中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：近年來燃料電池引起人們的廣泛關(guān)注，成為最熱門的發(fā)展領(lǐng)域之一。本文對燃料電池技術(shù)硬核發(fā)展情況、政策發(fā)布情況及市場的推廣情況進(jìn)行了概述。本文是對在天津于2024年8月2日至4日召開的“電能源前沿技術(shù)與應(yīng)用研討會(huì)”上的報(bào)告整理編輯而成。
面對能源和環(huán)境的雙重壓力，開發(fā)利用新能源和可再生能源是一個(gè)全球關(guān)注的戰(zhàn)略要點(diǎn)。作為新能源和可再生能源的一種，氫能也備受關(guān)注。氫能將有十幾萬億的市場規(guī)模，2050年在全球能源結(jié)構(gòu)中占比將達(dá)到18%。目前中國30個(gè)省出臺(tái)了氫能發(fā)展規(guī)劃，約二分之一央企布局氫能產(chǎn)業(yè)，氫能成為中國實(shí)現(xiàn)30/60雙碳目標(biāo)的有力抓手。氫氣作為連接各種能源和應(yīng)用的橋梁(圖1)，在人類的發(fā)展和生活中將起到越來越重要的作用。
圖1 氫氣的橋梁作用
不久的將來，人類將完全依賴風(fēng)能、太陽能、水利能等可再生能源，但由于這些能源的間歇性和不確定性特點(diǎn)，尚不能滿足用電高峰時(shí)的全部需求，而在用電低谷時(shí)又必須放棄多余不能被消納的可再生能源。另外，隨著化石能源的枯竭，應(yīng)對交通運(yùn)輸領(lǐng)域的能源需求將成為嚴(yán)重問題。如圖2所示，可以通過水的電解把用電低谷時(shí)多余的可再生能源用來制氫，氫氣作為能源的載體(和化工原料)儲(chǔ)存起來，在用電高峰時(shí)，通過燃料電池把氫氣轉(zhuǎn)化為電能，為電網(wǎng)補(bǔ)充額外所需的電力。同時(shí)，氫氣通過燃料電池可以驅(qū)動(dòng)各種交通運(yùn)輸工具，解決交通運(yùn)輸領(lǐng)域的能源問題，巧妙地把固定式能源應(yīng)用到移動(dòng)領(lǐng)域。所以，通過氫能和燃料電池，可再生能源可以形成了一個(gè)完整的閉環(huán)，既避免了可再生能源的浪費(fèi)，又拓展了其應(yīng)用領(lǐng)域。
圖2 氫能和燃料電池使可再生能源形成閉環(huán)循環(huán)
燃料電池是把燃料和氧化劑中的化學(xué)能通過電化學(xué)方式直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置[1-6]，是利用氫氣發(fā)電的最佳方式。根據(jù)所用電解質(zhì)，燃料電池共分為五類，分別是質(zhì)子交換膜燃料電池、堿性燃料電池、磷酸燃料電池、熔融鹽燃料電池和固體氧化物燃料電池。
從1839年被發(fā)明至今，燃料電池經(jīng)歷了185年的歷史，發(fā)展歷程漫長且艱難，先后經(jīng)歷了起點(diǎn)分別約為1960年、1980年、1995年和2015年的四次浪潮，我們目前正處于至今為止規(guī)模最大的第四次發(fā)展浪潮中。對于目前最成熟且應(yīng)用最廣泛的質(zhì)子交換膜燃料電池，技術(shù)已經(jīng)達(dá)到比較成熟的地步，基本能夠滿足多種應(yīng)用場景的需求，處于小規(guī)模示范運(yùn)行階段。
燃料電池的市場化發(fā)展離不開自身技術(shù)硬核的逐步提升和完善，這是技術(shù)之輪。但和任何新技術(shù)一樣，在其發(fā)展的初期都很弱小很脆弱，離不開國家政策的支持，也需要市場的包容和接納，這是政策和市場之輪。本文將對技術(shù)和政策/市場對燃料電池發(fā)展的雙輪驅(qū)動(dòng)情況進(jìn)行概述。
1 燃料電池技術(shù)硬核
燃料電池涉及到很多技術(shù)硬核，一部分來自于燃料電池模塊，一般包括電堆和單電池電壓巡檢裝置，另一部分來自于核心輔助模塊，包括氫氣供給模塊、空氣供給模塊、水管理模塊、熱管理模塊、電力調(diào)節(jié)模塊、輔助儲(chǔ)能模塊、控制模塊等?？刂颇K相當(dāng)于燃料電池系統(tǒng)的大腦，根據(jù)負(fù)載的需求協(xié)調(diào)和監(jiān)控系統(tǒng)中各個(gè)模塊的工作狀態(tài)。圖3為燃料電池系統(tǒng)方框示意圖。
圖3 燃料電池系統(tǒng)方框示意圖
1.1 電堆及其核心部件
電堆是燃料電池系統(tǒng)中的發(fā)電模塊，包含至少2個(gè)單電池。圖4是電堆結(jié)構(gòu)示意圖。電堆里的核心部件有膜電極、極板、密封圈等。膜電極本身包括膜和兩個(gè)電極，即陰極和陽極，電極的核心是催化層；為了支撐催化層和質(zhì)子膜，還有一個(gè)氣體擴(kuò)散層，它既要能使流體如氫氣、空氣和水穿過，還需具有高的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、以及良好的機(jī)械強(qiáng)度。與膜電極相接觸的是極板，極板上有精細(xì)的流道，使流體(氫氣、空氣、冷卻液)可以從極板的一側(cè)流到另一側(cè)，讓反應(yīng)氣在電極的表面實(shí)現(xiàn)比較均勻的分配，或讓冷卻液帶走電堆運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的多余熱量。近幾年來極板的設(shè)計(jì)和制作得到更多關(guān)注，如何降低反應(yīng)氣在流道中的壓力降及加快反應(yīng)氣在電極中的傳質(zhì)速度變得越來越重要，燃料電池的電流密度也因此能夠越來越高。
圖4 電堆結(jié)構(gòu)示意圖
1.1.1 電堆
電堆中包含有陽極側(cè)端板、陽極側(cè)集流板、陽極側(cè)端極板、多個(gè)膜電極和雙極板的反復(fù)堆疊、陰極側(cè)端極板、陰極側(cè)集流板和陰極側(cè)端板，在合適的壓力下緊固后形成一個(gè)發(fā)電整體。緊固方式有數(shù)種，如螺桿、拉桿、綁帶、壓板等。金屬板電堆堆芯(從陽極側(cè)端極板到陰極側(cè)端極板之間的部分，也即極板和膜電極的總和)體積功率密度達(dá)到6.5 kW/L；電堆壽命達(dá)到幾千到上萬小時(shí)。對于一個(gè)含有400片單電池的電堆，其中包含的部件在4000個(gè)左右，任何一個(gè)部件出了問題，整個(gè)電堆就不能正常工作，所以，電堆從結(jié)構(gòu)上看雖然簡單，但對其中部件可靠性的要求卻非常高。
現(xiàn)在國內(nèi)報(bào)道最大的電堆達(dá)到350 kW，如果假設(shè)膜電極的反應(yīng)面積為400 cm2、功率密度為1.3 kW/cm2，那么該電堆中包含約673片單電池。一個(gè)電堆中單電池的片數(shù)過多會(huì)帶來幾個(gè)問題：一是流體在電堆的公共腔室中的壓力降增加，增加寄生負(fù)載的功耗；二是從公共腔室的前端到末端流體依次進(jìn)入處于不同位置的單電池中的流量偏差會(huì)加大，影響單電池間性能和壽命的一致性；三是電堆在中間部位附近因重力或振動(dòng)而“塌腰”的可能性增加；四是電堆出現(xiàn)故障的可能性增加。為此，目前一個(gè)電堆中單電池的數(shù)量一般控制在400片之內(nèi)。
為了避免上述問題同時(shí)又能實(shí)現(xiàn)電堆的大功率輸出，可以采用一堆多段的電堆結(jié)構(gòu)，如圖5所示。通過在電堆結(jié)構(gòu)中引入中間公共端板，流體從中間公共端板進(jìn)(出)，然后均勻分配到其左右兩段中，可以使其兩側(cè)每段電堆的數(shù)量都控制在合理的范圍之內(nèi)。這種一堆多段結(jié)構(gòu)可以按需增加段數(shù)，如4段、6段、8段、10段等，為大功率單堆提供了一個(gè)有效的解決方案。同時(shí)，該方法可以采用常規(guī)或通用的極板和膜電極及其尺寸和構(gòu)型，不需要重新開發(fā)極板和膜電極，也不增加它們的加工難度。
圖5 一堆二段電堆結(jié)構(gòu)示意圖
1.1.2 電堆中核心材料和部件
單電池：含有一個(gè)膜電極的發(fā)電單元是單電池。單電池通常由雙極板和膜電極組成，是“雙極板+膜電極”結(jié)構(gòu)，如圖6所示。石墨類雙極板一般通過膠粘的方式把陰極板和陽極板組合在一起，金屬類雙極板則通過激光焊接的方式把陰極板和陽極板組合在一起，雙極板和膜電極之間通過密封圈實(shí)現(xiàn)邊緣的密封。現(xiàn)在豐田及國內(nèi)一些公司把膜電極夾在陰極板和陽極板之間，形成一個(gè)“陰極板+膜電極+陽極板”的一體化單電池結(jié)構(gòu)，如圖7所示，通過密封膠把膜電極和陰極板及陽極板的邊緣密封起來，一體化單電池之間的兩個(gè)極板間則采用密封圈實(shí)現(xiàn)邊緣的密封。一體化單電池有一些優(yōu)勢，如便于組裝和更換，但是加工工藝比較復(fù)雜，需要精準(zhǔn)的控制，避免陰、陽極板和膜電極邊緣密封時(shí)出現(xiàn)溢膠而堵塞部分流道，密封時(shí)的壓力需合適以保證極板和碳紙之間的接觸良好。
圖6 “雙極板+膜電極”單電池結(jié)構(gòu)示意圖
圖7 “陰極板+膜電極+陽極板”一體化單電池結(jié)構(gòu)示意圖
質(zhì)子交換膜：壽命比較長的是全氟磺酸膜，最早使用的是杜邦的長支鏈膜；經(jīng)過若干年研究發(fā)現(xiàn)，短支鏈膜好處更多。圖8是杜邦和陶氏全氟磺酸質(zhì)子交換樹脂的分子結(jié)構(gòu)。目前膜里多含有ePTFE增強(qiáng)骨架，控制膜的機(jī)械強(qiáng)度和溶脹程度，并使膜可以做得非常薄，往8 μm甚至5 μm這個(gè)方向發(fā)展，降低膜的成本和電阻。
圖8 杜邦和陶氏全氟磺酸質(zhì)子交換樹脂的分子結(jié)構(gòu)
催化劑：鉑及其合金如PtCo是催化氧氣還原反應(yīng)最好的催化劑。過去人們對催化劑的組成、粒度、形貌以及催化劑碳載體的摻雜和石墨化研究較多，但對碳載體的孔隙結(jié)構(gòu)研究不多。近年來豐田等公司開始使用介孔碳作為載體，發(fā)現(xiàn)超過80%的催化劑顆粒位于介孔中，提高催化劑活性約50%，提高電化學(xué)活性面積(ECSA)超過20%。介孔碳具有2~50 nm的介孔，連通的介孔有利于物質(zhì)傳輸，介孔使催化劑的分散更均勻，增加了催化劑顆粒團(tuán)聚的難度進(jìn)而增加壽命；由于介孔中的催化劑不被催化層中的質(zhì)子交換樹脂覆蓋，使這些催化劑不受質(zhì)子交換樹脂對其活性及對反應(yīng)物傳輸?shù)挠绊?，有利于提高催化劑的利用率和整個(gè)燃料電池的性能，同時(shí)也為低鉑催化層成為可行提供了一個(gè)基礎(chǔ)。目前，國內(nèi)也開始開發(fā)以介孔碳為載體的催化劑，并報(bào)道了比較好的結(jié)果。
由于介孔碳載體的多孔特性，其單位質(zhì)量的表面積很大，有利于催化劑顆粒的分散。其在燃料電池工作條件下的抗氧化和腐蝕能力需要引起關(guān)注，進(jìn)行適當(dāng)?shù)氖蛽诫s處理是個(gè)有益的舉措。
氣體擴(kuò)散層：目前氣體擴(kuò)散層由基體和微孔擴(kuò)散層組成?；w有碳布和碳紙，碳布比較軟，容易變形嵌入極板上的流道中，現(xiàn)在基本不用，而是用強(qiáng)度好的碳紙。碳紙厚度由先前的250 μm向150 μm發(fā)展，這除了降低材料本身的成本和電阻外，也提高了流體的傳質(zhì)速率，可以滿足更大電流密度的需求。希望碳紙能做得更薄一些，如100 μm。能否大幅降低碳紙的厚度主要取決于碳紙的強(qiáng)度或用于制作碳紙的炭纖維的強(qiáng)度。
微孔擴(kuò)散層對于提升燃料電池的性能、壽命和水管理起到關(guān)鍵的作用，現(xiàn)已成為質(zhì)子交換膜燃料電池所用氣體擴(kuò)散層一個(gè)必不可少的關(guān)鍵部分[7]。
膜電極：催化層中催化劑載量現(xiàn)在降得越來越低，同時(shí)催化層的性能大幅度提升，美國能源部2025年目標(biāo)是1.8 W/cm2，日本2030年目標(biāo)是2.5 W/cm2，實(shí)現(xiàn)難度非常大。國內(nèi)外研究表明，在全氟磺酸聚合物環(huán)境中，氧氣在Pt表面發(fā)生還原反應(yīng)時(shí)的交換電流密度在0.1~1 μA/cm2 (Pt)之間。圖9是假設(shè)氧氣還原反應(yīng)(ORR)的交換電流密度為0.5 μA/cm2(Pt)、氫氣氧化反應(yīng)(HOR)的交換電流密度是0.5 mA/cm2(Pt)、催化層中Pt的ECSA是電極幾何面積的500倍、單電池內(nèi)阻總和為40 mΩ·cm2、氫氣和空氣的反應(yīng)計(jì)量比為2、氫氣和空氣的絕對壓力為0.1 MPa、溫度為75 ℃的情況下，計(jì)算而得的燃料電池性能曲線?？梢钥吹剑?.63 V時(shí)的電流密度為1.5 A/cm2，即功率密度為0.94 W/cm2，遠(yuǎn)低于1.8或2.5 W/cm2。
圖9 ORR的交換電流密度為0.5 μA/cm2(Pt)時(shí)燃料電池的性能
當(dāng)ORR的交換電流密度從0.5 μA/cm2(Pt)提升40倍至20 μA/cm2(Pt)時(shí)，假設(shè)內(nèi)阻總和降低到30 mΩ·cm2，上述其它反應(yīng)條件不變，圖10是燃料電池的性能情況。在電流密度為4 A/cm2時(shí)，電壓是0.62 V，功率密度達(dá)到2.46 W/cm2。如果反應(yīng)氣氫氣和空氣的絕對壓力從0.1 MPa提升到目前能夠?qū)崿F(xiàn)的0.3 MPa，電壓可以提升到接近0.65 V，功率密度接近2.6 W/cm2。
圖10 ORR的交換電流密度為20 μA/cm2(Pt)時(shí)燃料電池的性能
目前膜電極在絕對壓力0.25 MPa運(yùn)行條件下的性能在0.65 V時(shí)可達(dá)到約2 A/cm2，見圖11，相當(dāng)于ORR的交換電流密度為2 μA/cm2(Pt)左右。要想達(dá)到日本2030年的目標(biāo)，ORR催化劑的活性至少要比現(xiàn)在高約10倍。同時(shí)考慮到催化劑的用量需要從現(xiàn)在的0.4 mg/cm2降低到0.15 mg/cm2，催化劑的活性在上述10倍的基礎(chǔ)上還需再提高2~3倍，這是需要跨過的一個(gè)很大的鴻溝。一般來講，ORR的交換電流密度每提高1倍，在同一工作電流密度下的電壓可提高約40 mV。
圖11 目前燃料電池堆的性能
我們也經(jīng)?？吹揭恍﹫?bào)道，研發(fā)出的催化劑在旋轉(zhuǎn)圓盤電極上進(jìn)行測試時(shí)比商業(yè)催化劑活性高很多，但是在實(shí)際應(yīng)用中，效果不佳甚至很差，所以，旋轉(zhuǎn)圓盤電極的測試結(jié)果有時(shí)沒有多大實(shí)用價(jià)值。
同時(shí)由于電流密度越來越大，現(xiàn)在應(yīng)想辦法在催化層里放高透氧的離子樹脂，這樣可降低反應(yīng)物通過樹脂擴(kuò)散至催化劑表面的過程中所面臨的傳質(zhì)阻力。
極板：最早都是石墨板，石墨板現(xiàn)在也在用，如果通過CNC機(jī)器雕刻制作單極板的話，一般石墨雙極板的厚度，也即陰極板和陽極板加在一起厚度，大概是2 mm，如果采用模壓的方式制作石墨單極板，雙極板的厚度可以降低到1.5 mm左右。目前采用金屬板材如不銹鋼和鈦制作極板的技術(shù)和工藝已比較成熟，如果用厚度為0.075 mm的不銹鋼做金屬極板，金屬陰極板和陽極板加在一起的厚度可以小到0.8 mm，見圖12。這個(gè)厚度主要來自于流場自身的深度，板材本身厚度的占比不大。目前行業(yè)一般采用0.075~0.1 mm的不銹鋼或0.1~0.12 mm的鈦板制作金屬極板，極板變得越來越薄，電堆體積越來越小，質(zhì)量越來越輕，功率密度越來越高。極板和碳紙的接觸電阻現(xiàn)在也在向小于5 mΩ·cm2這個(gè)方向發(fā)展。
圖12 采用0.075 mm板材制作的金屬雙極板厚度
常規(guī)質(zhì)子交換膜燃料電池所用膜電極的最大活性面積大概是400 cm2，因?yàn)檫^大會(huì)面臨很多問題：一是反應(yīng)在電極表面不同部位的不均勻程度增加；二是流體在流道里流動(dòng)的壓力降會(huì)大幅度提升。為了提升單電池的發(fā)電功率，一種方法是采用一板多室的結(jié)構(gòu)，如圖13所示的一板十二室結(jié)構(gòu)，每個(gè)反應(yīng)區(qū)的面積都控制在如300 cm2左右，滿足反應(yīng)均勻性和流體壓力降的要求，但整個(gè)極板的反應(yīng)面積高達(dá)3 600 cm2，如果膜電極的功率密度是1.3 W/cm2，單電池的功率即可達(dá)到4 680 W，如果電堆中含有400片單電池，單堆的功率可以達(dá)到1.872 MW。
圖13 一板十二室極板結(jié)構(gòu)示意圖
這種一板多室的極板結(jié)構(gòu)雖看起來復(fù)雜，但核心就是共用流體公共腔室的兩個(gè)相鄰反應(yīng)區(qū)的設(shè)計(jì)，其它成對的反應(yīng)區(qū)依此重復(fù)即可。膜電極可以按成對的兩個(gè)反應(yīng)區(qū)來進(jìn)行設(shè)計(jì)，整體面積雖然比單個(gè)反應(yīng)區(qū)的膜電極增加1倍，但制作難度的增加有限。挑戰(zhàn)來自于極板的制造，尤其是通過沖壓制作金屬極板時(shí)；如果整板沖壓，磨具的費(fèi)用和沖床的噸位都會(huì)非常高，為此，可以考慮每對反應(yīng)區(qū)分別沖壓。
密封材料：國內(nèi)用的多是硅橡膠，但是硅橡膠壽命是個(gè)問題，所以現(xiàn)在也在往非硅橡膠方面發(fā)展，國外比較成熟的非硅橡膠產(chǎn)品還很貴，國內(nèi)自主開發(fā)的基本沒有。
保護(hù)邊框：膜電極邊緣的保護(hù)邊框多為PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯)和PPS(聚苯硫醚)，具有較好的機(jī)械性能、氣體阻隔性能、化學(xué)穩(wěn)定性和耐熱性能。保護(hù)邊框過薄或過軟會(huì)在膜電極兩側(cè)氣體壓力差的作用下發(fā)生形變，有部分嵌入氣壓低側(cè)極板上流道中的風(fēng)險(xiǎn)。
1.2 核心輔助部件
目前國內(nèi)報(bào)道最大單堆燃料電池系統(tǒng)的功率達(dá)到250 kW，最大功率的燃料電池系統(tǒng)是2 MW，由十幾個(gè)100多千瓦系統(tǒng)組合在一起作為固定式發(fā)電電源。
除電堆外，一套完整的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)必須具備輔助部件，核心輔助部件包括氫氣循環(huán)模塊中的氫氣循環(huán)泵或引射器、空氣供給模塊中的空壓機(jī)、電力調(diào)節(jié)模塊中的DC-DC變壓器，現(xiàn)在基本上都實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化，而且國外產(chǎn)品很難進(jìn)到國內(nèi)，因?yàn)閲鴥?nèi)產(chǎn)品性價(jià)比更高，徹底改變了5~10年前基本完全依賴進(jìn)口的狀況，這是我國在燃料電池核心輔助部件方面的突破。
空壓機(jī)：由多種類型逐漸統(tǒng)一到了空氣軸承類，無油，不會(huì)對進(jìn)入電堆的空氣產(chǎn)生污染，價(jià)格從以前的十幾萬降到了1萬元左右?？諌簷C(jī)所耗電能占電堆輸出電功率的15%左右，占整個(gè)燃料電池系統(tǒng)寄生負(fù)載的80%以上，所以，降低空壓機(jī)的功耗是行業(yè)一直努力的方向。目前國內(nèi)已經(jīng)開始嘗試“空壓機(jī)+膨脹機(jī)”的組合模式，膨脹機(jī)可以回收利用空氣尾氣中的部分動(dòng)能和熱能，提高整個(gè)燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的電效率5%左右。
氫氣循環(huán)裝置：包括氫氣循環(huán)泵和引射器，把沒有反應(yīng)的氫氣從其在電堆的出口輸送到其在電堆的入口，減少氫氣的浪費(fèi)，使氫氣的利用率達(dá)到97%以上。引射器是利用文丘里管原理實(shí)現(xiàn)氫氣的循環(huán)，不消耗任何電能，但其工作范圍受限，難以覆蓋一個(gè)電堆從小到大的整個(gè)功率輸出范圍；近年來隨著技術(shù)的進(jìn)步，其所能覆蓋的范圍越來越大。有時(shí)燃料電池系統(tǒng)中也安置多個(gè)引射器(引射能力多不同)，通過恰當(dāng)?shù)慕M合滿足電堆在不同輸出功率段時(shí)的需求。循環(huán)泵可以覆蓋電堆的整個(gè)功率輸出范圍，循環(huán)的氫氣量隨循環(huán)泵轉(zhuǎn)速的增加而增加，它消耗一定的電能，但比空壓機(jī)的耗電量小很多。目前國內(nèi)的氫氣循環(huán)泵或引射器比較成熟。
DC-DC：把電堆發(fā)出的直流電調(diào)整為負(fù)載輸入所需的電壓，轉(zhuǎn)化效率目前超過95%，而且滿足大至300 kW左右不同功率和電壓需求的產(chǎn)品在市場上可以買到或定制到，技術(shù)比較成熟，這與5~10年前的情況完全不同，那時(shí)很難買到適合于燃料電池的DC-DC，且售價(jià)高、效率低、可靠性差。
控制模塊：協(xié)調(diào)和控制燃料電池系統(tǒng)中的各個(gè)部件和模塊，使燃料電池系統(tǒng)按負(fù)載的電力(和熱力)需求能正常可靠地發(fā)電(和供熱)，當(dāng)燃料電池系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況時(shí)，控制模塊能進(jìn)行診斷并根據(jù)診斷結(jié)果自動(dòng)采取措施，如調(diào)節(jié)一些運(yùn)行參數(shù)使燃料電池解除異常情況后正常運(yùn)行，或發(fā)出聲、光或電報(bào)警，提示操作人員注意或進(jìn)行人為干預(yù)，或自動(dòng)關(guān)閉燃料電池系統(tǒng)以避免異常情況損毀燃料電池系統(tǒng)或出現(xiàn)安全事故?？刂颇K從燃料電池系統(tǒng)待機(jī)、啟動(dòng)、運(yùn)行到關(guān)機(jī)的整個(gè)過程中都一直在工作，包括燃料電池系統(tǒng)處于停機(jī)時(shí)的非運(yùn)行狀態(tài)，是燃料電池系統(tǒng)中的核心模塊。燃料電池系統(tǒng)性能及壽命的好壞，除了部件本身以外，控制邏輯非常關(guān)鍵，如果不會(huì)控制，可能瞬間就會(huì)損壞電堆，如果會(huì)控制，電堆壽命相對來講比較長?？刂颇K除了要保證燃料電池系統(tǒng)的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)在合理范圍之內(nèi)外，還需盡量減少啟停機(jī)過程中出現(xiàn)的開路電壓的時(shí)長、避免在陽極側(cè)出現(xiàn)氫/空界面[8]、按需或按計(jì)劃進(jìn)行電堆的性能恢復(fù)。
在燃料電池的運(yùn)行環(huán)境中，性能衰減是個(gè)必然發(fā)生的過程，因?yàn)樵谌剂想姵仃帢O側(cè)，有零點(diǎn)幾伏工作電壓，1 V的開路電壓，如果控制不好形成氫/空界面，還會(huì)出現(xiàn)局部高達(dá)1.6 V的電壓，引起催化層中催化劑或其碳載體的快速腐蝕氧化，如催化劑表面的鉑被氧化成氧化鉑，催化性能下降，但如果把氧化鉑恢復(fù)成鉑，催化活性又會(huì)恢復(fù)。不進(jìn)行這種恢復(fù)，氧化鉑下一步變成鉑離子，逐漸遷移到膜電極中其它地方，喪失活性，催化層性能就會(huì)越來越差。也即，衰減是個(gè)必然趨勢，包括可逆衰減和不可逆衰減，可逆衰減不及時(shí)恢復(fù)就會(huì)逐漸變成不可逆衰減，所以，應(yīng)該及時(shí)把可逆衰減進(jìn)行恢復(fù)，以延長壽命。由圖14可見，在不采取延長壽命方法的情況下，電堆中單電池電壓的平均衰減率約為0.1 mV/h，那么1 000 h后電壓就會(huì)衰減100 mV，如果起始電壓是650 mV，1 000 h后衰減率就達(dá)到15%，也即達(dá)到了規(guī)定的使用壽命。
圖14 在不采取性能恢復(fù)策略時(shí)一個(gè)電堆中單電池的電壓衰減情況
所以，一定要進(jìn)行性能恢復(fù)，但不是說運(yùn)行1 h后就需要進(jìn)行恢復(fù)，可以在運(yùn)行合適的時(shí)間后(如幾十到上百小時(shí)后)進(jìn)行恢復(fù)即可，或在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候采取恢復(fù)策略，如在每次停機(jī)時(shí)；在燃料電池運(yùn)行過程中當(dāng)需要進(jìn)行性能恢復(fù)時(shí)，也應(yīng)該能做到，這是控制策略要考慮的問題。
圖15所示為當(dāng)對電堆采取性能恢復(fù)策略時(shí)，在100多個(gè)小時(shí)的測試過程中，電堆沒有出現(xiàn)衰減。可見，及時(shí)恢復(fù)可逆衰減是延壽的有效方法，燃料電池控制系統(tǒng)必須具備此功能。
圖15 在采取性能恢復(fù)策略時(shí)一個(gè)電堆中單電池的電壓衰減情況
1.3 運(yùn)行條件
近年來質(zhì)子交換膜燃料電池的一些運(yùn)行條件也發(fā)生了明顯的變化，主要表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面。
空氣的計(jì)量比大幅降低。從2.5~3降到了1.8~2，甚至1.5~1.6(如豐田)。這主要得力于極板流場的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，如從蛇形流道變成了直行或波浪形流道，大幅降低了流道的長度和流體在流道中流動(dòng)時(shí)的壓力降；豐田所采取的變深度和變寬度的流道設(shè)計(jì)也有助于提升氫氣或空氣的傳質(zhì)速度。
空氣加濕降低甚至取消?？諝鈴母呒訚?如大于80%RH)向低加濕(如小于40%RH)甚至不加濕(如豐田)方向轉(zhuǎn)化，簡化了燃料電池系統(tǒng)，同時(shí)有利于降低空氣計(jì)量比和減小催化層水淹的風(fēng)險(xiǎn)。燃料電池自身產(chǎn)生的水是完全能夠滿足膜電極加濕需求的，理論上來講，電堆不需要加濕。但在電堆實(shí)際運(yùn)行過程中，由于水的分布不均勻，空氣入口處膜電極仍有偏干而出口處膜電極偏濕的傾向；采用氫氣和空氣在膜電極的兩側(cè)對向流動(dòng)方式有助于平衡水在膜電極兩側(cè)及每側(cè)進(jìn)出口區(qū)域的分布情況，是電堆能夠在空氣不加濕情況下正常運(yùn)行的一個(gè)主要因素。
氫氣循環(huán)成為必選。通過引射器或氫氣循環(huán)泵，陽極側(cè)的氫氣尾氣可被有效送入電堆的入口，這樣，在電堆陽極側(cè)流道中流動(dòng)的氫氣計(jì)量比遠(yuǎn)大于1，有利于氫氣向催化層擴(kuò)散并避免膜電極局部出現(xiàn)欠氫的情況，保證膜電極的性能和壽命。
電堆運(yùn)行溫度有兩極化趨勢。一種趨勢是往高些溫度走(如90 ℃)，因高溫有利于提升燃料電池的性能、提升催化劑抗中毒能力、減輕系統(tǒng)的散熱難度；但由于質(zhì)子交換膜在高溫時(shí)的保水能力急劇下降及其玻璃化轉(zhuǎn)化溫度不夠高(僅略高于100 ℃)，膜會(huì)變干、變軟、易壞，壽命受到影響。另一種趨勢是往低些溫度方向走(如60 ℃)，雖然電堆的性能會(huì)略有下降(如5~10 mV)，但壽命可以顯著延長。在目前質(zhì)子交換膜的技術(shù)水平下，筆者更認(rèn)同后一種選擇。
電堆無助冷啟動(dòng)溫度顯著降低。0 ℃以下低溫啟動(dòng)電堆有輔熱(即有助)和無輔熱(即無助)兩種。有助冷啟動(dòng)一般是在電堆啟動(dòng)前利用外部熱源或電源(包括燃料電池系統(tǒng)中的輔助儲(chǔ)能模塊如電池)對冷卻液進(jìn)行加熱，待冷卻液達(dá)到一定溫度時(shí)才啟動(dòng)電堆及燃料電池系統(tǒng)。無助冷啟動(dòng)是不借助任何外部熱源或電源、僅靠氫氣和空氣在電堆中自身產(chǎn)生的熱而使電堆升溫并運(yùn)行。美國能源部制定的目標(biāo)是：－20 ℃時(shí)在30 s內(nèi)達(dá)到50%的額定輸出功率，－30 ℃時(shí)實(shí)現(xiàn)無助冷啟動(dòng)，－40 ℃實(shí)現(xiàn)有助冷啟動(dòng)。
筆者領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)于2023年實(shí)現(xiàn)了－52 ℃金屬板電堆的無助冷啟動(dòng)，見圖16。電堆在－52 ℃的環(huán)境艙中冷凍24 h后，啟動(dòng)冷卻液循環(huán)泵，冷卻液循環(huán)40 s后啟動(dòng)氫氣和空氣在電堆中的放熱反應(yīng)。電堆冷卻液出口溫度在放熱反應(yīng)啟動(dòng)39和46 s后分別達(dá)到0和40 ℃，電堆冷卻液入口溫度在47和48 s后分別達(dá)到7和23 ℃。冷啟動(dòng)后燃料電池堆在平均單片電壓0.66 V時(shí)的額定功率為116.6 kW，電堆堆芯體積為24.69 L，體積功率密度為4.7 kW/L。
圖16 新研氫能金屬板電堆在－52 ℃無助冷啟動(dòng)情況
2 政策與市場
從20世紀(jì)70年代中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所開始研發(fā)燃料電池，燃料電池在中國也經(jīng)歷了50年的風(fēng)風(fēng)雨雨。從20世紀(jì)90年代幾千瓦的電堆發(fā)展到了今天高達(dá)350 kW的電堆，從幾個(gè)燃料電池樣品的展示發(fā)展到今天每年近萬輛燃料電池汽車的生產(chǎn)、銷售和示范運(yùn)行。尤其是最近5~10年來，中國的進(jìn)步很快，已經(jīng)不局限于嘴上說說、完成一些政府項(xiàng)目后就偃旗息鼓，而是在面對市場的挑戰(zhàn)下進(jìn)行了大量的創(chuàng)新、開發(fā)和示范；這幾年的進(jìn)步超過了過去幾十年進(jìn)步的總和，一些技術(shù)指標(biāo)真正達(dá)到了國際先進(jìn)水平，但在可靠性和壽命方面離國際先進(jìn)水平還有不小的差距，需要行業(yè)同仁正視，并真正進(jìn)行燃料電池的示范運(yùn)行，勿錯(cuò)過積累經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)的寶貴機(jī)會(huì)，以便進(jìn)一步提升和改進(jìn)。
2.1 政策
從1996年“九·五”計(jì)劃開始，科技部把燃料電池列入國家科技攻關(guān)計(jì)劃，2015年燃料電池被列入“中國制造2025”，2016年發(fā)布《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃(2016—2030年)》，部署了氫能與燃料電池技術(shù)等15項(xiàng)重點(diǎn)任務(wù)；在那20年時(shí)間內(nèi)政府發(fā)布的政策很少，地方政府的政策基本沒有。2019年氫能被寫入政府工作報(bào)告；2020年開始提及氫氣的能源屬性；2022發(fā)布了《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃》；2024年加快氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展首次被寫入政府工作報(bào)告，氫能被認(rèn)定是一種新質(zhì)生產(chǎn)力，氫能被寫進(jìn)能源法(草案)。
近5年來中央和地方各級政府的政策密集發(fā)布，一浪高過一浪，至今已經(jīng)超過了1 000項(xiàng)！截止2023年10月底共有911項(xiàng)政策發(fā)布，其中國家級155項(xiàng)，省級335項(xiàng)，省以下級421項(xiàng)，見圖17。2024上半年又有100多項(xiàng)氫能政策出臺(tái)，其中國家各部委共出臺(tái)約33項(xiàng)，各地政府出臺(tái)54項(xiàng)專項(xiàng)政策及91項(xiàng)促進(jìn)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的相關(guān)政策。
圖17 至2023年10月底中國各地政策和加氫站數(shù)量
至2023年底中國有加氫站416座，至2024年6月30日中國有加氫站457座，與全球各國相比，中國加氫站是最多的，但整個(gè)數(shù)量還很少，且一些加氫站的實(shí)際運(yùn)行情況欠佳。
截至2024年6月底，全國已有22個(gè)省、市允許或探索在化工園區(qū)外制綠氫。
2.2 市場
從21世紀(jì)初的“超越二號(hào)”、“超越三號(hào)”燃料電池轎車，2008年北京奧運(yùn)會(huì)期間的23輛燃料電池車(轎車20輛、客車3輛)，到2010年上海世博會(huì)期間示范運(yùn)行的196輛燃料電池車(觀光車100輛、轎車90輛、公交車6輛)，這些政府主導(dǎo)的項(xiàng)目或示范雖不是市場行為，但讓人感受到了燃料電池的發(fā)展?jié)摿Α?016年可以算為中國燃料電池車市場化推廣的開始，當(dāng)年共有629輛燃料電池車推向市場。
從圖18可見，至2023年底，全球燃料電池汽車?yán)鄯e銷量為86 056輛，中國為19 859輛，占比23%。從2016年到2019年，中國燃料電池汽車年銷售量逐年增加，但在2020年和2021年出現(xiàn)下滑，主要原因是國家新的補(bǔ)貼政策沒有出臺(tái)，行業(yè)不清楚該怎么干；2022年以獎(jiǎng)代補(bǔ)的政策出臺(tái)后燃料電池汽車年銷售量開始明顯回升。2024年上半年，中國燃料電池汽車銷量為2 523輛，通常燃料電池車銷量在年終時(shí)會(huì)有大幅提升，預(yù)計(jì)今年全年燃料電池汽車銷量能達(dá)到1萬輛。
全球從2015年至2022的燃料電池汽車銷量基本保持穩(wěn)定增長勢頭，但2023年有明顯下滑。
圖18 全球和中國燃料電池汽車年銷售量情況
截止2023年10月底，中國各省燃料電池車?yán)鄯e數(shù)量見圖19，領(lǐng)先的地區(qū)是廣東、上海和北京，其次是山東、河南和河北。其中廣東、上海、北京、河南和河北入選國家城市示范群，山東獲得氫進(jìn)萬家項(xiàng)目的支持。浙江、四川、江蘇、湖北、山西和陜西等雖然沒有入選國家城市示范群，但表現(xiàn)不俗。
圖19 截止2023年10月底中國各省燃料電池車?yán)鄯e數(shù)量
2.3 產(chǎn)業(yè)化瓶頸
根據(jù)中國省市出臺(tái)的氫能發(fā)展規(guī)劃，到2025年底，計(jì)劃推廣燃料電池汽車超11萬輛，建設(shè)加氫站超1 300座。依據(jù)目前的實(shí)際情況，這兩個(gè)目標(biāo)都不能實(shí)現(xiàn)。表1列出了筆者認(rèn)為中國燃料電池發(fā)展所面臨的主要挑戰(zhàn)。
表1 中國燃料電池發(fā)展所面臨主要挑戰(zhàn)
基礎(chǔ)設(shè)施基本沒有。中國至2024年6月30日雖然建成了457座加氫站，但這個(gè)數(shù)量還很小，現(xiàn)有數(shù)量的燃料電池汽車加氫還面臨長時(shí)排隊(duì)等候的問題。同時(shí)，基礎(chǔ)設(shè)施涉及氫氣的制、儲(chǔ)、運(yùn)、加等多個(gè)環(huán)節(jié)，目前任何一個(gè)環(huán)節(jié)都沒有打通。氫能基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)是大工程，國央企需領(lǐng)頭并加大投入力度。
涉氫法規(guī)欠缺不統(tǒng)一。國家層面上沒有統(tǒng)一的法規(guī)，都是各省市自己去琢磨。雖然政策到目前已經(jīng)超過1 000項(xiàng)，但多數(shù)政策沒有起到實(shí)質(zhì)的作用。建立國家層面的涉氫法規(guī)并不是難事，需要盡快推進(jìn)。
政府的實(shí)際支持力度小。企業(yè)最缺的是資金和人才，但政府在這些方面對企業(yè)的支持是說得多做得少。2024年山東、成都、鄂爾多斯、吉林、陜西先后執(zhí)行氫能車輛免收取高速公路費(fèi)的政策，這是比較實(shí)際且有效的支持，在整個(gè)生命周期內(nèi)一輛貨車大概能省小幾十萬元高速公路費(fèi)(假設(shè)每公里2元)，雖然燃料電池車因沒有批量化生產(chǎn)而價(jià)格比較高，但是把這省下的小幾十萬算進(jìn)去以后，終端用戶會(huì)覺得還行，就會(huì)敢買敢用。政府讓出一點(diǎn)小利就能對燃料電池行業(yè)的發(fā)展起到巨大的推動(dòng)作用，希望全國各地都實(shí)施類似的政策，都免高速公路費(fèi)，全國一盤棋，全國聯(lián)動(dòng)，助力燃料電池市場化的發(fā)展。
地方保護(hù)主義。地方保護(hù)主義是嚴(yán)重問題，你想在我這賣東西，你得在我這里建廠。燃料電池企業(yè)基本都很小，100來個(gè)人就算比較大的了，在五、六個(gè)甚至更多的地方建廠，一個(gè)地方幾個(gè)、十幾、二十幾個(gè)人，能干啥？十幾、二十幾輛車的政府訂單沒了以后又怎么活？燃料電池城市示范群的做法加劇了這個(gè)問題，成了為保護(hù)某些企業(yè)而專門設(shè)立的門檻，使別人拿不到國家補(bǔ)貼，把好處傾斜到少數(shù)一兩個(gè)企業(yè)。希望全國各地放開限制，讓燃料電池作為商品流通起來。
新的《公平競爭審查條例》2024年8月1號(hào)執(zhí)行，這個(gè)條例有很多內(nèi)容，國家充分認(rèn)識(shí)到經(jīng)濟(jì)發(fā)展的堵點(diǎn)和卡點(diǎn)，對新質(zhì)生產(chǎn)力的發(fā)展非常不利。其中第九條的內(nèi)容如下：
第九條 起草單位起草的政策措施，不得含有下列限制商品、要素自由流動(dòng)的內(nèi)容:
(一) 限制外地或者進(jìn)口商品、要素進(jìn)入本地市場，或者阻礙本地經(jīng)營者遷出，商品、要素輸出；
(二)排斥、限制、強(qiáng)制或者變相強(qiáng)制外地經(jīng)營者在本地投資經(jīng)營或者設(shè)立分支機(jī)構(gòu)；
(三) 排斥、限制或者變相限制外地經(jīng)營者參加本地政府采購、招標(biāo)投標(biāo)；
(四) 對外地或者進(jìn)口商品、要素設(shè)置歧視性收費(fèi)項(xiàng)目、收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)、價(jià)格或者補(bǔ)貼；
(五) 在資質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)、監(jiān)管執(zhí)法等方面對外地經(jīng)營者在本地投資經(jīng)營設(shè)置歧視性要求；
(六) 其他限制商品、要素自由流動(dòng)的內(nèi)容。
國家出臺(tái)的這個(gè)條例對行業(yè)發(fā)展是非常有好處的。現(xiàn)在國家政策有了，地方政府是否認(rèn)真執(zhí)行有待觀察。
資源過度分散。本來燃料電池行業(yè)的技術(shù)人員就特別少，現(xiàn)在國內(nèi)跟氫、燃料電池相關(guān)的企業(yè)成千上萬，全國年產(chǎn)一萬輛車，一個(gè)企業(yè)能分到幾輛車？同時(shí)，這些企業(yè)多在同水平上重復(fù)，浪費(fèi)人力物力和財(cái)力。取消地方保護(hù)主義、加強(qiáng)省市間的聯(lián)動(dòng)、行業(yè)洗牌有利于集中資源多快好省地推動(dòng)行業(yè)的良性發(fā)展。
資金投入少。政府對燃料電池的支持可能也就小幾十億，連對鋰電支持的零頭都不到。企業(yè)自己的實(shí)際投入也不多。由于資源過度分散，每個(gè)以燃料電池為唯一或主要產(chǎn)業(yè)的企業(yè)都沒有多少資金，所能辦之事有限。如果把大的民營和國央企調(diào)動(dòng)起來，燃料電池業(yè)務(wù)每年的虧損占它們主營業(yè)務(wù)產(chǎn)生的利潤微乎其微，完全可以潛心進(jìn)行燃料電池的技術(shù)攻關(guān)和市場推廣，不必把精力放在賣吆喝上，行業(yè)才能得到快速和良性的發(fā)展。
回款周期長。為避免騙補(bǔ)，政府對企業(yè)的補(bǔ)貼多需在完成運(yùn)行時(shí)間或年限的相關(guān)指標(biāo)后才能申請；但申請后補(bǔ)貼多不是馬上到位，可能需等一年、兩年甚至更長的時(shí)間。對企業(yè)來講，在拿到補(bǔ)貼資金之前，資金鏈可能就斷掉了。政府既然承諾給補(bǔ)貼，能否給中標(biāo)的企業(yè)提前支付一部分？并在企業(yè)達(dá)標(biāo)后及時(shí)撥付全部補(bǔ)貼？打擊騙補(bǔ)是對的，也應(yīng)該嚴(yán)厲執(zhí)行和懲罰，可是說給補(bǔ)貼但資金遲遲不到位變相誘導(dǎo)企業(yè)走向破產(chǎn)，最后一地雞毛，對政府也沒有什么好處。
氫氣價(jià)格高。這與整個(gè)氫能產(chǎn)業(yè)鏈沒有建成有關(guān)。可喜的是，現(xiàn)在一些地方陸續(xù)放開制氫政策，不必非得在化工園區(qū)生產(chǎn)氫氣，允許在現(xiàn)場制備和使用，這非常有利于降低氫氣的成本。
燃料電池技術(shù)自身需要進(jìn)一步提升。雖然這幾年技術(shù)進(jìn)步很快，但壽命和可靠性離市場要求還有差距。如果企業(yè)拿到政府補(bǔ)貼后就停止了示范運(yùn)行、或在示范運(yùn)行期間使用車上的電池而非燃料電池進(jìn)行，會(huì)失去很多發(fā)現(xiàn)問題并改進(jìn)提升的機(jī)會(huì)，非常不利于行業(yè)的進(jìn)步，希望企業(yè)和政府都充分認(rèn)識(shí)到進(jìn)行燃料電池長期運(yùn)行的重要性和必要性。
3 小結(jié)
近年來，中國燃料電池的技術(shù)水平提升很快，的確有一些技術(shù)指標(biāo)是世界水平，同時(shí)關(guān)鍵材料和核心部件國產(chǎn)化基本上達(dá)到100%；現(xiàn)在沒有真正用起來的可能就是碳紙、質(zhì)子交換膜和催化劑；其實(shí)這些材料和部件國內(nèi)都有生產(chǎn)，但是國產(chǎn)化替代是需要時(shí)間的，需要相關(guān)的企業(yè)花時(shí)間去進(jìn)行測試驗(yàn)證，不僅僅是性能測試，還有耗時(shí)較長的壽命測試。
燃料電池市場雖然逐漸被打開，但燃料電池的占有率幾乎為零，即使是推廣最多的燃料電池汽車，到現(xiàn)在累積2.2萬輛，跟其它新能源車比起來九牛一毛，市場驅(qū)動(dòng)力不足。
基礎(chǔ)設(shè)施匱乏是主要卡點(diǎn)。氫氣跟其他化石燃料不一樣，有它自己的特殊性，人們對其安全性的要求又非常高，主要是因不熟悉氫氣而害怕，加之氫氣需要制備才能獲得、氫氣的體積儲(chǔ)能密度低，所以這個(gè)能源體系的建設(shè)，一定比煤、石油和天然氣能源體系的建設(shè)花費(fèi)更長的時(shí)間。一般來講一個(gè)能源體系的建設(shè)需幾十年甚至上百年的時(shí)間，不是一蹴而就的。但是在中國有一個(gè)好處，政府大力支持的話，事情進(jìn)展就比較快。也有一個(gè)前提，那就是要有足夠資金做這些事情。
從中央到地方氫能相關(guān)政策1 000多條，但有用、好的政策不在條數(shù)，而在于能不能推動(dòng)行業(yè)發(fā)展、能不能減少堵點(diǎn)、卡點(diǎn)和地方保護(hù)；目前政策之輪驅(qū)動(dòng)效果不佳，輪子多在空轉(zhuǎn)，沒有產(chǎn)生真正的推動(dòng)力，希望《公平競爭審查條例》的實(shí)施能夠逐漸改變這種情況。
