摘要：质子交换膜燃料电池技术是21世纪人类利用氢能的关键技术。目前，该技术在世界范围内尚未完全实现产业化。我国的主流燃料电池研发企业不仅在该项技术领域取得了瞩目的成就，同时在产业化方面的探索和努力，将有望使该技术的全面商品化在未来短期内实现。
内容：
质子交换膜燃料电池是目前世界上最成熟的一种能够将贮存在氢气中的能量与空气中的氧不通过燃烧而通过电化学反应直接转化电能的发电装置。油箱加内燃机可以源源不断地给汽车等运载工具提供动力；储氢罐加质子交换膜燃料电池也可以源源不断地给电动汽车等运载工具提供动力，还可以作为发电装置向用户直接供电。这种技术的能量转换效率高达50%以上，噪声很低，唯一排放的是纯净水，是真正的零排放。
世界各国对质子交换膜燃料电池技术高度重视、大力支持
美国在这方面表现得非常积极。布什政府批准了美国能源部制定的“氢路线图计划”。在未来5年内，将投入30亿美元用于开发氢燃料电池技术。2005年3月，美国能源部、通用汽车公司和戴姆勒—克莱斯勒公司宣布，在未来5年内合作开发新一代氢燃料电池汽车。
欧盟计划到2015年共投入28亿欧元发展氢能技术。
日本在质子交换膜燃料电池方面的投入预算是2005年约300亿日元，2010年预计4000亿日元。
国际上，加拿大的巴拉德能源系统公司、美国燃料电池Plug Power公司等都是燃料电池技术研发较为先进的公司。其中，巴拉德能源系统公司在这方面起步教早，其在燃料电池技术的研发上在世界同行中也是较先进的；Plug Power的常压运行燃料电池运行寿命已超过1万小时。此外，美国通用汽车“氢动三号燃料电池发动机”采用气态氢燃料，已经有数万英里的行驶里程记录。
国内在这方面代表中国先进水平的是上海神力科技公司的燃料电池发动机技术。
自1998年成立以来，上海神力公司先后完成了包括国家“九五”重点科技攻关计划“质子交换膜燃料电池技术”、“十五‘863’计划电动车重大专项”、上海市重大科技攻关项目等在内的7项国家重点科研攻关任务，在燃料电池技术研发与产业化方面都取得了重要进展，并达到了国际先进水平，某些创新技术方面还达到了国际领先水平，目前已申请了常压运行质子交换膜燃料电池技术中国、美国专利232项（其中美国专利11项）。开发了包括车用燃料电池发动机、燃料电池游览车、燃料电池发电站等5个系列的燃料电池产品，其中燃料电池发电站、游览车已经实现了销售，建立了全套的中小功率（0.1千瓦~30千瓦）与大功率（30千瓦~150千瓦）的质子交换膜燃料电池发动机及其动力系统集成制造技术的设施体系，具备批量生产能力。
神力创造了跻身世界先进水平的技术
神力科技公司首创的能在常压空气、低压氢气状态下安全、高性能运行的氢燃料电池，其性价比已超过了采用加压运行的加拿大巴拉德公司和美国通用汽车公司的氢燃料电池。其中铂催化剂铂用量，阴、阳二极总和少于0.6毫克/平方厘米，比国际上巴拉德动力系统的铂催化剂用量0.7毫克/平方厘米还低。从而解决了氢燃料电池在加压状态下运行功耗高、系统复杂、成本高和不安全因素增加等问题。这一技术路线，由于实现了氢燃料电池能在常压空气、低压氢气状态下运行，既简化了运行系统，降低了系统成本，又大大提高了运行的安全性、可靠性，延长了工作寿命，非常有利于产业化。此外，在发动机性能上，上海神力科技公司生产的第三代轿车用燃料电池发动机氢燃料效率为45%~55%，略高于巴拉德公司的35%~48%；重量（电池堆加辅助运行系统）包括氢瓶为275公斤，重量比功率达到160瓦/公斤的国际先进水平；巴拉德公司是220公斤（不包括氢瓶）。
上海神力这一自主创新的成果，使得神力公司在氢燃料电池技术领域的国际竞争中后来居上，实现了技术的跨越式发展。2004年10月，在上海嘉定F1赛场举行的世界清洁汽车“必比登挑战赛”上，中国有3种车型、5辆燃料电池电动车出现在赛场上，所有这些燃料电池电动车的燃料电池发动机都是由上海神力科技公司提供。“超越二号”燃料电池轿车和“863号”燃料电池大巴在与国外汽车巨头研制的燃料电池车同台竞技中，测试结果表明，“超越二号”在障碍赛、噪声、功率、散热、二氧化碳排放等5个测试项目上的成绩均为A，获得了5个单项技术奖；“863号”燃料电池大巴则取得了总成绩分组排名第四的好成绩。这表明以上海神力为代表的中国燃料电池动力系统和燃料电池车的技术水平已跨入世界先进行列。
目前，同济大学所有装车路跑的燃料电池轿车都装备了上海神力科技公司提供的轿车用燃料电池发动机；清华大学所有装车路跑的燃料电池城市客车都装备了上海神力科技公司提供的大巴用燃料电池发动机；燃料电池大巴“清能一号”、“清能三号”所有路跑的情况表明燃料电池发动机没有大故障，始终稳定可靠。
在燃料电池轿车发动机装车方面，上海神力科技公司提供给同济大学“超越一号”1台，“超越二号”2台，累计稳定运行超过8000公里；“超越三号”11台，累计稳定运行超过10000公里。在燃料电池大巴发动机装车方面，提供“平台车”2台，累计稳定运行超过5000公里；“863号”发动机1台，累计稳定运行超过5000公里；“清能一号”1台，稳定运行超过10000公里；“清能三号”1台，稳定运行超过7000公里。神力已经累计生产轿车用燃料电池发动机18台，大巴用燃料电池发动机近10台，具有大批量生产能力。
上海神力科技有限公司采用“863”攻关成果中最新的研发技术，在燃料电池技术应用产品开发方面，如5~10千瓦可移动式电站等产品开发取得了成功。其中新一代的燃料电池游览车已稳定运行近8个月，总行驶里程达1.2万多公里，总运行时间达1500多小时。该车一次充氢只需5分钟，可行驶100多公里。目前，上海神力科技公司已生产多辆燃料电池游览车并实现了销售。此外，神力已为中国人民解放军南京工程兵学院成功研制了1台5~10千瓦燃料电池发电站，提供浙江大学电力学院1台10千瓦燃料电池发电站，该产品已进行了长达1000多小时的稳定运行，试验数据表明无性能衰减。
成本和技术优化，加速燃料电池产业化进程
上海神力公司正在建立3万多平方米的大规模生产产业化基地，能实现从燃料电池发动机上游原材料供应产业化到生产流程化以及燃料电池产品化全系生产。
燃料电池发动机中的空气供应子系统是整个燃料电池发动机辅助系统中本身消耗功率最大的器件。目前，国际上从事质子交换膜燃料电池研究开发的大公司，包括加拿大Ballard Power Systems、美国的通用汽车公司等，在燃料电池发动机研究开发上均高压力（相对压力≥2个大气压）运行的技术路线，导致高压运行的燃料电池发动机中的空压机功耗大，超过整个发动机输出功率的20%，且价格极高。上海神力科技有限公司采用的空气输送装置采用常压的鼓风机，功耗小，大约是整个发动机输出功率的5%，并且价格非常便宜，容易产业化。产业化发展见表1、表2。
表1：质子交换膜燃料电池技术产业化三个阶段推进表
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阶段 |
第一阶段 |
第二阶段 |
第三阶段 |
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2001~2005年 |
2006~2010年 |
2011~2015 |
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阶段目标 |
技术准备与示范运营，形成数十台燃料电池电动车生产能力。 |
完成产品化过程，形成从百台到千台燃料电池电动车的生产能力。 |
形成数万辆燃料电池电动车生产能力，实现地区化商业运行。 |
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加氢站建设 |
示范型加氢站，配套法规、标准的建立。 |
建立几座到几十座加氢站。 |
建立数百座加氢站。 |
表2：燃料电池技术产业化三个阶段中的燃料电池发动机技术指标
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阶段时间
指标内容 |
2001年~2005年
第一阶段
（上海神力科技公司已达到） |
2006年~2010年
第二阶段 |
2011年~2015年
第三阶段 |
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燃料电池膜电极单位输出功率 |
0.6W/cm2
（上海神力科技公司已达到） |
0.7~1.0 W/cm2
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0.7~1.0 W/cm2
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燃料电池膜电极阴阳二极铂金催化剂用量 |
0.6mg/ cm2
（上海神力科技公司已达到） |
0.6~0.2 mg/ cm2 |
0.6~0.2 mg/ cm2 |
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燃料电池发动机重量比功率 |
180W/kg
（上海神力科技公司已达到） |
200~250 W/kg
（美国能源部要求指标） |
200~250 W/kg
（美国能源部要求指标） |
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燃料电池发动机寿命 |
＞2000小时
（上海神力科技公司已达到） |
＞5000小时
（美国能源部要求指标） |
＞5000小时
（美国能源部要求指标） |
上海神力科技公司常压运行的燃料电池发动机中的部件、材料中，除了质子交换膜、扩散层材料碳纤维纸、双极板、铂催化剂等燃料电池堆关键材料外，支持燃料电池堆运行发电的辅助部件都已实现国产化，且为市场易购品，价格便宜。
质子交换膜燃料电池电池堆在质子交换膜燃料电池发动机的总成本构成上占主要地位，而构成质子交换膜燃料电池电池堆中主要材料成本的是极板、质子交换膜、碳纸、催化剂四种材料。
在不牺牲质子交换膜燃料电池性能与功率密度及使用寿命的前提下，使用低成本的替代极板材料，重点试用石墨粉模压技术制作极板，优先使用质子交换膜、碳纸、催化剂等的国产化替代材料，大大降低了质子交换膜燃料电池发动机的成本，燃料电池推广与产业化反过来促进提高这些国产化材料的性能、生产能力，并将价格降低，将是实现质子交换膜燃料电池技术产业化的最关键因素。
例如，上海神力科技有限公司目前采用的是与巴拉德公司一样的美国杜邦公司Nafion系列NR-112质子交换膜。根据杜邦公司技术人员计算，该产品在燃料电池完全产业化、产量达到每年数千平方米时，价格完全可以达到50美元/平方米。我国目前山东东岳高分子材料有限公司在生产这种质子交换膜材料的技术性能上已经达到要求，大规模生产的价格甚至可以比杜邦公司同类产品低。
信息采集：李晓
