【壓縮機(jī)網(wǎng)】目前，氫能和燃料電池行業(yè)正在蓬勃發(fā)展，其發(fā)展帶來(lái)的科技創(chuàng)新和巨大投資引起了廣泛關(guān)注。然而，氫儲(chǔ)存和運(yùn)輸、燃料電池核心材料和部件的發(fā)展仍存在許多瓶頸。為此，《中國(guó)石油日?qǐng)?bào)》記者聯(lián)系了華南理工大學(xué)教授巨文波、清華大學(xué)助理研究員趙冠雷，討論相關(guān)技術(shù)難點(diǎn)，為讀者解決氫能發(fā)展背后的技術(shù)謎團(tuán)提供思路。

　　Q 氫在儲(chǔ)存和運(yùn)輸方面有哪些困難和機(jī)遇？

　　A 巨文博：儲(chǔ)氫更安全的方法是儲(chǔ)存液化氫。目前，主要?dú)怏w供應(yīng)商已專(zhuān)注于液化氫的低成本制備和儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)。液化氫的洲際運(yùn)輸優(yōu)勢(shì)也很明顯，是未來(lái)氫交易最可行的形式。但液化氫的成本仍然很高，遠(yuǎn)高于壓縮氫。需要注意的是，氫氣不適合管道運(yùn)輸。低壓管道的運(yùn)輸成本較高，因?yàn)槠錁?biāo)準(zhǔn)體積的能量密度較低。具有應(yīng)用價(jià)值的氫氣需要壓縮到35至70兆帕，而高壓氫氣對(duì)儲(chǔ)氫管的力學(xué)和化學(xué)要求較高，從而提高了制造成本。化學(xué)儲(chǔ)氫具有一定的價(jià)值，如基于甲酸、氨基化合物等中間載體的儲(chǔ)氫。但化學(xué)儲(chǔ)氫的可逆性和質(zhì)量密度是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。

　　趙冠雷:氫還可制成液氨、甲醇等廣泛使用的化學(xué)品。其工業(yè)供應(yīng)鏈成熟，儲(chǔ)能密度高(70兆帕壓縮氫:40克H2/升，液氫:71克H2/升，甲醇:98克H2/升，液氨:121克H2/升)，易于儲(chǔ)運(yùn)，可成為下一代氫燃料載體。然而，基于甲醇和液氨的動(dòng)力裝置技術(shù)（如發(fā)動(dòng)機(jī)、重組氫燃料電池）并不完善，需要在未來(lái)幾年繼續(xù)發(fā)展。此外，廢氣排放問(wèn)題尚未完全解決，如液氨NOx排放、甲醇二氧化碳排放等。

　　Q 影響氫燃料電池性能的主要因素是什么？制約氫燃料電池發(fā)展的瓶頸是什么？

　　A 氫燃料電池包括低溫質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）、磷酸燃料電池（PAFC）、堿性燃料電池（AFC）、碳酸鹽燃料電池高溫熔化（MCFC）固體氧化物燃料電池（SOFC），每一項(xiàng)技術(shù)都有自己的困難。酸性一般需要貴金屬催化劑，堿性能量密度低導(dǎo)致體積大，高溫對(duì)電極和電解質(zhì)材料要求嚴(yán)格。目前車(chē)載PEMFC發(fā)展較大，但降低成本空間有限，分布式電站AFC和SOFC技術(shù)相對(duì)成熟。一般而言，燃料電池技術(shù)受工作機(jī)制的限制，需要電子導(dǎo)體、離子導(dǎo)體和反應(yīng)界面，屬于復(fù)雜的化學(xué)系統(tǒng)。材料研究可以大大提高其性能，但也存在一些不可逾越的障礙。當(dāng)前的瓶頸在于，系統(tǒng)的內(nèi)部運(yùn)行機(jī)制需要基本的突破來(lái)提高驅(qū)動(dòng)能力，簡(jiǎn)單的技術(shù)進(jìn)步并不能有效地解決當(dāng)前的問(wèn)題。

　　趙冠雷：目前PEMFC行業(yè)存在壽命、成本、功率密度三大問(wèn)題。PEMFC的壽命取決于許多因素，可以簡(jiǎn)化為基于金屬雙極板和石墨雙極板的燃料電池壽命。燃料電池的使用壽命主要取決于金屬板上的涂層。金屬板會(huì)在高壓和酸性環(huán)境中沉淀金屬離子，導(dǎo)致膜電極損傷，因此金屬板必須有保護(hù)涂層，通常是貴金屬和碳涂層。目前金屬雙極板燃料電池的使用壽命可達(dá)5000小時(shí)以上(豐田)，滿(mǎn)足乘用車(chē)需求。石墨雙極板燃料電池的使用壽命可達(dá)20000多小時(shí)，因?yàn)闆](méi)有金屬離子損傷膜電極。目前，巴拉德燃料電池可達(dá)30000多小時(shí)，完全可以滿(mǎn)足重型交通和固定發(fā)電的需要。但國(guó)產(chǎn)設(shè)備仍需進(jìn)一步驗(yàn)證，目前可達(dá)1萬(wàn)小時(shí)左右。此外，燃料電池在低溫環(huán)境下冷啟動(dòng)的性能也是其使用壽命的關(guān)鍵指標(biāo)。

　　目前國(guó)內(nèi)燃料電池電堆成本在2000元/千瓦左右，系統(tǒng)成本在4000元/千瓦左右。對(duì)于重型卡車(chē)的應(yīng)用，內(nèi)燃機(jī)重型卡車(chē)的總價(jià)格為40萬(wàn)-50萬(wàn)元，燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)的成本接近內(nèi)燃機(jī)重型卡車(chē)的價(jià)格，其中燃料電池電堆占成本的大部分。降低成本的路徑主要取決于進(jìn)一步的技術(shù)突破，如膜電極性能的增強(qiáng)（1.0瓦/平方厘米到1.5瓦/平方厘米）、降低鉑載量，優(yōu)化雙極板制備工藝。本地化和量產(chǎn)也有助于降低成本。目前，膜電極、雙極板、氫循環(huán)泵、空氣壓縮機(jī)、氣體擴(kuò)散層等核心部件以及PEM正在促進(jìn)質(zhì)子交換膜和氣體擴(kuò)散層的定位。、催化劑等關(guān)鍵材料小規(guī)模自主生產(chǎn)，國(guó)產(chǎn)化率從2017年的30%提高到現(xiàn)在的60%以上。燃料電池汽車(chē)的產(chǎn)量也從1500輛/年增加到1000輛/年。產(chǎn)量的增加可以使零部件的成本更加分?jǐn)?，從而大大降低成本。預(yù)計(jì)未來(lái)五年，PEMFC系統(tǒng)成本將從4000元/千瓦降至2000元/千瓦至3000元/千瓦。

　　在功率密度方面，燃料電池的功率密度是乘用車(chē)和一些特殊應(yīng)用（如無(wú)人機(jī)）的瓶頸。目前，石墨雙極板燃料電池電堆的功率密度可達(dá)4千瓦/升，金屬雙極板燃料電池電堆的功率密度可達(dá)5.5千瓦/升。進(jìn)一步提高功率密度的主要途徑是提高燃料電池性能，主要包括提高M(jìn)EA性能和降低雙極板厚度（主要用于石墨板）。雖然開(kāi)發(fā)難度仍然很大，但石墨雙極板的厚度可能會(huì)通過(guò)石墨/樹(shù)脂復(fù)合材料的開(kāi)發(fā)降低到1.2mm以下。