【压缩机网】目前，氢能和燃料电池行业正在蓬勃发展，其发展带来的科技创新和巨大投资引起了广泛关注。然而，氢储存和运输、燃料电池核心材料和部件的发展仍存在许多瓶颈。为此，《中国石油日报》记者联系了华南理工大学教授巨文波、清华大学助理研究员赵冠雷，讨论相关技术难点，为读者解决氢能发展背后的技术谜团提供思路。
Q 氢在储存和运输方面有哪些困难和机遇？
A 巨文博：储氢更安全的方法是储存液化氢。目前，主要气体供应商已专注于液化氢的低成本制备和储运技术。液化氢的洲际运输优势也很明显，是未来氢交易最可行的形式。但液化氢的成本仍然很高，远高于压缩氢。需要注意的是，氢气不适合管道运输。低压管道的运输成本较高，因为其标准体积的能量密度较低。具有应用价值的氢气需要压缩到35至70兆帕，而高压氢气对储氢管的力学和化学要求较高，从而提高了制造成本。化学储氢具有一定的价值，如基于甲酸、氨基化合物等中间载体的储氢。但化学储氢的可逆性和质量密度是一个重大挑战。
赵冠雷:氢还可制成液氨、甲醇等广泛使用的化学品。其工业供应链成熟，储能密度高(70兆帕压缩氢:40克H2/升，液氢:71克H2/升，甲醇:98克H2/升，液氨:121克H2/升)，易于储运，可成为下一代氢燃料载体。然而，基于甲醇和液氨的动力装置技术（如发动机、重组氢燃料电池）并不完善，需要在未来几年继续发展。此外，废气排放问题尚未完全解决，如液氨NOx排放、甲醇二氧化碳排放等。
Q 影响氢燃料电池性能的主要因素是什么？制约氢燃料电池发展的瓶颈是什么？
A 氢燃料电池包括低温质子交换膜燃料电池（PEMFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、碱性燃料电池（AFC）、碳酸盐燃料电池高温熔化（MCFC）固体氧化物燃料电池（SOFC），每一项技术都有自己的困难。酸性一般需要贵金属催化剂，碱性能量密度低导致体积大，高温对电极和电解质材料要求严格。目前车载PEMFC发展较大，但降低成本空间有限，分布式电站AFC和SOFC技术相对成熟。一般而言，燃料电池技术受工作机制的限制，需要电子导体、离子导体和反应界面，属于复杂的化学系统。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碍。当前的瓶颈在于，系统的内部运行机制需要基本的突破来提高驱动能力，简单的技术进步并不能有效地解决当前的问题。
赵冠雷：目前PEMFC行业存在寿命、成本、功率密度三大问题。PEMFC的寿命取决于许多因素，可以简化为基于金属双极板和石墨双极板的燃料电池寿命。燃料电池的使用寿命主要取决于金属板上的涂层。金属板会在高压和酸性环境中沉淀金属离子，导致膜电极损伤，因此金属板必须有保护涂层，通常是贵金属和碳涂层。目前金属双极板燃料电池的使用寿命可达5000小时以上(丰田)，满足乘用车需求。石墨双极板燃料电池的使用寿命可达20000多小时，因为没有金属离子损伤膜电极。目前，巴拉德燃料电池可达30000多小时，完全可以满足重型交通和固定发电的需要。但国产设备仍需进一步验证，目前可达1万小时左右。此外，燃料电池在低温环境下冷启动的性能也是其使用寿命的关键指标。
目前国内燃料电池电堆成本在2000元/千瓦左右，系统成本在4000元/千瓦左右。对于重型卡车的应用，内燃机重型卡车的总价格为40万-50万元，燃料电池动力系统的成本接近内燃机重型卡车的价格，其中燃料电池电堆占成本的大部分。降低成本的路径主要取决于进一步的技术突破，如膜电极性能的增强（1.0瓦/平方厘米到1.5瓦/平方厘米）、降低铂载量，优化双极板制备工艺。本地化和量产也有助于降低成本。目前，膜电极、双极板、氢循环泵、空气压缩机、气体扩散层等核心部件以及PEM正在促进质子交换膜和气体扩散层的定位。、催化剂等关键材料小规模自主生产，国产化率从2017年的30%提高到现在的60%以上。燃料电池汽车的产量也从1500辆/年增加到1000辆/年。产量的增加可以使零部件的成本更加分摊，从而大大降低成本。预计未来五年，PEMFC系统成本将从4000元/千瓦降至2000元/千瓦至3000元/千瓦。
在功率密度方面，燃料电池的功率密度是乘用车和一些特殊应用（如无人机）的瓶颈。目前，石墨双极板燃料电池电堆的功率密度可达4千瓦/升，金属双极板燃料电池电堆的功率密度可达5.5千瓦/升。进一步提高功率密度的主要途径是提高燃料电池性能，主要包括提高MEA性能和降低双极板厚度（主要用于石墨板）。虽然开发难度仍然很大，但石墨双极板的厚度可能会通过石墨/树脂复合材料的开发降低到1.2mm以下。
