鉅大LARGE | 點擊量：1098次 | 2020年04月03日
有關(guān)質(zhì)子交換膜燃料動力電池產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的探析
燃料動力電池技術(shù)是一種先進的清潔能源技術(shù)，燃料動力電池能夠?qū)⑷剂系幕瘜W能直接轉(zhuǎn)化為電能，伴隨高效率、無污染和長壽命等特點。此外，燃料動力電池發(fā)電是繼水力發(fā)電、火力發(fā)電和核能發(fā)電之后的第4類發(fā)電技術(shù)。燃料動力電池根據(jù)電解質(zhì)的類型劃分為質(zhì)子交換膜燃料動力電池(PEMFC)、堿性燃料動力電池(AFC)、磷酸燃料動力電池(PAFC)、熔融碳酸鹽燃料動力電池(MCFC)和固態(tài)氧化物燃料動力電池(SOFC)等。相關(guān)于其他類型的燃料動力電池，PEMFC因其能量轉(zhuǎn)換率高(40%～60%)，工作溫度低和比功率高等優(yōu)勢被廣泛應用。
一、國內(nèi)外產(chǎn)業(yè)發(fā)展概述
20世紀60年代，美國UTC公司開發(fā)出以液氫和液氧工作的燃料動力電池應用于特種領(lǐng)域；1979年，杰佛里·巴拉德（Geoffrey Ballard）同其合伙人于加拿大創(chuàng)立了巴拉德動力系統(tǒng)公司，開發(fā)以PEMFC為主的燃料動力電池并應用于汽車領(lǐng)域；1992年，各國汽車制造商在政府的支持下開始研發(fā)燃料動力電池汽車，其中Ballard公司于1993年向世界展示了一輛無污染的PEMFC驅(qū)動的公交車，引起全球研發(fā)熱潮；1994年，奔馳公司生產(chǎn)了燃料動力電池汽車NECAR1，這也是世界上第1輛燃料動力電池汽車；隨后，美國、日本、韓國相繼推出其燃料動力電池概念車以及量產(chǎn)車。我國對燃料動力電池技術(shù)的研究較早，可以追溯到20世紀50年代，國家“863”計劃“十五”電動汽車重大科技專項、“十一五”節(jié)能與新能源汽車重大項目、“十二五”電動汽車關(guān)鍵技術(shù)與系統(tǒng)集成重大項目等。國內(nèi)以往項目的投入更多的是重視技術(shù)的研究，但相關(guān)于燃料動力電池電動汽車的研究，仍存在技術(shù)短板，如國產(chǎn)質(zhì)子膜壽命仍與發(fā)達國家的產(chǎn)品存在差距；國內(nèi)電堆低溫啟動的技術(shù)和材料難題仍未突破；燃料動力電池電池衰減機理正在分析等。2009年，美國奧巴馬政府執(zhí)行經(jīng)濟刺激計劃中，包括燃料動力電池在內(nèi)的先進能源技術(shù)投入資金為3億美元；2011年對氫能及燃料動力電池技術(shù)項目的預算為1.37億美元；2012年美國加州對燃料動力電池的關(guān)注程度尤為活躍，包括日本豐田汽車公司、日本本田汽車公司和韓國現(xiàn)代汽車公司3家燃料動力電池電動汽車制造商于加州供應燃料動力電池汽車（Fuel cell vehicles，F(xiàn)CV）銷售和租賃服務，2012年八月，奧巴馬政府執(zhí)行新的激勵機制，提高FCV的燃油經(jīng)濟性標準，而且美國能源部下屬辦公室出臺多項用于獎勵發(fā)展燃料動力電池技術(shù)的政策。為了鼓勵公眾公司使用燃料動力電池，根據(jù)美國燃料動力電池和氫能協(xié)會（FCHEA）公布的2016年美國燃料動力電池和氫能源發(fā)展總結(jié)報告，2016年內(nèi)美國在10個州頒布了燃料動力電池和氫能相關(guān)政策，包括稅收激勵、調(diào)整上網(wǎng)電價等措施。2004年，日本在《國家新產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新戰(zhàn)略》中將燃料動力電池列為國家重點推進的7大新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)之首，從國家層面上著力推進。2007年，日本政府提出“下一代汽車與燃料行動計劃”，確定了各階段燃料動力電池汽車在成本、性能、壽命等方面的指標。2014年四月，日本內(nèi)閣會議通過“能源基本計劃”，明確將氫氣作為未來二次能源的核心位置 。日本政府計劃到2020年確保有4萬輛燃料動力電池電動汽車上路，2025年實現(xiàn)20萬輛的目標，到2030年實現(xiàn)驚人的80萬輛的目標。歐盟對氫能和燃料動力電池研發(fā)與推廣的支持重要通過框架計劃（FP）進行。在第6框架計劃（2002-2006）（FP6）中，1億歐元用于涉及氫能制造、氫能貯藏、氫能安全及其標準制訂、氫能運輸、氫能的最終應用、高溫PEMFC、SOFC、便攜式燃料動力電池以及其他通用技術(shù)研發(fā)等30個項目。第7框架計劃（2007-2012）（FP7）的目的是突破燃料動力電池和氫能發(fā)展的一些關(guān)鍵性技術(shù)難點。歐盟對與氫能及燃料動力電池的發(fā)展規(guī)劃類似于日本政府。在上述政策的鼓勵和推動下，燃料動力電池技術(shù)頻繁地應用于固定發(fā)電，為公共設施、居民生活區(qū)、廠等區(qū)域進行供電，同時多余的電能并入公用電網(wǎng)。這些燃料動力電池的安裝部署改善了環(huán)境和能源結(jié)構(gòu)，降低溫室氣體排放的同時提高了電力可靠性，新增了能量效率，降低了消費者對電網(wǎng)的依賴。
我國對燃料動力電池的研究較早，“七五”計劃期間研究直接甲醇燃料動力電池（DMFC），“八五”期間以大連化物所主導的SOFC研究，“九五”期間針對PEMFC研究。此前階段，國內(nèi)集中研究燃料動力電池的種類和重要組件，并在組件取得了較大進展。而后，在后續(xù)的“十五”“十一五”“十二五”期間著重研究了燃料動力電池電動汽車及系統(tǒng)集成技術(shù)。隨著燃料動力電池關(guān)鍵技術(shù)和材料的突破，包括上海汽車集團股份有限公司、長安汽車股份有限公司等國內(nèi)汽車公司共有近200 輛燃料動力電池電動汽車在上海世博園區(qū)進行示范運行。我國的燃料動力電池電動客車技術(shù)探索從2001年開始，此后經(jīng)歷了3個階段。在自由探索期（2001年-2005年），面對著動力系統(tǒng)構(gòu)型不明確、零部件供應鏈不成熟、系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性較差、系統(tǒng)故障較多和整車示范運營里程較短等問題。隨后經(jīng)過5年的參數(shù)優(yōu)化和參與示范運營項目，為研發(fā)燃料動力電池汽車積累了寶貴的相關(guān)經(jīng)驗，同時，對零部件供應鏈的培育也趨于穩(wěn)定，整車性能和可靠性明顯提高。在后期發(fā)展中，整車公司和研發(fā)機構(gòu)將重心轉(zhuǎn)移至改善燃料動力電池的耐久性和降低生產(chǎn)成本。國內(nèi)車企先后于2014年推出首款量產(chǎn)氫燃料動力電池汽車（榮威950），氫燃料動力電池客車（2017年，福田歐輝，大通FCV80），如圖1所示。另外，我國政府于2015年提出《我國制造2025》，該行動綱領(lǐng)中提出燃料動力電池汽車是國內(nèi)未來重點發(fā)展的方向。
圖1 燃料動力電池電動汽車樣車圖片
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
燃料動力電池技術(shù)以及燃料動力電池電動汽車經(jīng)過一百多年的研究和實際應用，在技術(shù)上已經(jīng)積累了較多的相關(guān)經(jīng)驗，燃料動力電池產(chǎn)業(yè)化的腳步也越來越近[7]。2009年九月，戴姆勒、通用、福特、豐田、本田、日產(chǎn)和現(xiàn)代7大整車公司聯(lián)合簽名表示繼續(xù)發(fā)展燃料動力電池電動汽車。國外的整車公司做好了燃料動力電池產(chǎn)業(yè)化的準備，而我國的燃料動力電池電動汽車大部分仍停留在汽車行業(yè)、研發(fā)部門，燃料動力電池技術(shù)在國內(nèi)也并未對周圍的環(huán)境，提升能源利用效率、改善能源結(jié)構(gòu)等出現(xiàn)影響。種種跡象表明，仍有許多因素影響我國燃料動力電池產(chǎn)業(yè)化的步伐。
二、質(zhì)子交換膜燃料動力電池基礎
1839年，英國科學家Grove首次提出了燃料動力電池的原理。燃料動力電池是一種能夠持續(xù)的通過發(fā)生在陽極和陰極的氧還原反應將燃料的化學能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置，如圖2所示。只要持續(xù)不斷地向燃料動力電池兩極輸入燃料和氧化劑，燃料動力電池就會持續(xù)的工作，即不斷的供應電能，這也是與鋰離子電池的差別。燃料動力電池的工作原理如下：
陽極：H2 → H+ + 2e
陰極：O2 + 2H+ + 2e → H2O
總反應：2H2 + O2 → 2H2O
根據(jù)圖2的示意圖，可以將PEMFC的結(jié)構(gòu)劃分為催化劑、碳紙、氣體擴散層、質(zhì)子交換膜、集流板等重要組件。燃料動力電池電動汽車是基于燃料動力電池系統(tǒng)供應的動力驅(qū)動，而燃料動力電池系統(tǒng)中的核心零部件為電堆，即通過將單片燃料動力電池集成于一體，以便于輸出高壓和高功率。電堆是建立在單片PEMFC的基礎上，核心零部件未發(fā)生變化。但上述零部件均會對電堆的性能、壽命以及低溫啟動特性出現(xiàn)影響。在20世紀60年代，美國國家特種航天局（NASA）首次將PEMFC應用于航天飛船上作為輔助電源，為人類登月做出積極貢獻，隨后因為壽命問題限制其在航天中的應用。我國雖對上述零部件有較大的研究進展，包括燃料動力電池電催化劑、質(zhì)子交換膜、碳紙、膜電極組件、雙極板等關(guān)鍵材料方面均已取得技術(shù)突破，但部分零部件尚未完全自主化[11-13]。這里的自主化不僅僅是指生產(chǎn)工藝，還有產(chǎn)品及零部件本身的性能，部分自主化后的零部件性能仍與國外存在差距。
圖2 燃料動力電池工作原理示意圖
其中，由于添加燃料的不同氫氣（H2）、甲醇（CH3OH）、乙醇（C2H5OH）等、電解質(zhì)的差異（酸性、堿性、熔融鹽和聚合物等）和工作溫度的不同均會影響燃料動力電池的分類。在以上燃料動力電池中，以PEMFC的應用范圍最廣，研究最為成熟。如表1所示，PEMFC具有燃料動力電池的通性，如轉(zhuǎn)換效率高、噪音小、無污染等優(yōu)點；通過集成單片燃料動力電池形成電堆，以實現(xiàn)輸出高電壓、強電流密度的特點[12]。PEMFC的應用重要集中在3個方面：①固定領(lǐng)域，為公共場所供應熱能和電力，分散式發(fā)電；②便攜式領(lǐng)域，應用于便攜式電子設備和通信設備以及高精密儀器；③運輸領(lǐng)域，為運輸工具供應電力，如圖3所示。
表1 燃料動力電池與傳統(tǒng)發(fā)動機的比較
圖3 燃料動力電池的應用
除了燃料動力電池電堆本身的結(jié)構(gòu)影響，其燃料也會對燃料動力電池出現(xiàn)影響。PEMFC系統(tǒng)使用的燃料為H2，氫元素是地球上最豐富的元素，但氫氣不以單獨的形式存在于地球上，重要有其他物質(zhì)加工出現(xiàn)。常見的富氫物質(zhì)有水、石油、天然氣和各種生物質(zhì)等。常見的制氫方法有：①電解水制氫；②甲烷重整制氫；③石油裂解的合成氣和天然氣制氫；④工業(yè)合成副產(chǎn)物制氫等。燃料動力電池作為清潔能源裝置，同時對燃料來源也有要求，上述方法在不同程度上仍會對環(huán)境出現(xiàn)影響，僅是將傳統(tǒng)內(nèi)燃機的尾氣排放調(diào)至燃料的生產(chǎn)階段而已。在這個過程中，燃料動力電池仍會被視為昂貴、低效和污染環(huán)境的裝置。實際上，電解水的電力來源未必是來自火力發(fā)電，新型的風能、太陽能也可以出現(xiàn)電力分解水，而這個過程是綠色無污染的。
三、燃料動力電池產(chǎn)業(yè)化影響因素
PEMFC產(chǎn)業(yè)化在國內(nèi)外面對著相同的問題，即降低燃料動力電池的成本、提高燃料動力電池的效率和增強燃料動力電池耐久性。圖4為美國阿貢國家實驗室PEMFC系統(tǒng)模型，可以看出，通常將燃料動力電池單體按照一定的方式組合成燃料動力電池電堆，并配置相應的輔助設備，同時在燃料動力電池控制單元的控制下，實現(xiàn)燃料動力電池的正常運行，電堆和輔助系統(tǒng)共同構(gòu)成了燃料動力電池系統(tǒng)。輔助系統(tǒng)重要包括空壓機、膜加濕器、氫氣循環(huán)泵、壓力調(diào)節(jié)器、系統(tǒng)控制單元和相關(guān)閥件。
影響電堆性能的結(jié)構(gòu)重要有以下幾個方面：①電堆是燃料動力電池系統(tǒng)的重要元件，包括電極、質(zhì)子交換膜、雙極板、氣體擴散層、端板等組件。其中，電極、質(zhì)子交換膜和氣體擴散層3層集成在一起形成膜電極，它是電堆的重要部件；②電極是質(zhì)子交換膜和氣體擴散層間具有電傳導性的一層加壓薄層，也是發(fā)生電化學反應的地方；③電極催化劑的含量決定著電堆的成本和工作效率。當催化劑鉑（Pt）的含量增高時，電化學活性接觸面積新增，電堆的電流密度也會隨之新增；當接觸面積新增到一定程度后，電流密度不再新增；④質(zhì)子交換膜是陰極催化層和陽極催化層之間的一層薄膜，是氫質(zhì)子傳導的介質(zhì)，質(zhì)子交換膜的性能直接影響整個電堆的性能。常用質(zhì)子交換膜以美國DuPont公司生產(chǎn)的Nafion系列全氟磺酸質(zhì)子膜為主，此外，質(zhì)子交換膜的厚度也會影響系統(tǒng)的開路電壓及其結(jié)構(gòu)強度；⑤雙極板用于支撐膜電極，并收集單電池電流。常見材質(zhì)為石墨，現(xiàn)有被金屬板取代的趨勢。雙極板的流場結(jié)構(gòu)對電堆的水熱管理、低溫啟動有著顯著影響。所有的單電池通過雙極板串聯(lián)在一起，供應滿足車用動力需求的電功率。
上述零部件僅是基于電堆結(jié)構(gòu)的分析，氫能問題仍需值得關(guān)注。在“質(zhì)子交換膜燃料動力電池基礎”提到氫氣的制備方法，有關(guān)氫氣的儲存和運輸，以及氫安全方面，我國在這方面的工作仍存在不足。
1.加氫站
加氫站是給燃料動力電池汽車供應氫氣的基礎設施。自從2015年開始，氫燃料汽車首次在加州銷售，在過去3年里，加州有35座加氫站向氫能源汽車供應加氫服務。截至目前，美國共有39座加氫站在運營中，計劃2023年將建設超過100個加氫站。目前全球正在運營的274座加氫站中，有106座位于歐洲，101座位于亞洲，64座位于北美，2座位于南美，1座位于澳大利亞。而我國截止到2017年底，國內(nèi)運行加氫站僅有6座。加氫站的普及和商業(yè)化運營也有助于促進燃料動力電池電動汽車的普及。
2.儲氫
儲氫是在氫氣的運輸以及車載氫氣要結(jié)構(gòu)安全、符合國際國家標準的儲氫裝置。在氫氣的運輸以及車載氫氣要結(jié)構(gòu)安全、符合國際國家標準的儲氫裝置。傳統(tǒng)儲氫方法有2種，一種方法是利用高壓鋼瓶（氫氣瓶）來儲存氫氣，但鋼瓶儲存氫氣的容積小，而且還有爆炸的危險；另一種方法是儲存液態(tài)氫，但液體儲存容器非常龐大，要性能極好的絕熱裝置來隔熱。近年來，一種新型簡便的儲氫方法應運而生，即利用儲氫合金（金屬氫化物）來儲存氫氣。事實證明，高壓儲氫相關(guān)于其他方式更為可靠。這同樣對儲氫容器提出耐高壓、安全可靠的要求。
3.法規(guī)標準
國外有關(guān)氫能技術(shù)規(guī)范和標準方面的活動十分活躍，特別是美國、歐盟、日本等發(fā)達國家都很重視氫能技術(shù)規(guī)范和標準的制定以及與技術(shù)的同步協(xié)調(diào)發(fā)展工作，同時也非常重視國際間的合作并極力將本國氫能技術(shù)規(guī)范和標準國際化。發(fā)達國家的標準體系已日趨完善，發(fā)達國家介入氫能的標準組織重要有國際標準化組織（ISO）、國際電工委員會（IEC）、美國機械工程師協(xié)會（ASME）、氫能法規(guī)和標準協(xié)調(diào)委員會（HCSCC）、電氣和電子工程師協(xié)會（IEEE）和自動化工程師協(xié)會（SAE）等。自1985年GB/T 4962氫氣使用安全技術(shù)規(guī)程公布以來，我國已有20年有關(guān)氫能標準化的歷史，已公布的標準包括產(chǎn)品、安全使用、氫氧站設計、制氫儲氫等方面的測試方法和技術(shù)條件等國標和行標。
2017年，我國集中公布了一批標準法規(guī)，其中包括8項氫能領(lǐng)域的標準。我國已初步建立氫能標準體系，燃料動力電池氫能相關(guān)標準體系也在完善過程中。
