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(jì)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(shí)現(xiàn)人類社會(huì)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(jī)與波動(dòng)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(dòng)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(diǎn)，相應(yīng)技術(shù)進(jìn)步可推動(dòng)氫氣制備、儲藏、運(yùn)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(dòng)下，世界各國高度重視氫燃料電池技術(shù)，以支撐實(shí)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(jì)”，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(dòng)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(jì)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(dòng)計(jì)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(dòng)了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“可再生能源與氫能技術(shù)”重點(diǎn)專項(xiàng)，將重點(diǎn)突破質(zhì)子交換膜、氣體擴(kuò)散層碳紙、車用燃料電池催化劑批量制備技術(shù)、空壓機(jī)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(shí)期能源技術(shù)裝備重點(diǎn)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(xiàng)目研究認(rèn)為 [4]，燃料電池電動(dòng)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(bào)道了氫燃料電池系統(tǒng)在雙極板、氣體擴(kuò)散層、催化劑、膜電極、流場設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060 年實(shí)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(shí)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(shí)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(xiàng)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(jī)、增濕器、氫循環(huán)泵、氫瓶）組成。電堆是整個(gè)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(kuò)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(kuò)散層、陰極催化劑層、電解質(zhì)膜、陽極催化劑層和陽極氣擴(kuò)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(dòng)時(shí)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(diǎn)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(diǎn)；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(shí)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(shí)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(qiáng)酸強(qiáng)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(tuán)的 Dow 膜、3M 公司的 PAIF 膜，日本旭化成株式會(huì)社的 Aciplex 膜、旭硝子株式會(huì)社的 Flemion 膜，加拿大巴拉德動(dòng)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(dòng)力有限公司、上海神力科技有限公司、東岳集團(tuán)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(shí)也帶來膜的機(jī)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(jī)或其他非氟化物進(jìn)行共混（如加拿巴拉德動(dòng)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(jī)械強(qiáng)度較好，價(jià)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(qiáng)骨架，浸漬全氟磺酸樹脂得到高強(qiáng)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?duì)柟镜?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(qiáng)膜等 [11]）。值得一提的是，戈?duì)柟菊莆樟?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(diǎn)。
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(jì)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(shí)間的延長存在 Pt 顆粒溶解、遷移、團(tuán)聚現(xiàn)象，活性比表面積降低，難以滿足碳載體的負(fù)載強(qiáng)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(huì)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(kuò)散到大粒徑鉑顆粒表面而沉積，進(jìn)而導(dǎo)致團(tuán)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(qiáng)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(qiáng) 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(shí)也利于增強(qiáng)含 Pt 催化劑的抗遷移及團(tuán)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(diǎn)；但這些新型催化劑在氫燃料電池實(shí)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(yàn)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(shí)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(tuán)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(kuò)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(kuò)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(jī)械強(qiáng)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(kuò)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(huì)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(jī)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(yùn)過程、兩相流過程、電子輸運(yùn)過程、表面液滴動(dòng)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(jì)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(shí)現(xiàn)，但主要還靠 GDL 的作用。GDL 的厚度、表面預(yù)處理會(huì)影響傳熱和傳質(zhì)阻力，是整個(gè)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(jī)械強(qiáng)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(qiáng)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(jī)械降解以及燃料電池啟動(dòng)、關(guān)閉及“氫氣饑餓”時(shí)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(jì)與開發(fā)，研究者利用中子照相技術(shù)、X-ray 電子計(jì)算機(jī)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(dòng)狀態(tài)，并利用隨機(jī)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(yùn)用雙流體模型、多相混合模型、格點(diǎn) 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(dòng)力系統(tǒng)公司、德國 SGL 集團(tuán)、日本東麗株式會(huì)社和美國 E-TEK 公司。日本東麗株式會(huì)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(jī)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(gè)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(jī)械強(qiáng)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(diǎn) [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(diǎn)；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(huì)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(shí)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(jī)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(huì)社，德國 Dana 公司，瑞典 Cellimpact 公司，英國 Bac2 公司，加拿大巴拉德動(dòng)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?dú)錃夤?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(jī)。燃料電池在工作狀態(tài)下會(huì)產(chǎn)生大量的水，過低的水含量會(huì)產(chǎn)生“干膜”現(xiàn)象，阻礙質(zhì)子傳輸；過高的水含量會(huì)產(chǎn)生“水淹”現(xiàn)象，阻礙多孔介質(zhì)中氣體的擴(kuò)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(shí)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(shí)時(shí)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(qiáng)、輸出壓強(qiáng)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(diǎn)。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(jì)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(jī)，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(jī)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(jī)，但離心式空氣壓縮機(jī)因密閉性好、結(jié)構(gòu)緊湊、振動(dòng)小、能量轉(zhuǎn)換效率高等特點(diǎn)，較具應(yīng)用前景 [20]。在空氣壓縮機(jī)的關(guān)鍵部件中，軸承、電機(jī)是瓶頸技術(shù)，低成本、耐摩擦的涂層材料也是開發(fā)重點(diǎn)。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(dòng)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(jī)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(dòng)時(shí)需要實(shí)時(shí)開啟動(dòng)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(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，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(dòng)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(dòng) / 停止、怠速、高 / 低負(fù)載等隨機(jī)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(jī)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(jì)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(diǎn)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(gè)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(jī)氫載體（LOHC）儲氫在國外已有成熟產(chǎn)品和項(xiàng)目應(yīng)用，而國內(nèi)仍處于小規(guī)模實(shí)驗(yàn)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(yàn)證，主要技術(shù)為國外公司所掌握。中山大洋電機(jī)股份有限公司、思科渦旋科技（杭州）有限公司、上海漢鐘精機(jī)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(yàn)證階段，部分公司已實(shí)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(shí)滿足電堆對于低電阻、高滲透性、機(jī)械強(qiáng)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(jì)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(diǎn)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(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，金屬 BPs 實(shí)現(xiàn)小批量供貨，但耐久性、可靠性有待繼續(xù)檢驗(yàn)；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(dòng)力股份有限公司、國鴻氫能科技有限公司、上海弘楓實(shí)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(dòng)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(dòng)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(dòng)，完成 6000 h 實(shí)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(dòng)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(dòng)機(jī) [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(jī)技術(shù)起步晚，2018 年實(shí)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(jī)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(shí)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(yàn)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(dòng)、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(diǎn)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(jī)、 GDL 等核心組件，PEM、催化劑等關(guān)鍵材料，均已實(shí)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(jì)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(jī)進(jìn)入小規(guī)模自主生產(chǎn)階段；機(jī)械強(qiáng)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(diǎn)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(jì)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(kuò)大而下降，預(yù)計(jì)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(jì)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(jī)、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(gè)電池電堆成本的 28% 和 41%，而氣體擴(kuò)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(diǎn)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(kuò)大燃料電池系統(tǒng)生產(chǎn)規(guī)模。
美國能源部計(jì)劃在 2025 年實(shí)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(jī)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(shí)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(jī)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(jī)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(qiáng)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(shí)推動(dòng)與氫燃料電池技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈配套的制氫、儲運(yùn)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(diǎn)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(shí)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(diǎn)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(jī)構(gòu) / 實(shí)驗(yàn)室 – 企業(yè) – 產(chǎn)業(yè)園”的協(xié)同創(chuàng)新機(jī)制，鼓勵(lì)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(yàn)；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)模化效應(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(shí)驗(yàn)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(huì)資本參與加氫站、儲運(yùn)氫基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，通過項(xiàng)目試點(diǎn)和示范運(yùn)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(jì)。關(guān)鍵技術(shù)的突破與創(chuàng)新，穩(wěn)定的專業(yè)人才隊(duì)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(xiàng)課題，提供穩(wěn)定的經(jīng)費(fèi)支持，鼓勵(lì)氫能及氫燃料電池研究隊(duì)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(lì)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(dòng)。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(dòng)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(xiàng)目從審批、建設(shè)到運(yùn)營的時(shí)間歷程。
致謝
感謝中國科學(xué)院蘭州文獻(xiàn)情報(bào)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(bào)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
