耐摩擦的涂層材料也是開發(fā)重點。美國通用電氣公司、聯(lián)合技術(shù)公司、普拉格能源公司，德國 Xcellsis 公司，加拿大巴拉德動力系統(tǒng)公司，日本豐田汽車公司等都擁有商業(yè)化的空氣壓縮機產(chǎn)品系列。
（四）系統(tǒng)控制策略
氫燃料電池系統(tǒng)的壽命或耐久性，與系統(tǒng)控制策略密切相關(guān) [21~23]。氫燃料電池汽車在啟動時需要實時開啟動力電源以獲得足夠的壓力和反應(yīng)氣體；而在怠速或停止運轉(zhuǎn)時，為了吹掃電堆內(nèi)未反應(yīng)完全的氣體和產(chǎn)生的水，也需要開啟動力電源，規(guī)避“水淹”“氫脆”、化學(xué)腐蝕等情況的出現(xiàn)。因此，在氫燃料電池汽車的啟動 / 停止、怠速、高 / 低負(fù)載等隨機性變化的工況條件下，應(yīng)基于現(xiàn)有系統(tǒng)構(gòu)造、燃料電池衰減機理，優(yōu)化控制策略來確保負(fù)載正常工作，進(jìn)而維持氫燃料電池系統(tǒng)燃料（氫氣、空氣）供應(yīng)流的均勻性、穩(wěn)定性、熱能與水平衡。近年來，在氫燃料電池系統(tǒng)（如 PEMFC）控制方面發(fā)展或應(yīng)用了諸如模糊邏輯控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊邏輯 – 比例積分微分控制（FLC-PID）等方法，操作簡單、低成本、不增加計算負(fù)擔(dān)，是優(yōu)化控制策略的前瞻方向。
三、我國氫燃料電池技術(shù)研發(fā)進(jìn)展及重點發(fā)展方向
（一）關(guān)鍵材料及組件研發(fā)進(jìn)展
近年來，我國的氫燃料電池技術(shù)基礎(chǔ)研究較為活躍，在一些技術(shù)方向具備了與發(fā)達(dá)國家“比肩” 的條件；但整體來看，所掌握的核心技術(shù)水平、綜合技術(shù)體系尚不及具有領(lǐng)先地位的國家，如我國在1998 年才出現(xiàn)首個氫燃料電池發(fā)明專利，目前相關(guān)核心專利數(shù)僅占世界的 1% 左右。先發(fā)國家在氫燃料電池系統(tǒng)、組件、控制技術(shù)、電極等方面發(fā)展相對均衡，一些國際性企業(yè)在燃料電池系統(tǒng)、電池組件與加工、控制技術(shù)等方面居于世界領(lǐng)先地位（見圖 2、圖 3）。
圖 2 主要國家在氫燃料電池方面的研發(fā)重心分布
圖 3 氫燃料電池代表性企業(yè)的研發(fā)重心布局
在儲氫方面，高壓氣態(tài)儲氫技術(shù)在國內(nèi)外獲得普遍使用，低溫液態(tài)儲氫在國外有較大發(fā)展，而國內(nèi)暫限于民用航空領(lǐng)域的小范圍使用。液氨、甲醇、氫化物、液體有機氫載體（LOHC）儲氫在國外已有成熟產(chǎn)品和項目應(yīng)用，而國內(nèi)仍處于小規(guī)模實驗階段。催化劑、GDL 等關(guān)鍵零部件或材料處在研究與小規(guī)模生產(chǎn)階段，批量化產(chǎn)品的可靠性、耐久性還需要長期驗證，主要技術(shù)為國外公司所掌握。中山大洋電機股份有限公司、思科渦旋科技（杭州）有限公司、上海漢鐘精機股份有限公司等國內(nèi)企業(yè)，均處于氫氣循環(huán)泵的產(chǎn)品研發(fā)驗證階段，部分公司已實現(xiàn)小批量產(chǎn)品供貨。碳紙、碳布是制備 GDL 的關(guān)鍵材料，基礎(chǔ)材料是碳纖維；我國碳纖維研制從 20 世紀(jì) 80 年代中期才開始，目前尚處于小規(guī)模生產(chǎn)階段，生產(chǎn)的碳纖維很難同時滿足電堆對于低電阻、高滲透性、機械強度大等的要求，與國外高性能碳纖維材料相比仍有較大差距。上海河森電氣公司、上海濟平新能源科技公司均有小批量的碳紙生產(chǎn)能力。我國已將碳纖維列為重點支持的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，相關(guān)技術(shù)在產(chǎn)業(yè)政策扶持下有望加速發(fā)展。
石墨 BPs 已實現(xiàn)國產(chǎn)化，金屬 BPs 實現(xiàn)小批量供貨，但耐久性、可靠性有待繼續(xù)檢驗；相關(guān)研究單位或企業(yè)有中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所、武漢理工大學(xué)、新源動力股份有限公司、國鴻氫能科技有限公司、上海弘楓實業(yè)有限公司等。上海重塑能源科技有限公司、上海捷氫科技有限公司、新源動力股份有限公司等氫燃料電池電堆供應(yīng)商，產(chǎn)品功率達(dá)到國際先進(jìn)水平，建成了自動化生產(chǎn)線；金屬 BPs 電堆功率密度達(dá)到 3.8 kW/L，可在 –30 ℃低溫條件下自啟動，完成 6000 h 實車工況耐久性測試 [24]。安徽明天氫能科技股份有限公司、雄韜電源科技有限公司已經(jīng)建成電堆自動化生產(chǎn)線。貴研鉑業(yè)股份有限公司、中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所、上海交通大學(xué)、清華大學(xué)等從事催化劑研究，其中中國科學(xué)院大連化學(xué)物理所制備的 Pt3Pd/C 合金催化劑已應(yīng)用于燃料電池發(fā)動機 [11]。PEM 已具有國產(chǎn)化能力，年產(chǎn)能可達(dá)數(shù)萬平方米，但高端產(chǎn)品還依賴進(jìn)口?？諝鈮嚎s機技術(shù)起步晚，2018 年實現(xiàn)國產(chǎn)化并有小批量生產(chǎn)，但缺少低功耗、高速、無油的空氣壓縮機產(chǎn)品。
在產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面，珠江三角洲、長江三角洲、京津翼地區(qū)涌現(xiàn)出了數(shù)百家氫燃料電池公司；氫燃料電池商用車（客車、叉車）已實現(xiàn)批量生產(chǎn)，燃料電池乘用車尚處在應(yīng)用示范階段。國產(chǎn)乘用車、商用車的電堆功率與國外產(chǎn)品大致相當(dāng)，但系統(tǒng)可靠性、耐久性、比功率、綜合壽命方面還需工況驗證。國內(nèi)一些企業(yè)掌握了氫燃料電池系統(tǒng)研發(fā)技術(shù)，相關(guān)產(chǎn)品的冷啟動、功率密度等性能顯著提升，具有年產(chǎn)萬臺的批量化生產(chǎn)能力。然而與國際先進(jìn)水平相比，國產(chǎn)電池系統(tǒng)核心零部件及系統(tǒng)的耐久性與可靠性仍存在一定差距。
（二）重點發(fā)展方向
1. 關(guān)鍵材料與核心組件的性能及產(chǎn)能提升
膜電極、BPs、氫氣循環(huán)泵、空氣壓縮機、 GDL 等核心組件，PEM、催化劑等關(guān)鍵材料，均已實現(xiàn)小規(guī)模自主生產(chǎn)，為未來大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)儲備了技術(shù)基礎(chǔ)條件。氫燃料電池系統(tǒng)的國產(chǎn)化程度已從 2017 年的 30% 提高到 2020 年的 60%。預(yù)計到 2025 年，金屬 BPs 可完全國產(chǎn)化，低功耗、高速、無油的空氣壓縮機進(jìn)入小規(guī)模自主生產(chǎn)階段；機械強度高、孔隙率均勻、抗碳腐蝕的碳纖維制備技術(shù)有望取得突破，大電流密度條件下的 GDL 水氣通暢傳質(zhì)問題有望得到解決。
在技術(shù)應(yīng)用方面，從現(xiàn)階段重點發(fā)展氫燃料電池客車、卡車等商用車，逐步推廣到乘用車、有軌電車、船舶、工業(yè)建筑、分布式發(fā)電等領(lǐng)域。隨著關(guān)鍵材料的物理性能改進(jìn)，各組件熱學(xué)、力學(xué)、電化學(xué)穩(wěn)定性提高，氫燃料電池系統(tǒng)的穩(wěn)定性、綜合壽命將有明顯改善。預(yù)計到 2035 年，燃料電池系統(tǒng)功率密度將由當(dāng)前約 3.1 kW/L 全面提升到約 4.5 kW/L，乘用車、商用車電堆壽命將由當(dāng)前的 5000 h、15 000 h 分別增加到 6000 h、20 000 h。
2. 生產(chǎn)成本的顯著下降
氫燃料電池系統(tǒng)的成本必然隨著技術(shù)進(jìn)步、生產(chǎn)規(guī)模的擴大而下降，預(yù)計未來 10 年生產(chǎn)成本將降低至目前的 50%。燃料電池系統(tǒng)各部件的成本構(gòu)成，若按照年產(chǎn)量為 5×105 套、凈功率為 80 kW/套計算，可建立分析模型 [25]：膜電極成本占比為 27%，BPs 成本占比為 12.4%，空氣循環(huán)子系統(tǒng)（含空氣壓縮機、質(zhì)量監(jiān)控傳感器、溫度傳感器、過濾器等）成本占比為 25.8%，冷卻回路（含高低溫回路、空氣預(yù)冷器、電子組件等）成本占 11.2%，其他成本占 23.6%。雙極板和催化劑分別占整個電池電堆成本的 28% 和 41%，而氣體擴散層、電解質(zhì)膜、膜電極骨架三者成本大體相當(dāng)，約占電堆成本的 6%~8%；各部件在系統(tǒng)成本中的占有比例隨著生產(chǎn)規(guī)模和各自的技術(shù)水平而變化。該分析結(jié)果雖具有模型依賴性并建立在豐田 Mirai 車型數(shù)據(jù)及一些前提假設(shè)基礎(chǔ)上，但揭示了未來提高氫燃料電池電堆功率密度、降低氫燃料電池系統(tǒng)制造成本的途徑。應(yīng)重點發(fā)展低成本、低 Pt 或無 Pt 的電催化劑，低成本、輕薄型、高性能復(fù)合材料 BPs，盡快發(fā)布產(chǎn)業(yè)政策和技術(shù)規(guī)范，在條件成熟區(qū)域擴大燃料電池系統(tǒng)生產(chǎn)規(guī)模。
美國能源部計劃在 2025 年實現(xiàn)氫燃料電池系統(tǒng)（功率為 80 kW）成本目標(biāo) 40 美元/kW，為遠(yuǎn)期的 30 美元/kW 目標(biāo)奠定基礎(chǔ)，進(jìn)而達(dá)到與內(nèi)燃機汽車的生產(chǎn)成本可比性。按照我國現(xiàn)有的技術(shù)儲備條件，根據(jù)中國氫能聯(lián)盟《中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書》（2019 年、2020 年）預(yù)測，2035 年我國氫燃料電池系統(tǒng)的生產(chǎn)成本將降至當(dāng)前的 1/5（約 800 元/kW）；到 2050 年降低至 300 元/kW [26]；屆時燃料電池汽車擁有量將超過 3×107 輛，加氫站數(shù)量達(dá)到 1×104 座，氫能消耗占終端總能源消耗的 10%。雖然不排除因我國研究機構(gòu)與企業(yè)之間的深度協(xié)作而帶來技術(shù)快速提升，到 2035 年氫燃料電池汽車成本將具有與內(nèi)燃機汽車同等的競爭力 [27] 并基本接近國外先進(jìn)水平，但就目前的技術(shù)狀態(tài)而言，需著力提升氫燃料電池電堆材料制備和部件制造技術(shù)，大幅度降低相關(guān)系統(tǒng)的生產(chǎn)成本。
四、對策建議
（一）強化制氫技術(shù)攻關(guān)，降低氫氣燃料使用成本
降低氫燃料成本有利于氫燃料電池技術(shù)的推廣應(yīng)用，而大規(guī)模的氫燃料電池技術(shù)利用將進(jìn)一步降低相關(guān)系統(tǒng)的成本。建議切實推動與氫燃料電池技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈配套的制氫、儲運氫 [28,29]、加氫站的發(fā)展，穩(wěn)步降低氫氣燃料使用成本；重點發(fā)展并應(yīng)用碳捕獲與封存技術(shù)，通過風(fēng)能、水能、太陽能、生物質(zhì)能等可再生能源，傳統(tǒng)谷電能實施大規(guī)模綠色制氫；對標(biāo)當(dāng)前國際先進(jìn)水平的 2~3 mg/cm2 催化劑 Pt 載量、3.7 美元 /kg 產(chǎn)氫成本的指標(biāo) [30]，重點采用 PEM 電解槽制氫技術(shù)路線，積極發(fā)展高溫固體氧化物電解水制氫技術(shù)。
（二）加快關(guān)鍵材料和核心組件的技術(shù)攻關(guān)與轉(zhuǎn)化應(yīng)用
為進(jìn)一步降低氫能的生產(chǎn)和利用成本，無論是氫燃料電池還是電解水制氫，需要大力開展碳纖維/ 布、PEM、催化劑、GDL、BPs 等關(guān)鍵材料或核心組件的制備技術(shù)研究與轉(zhuǎn)化應(yīng)用。建議構(gòu)建 “研究機構(gòu) / 實驗室 – 企業(yè) – 產(chǎn)業(yè)園”的協(xié)同創(chuàng)新機制，鼓勵原創(chuàng)的突破性研究成果進(jìn)入企業(yè)開展 “先行先試”，及早接受市場考驗；在有條件的地區(qū)建設(shè)氫能產(chǎn)業(yè)園區(qū)，注重產(chǎn)業(yè)集群建設(shè)以形成規(guī)?；?yīng)，從而促進(jìn)氫燃料電池系統(tǒng)及氫氣成本的技術(shù)性下降；支持自主研發(fā)企業(yè)的產(chǎn)品進(jìn)駐氫能產(chǎn)業(yè)園區(qū)進(jìn)行培育示范，國家級實驗平臺應(yīng)側(cè)重支持企業(yè)進(jìn)行產(chǎn)品論證和工況測試。多渠道、全方位引入社會資本參與加氫站、儲運氫基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，通過項目試點和示范運營，助推氫燃料電池全產(chǎn)業(yè)鏈的穩(wěn)健發(fā)展。
（三）科學(xué)制定產(chǎn)業(yè)規(guī)劃，構(gòu)建政策保障體系
建議研究制定有關(guān)氫能、氫燃料電池技術(shù)的中長期發(fā)展規(guī)劃，做好系統(tǒng)的頂層設(shè)計。關(guān)鍵技術(shù)的突破與創(chuàng)新，穩(wěn)定的專業(yè)人才隊伍是關(guān)鍵，建議在 2021—2035 年周期內(nèi)持續(xù)設(shè)立氫燃料電池國家級專項課題，提供穩(wěn)定的經(jīng)費支持，鼓勵氫能及氫燃料電池研究隊伍傾力投入研究。合理保持對氫燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈的投入，從土地、稅收、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等諸多方面給予積極支持，鼓勵和引導(dǎo)氫燃料電池企業(yè)從事研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用活動。有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系的構(gòu)建，是引導(dǎo)企業(yè)安全有序開展研發(fā)和市場活動的重要前提，建議系統(tǒng)研究制定加氫站等基礎(chǔ)設(shè)施的安全標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)文件，車輛、船舶、發(fā)電站等應(yīng)用場景下氫燃料電池系統(tǒng)的技術(shù)和檢測標(biāo)準(zhǔn)，出臺法規(guī)文件縮短加氫站及氫燃料電池項目從審批、建設(shè)到運營的時間歷程。
致謝
感謝中國科學(xué)院蘭州文獻(xiàn)情報中心白光祖副研究員、鄭玉榮副研究員、靳軍寶博士在文獻(xiàn)檢索與情報分析方面的幫助；感謝湘潭大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院王莆森、劉福家兩位碩士研究生所做的系統(tǒng)性調(diào)研工作。
論文地址：劉應(yīng)都，郭紅霞，歐陽曉平.氫燃料電池技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及未來展望[J].中國工程科學(xué),2021,23(4):162-171.
http://www.engineering.org.cn/ch/10.15302/J-SSCAE-2021.04.019
