陳專(同濟(jì)大學(xué))

【摘要】綜述了燃料電池電動汽車商業(yè)化存在的9個方面的問題，這些問題解決的程度和速度，關(guān)系到燃料電池電動汽車商業(yè)化的時間問題。這些問題可以分為兩類：性能與成本問題和燃料供應(yīng)與基礎(chǔ)設(shè)施問題。介紹了解決這些問題的方法以及與此相關(guān)的研究方向和熱點(diǎn)。

0引言

早在1839年，利用氫氣作為燃料發(fā)電的燃料電池就被人類發(fā)明了。然而，在很長的一段時間里面，燃料電池技術(shù)的發(fā)展都很緩慢。直到20世紀(jì)60年代初期在太空科技發(fā)展的推動下，才開始了燃料電池技術(shù)的高速發(fā)展。

在人類進(jìn)入21世紀(jì)后的今天，環(huán)境污染的日益嚴(yán)重以及石油資源的日益短缺，迫切需要人類盡早實(shí)現(xiàn)燃料電池電動汽車的商業(yè)化，以解決環(huán)境污染和石油短缺的問題。需要說明的是，驅(qū)動燃料電池電動汽車商業(yè)化的最大動力是來自環(huán)境的壓力，能源短缺的問題其次。

1燃料電池電動汽車商業(yè)化存在的問題

經(jīng)過近20多年的高速發(fā)展，質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)取得了巨大的進(jìn)步，成功地解決了很多問題。但是要想實(shí)現(xiàn)質(zhì)子交換膜燃料電池電動汽車的商業(yè)化，還有很多關(guān)鍵問題需要解決。

(1)開發(fā)高性能低成本的雙極板，提高電池組的體積比功率；

(2)開發(fā)高性能低成本的質(zhì)子交換膜，提高燃料電池系統(tǒng)工作溫度；

(3)開發(fā)陰極新觸媒，以降低過電位、增加交換電流密度，降低成本；

(4)提高燃料電池電動車的環(huán)境適應(yīng)性，如低溫啟動性能；

(5)提高燃料電池電動車的安全性；

(6)資源再循環(huán)利用問題，如催化劑的再利用；

(7)氫氣的來源問題，如何經(jīng)濟(jì)地制造氫氣；

(8)氫氣的儲存問題，如何提高燃料電池電動汽車的續(xù)航能力。

(9)加氫站的建設(shè)問題，解決燃料電池電動汽車的加氫問題。

這些問題可以分為兩類：一類是性能與成本的問題(1～6)；二是燃料供應(yīng)與基礎(chǔ)設(shè)施問題(7～9)。

1.1性能與成本問題

要想實(shí)現(xiàn)燃料電池電動汽車的商業(yè)化，必須使燃料電池電動汽車的性能相當(dāng)于甚至優(yōu)于現(xiàn)在的內(nèi)燃機(jī)汽車，同時價格與現(xiàn)在的內(nèi)燃機(jī)汽車價格持平甚至比其更低。毫無疑問，現(xiàn)在燃料電池電動汽車成本如此高的主要原因在于燃料電池系統(tǒng)本身的成本太高。目前，燃料電池制造成本已經(jīng)降至數(shù)百美元/kW左右。但是，燃料電池電動汽車應(yīng)用成本的目標(biāo)是50美元/kW，距離還很大。如何提高燃料電池性能與降低其制造成本是燃料電池電動汽車商業(yè)化的關(guān)鍵問題之一。

在燃料電池系統(tǒng)中，無孔石墨雙極板的費(fèi)用(包括石墨板材料的費(fèi)用以及流場結(jié)構(gòu)加工費(fèi)用)占了整個燃料電池系統(tǒng)成本的50%以上。無孔石墨板的優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)電性好、質(zhì)量輕、耐腐蝕。缺點(diǎn)是機(jī)械強(qiáng)度低、不易加工、難以薄片化(現(xiàn)有水平是1.5～5mm)，與之相比，金屬雙極板僅需用100μm厚就可以達(dá)到相同的強(qiáng)度。而且，在石墨板上機(jī)械加工流場的難度很大，也導(dǎo)致其費(fèi)用很高。如今，世界各國都在研究改用金屬板或復(fù)合板作為燃料電池的雙極板，采用金屬板和復(fù)合板不僅能夠大幅度降低其材料的成本，降低加工流場的難度，而且還可以采用大量生產(chǎn)技術(shù)，達(dá)到降低成本和提高電池組的體積比功率的目的。

質(zhì)子交換膜占燃料電池系統(tǒng)中第二高成本。現(xiàn)在，光質(zhì)子交換膜的費(fèi)用就將近50美元/kW?，F(xiàn)在廣泛采用的全氟磺酸型膜的工作溫度極限為85℃，大大限制了燃料電池電堆的使用溫度。為保證大功率燃料電池的正常工作，必須用電池產(chǎn)生能量的51%用于冷卻燃料電池系統(tǒng)，移走所產(chǎn)生的熱量，這樣大大地降低了燃料電池的比功率。提高質(zhì)子交換膜所用高分子材料的使用溫度，提高燃料電池電堆的使用溫度，已成為質(zhì)子交換膜燃料電池電動汽車商業(yè)化的關(guān)鍵問題。

催化劑鉑的用量已經(jīng)從20世紀(jì)80年代時的4mg/cm2降到目前的0.2～0.4mg/cm2。所以，鉑用量已經(jīng)不再是燃料電池系統(tǒng)的主要成本了。但是，鉑是人工無法合成的元素，而且是非常匱乏、昂貴的元素，當(dāng)燃料電池廣泛應(yīng)用于電動汽車的時候，可能會引起鉑來源不充分而漲價的問題。所以，尋求鉑的替代物以及完善鉑的回收技術(shù)也是燃料電池商業(yè)化的一個關(guān)鍵問題。

低溫啟動性能和安全性是燃料電池電動汽車商業(yè)化的另外兩個關(guān)鍵問題。要想實(shí)現(xiàn)燃料電池電動汽車的商業(yè)化，必須將低溫啟動溫度降低到-20℃以下，這樣才能滿足絕大部分地區(qū)用戶的需要。安全性方面，必須盡快制定新的安全評定標(biāo)準(zhǔn)，確保燃料電池電動汽車的安全性能與現(xiàn)在的汽車同樣出色。

1.2燃料供應(yīng)與基礎(chǔ)設(shè)施問題

要想實(shí)現(xiàn)燃料電池電動汽車的商業(yè)化，燃料(氫氣)的供應(yīng)和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)問題必須得到同步解決。設(shè)想燃料電池電動汽車本身性能和成本都滿足商業(yè)化要求，但是無法解決燃料供應(yīng)和基礎(chǔ)設(shè)施配套的問題，那么燃料電池電動汽車也將失去燃料來源，燃料電池電動汽車的商業(yè)化依舊不可能實(shí)現(xiàn)。

盡管現(xiàn)在有部分燃料電池電動汽車采用現(xiàn)場制氫的方式，但是燃料電池電動汽車最終采用的方式應(yīng)該是純氫直接供應(yīng)。因?yàn)楝F(xiàn)場制氫的方式結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，且不能達(dá)到真正的零排放，只能是一種過渡手段。

氫氣是一種與石油性質(zhì)完全不同的物質(zhì)。所以，氫氣的來源、運(yùn)輸供應(yīng)、儲存和加注就成了燃料電池電動汽車商業(yè)化發(fā)展的重要問題。這些問題的解決，在很大程度上比燃料電池電動汽車的性能和成本問題更關(guān)鍵，也更難。

如果燃料電池電動汽車實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，氫氣的供應(yīng)也將是大量的，如何解決氫氣的來源問題，以及如何用最經(jīng)濟(jì)和最環(huán)保的方法制取氫氣是關(guān)鍵技術(shù)。氫的來源很多，現(xiàn)在主要采用的是通過化石燃料的重整來制取，這并沒有完全擺脫對傳統(tǒng)燃料的依賴，且依舊會產(chǎn)生污染氣體。在未來，利用太陽能和核能制氫、生物制氫是重點(diǎn)發(fā)展方向，這也是現(xiàn)在各國研究的熱點(diǎn)。

燃料電池電動汽車商業(yè)化的另一個難題是如何在車上安全地、高效地儲存氫氣，保證車輛有足夠的續(xù)航里程。目前主要的儲氫方法有高壓儲氫、液態(tài)儲氫、金屬氫化物儲氫和吸附儲氫。這些方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，如何提高高壓儲氫系統(tǒng)的體積儲氫密度；如何解決液氫的汽化問題和成本問題；如何提高金屬氫化物儲氫的重量密度問題等是決定燃料電池電動汽車商業(yè)化的關(guān)鍵技術(shù)之一。

如果說解決上述問題主要靠研究開發(fā)的話，那么，基礎(chǔ)建設(shè)的問題則主要靠國家政策的支持。加氫站的投入是巨大的，沒有哪家公司能夠單獨(dú)承擔(dān)建設(shè)大量加氫站的費(fèi)用，只有國家在經(jīng)濟(jì)政策上給予一定的投入加上各大能源公司之間通力合作，加氫站的大量建設(shè)才有可能實(shí)現(xiàn)，從而燃料電池電動汽車的商業(yè)化才能大規(guī)模地實(shí)現(xiàn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)在建造能加相當(dāng)于100萬桶石油的加氫站的費(fèi)用是約1000億美元，而這僅能滿足美國現(xiàn)有汽車10%的需求，可見建造加氫站的費(fèi)用是巨大的。

在美國和歐洲，加氫站建設(shè)的法規(guī)在前幾年就已經(jīng)成型了，我國也正在積極地做相關(guān)的工作。

2結(jié)語

毫無疑問，燃料電池電動汽車的商業(yè)化只是時間問題，這項(xiàng)汽車工業(yè)的技術(shù)革命遲早要來。如今，世界各國政府(特別是西方發(fā)達(dá)國家和日本)、汽車公司和能源企業(yè)都投入了重金加速推進(jìn)燃料電池電動汽車商業(yè)化。即便現(xiàn)在處在財(cái)政困境中的通用汽車公司，每年也拿出了數(shù)億美元在做燃料電池電動汽車的研發(fā)，可見其對燃料電池電動汽車的重視。在這種情況下，我國企業(yè)要想不被落下，現(xiàn)在也必須投入相應(yīng)的人力和資金進(jìn)行相關(guān)研發(fā)。不然的話，在我們快掌握了傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車技術(shù)的時候，我們又在另一項(xiàng)技術(shù)上落后于世界了。

參考文獻(xiàn)

1劉鳳君.高效環(huán)保的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)及其應(yīng)用[M]，機(jī)械工業(yè)出版社，2006

2謝曉峰，張迪，毛宗強(qiáng)，吳秋林.質(zhì)子交換膜的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展[J]，膜科學(xué)與技術(shù)，2005.8

3松本廉平(日)著，曹秉剛等譯.汽車環(huán)保新技術(shù)[M]，西安交通大學(xué)出版社，2005

4任建偉，廖世軍，劉軍民.規(guī)模儲氫技術(shù)及其研究發(fā)展[J]，現(xiàn)代化工，2006.3.

5王寶輝，吳紅軍，劉淑芝等.太陽能分解水制氫技術(shù)研究進(jìn)展[J].化工進(jìn)展，2006.7.