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)60000h，小汽車(chē)應(yīng)用壽命達(dá)到5000h，大巴車(chē)已經(jīng)完成12000h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3329億元。

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?，F(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)2500℃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。

2.燃料來(lái)源

燃料電池的類(lèi)型有很多，其中氫能燃料電池研發(fā)的首要問(wèn)題，就是解決氫氣來(lái)源，也就是如何廉價(jià)制氫。傳統(tǒng)工業(yè)制氫的方法以化石材料制氫、電解水制氫為主。而隨著對(duì)大規(guī)模制氫需求的提高，生物制氫、熱化學(xué)制氫和太陽(yáng)光催化光解制氫等方法也獲得廣泛應(yīng)用。

從成本角度來(lái)看，在燃料電池推廣初期，應(yīng)以分散式制氫為主，可進(jìn)一步控制成本，且使用便利。但隨著未來(lái)燃料電池規(guī)?；l(fā)展之后，集中制氫的成本和環(huán)保優(yōu)勢(shì)將會(huì)進(jìn)一步突出。

3.配套設(shè)施

燃料電池汽車(chē)的推廣，其中最主要的制約因素是配套設(shè)施的缺失，即加氫站的覆蓋率過(guò)小，而其高昂的建設(shè)成本也使得加氫站的建設(shè)只能作為試驗(yàn)性經(jīng)營(yíng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2012年全球范圍內(nèi)新增27個(gè)加氫站，加氫站總數(shù)達(dá)到208個(gè)，其中歐洲80個(gè)、亞洲49個(gè)、北美76個(gè)、南美3個(gè)，但這些還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以滿(mǎn)足燃料電池產(chǎn)業(yè)化推廣的要求。

4.儲(chǔ)藏與安全

通常氫氣以3種形態(tài)存儲(chǔ)和運(yùn)輸：高壓氣態(tài)、液態(tài)和氫化物狀態(tài)。短期內(nèi)，高壓罐儲(chǔ)氫仍是主要?dú)錃鈨?chǔ)存運(yùn)輸手段。但從長(zhǎng)期來(lái)看，更需要具備高儲(chǔ)氫容量、高安全性、吸/放氫速率快、長(zhǎng)壽命和低成本的儲(chǔ)氫材料。因此，輕質(zhì)儲(chǔ)氫材料、有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫材料等低壓或常壓儲(chǔ)氫材料將成為未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)。

三、燃料電池加快產(chǎn)業(yè)化的對(duì)策建議

筆者認(rèn)為，要加快燃料電池產(chǎn)業(yè)化道路，可提高政府對(duì)燃料電池技術(shù)的研發(fā)投入、逐步擴(kuò)大配套設(shè)施建設(shè)、加大對(duì)氫燃料電池利用的補(bǔ)貼、增強(qiáng)對(duì)產(chǎn)業(yè)高端人才的引進(jìn)力度、制定嚴(yán)格的氫能安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。

1.提高政府對(duì)燃料電池技術(shù)的研發(fā)投入

解決燃料電池產(chǎn)業(yè)化的問(wèn)題，首先要解決氫燃料電池的技術(shù)瓶頸，以技術(shù)進(jìn)步來(lái)降低產(chǎn)業(yè)化成本。作為高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，燃料電池的發(fā)展需要相當(dāng)比例的資金作為科技投入。從其他國(guó)家燃料電池發(fā)展程度來(lái)看，其技術(shù)創(chuàng)新的進(jìn)程與政府政策的投入支持密不可分。因此，政府應(yīng)進(jìn)一步加大科技投入，支持燃料電池關(guān)鍵技術(shù)和共性技術(shù)突破。支持相關(guān)企業(yè)的產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合攻關(guān)，加快拉近國(guó)產(chǎn)技術(shù)與國(guó)際先進(jìn)技術(shù)差距，尤其是在質(zhì)子交換膜技術(shù)、催化劑、碳板、膜電極組件等關(guān)鍵技術(shù)的國(guó)產(chǎn)化，安排專(zhuān)項(xiàng)資金支持電池系統(tǒng)開(kāi)發(fā)及關(guān)鍵部件技術(shù)突破產(chǎn)業(yè)化;鼓勵(lì)和支持汽車(chē)企業(yè)積極申報(bào)國(guó)家級(jí)研發(fā)項(xiàng)目，并提供專(zhuān)項(xiàng)支持;鼓勵(lì)和支持汽車(chē)企業(yè)將具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)創(chuàng)新成果進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用;同時(shí)建立基于“技術(shù)鏈”的燃料電池汽車(chē)研發(fā)和示范推廣產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟。

2.逐步擴(kuò)大配套基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)

基礎(chǔ)配套設(shè)施建設(shè)不足也是制約燃料電池汽車(chē)發(fā)展的一大因素。建設(shè)加氫站，所需空間較大，并需提前做好環(huán)評(píng)、安評(píng)等工作，可操作性較低，因此，更需要國(guó)家和各級(jí)政府的大力支持。國(guó)家應(yīng)結(jié)合我國(guó)能源分布、產(chǎn)業(yè)集聚和現(xiàn)有工作重點(diǎn)，加強(qiáng)燃料電池汽車(chē)加氫站等配套設(shè)施的規(guī)劃和建設(shè)，將有關(guān)配套設(shè)施建設(shè)納入專(zhuān)業(yè)系統(tǒng)規(guī)劃，籌劃燃料電池汽車(chē)氫氣供給網(wǎng)絡(luò);鼓勵(lì)和支持企業(yè)參與到加氫站、維修、配件供給等建設(shè)中，從點(diǎn)到線、到小區(qū)域示范和使用，再逐步擴(kuò)大、延伸和推廣。

3.提高對(duì)氫燃料電池利用的補(bǔ)貼

燃料電池高昂的成本，決定了燃料電池汽車(chē)的大規(guī)模普及必然需要政府的大力補(bǔ)貼。而國(guó)外推行新能源汽車(chē)政策的過(guò)程中，政府補(bǔ)貼政策占據(jù)了較大比例。因此，國(guó)家應(yīng)從投資和消費(fèi)2個(gè)角度，出臺(tái)補(bǔ)貼激勵(lì)政策，以推動(dòng)燃料電池的廣泛應(yīng)用。調(diào)整燃料電池汽車(chē)財(cái)政補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)，扶持燃料電池汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展;開(kāi)展燃料電池投資稅減免政策，鼓勵(lì)大型國(guó)有企業(yè)和公司參與，并根據(jù)各地實(shí)際情況延長(zhǎng)投資稅減免時(shí)間并增加力度;以燃料電池領(lǐng)域的投資進(jìn)行企業(yè)和個(gè)人稅收抵消。同時(shí)，推出刺激燃料電池消費(fèi)的法規(guī)和政策，如購(gòu)買(mǎi)燃料電池汽車(chē)，可獲得能源補(bǔ)貼;對(duì)加氫站等提供激勵(lì)回扣，以促進(jìn)氫燃料電池汽車(chē)的使用和生產(chǎn)。

4.加大對(duì)產(chǎn)業(yè)高端人才的引進(jìn)力度

燃料電池技術(shù)的發(fā)展需要技術(shù)人才的支撐。目前我國(guó)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的研發(fā)人員總數(shù)較多，但高端人才缺乏。因此，應(yīng)加大對(duì)加氫站使用、燃料電池汽車(chē)維修及管理等方面專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員的培訓(xùn);支持有條件的高等院校設(shè)立有關(guān)氫燃料電池等相關(guān)專(zhuān)業(yè);建立企業(yè)院士工作站、博士后工作站等平臺(tái)，通過(guò)招聘、合作等多種方式，確保企業(yè)培養(yǎng)和引進(jìn)各類(lèi)高端人才;建立國(guó)內(nèi)外優(yōu)秀人才和資源的合作機(jī)制，對(duì)高層次人才科技項(xiàng)目提供配套獎(jiǎng)勵(lì)。

5.制定嚴(yán)格的氫能安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)

雖然氫能是綠色能源，基本可以實(shí)現(xiàn)零排放，但是在氫能的生產(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸及使用過(guò)程中，都不可避免地會(huì)出現(xiàn)氫氣泄漏等安全問(wèn)題。因此，應(yīng)該制定嚴(yán)格的安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。制定氫燃料汽車(chē)發(fā)展路線圖;加強(qiáng)氫氣運(yùn)輸設(shè)備的制造和使用、加氫站的設(shè)計(jì)等安全建設(shè)工作;盡快健全完善氫能標(biāo)準(zhǔn)化工作;加強(qiáng)與氫安全相關(guān)的氫檢測(cè)傳感器技術(shù)、潛在事故情景處理等技術(shù)的研究。