燃料电池电动汽车商业化存在的问题

陈专(同济大学)

　　【摘要】综述了燃料电池电动汽车商业化存在的9个方面的问题，这些问题解决的程度和速度，关系到燃料电池电动汽车商业化的时间问题。这些问题可以分为两类：性能与成本问题和燃料供应与基础设施问题。介绍了解决这些问题的方法以及与此相关的研究方向和热点。

　　0引言

　　早在1839年，利用氢气作为燃料发电的燃料电池就被人类发明了。然而，在很长的一段时间里面，燃料电池技术的发展都很缓慢。直到20世纪60年代初期在太空科技发展的推动下，才开始了燃料电池技术的高速发展。

　　在人类进入21世纪后的今天，环境污染的日益严重以及石油资源的日益短缺，迫切需要人类尽早实现燃料电池电动汽车的商业化，以解决环境污染和石油短缺的问题。需要说明的是，驱动燃料电池电动汽车商业化的最大动力是来自环境的压力，能源短缺的问题其次。

　　1燃料电池电动汽车商业化存在的问题

　　经过近20多年的高速发展，质子交换膜燃料电池技术取得了巨大的进步，成功地解决了很多问题。但是要想实现质子交换膜燃料电池电动汽车的商业化，还有很多关键问题需要解决。

　　(1)开发高性能低成本的双极板，提高电池组的体积比功率；

　　(2)开发高性能低成本的质子交换膜，提高燃料电池系统工作温度；

　　(3)开发阴极新触媒，以降低过电位、增加交换电流密度，降低成本；

　　(4)提高燃料电池电动车的环境适应性，如低温启动性能；

　　(5)提高燃料电池电动车的安全性；

　　(6)资源再循环利用问题，如催化剂的再利用；

　　(7)氢气的来源问题，如何经济地制造氢气；

　　(8)氢气的储存问题，如何提高燃料电池电动汽车的续航能力。

　　(9)加氢站的建设问题，解决燃料电池电动汽车的加氢问题。

　　这些问题可以分为两类：一类是性能与成本的问题(1～6)；二是燃料供应与基础设施问题(7～9)。

　　1.1性能与成本问题

　　要想实现燃料电池电动汽车的商业化，必须使燃料电池电动汽车的性能相当于甚至优于现在的内燃机汽车，同时价格与现在的内燃机汽车价格持平甚至比其更低。毫无疑问，现在燃料电池电动汽车成本如此高的主要原因在于燃料电池系统本身的成本太高。目前，燃料电池制造成本已经降至数百美元/kW左右。但是，燃料电池电动汽车应用成本的目标是50美元/kW，距离还很大。如何提高燃料电池性能与降低其制造成本是燃料电池电动汽车商业化的关键问题之一。

　　在燃料电池系统中，无孔石墨双极板的费用(包括石墨板材料的费用以及流场结构加工费用)占了整个燃料电池系统成本的50%以上。无孔石墨板的优点是导电性好、质量轻、耐腐蚀。缺点是机械强度低、不易加工、难以薄片化(现有水平是1.5～5mm)，与之相比，金属双极板仅需用100μm厚就可以达到相同的强度。而且，在石墨板上机械加工流场的难度很大，也导致其费用很高。如今，世界各国都在研究改用金属板或复合板作为燃料电池的双极板，采用金属板和复合板不仅能够大幅度降低其材料的成本，降低加工流场的难度，而且还可以采用大量生产技术，达到降低成本和提高电池组的体积比功率的目的。

　　质子交换膜占燃料电池系统中第二高成本。现在，光质子交换膜的费用就将近50美元/kW。现在广泛采用的全氟磺酸型膜的工作温度极限为85℃，大大限制了燃料电池电堆的使用温度。为保证大功率燃料电池的正常工作，必须用电池产生能量的51%用于冷却燃料电池系统，移走所产生的热量，这样大大地降低了燃料电池的比功率。提高质子交换膜所用高分子材料的使用温度，提高燃料电池电堆的使用温度，已成为质子交换膜燃料电池电动汽车商业化的关键问题。

　　催化剂铂的用量已经从20世纪80年代时的4mg/cm2降到目前的0.2～0.4mg/cm2。所以，铂用量已经不再是燃料电池系统的主要成本了。但是，铂是人工无法合成的元素，而且是非常匮乏、昂贵的元素，当燃料电池广泛应用于电动汽车的时候，可能会引起铂来源不充分而涨价的问题。所以，寻求铂的替代物以及完善铂的回收技术也是燃料电池商业化的一个关键问题。

　　低温启动性能和安全性是燃料电池电动汽车商业化的另外两个关键问题。要想实现燃料电池电动汽车的商业化，必须将低温启动温度降低到-20℃以下，这样才能满足绝大部分地区用户的需要。安全性方面，必须尽快制定新的安全评定标准，确保燃料电池电动汽车的安全性能与现在的汽车同样出色。

　　1.2燃料供应与基础设施问题

　　要想实现燃料电池电动汽车的商业化，燃料(氢气)的供应和基础设施建设问题必须得到同步解决。设想燃料电池电动汽车本身性能和成本都满足商业化要求，但是无法解决燃料供应和基础设施配套的问题，那么燃料电池电动汽车也将失去燃料来源，燃料电池电动汽车的商业化依旧不可能实现。

　　尽管现在有部分燃料电池电动汽车采用现场制氢的方式，但是燃料电池电动汽车最终采用的方式应该是纯氢直接供应。因为现场制氢的方式结构极其复杂，且不能达到真正的零排放，只能是一种过渡手段。

　　氢气是一种与石油性质完全不同的物质。所以，氢气的来源、运输供应、储存和加注就成了燃料电池电动汽车商业化发展的重要问题。这些问题的解决，在很大程度上比燃料电池电动汽车的性能和成本问题更关键，也更难。

　　如果燃料电池电动汽车实现商业化，氢气的供应也将是大量的，如何解决氢气的来源问题，以及如何用最经济和最环保的方法制取氢气是关键技术。氢的来源很多，现在主要采用的是通过化石燃料的重整来制取，这并没有完全摆脱对传统燃料的依赖，且依旧会产生污染气体。在未来，利用太阳能和核能制氢、生物制氢是重点发展方向，这也是现在各国研究的热点。

　　燃料电池电动汽车商业化的另一个难题是如何在车上安全地、高效地储存氢气，保证车辆有足够的续航里程。目前主要的储氢方法有高压储氢、液态储氢、金属氢化物储氢和吸附储氢。这些方法各有优缺点，如何提高高压储氢系统的体积储氢密度；如何解决液氢的汽化问题和成本问题；如何提高金属氢化物储氢的重量密度问题等是决定燃料电池电动汽车商业化的关键技术之一。

　　如果说解决上述问题主要靠研究开发的话，那么，基础建设的问题则主要靠国家政策的支持。加氢站的投入是巨大的，没有哪家公司能够单独承担建设大量加氢站的费用，只有国家在经济政策上给予一定的投入加上各大能源公司之间通力合作，加氢站的大量建设才有可能实现，从而燃料电池电动汽车的商业化才能大规模地实现。据统计，现在建造能加相当于100万桶石油的加氢站的费用是约1000亿美元，而这仅能满足美国现有汽车10%的需求，可见建造加氢站的费用是巨大的。

　　在美国和欧洲，加氢站建设的法规在前几年就已经成型了，我国也正在积极地做相关的工作。

　　2结语

　　毫无疑问，燃料电池电动汽车的商业化只是时间问题，这项汽车工业的技术革命迟早要来。如今，世界各国政府(特别是西方发达国家和日本)、汽车公司和能源企业都投入了重金加速推进燃料电池电动汽车商业化。即便现在处在财政困境中的通用汽车公司，每年也拿出了数亿美元在做燃料电池电动汽车的研发，可见其对燃料电池电动汽车的重视。在这种情况下，我国企业要想不被落下，现在也必须投入相应的人力和资金进行相关研发。不然的话，在我们快掌握了传统内燃机汽车技术的时候，我们又在另一项技术上落后于世界了。

　　参考文献

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