發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)加速了氫燃料電池產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的道路，世界知名汽車(chē)公司著手合作進(jìn)行燃料汽車(chē)研發(fā)；歐盟各國(guó)也紛紛啟動(dòng)了燃料電池巴士項(xiàng)目；能源供應(yīng)商也加快了加氫站的建設(shè)。然而燃料電池能否真正替代鋰電池，成為新動(dòng)力的領(lǐng)跑者？燃料電池實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的道路到底有多遠(yuǎn)？國(guó)家如何促進(jìn)燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展？本文對(duì)這些題進(jìn)行了探索和思考。
一、為什么要關(guān)注燃料電池
續(xù)航里程有限和價(jià)格高昂是制約電動(dòng)汽車(chē)商業(yè)化發(fā)展的最大瓶頸，這二者都與電動(dòng)汽車(chē)的核心部件電池緊密相關(guān)。作為一種新的技術(shù)產(chǎn)品，燃料電池以其節(jié)能、高效、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，成為應(yīng)對(duì)全球能源短缺和環(huán)境污染的重要選擇之一。
1.諸多優(yōu)勢(shì)集于一身
燃料電池是繼水力、火力、核能之后的第4代發(fā)電裝置，具有安全、高效、無(wú)污染、適用廣、無(wú)噪聲等特點(diǎn)，已成為當(dāng)今世界能源領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)熱點(diǎn)。氫燃料電池，作為發(fā)展最好的燃料電池，具備諸多優(yōu)勢(shì)：
轉(zhuǎn)換效率高，性能優(yōu)于內(nèi)燃機(jī)。氫燃料電池汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)綜合效率是內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)的5～6倍。由于其能量轉(zhuǎn)換效率高，也能更適應(yīng)汽車(chē)加速和爬坡時(shí)的動(dòng)力需求。另外，據(jù)資料顯示，氫燃料電池車(chē)充電時(shí)間小于8min，單次行駛里程可以達(dá)到500～600km，是鋰電池車(chē)的3～5倍。
環(huán)境親和性，基本實(shí)現(xiàn)零排放。氫燃料電池的反應(yīng)過(guò)程都是無(wú)污染的水反應(yīng)，反應(yīng)過(guò)程不產(chǎn)生污染物，同時(shí)以易于獲得的氫氣為燃料，廢氣中也不存在污染物，是真正意義上的“清潔能源”。
結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化，供電可靠度高。燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)大多數(shù)為板狀和管件，結(jié)構(gòu)件構(gòu)造簡(jiǎn)單。同時(shí)，電池主要由多個(gè)單體燃料電池串聯(lián)組成，結(jié)構(gòu)靈活多變，模塊化的設(shè)置使得供電系統(tǒng)具有極高的穩(wěn)定性。
2.技術(shù)突破超出原有預(yù)期
近年來(lái)，燃料電池技術(shù)實(shí)現(xiàn)了較大突破。制約燃料電池汽車(chē)技術(shù)實(shí)用化的3大難題：耐久性、低溫工作和低成本化，目前已解決前2個(gè)。從技術(shù)角度看，燃料電池已經(jīng)具備產(chǎn)業(yè)化的能力。具體來(lái)看：
耐久性問(wèn)題已經(jīng)解決。質(zhì)子交換膜燃料電池最高壽命可達(dá)60 000h，小汽車(chē)應(yīng)用壽命達(dá)到5 000h，大巴車(chē)已經(jīng)完成12 000h驗(yàn)證，滿(mǎn)足10年使用壽命的設(shè)計(jì)。
低溫工作已經(jīng)解決。針對(duì)各種環(huán)境的測(cè)試驗(yàn)證得出，目前豐田的燃料電池可以實(shí)現(xiàn)零下30℃的測(cè)試。
配套材料逐步升級(jí)。目前已進(jìn)一步減少燃料電池中成本影響最大的催化劑用量；將雙極板板材升級(jí)到超薄超輕不銹鋼板；解決了加氫、儲(chǔ)氫裝置安全性問(wèn)題；并掌握了燃料電池所需高純度氫氣提純技術(shù)。
3.外部環(huán)境變化帶來(lái)機(jī)遇
燃料電池汽車(chē)市場(chǎng)規(guī)模有望爆發(fā)。2012年，全球燃料電池系統(tǒng)出貨量約為3萬(wàn)臺(tái)，同比增長(zhǎng)約34%。隨著汽車(chē)廠商合作加速推廣燃料電池汽車(chē)，使其有望在2015-2017年后出現(xiàn)爆發(fā)，日韓將成為燃料電池商業(yè)化的先驅(qū)地區(qū)。預(yù)計(jì)到2025年，全球燃料電池汽車(chē)銷(xiāo)量將達(dá)到180萬(wàn)輛，市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到3 329億元。
二、燃料電池實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的影響因素
制約燃料電池商業(yè)化發(fā)展的最大瓶頸是什么？燃料電池能否真正替代鋰電池，成為新動(dòng)力的領(lǐng)跑者？燃料電池實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的道路到底有多遠(yuǎn)？這些問(wèn)題值得深思。
1.成本障礙
高成本是制約燃料電池產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵因素。燃料電池成本中占比最高的是燃料電池組，其次是氫燃料罐和電池配件。如果未來(lái)要實(shí)現(xiàn)燃料電池商業(yè)化，并與內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)，那么燃料電池組的成本必須下降，其中主要涉及3個(gè)關(guān)鍵部件的成本，包括：鉑催化劑、電解質(zhì)膜、雙極板、氫燃料罐和電池配件。
鉑催化劑。現(xiàn)在的燃料電池組都使用金屬鉑作為催化劑，在未來(lái)10年內(nèi)很可能依舊如此。電極載鉑量過(guò)高一直是阻礙燃料電池發(fā)展的重要因素。鉑金具有稀缺性，而鉑金行業(yè)利潤(rùn)較低、產(chǎn)量不穩(wěn)定。在這些不利因素的影響下，鉑金的價(jià)格未來(lái)不會(huì)降低。為了降低成本，需進(jìn)一步降低鉑催化劑的使用量，并尋求廉價(jià)的替代催化劑。
電解質(zhì)膜。現(xiàn)在汽車(chē)應(yīng)用中最常見(jiàn)的質(zhì)子交換膜是全氟磺酸膜（PFSAs），這種交換膜具有較強(qiáng)的氧化和還原穩(wěn)定性。全氟磺酸聚合物通常被稱(chēng)作納菲薄膜。目前燃料電池所用的納菲薄膜主要依靠進(jìn)口，其價(jià)格在600美元/m2左右。因此，為盡早實(shí)現(xiàn)燃料電池產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，降低質(zhì)子交換膜的價(jià)格迫在眉睫。
雙極板。目前質(zhì)子交換膜燃料電池最常使用的雙極板是不透性石墨材料。主要是由于在燃料電池環(huán)境下，石墨的耐腐蝕性能最好，但是其制作成本較高：制造石墨雙極板需經(jīng)過(guò)2 500℃以上的石墨化，并需經(jīng)過(guò)多次浸漬、炭化處理以達(dá)到不透性。而且由塊狀石墨加工成雙極板，需采用精密的機(jī)械加工，加工成本也過(guò)高、加工時(shí)間長(zhǎng)、不易批量生產(chǎn)。因此，需進(jìn)一步改善替代金屬雙極板的性能，實(shí)現(xiàn)制備精度高、成本低、壽命長(zhǎng)等需求。
氫燃料罐和電池配件。氫燃料罐的成本較高，從成本和小型輕量化的角度來(lái)看，需開(kāi)發(fā)組合使用輕量低成本氫儲(chǔ)藏材料和高壓氫燃料罐。而電池配件方面，也可與純電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)共同使用其他零部件，從而削減高昂成本。
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