陳專(同濟大學)

【摘要】綜述了燃料電池電動汽車商業化存在的9個方面的問題，這些問題解決的程度和速度，關系到燃料電池電動汽車商業化的時間問題。這些問題可以分為兩類：性能與成本問題和燃料供應與基礎設施問題。介紹了解決這些問題的方法以及與此相關的研究方向和熱點。

0引言

早在1839年，利用氫氣作為燃料發電的燃料電池就被人類發明了。然而，在很長的一段時間里面，燃料電池技術的發展都很緩慢。直到20世紀60年代初期在太空科技發展的推動下，才開始了燃料電池技術的高速發展。

在人類進入21世紀后的今天，環境污染的日益嚴重以及石油資源的日益短缺，迫切需要人類盡早實現燃料電池電動汽車的商業化，以解決環境污染和石油短缺的問題。需要說明的是，驅動燃料電池電動汽車商業化的最大動力是來自環境的壓力，能源短缺的問題其次。

1燃料電池電動汽車商業化存在的問題

經過近20多年的高速發展，質子交換膜燃料電池技術取得了巨大的進步，成功地解決了很多問題。但是要想實現質子交換膜燃料電池電動汽車的商業化，還有很多關鍵問題需要解決。

(1)開發高性能低成本的雙極板，提高電池組的體積比功率；

(2)開發高性能低成本的質子交換膜，提高燃料電池系統工作溫度；

(3)開發陰極新觸媒，以降低過電位、增加交換電流密度，降低成本；

(4)提高燃料電池電動車的環境適應性，如低溫啟動性能；

(5)提高燃料電池電動車的安全性；

(6)資源再循環利用問題，如催化劑的再利用；

(7)氫氣的來源問題，如何經濟地制造氫氣；

(8)氫氣的儲存問題，如何提高燃料電池電動汽車的續航能力。

(9)加氫站的建設問題，解決燃料電池電動汽車的加氫問題。

這些問題可以分為兩類：一類是性能與成本的問題(1～6)；二是燃料供應與基礎設施問題(7～9)。

1.1性能與成本問題

要想實現燃料電池電動汽車的商業化，必須使燃料電池電動汽車的性能相當于甚至優于現在的內燃機汽車，同時價格與現在的內燃機汽車價格持平甚至比其更低。毫無疑問，現在燃料電池電動汽車成本如此高的主要原因在于燃料電池系統本身的成本太高。目前，燃料電池制造成本已經降至數百美元/kW左右。但是，燃料電池電動汽車應用成本的目標是50美元/kW，距離還很大。如何提高燃料電池性能與降低其制造成本是燃料電池電動汽車商業化的關鍵問題之一。

在燃料電池系統中，無孔石墨雙極板的費用(包括石墨板材料的費用以及流場結構加工費用)占了整個燃料電池系統成本的50%以上。無孔石墨板的優點是導電性好、質量輕、耐腐蝕。缺點是機械強度低、不易加工、難以薄片化(現有水平是1.5～5mm)，與之相比，金屬雙極板僅需用100μm厚就可以達到相同的強度。而且，在石墨板上機械加工流場的難度很大，也導致其費用很高。如今，世界各國都在研究改用金屬板或復合板作為燃料電池的雙極板，采用金屬板和復合板不僅能夠大幅度降低其材料的成本，降低加工流場的難度，而且還可以采用大量生產技術，達到降低成本和提高電池組的體積比功率的目的。

質子交換膜占燃料電池系統中第二高成本。現在，光質子交換膜的費用就將近50美元/kW。現在廣泛采用的全氟磺酸型膜的工作溫度極限為85℃，大大限制了燃料電池電堆的使用溫度。為保證大功率燃料電池的正常工作，必須用電池產生能量的51%用于冷卻燃料電池系統，移走所產生的熱量，這樣大大地降低了燃料電池的比功率。提高質子交換膜所用高分子材料的使用溫度，提高燃料電池電堆的使用溫度，已成為質子交換膜燃料電池電動汽車商業化的關鍵問題。

催化劑鉑的用量已經從20世紀80年代時的4mg/cm2降到目前的0.2～0.4mg/cm2。所以，鉑用量已經不再是燃料電池系統的主要成本了。但是，鉑是人工無法合成的元素，而且是非常匱乏、昂貴的元素，當燃料電池廣泛應用于電動汽車的時候，可能會引起鉑來源不充分而漲價的問題。所以，尋求鉑的替代物以及完善鉑的回收技術也是燃料電池商業化的一個關鍵問題。

低溫啟動性能和安全性是燃料電池電動汽車商業化的另外兩個關鍵問題。要想實現燃料電池電動汽車的商業化，必須將低溫啟動溫度降低到-20℃以下，這樣才能滿足絕大部分地區用戶的需要。安全性方面，必須盡快制定新的安全評定標準，確保燃料電池電動汽車的安全性能與現在的汽車同樣出色。

1.2燃料供應與基礎設施問題

要想實現燃料電池電動汽車的商業化，燃料(氫氣)的供應和基礎設施建設問題必須得到同步解決。設想燃料電池電動汽車本身性能和成本都滿足商業化要求，但是無法解決燃料供應和基礎設施配套的問題，那么燃料電池電動汽車也將失去燃料來源，燃料電池電動汽車的商業化依舊不可能實現。

盡管現在有部分燃料電池電動汽車采用現場制氫的方式，但是燃料電池電動汽車最終采用的方式應該是純氫直接供應。因為現場制氫的方式結構極其復雜，且不能達到真正的零排放，只能是一種過渡手段。

氫氣是一種與石油性質完全不同的物質。所以，氫氣的來源、運輸供應、儲存和加注就成了燃料電池電動汽車商業化發展的重要問題。這些問題的解決，在很大程度上比燃料電池電動汽車的性能和成本問題更關鍵，也更難。

如果燃料電池電動汽車實現商業化，氫氣的供應也將是大量的，如何解決氫氣的來源問題，以及如何用最經濟和最環保的方法制取氫氣是關鍵技術。氫的來源很多，現在主要采用的是通過化石燃料的重整來制取，這并沒有完全擺脫對傳統燃料的依賴，且依舊會產生污染氣體。在未來，利用太陽能和核能制氫、生物制氫是重點發展方向，這也是現在各國研究的熱點。

燃料電池電動汽車商業化的另一個難題是如何在車上安全地、高效地儲存氫氣，保證車輛有足夠的續航里程。目前主要的儲氫方法有高壓儲氫、液態儲氫、金屬氫化物儲氫和吸附儲氫。這些方法各有優缺點，如何提高高壓儲氫系統的體積儲氫密度；如何解決液氫的汽化問題和成本問題；如何提高金屬氫化物儲氫的重量密度問題等是決定燃料電池電動汽車商業化的關鍵技術之一。

如果說解決上述問題主要靠研究開發的話，那么，基礎建設的問題則主要靠國家政策的支持。加氫站的投入是巨大的，沒有哪家公司能夠單獨承擔建設大量加氫站的費用，只有國家在經濟政策上給予一定的投入加上各大能源公司之間通力合作，加氫站的大量建設才有可能實現，從而燃料電池電動汽車的商業化才能大規模地實現。據統計，現在建造能加相當于100萬桶石油的加氫站的費用是約1000億美元，而這僅能滿足美國現有汽車10%的需求，可見建造加氫站的費用是巨大的。

在美國和歐洲，加氫站建設的法規在前幾年就已經成型了，我國也正在積極地做相關的工作。

2結語

毫無疑問，燃料電池電動汽車的商業化只是時間問題，這項汽車工業的技術革命遲早要來。如今，世界各國政府(特別是西方發達國家和日本)、汽車公司和能源企業都投入了重金加速推進燃料電池電動汽車商業化。即便現在處在財政困境中的通用汽車公司，每年也拿出了數億美元在做燃料電池電動汽車的研發，可見其對燃料電池電動汽車的重視。在這種情況下，我國企業要想不被落下，現在也必須投入相應的人力和資金進行相關研發。不然的話，在我們快掌握了傳統內燃機汽車技術的時候，我們又在另一項技術上落后于世界了。

參考文獻

1劉鳳君.高效環保的燃料電池發電系統及其應用[M]，機械工業出版社，2006

2謝曉峰，張迪，毛宗強，吳秋林.質子交換膜的研究現狀與進展[J]，膜科學與技術，2005.8

3松本廉平(日)著，曹秉剛等譯.汽車環保新技術[M]，西安交通大學出版社，2005

4任建偉，廖世軍，劉軍民.規模儲氫技術及其研究發展[J]，現代化工，2006.3.

5王寶輝，吳紅軍，劉淑芝等.太陽能分解水制氫技術研究進展[J].化工進展，2006.7.