氢能市场化的挑战

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文/马睿 中国石油报

当下，氢能与燃料电池产业势头正盛，其发展所带来的科技创新和巨大投资受到广泛关注。然而，氢能储运、燃料电池核心材料及零部件等领域仍存在诸多瓶颈制约其发展。为此，记者连线了华南理工大学教授巨文博、清华大学助理研究员赵冠雷，就相关技术难点进行探讨，为读者解开氢能发展背后的技术谜团提供思路。Q氢在储运方面有哪些难点和机会？

A 巨文博：储氢较为安全的方式是液化氢气储存。目前，主要气体供应商已重点关注并开展液化氢气的低成本制备和储运技术。液化氢气的洲际运输优势也很显著，是未来氢气交易最可行的形式。但是液化氢气成本仍然很高，远高于压缩氢气。需要注意的是，氢气不适合管道运输。由于其标准体积的能量密度较低，导致低压管道运输成本较高。具有应用价值的氢气需要压缩到35至70兆帕，而高压氢气对储氢管的力学和化学要求较高，因此推高制造成本。化学储氢具有一定价值，例如基于甲酸、氨基化合物等中间载体实现储氢。但是化学储氢的可逆性和质量密度是重大挑战。

赵冠雷：氢也可制成液氨和甲醇等广泛应用的化学品，其产业供应链成熟，储能密度高（70兆帕压缩氢气：40克H2/升，液氢：71克H2/升，甲醇：98克H2/升，液氨：121克H2/升），易于储运，可以成为下一代氢燃料载体。不过，基于甲醇和液氨的动力装置技术（例如发动机、重整氢气燃料电池）还不是很完善，需要在未来几年继续开发。此外，废气排放的问题目前还未完全解决，例如液氨的NOx排放、甲醇的二氧化碳排放等。Q 影响氢燃料电池性能的主要因素有哪些？制约氢燃料电池发展的瓶颈是什么？A 巨文博：氢燃料电池包括低温质子交换膜燃料电池（PEMFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、碱性燃料电池（AFC）、高温熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）和固体氧化物燃料电池（SOFC），每个技术都有各自的难点。酸性一般需要贵金属催化剂，碱性的能量密度较低导致体积庞大，高温则对电极和电解质材料要求苛刻。目前车载PEMFC有较大发展，但降低成本空间有限，分布式电站用AFC和SOFC技术则较为成熟。总体来说，燃料电池技术受限于工作机制，需要电子导体、离子导体，以及反应界面，属于复杂化学系统。材料研究能极大提升其性能，但却存在部分无法逾越的障碍。目前的瓶颈在于，系统的内在运行机制需要基础突破带动能力提升，简单通过技术进步将无法有效化解当前的难题。赵冠雷：针对PEMFC，目前业内有三大问题，即寿命、成本和功率密度。PEMFC的寿命取决于多方面因素，这里可以简化为基于金属双极板的燃料电池寿命和基于石墨双极板的燃料电池寿命。燃料电池寿命主要取决于金属板上的涂层。金属板在高电压和酸性环境中会析出金属离子，导致膜电极损伤，因此金属板上必须具有保护涂层，通常是贵金属和碳涂层。金属双极板燃料电池的寿命目前可以做到5000小时以上（丰田），满足乘用车需求。而石墨双极板燃料电池因为没有金属离子损伤膜电极，所以寿命可以达到2万小时以上，巴拉德的燃料电池目前已经可以达到3万小时以上，完全可以满足重型交通领域和固定式发电的需求。但国产设备还需要进一步验证，目前可达1万小时左右。此外，燃料电池在低温环境下冷启动的性能也是关乎其寿命的关键指标。

成本方面，目前国内燃料电池电堆成本在2000元/千瓦左右，系统成本在4000元/千瓦左右。针对重卡应用，目前内燃机重卡整体价格在40万—50万元，而燃料电池动力系统的成本就已接近内燃机重卡整车的售价，其中燃料电池电堆占成本的大部分。降低成本的路径主要依赖技术上的进一步突破，例如膜电极性能的增强（1.0瓦/平方厘米增强至1.5瓦/平方厘米）、铂载量的降低和双极板制备工艺的优化。国产化和量产也有助于成本的降低。质子交换膜和气体扩散层就在推动国产化进程，目前膜电极、双极板、氢气循环泵、空气压缩机、气体扩散层等核心组件，以及PEM、催化剂等关键材料，均已实现小规模自主生产，国产化率从2017年的30%提高到现在的大于60%。燃料电池汽车的产量也已由1500辆/年提高至1万辆/年，产量的增加可以使零部件的成本得到更多平摊，因此可以大幅降低成本。预计在未来五年内，PEMFC系统成本将从目前的4000元/千瓦降到2000元/千瓦至3000元/千瓦。

功率密度方面，燃料电池的功率密度是乘用车和一些特种应用（比如无人机）的瓶颈。目前石墨双极板燃料电池电堆的功率密度可达4千瓦/升左右，金属双极板燃料电池电堆的功率密度可达5.5千瓦/升左右。进一步提升功率密度的主要途径是增加燃料电池性能，主要包括提升MEA的性能及降低双极板的厚度（主要针对石墨板）。尽管开发难度还很大，但石墨双极板未来有可能通过石墨/树脂复合材料的开发，使双极板厚度降到小于1.2毫米。

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