燃料電池能直接將燃料和氧化劑中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，無須燃燒，因此轉(zhuǎn)化效率可高達(dá)60%~80%，被認(rèn)為是人類利用能源的終極形式。但燃料電池目前還處在產(chǎn)業(yè)化前夕，全世界只有日本實(shí)現(xiàn)了家用燃料電池電站的商業(yè)化推廣，還沒有一個(gè)國(guó)家實(shí)現(xiàn)了車用燃料電池的商業(yè)化。
我國(guó)燃料電池領(lǐng)域唯一的院士、大連化物所研究員衣寶廉表示：燃料電池是氫能時(shí)代的能源系統(tǒng)，在不計(jì)成本的情況下，燃料電池的應(yīng)用已較為成熟，“但是計(jì)成本的話，就出問題了”。衣寶廉認(rèn)為，目前燃料電池研究的重點(diǎn)應(yīng)是發(fā)展催化劑技術(shù)、降低成本，突破燃料電池應(yīng)用瓶頸。
軍用燃料電池已有實(shí)質(zhì)性應(yīng)用
衣寶廉指出，燃料電池在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中真正得到應(yīng)用主要是在軍用方面，如航天飛機(jī)和潛艇等方面取得了實(shí)質(zhì)性的應(yīng)用，其他方面都是示范階段。一個(gè)最典型、最成功的例子就是阿波羅登月計(jì)劃中采用燃料電池作為飛船動(dòng)力。美國(guó)剛剛退役的“亞特蘭蒂斯”號(hào)航天飛機(jī)也同樣應(yīng)用了燃料電池。這兩次都有3組電池，壞掉兩組還可以正常工作。
據(jù)衣寶廉介紹，這兩類電池都通過了航天實(shí)驗(yàn)和1000小時(shí)無人實(shí)驗(yàn)，可靠性很高，在飛行當(dāng)中沒有出現(xiàn)事故。還有一個(gè)成功應(yīng)用案例是德國(guó)的AIP潛艇，用燃料電池做動(dòng)力，可以在水下待兩到三周。而一般的潛艇最多在水下兩天。并且，燃料電池潛艇沒有噪聲。德國(guó)目前已有6艘燃料電池潛艇，還有兩艘在建。據(jù)悉，在建的潛艇采用儲(chǔ)氫材料來代替高壓儲(chǔ)氣罐，性能有所提高。
民用示范穩(wěn)步推進(jìn)
目前，美國(guó)、日本和中國(guó)的燃料電池車示范較多，并正在轉(zhuǎn)向混合動(dòng)力——增加二次電池以提高續(xù)航里程。通用、福特等世界幾大汽車公司都已宣布將在2015年實(shí)現(xiàn)燃料電池車的商業(yè)化。值得一提的是，美國(guó)加州示范的UTC燃料電池車取得壽命突破，其壽命已經(jīng)達(dá)到了1萬(wàn)小時(shí)，遠(yuǎn)超過美國(guó)能源部5000小時(shí)的商業(yè)化目標(biāo)。
在我國(guó)，經(jīng)過北京奧運(yùn)會(huì)和上海世博會(huì)200余輛燃料電池車的示范，目前我國(guó)燃料電池車?yán)塾?jì)運(yùn)行里程達(dá)10余萬(wàn)公里，平均每輛車運(yùn)行4500~5000公里。衣寶廉認(rèn)為：“我們的燃料車通過兩個(gè)半五年計(jì)劃，基本上走到世界第一團(tuán)隊(duì)的行列。”
在燃料電池電站方面，日本領(lǐng)先于其他國(guó)家。日本生產(chǎn)的小型家用電源綜合效力可達(dá)70%~80%，2010年已售出1萬(wàn)臺(tái)，2012年計(jì)劃售出2萬(wàn)臺(tái)。作為UPS不間斷電源的應(yīng)用，意大利最近有一項(xiàng)進(jìn)展是把水和燃料電池連接，通過電解水為燃料電池提供氫氣和氧氣。衣寶廉認(rèn)為，在無人區(qū)替代鉛酸電池和柴油機(jī)應(yīng)用，銷路應(yīng)該很廣。
另外衣寶廉還介紹，現(xiàn)在研發(fā)的熱點(diǎn)是固體氧化物電池。如德國(guó)西門子公司做了220千瓦的示范電站，已運(yùn)行幾萬(wàn)小時(shí)，但是由于成本很高，沒能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。現(xiàn)在科學(xué)家正在研究如何降低成本。衣寶廉認(rèn)為，如果有突破，可能會(huì)在電站方面很有價(jià)值。
還有一種熔融碳酸鹽（MCFC）燃料電池電站，電池的制備技術(shù)在上世紀(jì)80年代末已經(jīng)很成熟，但是壽命只有2萬(wàn)小時(shí)左右，達(dá)不到和火電站競(jìng)爭(zhēng)的水平，目前處于停頓狀態(tài)。
催化劑是核心問題
“總體看來，燃料電池作為宇宙飛船、航天飛機(jī)、牽引動(dòng)力得到了成功應(yīng)用。燃料電池在汽車、電站、便攜式電源等民用領(lǐng)域進(jìn)行了成功示范，但低成本、長(zhǎng)壽命仍然是商業(yè)化面臨的瓶頸問題。現(xiàn)在的核心問題是催化劑。”衣寶廉說。
燃料電池的催化劑需要用到貴金屬鉑，因此成本較高，況且我國(guó)并不產(chǎn)鉑金，需要從國(guó)外進(jìn)口。國(guó)際上，通用公司已經(jīng)做到第五代催化劑，計(jì)劃2015年鉑用量降到10克，到時(shí)候就可以不受貴金屬的限制，實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。
豐田公司在催化劑成本控制方面也投入了很大精力，預(yù)計(jì)2015年每輛車售價(jià)5萬(wàn)美元。“這比現(xiàn)在的二次電池車還要便宜，但是最近聽說還拿不下來。”衣寶廉透露。衣寶廉表示，燃料電池轉(zhuǎn)為民用遇到的最大問題是成本與壽命的矛盾——在追求低成本的同時(shí)，壽命也面臨很大的挑戰(zhàn)。他表示，國(guó)內(nèi)技術(shù)在不考慮成本的前提下，可靠性也可以做得很好。
例如，阿波羅航天飛船所用燃料電池的催化劑中，貴重金屬達(dá)到每平方厘米20毫克，燃料電池車國(guó)內(nèi)做到0.1~0.4毫克，下降了很多，但真正的商業(yè)化要降到0.03毫克左右，采用不銹鋼和非貴金屬涂層。
此外還有抗毒的問題。衣寶廉指出，我國(guó)空氣中二氧化硫含量較高，導(dǎo)致相同的燃料電池車在德國(guó)和新加坡運(yùn)行比在我國(guó)運(yùn)行壽命衰減慢。因此，我國(guó)燃料電池的催化劑還必須能抗二氧化硫、微量硫化氫、一氧化碳和少量氨。
“短期內(nèi)想要產(chǎn)業(yè)化，最大的難點(diǎn)就在于催化劑。”衣寶廉介紹說，現(xiàn)在各大公司都在委托催化公司做抗毒的低鉑催化劑。
據(jù)介紹，大連化物所目前正在全力開發(fā)第三代燃料電池催化劑，希望鉑用量可以降到30克以下，達(dá)到國(guó)際同等水平，并盡快降到10克以下，做到商業(yè)化。
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