燃料電池技術(shù)是一種先進(jìn)的清潔能源技術(shù)，燃料電池能夠?qū)⑷剂系幕瘜W(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，伴隨高效率、無污染和長壽命等特點(diǎn)。此外，燃料電池發(fā)電是繼水力發(fā)電、火力發(fā)電和核能發(fā)電之后的第4類發(fā)電技術(shù)。燃料電池根據(jù)電解質(zhì)的類型劃分為質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)、堿性燃料電池(AFC)、磷酸燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)和固態(tài)氧化物燃料電池(SOFC)等。相對(duì)于其他類型的燃料電池，PEMFC因其能量轉(zhuǎn)換率高(40%～60%)，工作溫度低和比功率高等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用。

一、國內(nèi)外產(chǎn)業(yè)發(fā)展概述

20世紀(jì)60年代，美國UTC公司開發(fā)出以液氫和液氧工作的燃料電池應(yīng)用于軍事領(lǐng)域；1979年，杰佛里·巴拉德（Geoffrey Ballard）同其合伙人于加拿大創(chuàng)立了巴拉德動(dòng)力系統(tǒng)公司，開發(fā)以PEMFC為主的燃料電池并應(yīng)用于汽車領(lǐng)域；1992年，各國汽車制造商在政府的支持下開始研發(fā)燃料電池汽車，其中Ballard公司于1993年向世界展示了一輛無污染的PEMFC驅(qū)動(dòng)的公交車，引起全球研發(fā)熱潮；1994年，奔馳公司生產(chǎn)了燃料電池汽車NECAR1，這也是世界上第1輛燃料電池汽車；隨后，美國、日本、韓國相繼推出其燃料電池概念車以及量產(chǎn)車。我國對(duì)燃料電池技術(shù)的研究較早，可以追溯到20世紀(jì)50年代，國家“863”計(jì)劃“十五”電動(dòng)汽車重大科技專項(xiàng)、“十一五”節(jié)能與新能源汽車重大項(xiàng)目、“十二五”電動(dòng)汽車關(guān)鍵技術(shù)與系統(tǒng)集成重大項(xiàng)目等。國內(nèi)以往項(xiàng)目的投入更多的是注重技術(shù)的研究，但相對(duì)于燃料電池電動(dòng)車的研究，仍存在技術(shù)短板，如國產(chǎn)質(zhì)子膜壽命仍與發(fā)達(dá)國家的產(chǎn)品存在差距；國內(nèi)電堆低溫啟動(dòng)的技術(shù)和材料難題仍未突破；燃料電池電池衰減機(jī)理正在分析等。2009年，美國奧巴馬政府實(shí)施經(jīng)濟(jì)刺激計(jì)劃中，包括燃料電池在內(nèi)的先進(jìn)能源技術(shù)投入資金為3億美元；2011年對(duì)氫能及燃料電池技術(shù)項(xiàng)目的預(yù)算為1.37億美元；2012年美國加州對(duì)燃料電池的關(guān)注程度尤為活躍，包括日本豐田汽車公司、日本本田汽車公司和韓國現(xiàn)代汽車公司3家燃料電池電動(dòng)汽車制造商于加州提供燃料電池汽車（Fuel cell vehicles，F(xiàn)CV）銷售和租賃服務(wù)，2012年8月，奧巴馬政府實(shí)施新的激勵(lì)機(jī)制，提高FCV的燃油經(jīng)濟(jì)性標(biāo)準(zhǔn)，而且美國能源部下屬辦公室出臺(tái)多項(xiàng)用于獎(jiǎng)勵(lì)發(fā)展燃料電池技術(shù)的政策。為了鼓勵(lì)公眾企業(yè)使用燃料電池，根據(jù)美國燃料電池和氫能協(xié)會(huì)（FCHEA）發(fā)布的2016年美國燃料電池和氫能源發(fā)展總結(jié)報(bào)告，2016年內(nèi)美國在10個(gè)州頒布了燃料電池和氫能相關(guān)政策，包括稅收激勵(lì)、調(diào)整上網(wǎng)電價(jià)等措施。2004年，日本在《國家新產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新戰(zhàn)略》中將燃料電池列為國家重點(diǎn)推進(jìn)的7大新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)之首，從國家層面上著力推進(jìn)。2007年，日本政府提出“下一代汽車與燃料行動(dòng)計(jì)劃”，確定了各階段燃料電池汽車在成本、性能、壽命等方面的指標(biāo)。2014年4月，日本內(nèi)閣會(huì)議通過“能源基本計(jì)劃”，明確將氫氣作為未來二次能源的核心位置 。日本政府計(jì)劃到2020年確保有4萬輛燃料電池電動(dòng)汽車上路，2025年實(shí)現(xiàn)20萬輛的目標(biāo)，到2030年實(shí)現(xiàn)驚人的80萬輛的目標(biāo)。歐盟對(duì)氫能和燃料電池研發(fā)與推廣的支持主要通過框架計(jì)劃（FP）進(jìn)行。在第6框架計(jì)劃（2002-2006）（FP6）中，1億歐元用于涉及氫能制造、氫能貯藏、氫能安全及其標(biāo)準(zhǔn)制訂、氫能運(yùn)輸、氫能的最終應(yīng)用、高溫PEMFC、SOFC、便攜式燃料電池以及其他通用技術(shù)研發(fā)等30個(gè)項(xiàng)目。第7框架計(jì)劃（2007-2012）（FP7）的目的是突破燃料電池和氫能發(fā)展的一些關(guān)鍵性技術(shù)難點(diǎn)。歐盟對(duì)與氫能及燃料電池的發(fā)展規(guī)劃類似于日本政府。在上述政策的鼓勵(lì)和推動(dòng)下，燃料電池技術(shù)頻繁地應(yīng)用于固定發(fā)電，為公共設(shè)施、居民生活區(qū)、工廠等區(qū)域進(jìn)行供電，同時(shí)多余的電能并入公用電網(wǎng)。這些燃料電池的安裝部署改善了環(huán)境和能源結(jié)構(gòu)，降低溫室氣體排放的同時(shí)提高了電力可靠性，增加了能量效率，降低了消費(fèi)者對(duì)電網(wǎng)的依賴。

我國對(duì)燃料電池的研究較早，“七五”計(jì)劃期間研究直接甲醇燃料電池（DMFC），“八五”期間以大連化物所主導(dǎo)的SOFC研究，“九五”期間針對(duì)PEMFC研究。此前階段，國內(nèi)集中研究燃料電池的種類和主要組件，并在組件取得了較大進(jìn)展。而后，在后續(xù)的“十五”“十一五”“十二五”期間著重研究了燃料電池電動(dòng)汽車及系統(tǒng)集成技術(shù)。隨著燃料電池關(guān)鍵技術(shù)和材料的突破，包括上海汽車集團(tuán)股份有限公司、長安汽車股份有限公司等國內(nèi)汽車企業(yè)共有近200 輛燃料電池電動(dòng)汽車在上海世博園區(qū)進(jìn)行示范運(yùn)行。我國的燃料電池電動(dòng)客車技術(shù)探索從2001年開始，此后經(jīng)歷了3個(gè)階段。在自由探索期（2001年-2005年），面臨著動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型不明確、零部件供應(yīng)鏈不成熟、系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性較差、系統(tǒng)故障較多和整車示范運(yùn)營里程較短等問題。隨后經(jīng)過5年的參數(shù)優(yōu)化和參與示范運(yùn)營項(xiàng)目，為研發(fā)燃料電池汽車積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)，對(duì)零部件供應(yīng)鏈的培育也趨于穩(wěn)定，整車性能和可靠性明顯提高。在后期發(fā)展中，整車企業(yè)和研發(fā)機(jī)構(gòu)將重心轉(zhuǎn)移至改善燃料電池的耐久性和降低生產(chǎn)成本。國內(nèi)車企先后于2014年推出首款量產(chǎn)氫燃料電池汽車（榮威950），氫燃料電池客車（2017年，福田歐輝，大通FCV80），如圖1所示。另外，我國政府于2015年提出《中國制造2025》，該行動(dòng)綱領(lǐng)中提出燃料電池汽車是國內(nèi)未來重點(diǎn)發(fā)展的方向。


燃料電池技術(shù)以及燃料電池電動(dòng)汽車經(jīng)過一百多年的研究和實(shí)際應(yīng)用，在技術(shù)上已經(jīng)積累了較多的經(jīng)驗(yàn)，燃料電池產(chǎn)業(yè)化的腳步也越來越近[7]。2009年9月，戴姆勒、通用、福特、豐田、本田、日產(chǎn)和現(xiàn)代7大整車企業(yè)聯(lián)合簽名表示繼續(xù)發(fā)展燃料電池電動(dòng)汽車。國外的整車企業(yè)做好了燃料電池產(chǎn)業(yè)化的準(zhǔn)備，而我國的燃料電池電動(dòng)汽車大部分仍停留在汽車行業(yè)、研發(fā)部門，燃料電池技術(shù)在國內(nèi)也并未對(duì)周圍的環(huán)境，提升能源利用效率、改善能源結(jié)構(gòu)等產(chǎn)生影響。種種跡象表明，仍有許多因素影響我國燃料電池產(chǎn)業(yè)化的步伐。

二、質(zhì)子交換膜燃料電池基礎(chǔ)

1839年，英國科學(xué)家Grove首次提出了燃料電池的原理。燃料電池是一種能夠持續(xù)的通過發(fā)生在陽極和陰極的氧還原反應(yīng)將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置，如圖2所示。只要連續(xù)不斷地向燃料電池兩極輸入燃料和氧化劑，燃料電池就會(huì)持續(xù)的工作，即不斷的提供電能，這也是與鋰離子電池的區(qū)別。燃料電池的工作原理如下：

陽極：H2 → H+ + 2e

陰極：O2 + 2H+ + 2e → H2O

總反應(yīng)：2H2 + O2 → 2H2O

根據(jù)圖2的示意圖，可以將PEMFC的結(jié)構(gòu)劃分為催化劑、碳紙、氣體擴(kuò)散層、質(zhì)子交換膜、集流板等主要組件。燃料電池電動(dòng)汽車是基于燃料電池系統(tǒng)提供的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，而燃料電池系統(tǒng)中的核心零部件為電堆，即通過將單片燃料電池集成于一體，以便于輸出高壓和高功率。電堆是建立在單片PEMFC的基礎(chǔ)上，核心零部件未發(fā)生變化。但上述零部件均會(huì)對(duì)電堆的性能、壽命以及低溫啟動(dòng)特性產(chǎn)生影響。在20世紀(jì)60年代，美國國家航空航天局（NASA）首次將PEMFC應(yīng)用于航天飛船上作為輔助電源，為人類登月做出積極貢獻(xiàn)，隨后因?yàn)閴勖鼏栴}限制其在航天中的應(yīng)用。我國雖對(duì)上述零部件有較大的研究進(jìn)展，包括燃料電池電催化劑、質(zhì)子交換膜、碳紙、膜電極組件、雙極板等關(guān)鍵材料方面均已取得技術(shù)突破，但部分零部件尚未完全自主化[11-13]。這里的自主化不僅僅是指生產(chǎn)工藝，還有產(chǎn)品及零部件本身的性能，部分自主化后的零部件性能仍與國外存在差距。


其中，由于添加燃料的不同氫氣（H2）、甲醇（CH3OH）、乙醇（C2H5OH）等、電解質(zhì)的差異（酸性、堿性、熔融鹽和聚合物等）和工作溫度的不同均會(huì)影響燃料電池的分類。在以上燃料電池中，以PEMFC的應(yīng)用范圍最廣，研究最為成熟。如表1所示，PEMFC具有燃料電池的通性，如轉(zhuǎn)換效率高、噪音小、無污染等優(yōu)點(diǎn)；通過集成單片燃料電池形成電堆，以實(shí)現(xiàn)輸出高電壓、強(qiáng)電流密度的特點(diǎn)[12]。PEMFC的應(yīng)用主要集中在3個(gè)方面：①固定領(lǐng)域，為公共場所提供熱能和電力，分散式發(fā)電；②便攜式領(lǐng)域，應(yīng)用于便攜式電子設(shè)備和通信設(shè)備以及高精密儀器；③運(yùn)輸領(lǐng)域，為運(yùn)輸工具供應(yīng)電力，如圖3所示。

表1 燃料電池與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的對(duì)比


除了燃料電池電堆本身的結(jié)構(gòu)影響，其燃料也會(huì)對(duì)燃料電池產(chǎn)生影響。PEMFC系統(tǒng)使用的燃料為H2，氫元素是地球上最豐富的元素，但氫氣不以單獨(dú)的形式存在于地球上，主要有其他物質(zhì)加工產(chǎn)生。常見的富氫物質(zhì)有水、石油、天然氣和各種生物質(zhì)等。常見的制氫方法有：①電解水制氫；②甲烷重整制氫；③石油裂解的合成氣和天然氣制氫；④工業(yè)合成副產(chǎn)物制氫等。燃料電池作為清潔能源裝置，同時(shí)對(duì)燃料來源也有要求，上述方法在不同程度上仍會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生影響，僅是將傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的尾氣排放調(diào)至燃料的生產(chǎn)階段而已。在這個(gè)過程中，燃料電池仍會(huì)被視為昂貴、低效和污染環(huán)境的裝置。實(shí)際上，電解水的電力來源未必是來自火力發(fā)電，新型的風(fēng)能、太陽能也可以產(chǎn)生電力分解水，而這個(gè)過程是綠色無污染的。

三、燃料電池產(chǎn)業(yè)化影響因素

PEMFC產(chǎn)業(yè)化在國內(nèi)外面臨著相同的問題，即降低燃料電池的成本、提高燃料電池的效率和增強(qiáng)燃料電池耐久性。圖4為美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室PEMFC系統(tǒng)模型，可以看出，通常將燃料電池單體按照一定的方式組合成燃料電池電堆，并配置相應(yīng)的輔助設(shè)備，同時(shí)在燃料電池控制單元的控制下，實(shí)現(xiàn)燃料電池的正常運(yùn)行，電堆和輔助系統(tǒng)共同構(gòu)成了燃料電池系統(tǒng)。輔助系統(tǒng)主要包括空壓機(jī)、膜加濕器、氫氣循環(huán)泵、壓力調(diào)節(jié)器、系統(tǒng)控制單元和相關(guān)閥件。

影響電堆性能的結(jié)構(gòu)主要有以下幾個(gè)方面：①電堆是燃料電池系統(tǒng)的主要元件，包括電極、質(zhì)子交換膜、雙極板、氣體擴(kuò)散層、端板等組件。其中，電極、質(zhì)子交換膜和氣體擴(kuò)散層3層集成在一起形成膜電極，它是電堆的主要部件；②電極是質(zhì)子交換膜和氣體擴(kuò)散層間具有電傳導(dǎo)性的一層加壓薄層，也是發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的地方；③電極催化劑的含量決定著電堆的成本和工作效率。當(dāng)催化劑鉑（Pt）的含量增高時(shí)，電化學(xué)活性接觸面積增加，電堆的電流密度也會(huì)隨之增加；當(dāng)接觸面積增加到一定程度后，電流密度不再增加；④質(zhì)子交換膜是陰極催化層和陽極催化層之間的一層薄膜，是氫質(zhì)子傳導(dǎo)的介質(zhì)，質(zhì)子交換膜的性能直接影響整個(gè)電堆的性能。常用質(zhì)子交換膜以美國DuPont公司生產(chǎn)的Nafion系列全氟磺酸質(zhì)子膜為主，此外，質(zhì)子交換膜的厚度也會(huì)影響系統(tǒng)的開路電壓及其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；⑤雙極板用于支撐膜電極，并收集單電池電流。常見材質(zhì)為石墨，現(xiàn)有被金屬板取代的趨勢。雙極板的流場結(jié)構(gòu)對(duì)電堆的水熱管理、低溫啟動(dòng)有著顯著影響。所有的單電池通過雙極板串聯(lián)在一起，提供滿足車用動(dòng)力需求的電功率。

上述零部件僅是基于電堆結(jié)構(gòu)的分析，氫能問題仍需值得關(guān)注。在“質(zhì)子交換膜燃料電池基礎(chǔ)”提到氫氣的制備方法，關(guān)于氫氣的儲(chǔ)存和運(yùn)輸，以及氫安全方面，我國在這方面的工作仍存在不足。

1.加氫站

加氫站是給燃料電池汽車提供氫氣的基礎(chǔ)設(shè)施。自從2015年開始，氫燃料汽車首次在加州銷售，在過去3年里，加州有35座加氫站向氫能源汽車提供加氫服務(wù)。截至目前，美國共有39座加氫站在運(yùn)營中，計(jì)劃2023年將建設(shè)超過100個(gè)加氫站。目前全球正在運(yùn)營的274座加氫站中，有106座位于歐洲，101座位于亞洲，64座位于北美，2座位于南美，1座位于澳大利亞。而我國截止到2017年底，國內(nèi)運(yùn)行加氫站僅有6座。加氫站的普及和商業(yè)化運(yùn)營也有助于促進(jìn)燃料電池電動(dòng)汽車的普及。

2.儲(chǔ)氫

儲(chǔ)氫是在氫氣的運(yùn)輸以及車載氫氣需要結(jié)構(gòu)安全、符合國際國家標(biāo)準(zhǔn)的儲(chǔ)氫裝置。在氫氣的運(yùn)輸以及車載氫氣需要結(jié)構(gòu)安全、符合國際國家標(biāo)準(zhǔn)的儲(chǔ)氫裝置。傳統(tǒng)儲(chǔ)氫方法有2種，一種方法是利用高壓鋼瓶（氫氣瓶）來儲(chǔ)存氫氣，但鋼瓶儲(chǔ)存氫氣的容積小，而且還有爆炸的危險(xiǎn)；另一種方法是儲(chǔ)存液態(tài)氫，但液體儲(chǔ)存容器非常龐大，需要性能極好的絕熱裝置來隔熱。近年來，一種新型簡便的儲(chǔ)氫方法應(yīng)運(yùn)而生，即利用儲(chǔ)氫合金（金屬氫化物）來儲(chǔ)存氫氣。事實(shí)證明，高壓儲(chǔ)氫相對(duì)于其他方式更為可靠。這同樣對(duì)儲(chǔ)氫容器提出耐高壓、安全可靠的要求。

3.法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)

國外有關(guān)氫能技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)方面的活動(dòng)十分活躍，特別是美國、歐盟、日本等發(fā)達(dá)國家都很重視氫能技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的制定以及與技術(shù)的同步協(xié)調(diào)發(fā)展工作，同時(shí)也非常注重國際間的合作并極力將本國氫能技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)國際化。發(fā)達(dá)國家的標(biāo)準(zhǔn)體系已日趨完善，發(fā)達(dá)國家介入氫能的標(biāo)準(zhǔn)組織主要有國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）、國際電工委員會(huì)（IEC）、美國機(jī)械工程師協(xié)會(huì)（ASME）、氫能法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)協(xié)調(diào)委員會(huì)（HCSCC）、電氣和電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）和自動(dòng)化工程師協(xié)會(huì)（SAE）等。自1985年GB/T 4962氫氣使用安全技術(shù)規(guī)程發(fā)布以來，我國已有20年有關(guān)氫能標(biāo)準(zhǔn)化的歷史，已發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)包括產(chǎn)品、安全使用、氫氧站設(shè)計(jì)、制氫儲(chǔ)氫等方面的測試方法和技術(shù)條件等國標(biāo)和行標(biāo)。

2017年，我國集中公布了一批標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)，其中包括8項(xiàng)氫能領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)。我國已初步建立氫能標(biāo)準(zhǔn)體系，燃料電池氫能相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系也在完善過程中。

美國U.S. DRIVE Partnership在其燃料電池技術(shù)路線圖中，針對(duì)燃料電池電堆和系統(tǒng)的現(xiàn)狀作了整理和分析，如圖4.2所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)的耐久性和系統(tǒng)成本仍未達(dá)到目標(biāo)要求（圖5）。歐洲對(duì)燃料電池電動(dòng)客車的壽命要求是質(zhì)保15年，換算后燃料電池需達(dá)到50 000h，日本豐田也提出在商用車領(lǐng)域2025年燃料電池壽命要求也是50 000h。這意味著長壽命的目標(biāo)對(duì)電堆結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)控制提出了嚴(yán)格的要求。另外，還需考慮燃料電池電動(dòng)汽車在低溫、高溫、高壓下的壽命需求。即使是時(shí)至今日，燃料電池的成本和耐久性仍是阻礙燃料電池產(chǎn)業(yè)化的主要問題。在此基礎(chǔ)上，關(guān)于氫能的普及和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也是燃料電池產(chǎn)業(yè)化面臨的最現(xiàn)實(shí)的問題之一。


四、燃料電池產(chǎn)業(yè)化解決方案

燃料電池的耐久性與成本看似是矛盾關(guān)系，提高燃料電池的耐久，間接提高了燃料電池的成本；反之，降低了燃料電池的成本，也將影響燃料電池的壽命。豐田之所以可以降低燃料電池的生產(chǎn)成本，一方面得益于電堆中催化劑使用量已下降至此前水平的1/3；另外一方面得益于碳纖維材料在儲(chǔ)氫容器中的應(yīng)用。關(guān)于氫能基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)、法規(guī)完善亦是迫在眉睫。筆者從多個(gè)角度嘗試為燃料電池產(chǎn)業(yè)化提供相應(yīng)建議，思路如下：

1.降低燃料電池成本的途徑：

在燃料電池電動(dòng)汽車的成本中，燃料電池系統(tǒng)和車載儲(chǔ)氫系統(tǒng)分別占比約為63%和8%。燃料電池系統(tǒng)的關(guān)鍵成本在電堆和輔助系統(tǒng)2個(gè)部分。而電堆的核心在于催化劑和質(zhì)子交換膜；輔助系統(tǒng)側(cè)重于零部件及供應(yīng)鏈體系，如空氣壓縮機(jī)、膜增濕器和供氫系統(tǒng)相關(guān)的閥件等。在產(chǎn)業(yè)化的背景下，電堆和輔助系統(tǒng)零部件的成本均會(huì)下降。但在當(dāng)前，國內(nèi)尚未達(dá)到產(chǎn)業(yè)化批量化生產(chǎn)、供應(yīng)鏈體系尚未成熟、系統(tǒng)相關(guān)的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)尚未完善的背景下，上述系統(tǒng)成本依然會(huì)維持短期內(nèi)相對(duì)高價(jià)的狀態(tài)。

①在維持電堆正常輸出的前提下，降低催化劑中的鉑含量。當(dāng)前豐田在其Mirai車型中鉑含量為20g/輛，為鉑含量最少的車型，比上一代Mirai降低了90%的用量，整車成本較之2008年豐田FCHV-adv降低了95%；或采用非鉑催化劑替代原有貴金屬催化劑，鉑催化劑在燃料電池系統(tǒng)啟停期間已被損壞、發(fā)生鉑溶解現(xiàn)象，進(jìn)而加速燃料電池衰減。使用非鉑催化劑可以避免復(fù)雜的MEA加工過程、催化劑中毒現(xiàn)象，也可以降低電堆成本。

②改善催化劑的中毒問題，提高材料和電堆的穩(wěn)定性。在電堆內(nèi)的電化學(xué)反應(yīng)過程中，由于鉑催化劑提供反應(yīng)活性位點(diǎn)促進(jìn)氫氣和氧氣的電化學(xué)反應(yīng)，一氧化碳和其他雜質(zhì)氣體極易吸附在催化劑表面，降低反應(yīng)活性面積，從而影響電堆效率和穩(wěn)定性。防中毒現(xiàn)象可以從2方面做起：（a）進(jìn)入電堆的空氣需過濾分離處理，但部分雜質(zhì)氣體密度近似空氣密度，操作難度大，成本高，該舉措得不償失；（b）優(yōu)化催化劑結(jié)構(gòu)和性能或使用非鉑催化劑，該方法需要技術(shù)有所突破，國內(nèi)外已有實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出新型催化劑，對(duì)于能否車載使用亟待驗(yàn)證。

③質(zhì)子交換膜國產(chǎn)化，并在性能上有所突破。國內(nèi)現(xiàn)有電堆壽命最高可達(dá)到5000 h，國際上電堆壽命達(dá)到18 000 h，國內(nèi)外差距較大。質(zhì)子交換膜的研發(fā)成本較高、設(shè)計(jì)路線復(fù)雜，而且研發(fā)周期較長。電堆壽命與質(zhì)子交換膜緊密相關(guān)，需要國內(nèi)產(chǎn)學(xué)研緊密結(jié)合制備高性能質(zhì)子交換膜。

④催化劑載體的自主化，常見載體為碳紙，可為催化劑提供附著位點(diǎn)，有提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。國產(chǎn)化載體亦可降低成本。

⑤雙極板的成本批量化后會(huì)明顯降低，在燃料電池產(chǎn)業(yè)化前仍會(huì)長期處于間歇性多型號(hào)高價(jià)供貨階段，日本和韓國整車企業(yè)采用金屬材質(zhì)雙極板代替歐美國家流行的石墨材質(zhì)的雙極板，使得電堆厚度在復(fù)合結(jié)構(gòu)極板的基礎(chǔ)上降低1/3，間接地使電堆輕量化，實(shí)現(xiàn)降低成本的目的。

⑥培育完整、成熟的供應(yīng)鏈；市場證明，批量化或商業(yè)化的產(chǎn)品生產(chǎn)成本會(huì)明顯低于小批量或樣品的成本。批量化生產(chǎn)的優(yōu)勢對(duì)于燃料電池系統(tǒng)供應(yīng)鏈依然如此。日本豐田燃料電池電動(dòng)汽車的量產(chǎn)伴隨著相應(yīng)成熟的供應(yīng)鏈體系，同時(shí)促進(jìn)燃料電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和壯大。當(dāng)前，我國成熟的燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈尚未完全形成，各大整車企業(yè)仍處于前期預(yù)研和樣車試制階段。雖有小部分企業(yè)具有量產(chǎn)的能力，但配套的供應(yīng)鏈亦存在參差不齊的現(xiàn)象。供應(yīng)鏈體系應(yīng)同燃料電池產(chǎn)業(yè)一同發(fā)展，既可相互依靠支撐，也可以降低生產(chǎn)成本。

⑦具有穩(wěn)定的、成熟的工藝生產(chǎn)路線。各零部件的生產(chǎn)工藝受限于規(guī)模小的緣故，使得配套零部件生產(chǎn)成本較高，同時(shí)零部件的技術(shù)條件仍不能滿足部分系統(tǒng)需求，零部件的加工定制無形中增加了系統(tǒng)成本。

2.提高燃料電池耐久性的途徑：

燃料電池耐久性面臨著長時(shí)間工作、復(fù)雜的城市路況、季節(jié)變化以及大氣質(zhì)量的影響。燃料電池系統(tǒng)在怠速狀態(tài)和啟停狀態(tài)，電堆處于高電位狀態(tài)（＞0.85V），膜電極附近發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生雙氧水，在產(chǎn)物中也發(fā)現(xiàn)雙氧水的存在，雙氧水對(duì)膜電極有腐蝕作用，從而影響電堆壽命、加速衰減。復(fù)雜的城市路況，對(duì)于燃料電池系統(tǒng)而言意味著系統(tǒng)經(jīng)受頻繁變換載荷，該過程仍會(huì)加速電堆壽命衰減。不僅僅大氣質(zhì)量對(duì)燃料電池系統(tǒng)的耐久性有影響，環(huán)境溫度和海拔也會(huì)對(duì)其耐久性產(chǎn)生影響。為了提高系統(tǒng)的耐久性或者電堆的壽命，需要從上述幾個(gè)方面維持系統(tǒng)的穩(wěn)定性，從而保證系統(tǒng)的耐久性。除此之外，還可以通過燃料電池系統(tǒng)中其他電器部件和控制策略部分進(jìn)行優(yōu)化，以及對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控等措施，全方位地維持甚至提高燃料電池的耐久性。具體做法如下：

①在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提高電催化劑的用量；電催化劑的含量可以改善電堆的使用壽命，但是隨著其含量的增加，其輸出的電流密度會(huì)趨于穩(wěn)定，不再隨催化劑含量增加而增加。因此，需要經(jīng)過實(shí)驗(yàn)的優(yōu)化，選擇適當(dāng)?shù)拇呋瘎┯昧俊?br />
②分析燃料電池的壽命衰減機(jī)理；燃料電池壽命衰減影響因素較多，前文中分析的啟停怠速狀態(tài)、復(fù)雜的城市工況以及環(huán)境的變化均會(huì)影響其壽命。目前為止，關(guān)于燃料電池壽命的研究更多的是停留在高校實(shí)驗(yàn)室研究階段。受限于燃料電池電動(dòng)汽車的商業(yè)化，尤其是國內(nèi)，對(duì)于汽車在各工況的測試、臺(tái)架測試以及相應(yīng)的仿真分析，尚未建立有效的壽命衰減模型，以期實(shí)現(xiàn)預(yù)測燃料電池壽命。

③加強(qiáng)燃料電池電動(dòng)汽車在各工況下的試驗(yàn)，并分析解讀其數(shù)據(jù)。

④采用仿真技術(shù)模擬燃料電池壽命影響因素和衰減趨勢。

⑤嘗試從電堆結(jié)構(gòu)角度優(yōu)化結(jié)構(gòu)組成提升其耐久性。

⑥從燃料電池系統(tǒng)角度優(yōu)化控制策略提高壽命。

3.氫能的普及和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)：

氫能、加氫站之于燃料電池電動(dòng)汽車，與汽油/柴油、加油站之于燃油車，因此，普及氫能和修建加氫站對(duì)于燃料電池產(chǎn)業(yè)化的重要性不言而喻。氫氣的特殊性又與汽油存在差異，加氫站不會(huì)像加油站一樣普及。即使至今，在美國加州擁有世界上最大規(guī)模的燃料電池電動(dòng)汽車，其加氫站也僅有35座。國內(nèi)的加氫站數(shù)量僅能滿足燃料電池電動(dòng)車示范運(yùn)行的需要，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足燃料電池市場化的規(guī)模。故對(duì)此有如下建議：

①完善國內(nèi)對(duì)氫能標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)的建設(shè)；2國家政府鼓勵(lì)支持加氫站的建設(shè)；3加強(qiáng)“氫安全”的宣傳；④強(qiáng)調(diào)綠色制氫的方法，逐漸改善能源結(jié)構(gòu)；⑤研發(fā)耐高壓的儲(chǔ)氫容器，并完善相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

4.國家、企業(yè)和投資者的角度

我國雖在燃料電池及相關(guān)產(chǎn)業(yè)中取得階段性進(jìn)展，與國外先進(jìn)的燃料電池技術(shù)和整車水平相比，差距依然存在且明顯。雖然我國內(nèi)整車企業(yè)經(jīng)歷奧運(yùn)會(huì)、世博會(huì)和新加坡運(yùn)動(dòng)會(huì)等示范運(yùn)行項(xiàng)目，目前距離燃料電池產(chǎn)業(yè)化仍有諸多不足。在產(chǎn)業(yè)化的過程中，國家、企業(yè)和消費(fèi)者仍有許多工作可以做，正如中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所衣寶廉院士所言，燃料電池項(xiàng)目要真正形成一個(gè)整體，只有加強(qiáng)交流和合作，才能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

①國家應(yīng)加大對(duì)燃料電池技術(shù)的研究投入，包括基礎(chǔ)科研領(lǐng)域、科研攻關(guān)項(xiàng)目和零部件國產(chǎn)化方面。

②國家政策應(yīng)建立良好的氫能環(huán)境和燃料電池發(fā)展氛圍，即國家層面、借鑒國際經(jīng)驗(yàn)營造良好的氫環(huán)境，可以做到安全用氫，以此促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。此外，還應(yīng)當(dāng)指明國家對(duì)于氫能的發(fā)展路線、技術(shù)路線，引導(dǎo)科研機(jī)構(gòu)開展高效研發(fā)等。

③國家加大對(duì)燃料電池行業(yè)的扶持和企業(yè)間的強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合。

④企業(yè)對(duì)燃料電池技術(shù)的研發(fā)可結(jié)合國家相關(guān)項(xiàng)目，可與高校、研究機(jī)構(gòu)互相合作。

⑤企業(yè)注重燃料電池電動(dòng)汽車在生產(chǎn)制造以及售后出現(xiàn)的問題，并對(duì)產(chǎn)品持續(xù)優(yōu)化改進(jìn)。

⑥適時(shí)引入社會(huì)資本，加強(qiáng)對(duì)加氫站等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)。

五、結(jié)語

在全球范圍內(nèi)，燃料電池技術(shù)不斷有所突破，越來越多的燃料電池電動(dòng)汽車進(jìn)入市場，越來越多的國家接受這一清潔能源技術(shù)，并從國家層面自上而下的支持鼓勵(lì)發(fā)展這一新型技術(shù)。雖然燃料電池電動(dòng)汽車并未向傳統(tǒng)燃油車一樣普及，綠色、高效的燃料電池技術(shù)、電動(dòng)汽車終究會(huì)被公眾接受。目前而言，燃料電池產(chǎn)業(yè)化面對(duì)2大難題：成本和壽命，均會(huì)影響公眾對(duì)燃料電池電動(dòng)汽車的接受程度。新材料、新技術(shù)以及量產(chǎn)化是解決成本和性能矛盾關(guān)系的最佳方案。筆者相信，在不遠(yuǎn)的將來，隨著加氫站的普及和新材料技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，燃料電池產(chǎn)業(yè)化終將到來。