燃料電池的應(yīng)用難題及解決方案

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燃料電池的應(yīng)用難題及解決方案

縱觀人類(lèi)發(fā)展史，所有的發(fā)明、技術(shù)創(chuàng)新以及人類(lèi)為之所做的全部努力，都有一個(gè)共同的落腳點(diǎn)，即投入應(yīng)用。燃料電池也不例外。從個(gè)別科研院所的實(shí)驗(yàn)室研究到企業(yè)產(chǎn)品的市場(chǎng)投放，從默默無(wú)聞到日漸火熱，燃料電池產(chǎn)品的終端應(yīng)用不斷取得突破?！?017年（武漢）燃料電池技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展高峰論壇”圍繞燃料電池在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的問(wèn)題展開(kāi)討論，對(duì)業(yè)內(nèi)頗有啟發(fā)。

▌燃料電池的應(yīng)用領(lǐng)域

（1）燃料電池車(chē)VS純電動(dòng)車(chē)

在行業(yè)內(nèi)及媒體上，經(jīng)常出現(xiàn)關(guān)于燃料電池車(chē)與純電動(dòng)車(chē)的討論，人們下意識(shí)里把二者看成競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。其實(shí)，二者并非完全的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手不是彼此而是傳統(tǒng)燃油車(chē)。燃料電池車(chē)和純電動(dòng)車(chē)同屬于新能源汽車(chē)，推進(jìn)節(jié)能環(huán)保、最終取代燃油車(chē)是新能源汽車(chē)的神圣使命。

許多專(zhuān)家學(xué)者在不同場(chǎng)合均明確表示，燃料電池車(chē)與純電動(dòng)車(chē)不矛盾，二者屬互補(bǔ)關(guān)系。專(zhuān)家認(rèn)為，隨著動(dòng)力電池技術(shù)的發(fā)展，比如300公里以下的短程出行，乘用車(chē)會(huì)以純電動(dòng)為主，它在充電和續(xù)航方面可以滿(mǎn)足用戶(hù)的日常出行需要。然而，從事長(zhǎng)距離運(yùn)輸?shù)闹匦涂ㄜ?chē)、有軌電車(chē)等，質(zhì)量較重，能量需求大，適合采用燃料電池作為動(dòng)力電源。

在剛剛公布的第300批《道路機(jī)動(dòng)車(chē)輛生產(chǎn)企業(yè)及產(chǎn)品公告》中，燃料電池車(chē)有4款，分別來(lái)自北汽福田、宇通客車(chē)、廈門(mén)金旅以及安凱汽車(chē)，其中，3款燃料電池由北京億華通科技股份有限公司提供，1款燃料電池由廣東國(guó)鴻重塑能源科技有限公司提供。燃料電池在新能源汽車(chē)整體中的占比尚小，但向好的趨勢(shì)非常明顯。

（2）叉車(chē)、牽引車(chē)等工業(yè)車(chē)輛

燃料電池風(fēng)靡叉車(chē)、牽引車(chē)等工業(yè)車(chē)輛領(lǐng)域，讓人頗感意外，但細(xì)思又覺(jué)得非常合理。這些工業(yè)車(chē)輛行駛范圍小且路線(xiàn)固定，完全規(guī)避了加氫站數(shù)量不足帶來(lái)的影響，再加上燃料電池在環(huán)保方面的優(yōu)異表現(xiàn)，在叉車(chē)等工業(yè)車(chē)輛域取得重大突破也就不足為怪。

《燃料電池困局：如何走出那個(gè)該死的循環(huán)？》一文提到的美國(guó)PlugPower公司堪為一個(gè)典型代表，它是一家發(fā)展制造并整合各項(xiàng)燃料電池系統(tǒng)的公司，產(chǎn)品主要應(yīng)用于叉車(chē)、備用電源、固定電站等領(lǐng)域。據(jù)其全球采購(gòu)總監(jiān)杜斌介紹，從2013年至今，公司整個(gè)銷(xiāo)售營(yíng)業(yè)額增長(zhǎng)了4倍以上，目前客戶(hù)有叉車(chē)、機(jī)場(chǎng)牽引車(chē)、無(wú)人駕駛車(chē)等1.6萬(wàn)多臺(tái)燃料電池設(shè)備在運(yùn)行，2017年年底，運(yùn)行設(shè)備數(shù)量將增加至2萬(wàn)臺(tái)。杜斌透露，全球燃料電池叉車(chē)市場(chǎng)約300億美元，PlugPower占95%。

（3）無(wú)人機(jī)

無(wú)人機(jī)是燃料電池的另一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。相對(duì)于鋰電池來(lái)說(shuō)，燃料電池?zé)o人機(jī)續(xù)航時(shí)間更長(zhǎng)，留空時(shí)間估算更準(zhǔn)確，飛行振動(dòng)更低，紅外輻射也更低。據(jù)上海攀業(yè)氫能源科技有限公司副總經(jīng)理施濤介紹，公司提供的無(wú)人機(jī)燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)，滿(mǎn)載最大留空時(shí)長(zhǎng)可達(dá)3小時(shí)，1公斤載荷最大海拔高度2500米，極限飛行海拔高度4500米。燃料電池?zé)o人機(jī)已經(jīng)可以滿(mǎn)足石油化工勘測(cè)、軍警航拍等領(lǐng)域的需求，應(yīng)用前景廣闊。

燃料電池的應(yīng)用難題和解決方案

（1）氫和燃料電池安全。

安全是發(fā)展燃料電池首先要考慮的問(wèn)題?！安欢剂想姵氐娜擞X(jué)得氫氣危險(xiǎn)，從物理特性來(lái)講，氫氣逸散性很高，在不是特別封閉的空間里，氫氣很難爆炸”，新研氫能源科技有限公司CTO齊志剛解釋?zhuān)叭绻岩惠v汽油車(chē)和氫燃料電池車(chē)分別點(diǎn)燃，汽油車(chē)把人燒得面目全非，氫燃料電池車(chē)會(huì)形成一個(gè)細(xì)火柱，很快燃燒完畢，對(duì)車(chē)的損害也比較小?！睆倪@點(diǎn)看，氫的確是更安全些。

北京海德利森科技有限公司產(chǎn)品總監(jiān)韓武林認(rèn)為，按照標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)生產(chǎn)、儲(chǔ)運(yùn)和使用氫氣，氫的安全就可控和可保障。此外，完善氫安全技術(shù)法規(guī)，本著安全的理念設(shè)計(jì)氫能設(shè)備，對(duì)氫能利用做風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，也可以降低和避免風(fēng)險(xiǎn)。

（2）性能和壽命。

關(guān)于燃料電池車(chē)，如果按其實(shí)際使用的方式測(cè)壽命，得到的數(shù)據(jù)嚴(yán)重滯后于燃料電池車(chē)的發(fā)展，且相同的燃料電池裝不同的車(chē)，循環(huán)工況不同，老化速度也不同，業(yè)內(nèi)實(shí)驗(yàn)室原有的測(cè)試方法，給不出對(duì)應(yīng)的壽命指標(biāo)。清華大學(xué)教授、研究生院副院長(zhǎng)裴普成轉(zhuǎn)換思路，參考機(jī)械領(lǐng)域壽命預(yù)測(cè)理論，證明了多工況組合復(fù)合“疲勞累積損傷規(guī)律”，并借鑒Miner模型，給出了燃料電池性能衰減速度公式，并在實(shí)驗(yàn)中做不同電流密度下電池性能的衰減速度，由此來(lái)計(jì)算燃料電池的壽命。裴普成的燃料電池壽命評(píng)價(jià)方法大大節(jié)省了測(cè)評(píng)時(shí)間，從而可以更好地改進(jìn)燃料電池的技術(shù)和工藝。

中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所燃料電池部部長(zhǎng)邵志剛研究了低鉑核殼催化劑電池衰減機(jī)理，通過(guò)電池加速衰減測(cè)試，考察低鉑核殼催化劑電池中催化劑成分的漸變過(guò)程，分析了合金成分對(duì)電池性能的影響，提出第二成分流失及合金化對(duì)電池壽命影響的規(guī)律。邵志剛與裴普成的研究方法不同，但筆者認(rèn)為二者殊途同歸，最終都是為了提高燃料電池性能和壽命。

（3）成本及發(fā)展策略。

燃料電池的高成本是一個(gè)被持續(xù)關(guān)注的問(wèn)題，要把燃料電池推廣開(kāi)來(lái)，降成本勢(shì)在必行，這就需要研究新型關(guān)鍵材料制備技術(shù)，低鉑或非鉑催化劑成為一個(gè)突破口。邵志剛對(duì)低鉑核殼催化劑做了深入研究，他表示，要應(yīng)用到整車(chē)上，還有一段距離。

山東東岳集團(tuán)研究院副院長(zhǎng)唐軍柯表示，不同的客戶(hù)，對(duì)膜的規(guī)格要求不同，不同的規(guī)格交錯(cuò)，造成膜的浪費(fèi)，因此，不同的企業(yè)將膜的需求規(guī)格統(tǒng)一起來(lái)，能夠很好地降低成本。

武漢理工新能源有限公司副總經(jīng)理田明星表示，膜電極成本占電堆總成本60%以上，隨著批量的擴(kuò)大，催化劑在燃料電池成本中的比例越來(lái)越大。膜電極通過(guò)規(guī)模化生產(chǎn)效應(yīng)，可以滿(mǎn)足初步的商業(yè)化需求，要滿(mǎn)足大規(guī)模商業(yè)化的成本要求，還需要在性能、非鉑催化劑等方面取得突破。

亞當(dāng)斯密的《國(guó)富論》里講了一個(gè)分工的例子：在工廠里，如果工人們各自獨(dú)立工作，那么任何人都不可能在一天之內(nèi)制造出二十枚針，甚至一枚也制造不出來(lái)。如果進(jìn)行分工協(xié)作，各自負(fù)責(zé)幾道工序，那么，一天可以生產(chǎn)成千上萬(wàn)枚針。分工協(xié)作不僅提高了效率，還降低了生產(chǎn)成本。