绿色工业中的燃料电池技术与商业化的挑战

工程4（2018）352研究绿色工业过程综述燃料电池商业化王俊业a，王华林b，范毅baAthabasca大学科学技术学院，Athabasca，AB T9S 3A3，加拿大b华东理工大学化学工程国家重点实验室，上海200237阿提奇莱因福奥文章历史记录：2017年12月3日收到2018年1月31日修订2018年5月15日接受2018年5月21日在线提供保留字：能源安全燃料电池成本分析耐用性和可靠性储能A B S T R A C T随着资源稀缺、极端气候变化和污染程度的增加，经济增长必须依赖于更环保、更高效的生产过程。燃料电池由于其高效率和环境友好的操作，在通往绿色工业的道路上是内燃机（IC）发动机和锅炉的理想替代品然而，作为一种新的能源技术，燃料电池尚未实现显著的市场渗透。在本文中，我们使用生命周期和价值链活动对燃料电池系统进行了技术经济和环境分析首先，我们调查的燃料电池开发的程序，并确定应根据燃料电池的生命周期活动，价值链活动，和最终用户的验收标准进行哪些活动。接下来，我们提出了一个统一的学习燃料电池商业化的制度障碍。最终用户的主要接受标准是功能、成本和可靠性;与竞争对手（如内燃机和电池）相比，燃料电池应优于这些标准，燃料电池的维修和维护成本（由于可靠性低）可能导致成本大幅增加和可用性下降，这是最终用户接受的主要因素。燃料电池行业必须面对如何克服这一可靠性障碍的挑战。本文深入分析了我们多年来在燃料电池商业化的主要障碍方面所做的工作，并讨论了燃料电池在未来低碳绿色经济中的潜在关键并指出了未来低碳经济发展的需求和方向。由燃料电池提供的绿色能源确实是未来的商业模式。通过采用绿色公共投资和实施政策措施，努力实现经济增长的更可持续发展，鼓励对环境负责的工业投资。©2018 The Bottoms.Elsevier LTD代表中国工程院出版，高等教育出版社有限公司。这是一个在CC BY-NC-ND许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）中找到。1. 介绍随着世界人口的增长和化石燃料能源供应的逐渐减少，世界能源供应可能无法满足日益增长的需求或可持续的环境目标。因此，越来越需要在许多国家确保未来的能源安全和可持续的环境。国际能源署（IEA）将能源安全定义为许多国家已将发展低碳经济和绿色产业作为长期目标，以确保能源供应符合其经济发展和可持续环境目标[2，3]。实现低碳经济的途径有两条：一是增加*通讯作者。电子邮件 地址： junyew@athabascau.cawww.example.com Wang）。一个是通过发展绿色能源来满足日益增长的能源需求，并通过减少对化石燃料的依赖来减少温室气体排放;另一个是通过提高现有能源系统的效率来节约能源和减少排放。可再生能源的大量开发和整合可带来低碳绿色经济和新的商业机会。广泛的可再生资源已被开发，如风能，太阳能，生物能和潮汐能[4虽然每种可再生能源都有其优点和缺点，但将它们与现有的化石燃料系统相结合，增加了管理能源系统的复杂性，也增加了政府指导政策和投资的难度。因此，要从整体上了解一个国家的能源安全需求和未来的能源发展方向，仅仅分析任何一种能源系统都是不够的;相反，需要对更广泛的能源可用性和多样性有一个系统和严格的在大多数国家，化石https://doi.org/10.1016/j.eng.2018.05.0072095-8099/©2018 THE COMEORS.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程杂志主页：www.elsevier.com/locate/engJ. Wang et al. / Engineering 4 （2018）352353包括石油、天然气和煤在内的燃料仍然占主导地位。例如，美国能源信息 署 （ EIA ） 报 告 称 ， 2011 年 化 石 燃 料 占 美 国 能 源 消 费 总 量 的79.78%[7]。因此有节能减排的空间很大，可以通过提高现有能源系统的能源效率来实现。由于燃料电池在转换能量时的高热效率，燃料电池可以是现有热能系统的理想替代品，因为它们的效率可以是传统发动机的两倍。因此，燃料电池技术可以在提供可再生能源和传统系统中的节能减排方面发挥重要作用（图1）。①的人。随着燃料电池从原型阶段扩大到产品部署阶段，需要考虑许多因素，以确保足够的资本回报以及净积极的生命周期评估。然而，如果没有政府补贴，就无法实现充分的资本回报。在我们的系列出版物中，我们分析并面对了燃料电池放大的这些关键问题[8]。我们澄清了氢基础设施并不是燃料电池技术的主要障碍。围绕燃料基础设施的夸张说法对燃料电池市场具有误导性另一方面，燃料电池的可靠性可能比其耐用性对最终用户接受该技术更为重要但是，这一点很少引起人们的注意[8]。我们研究了燃料电池放大的问题，并介绍了燃料电池放大的标准和理论[9提出了改善燃料电池流场的设计目标和设计准则。我们还提出了一种综合方法来解决燃料电池规模扩大的问题[13]。作为燃料电池规模化系列研究的一部分，本文的主要目的是通过对制度障碍的统一认识，分析燃料电池商业化的技术经济挑战。我们将研究生命周期和价值零部件、制造和装配的连锁活动，并调查最终使用部门。这将有助于更好地了解这些挑战，从而使政府能够通过鼓励更有效地利用资源和环境友好型能源，就如何发展低碳经济和技术制定第二个目标是分析燃料电池在未来低碳经济中的潜在作用，并讨论其导致绿色工业部门的潜力2. 燃料电池在低碳经济图图1（a）示出了化石燃料的传统商业链。化石燃料、内燃机和锅炉以及最终用户是这一传统经济的主要组成部分。图1（b）显示了一种新的经济模式，任何类型的绿色能源作为现有化石能源的替代能源作为替代能源，每种可再生能源都需要提供与当前化石燃料模式相同的功能和可靠性。因此图 1说明了燃料电池可以在低碳技术和经济中发挥关键作用的两种方法。首先，燃料电池可以作为一种新的能源储存技术在可再生能源供应链，如图。第1段（b）分段。其次，燃料电池可以作为一种高效的发动机技术，取代传统的内燃机、涡轮机或锅炉，实现节能减排，如图1（a）所示。然而，很少有人研究燃料电池和绿色能源在整个低碳经济中的作用2.1. 燃料电池和可充电电池组开发可再生能源是为绿色工业创造低碳技术的关键因素。一般来说，风能、太阳能和潮汐能是世界上主要的发电机。可再生能源产业链（图1（b））。这种电力图1.一、能源经济。（a）矿物燃料能源经济;（b）可再生能源经济。IC：内燃机。354J. Wang et 等/工程4（2018）352可用于从驱动汽车到加热房屋的电力需求然而，可再生能源往往依赖于季节、天气或地质条件，其时空分布非常不均匀。可再生能源资源的异质性需要能源的存储和智能网络来分配能源供应。然而，大规模的电力储存是一个长期的挑战[14]。已经开发了许多技术来解决储能问题，例如抽水蓄能水电[15]，相变材料[16]，可充电电池[17，18]和燃料电池[12，13]。 因为如果可再生能源作为化石燃料的替代品是可行的，那么电力存储需要非常大的规模，电池技术和与燃料电池相关的电解燃料是大规模能量存储的两种最具潜力的方法。①的人。已经开发了各种类型的可再充电电池，例如Li离子电池和Ni-Mn电池。主要优势之一可充电电池技术的最大优点是它们在储存能量方面的便利性。电网每千瓦时的电力成本可能很低，而能源可以在偏远地区产生。因此，电池技术被广泛用于各种轻型电源，如不间断电源（UPS），移动电话和笔记本电脑。然而，对于重型或大规模应用，电池存在许多缺点，例如再充电时间长、能量密度低于其他燃料（例如，甲烷或氢气）、老化、环境影响和更高的制造成本[19可再充电电池的这些缺点对于车辆应用也可能是显著的根据电池的大小，在240 V和不同的安培数下，电池充电可能需要数小时。120千瓦的增压器可能需要大约30分钟才能达到类似的充电水平[21，22]。相比之下，使用高能量密度燃料的燃料电池（例如，氢气或甲醇）在绕过再充电时间和范围的问题方面具有明显的优势。燃料电池汽车（FCV）可以在3-5分钟内充满足够的氢燃料，以行驶200-300英里（1英里= 1.61公里）。美国DRIVE燃料电池技术团队已经确定了FCV的目标：能够运行约8000小时或更长时间（可能约150000英里）。在正常条件下，如果在极端温度下进行完整的充电周期，传统的铅酸电池寿命的平均正常寿命为四年。因此，电池需要每隔几年更换一次，即使它们由于浸出和老化而不使用。相比之下，燃料电池的劣化是基于操作小时。此外，电池组的成本随着电池组容量的增加而快速增加，并且电池成本比类似容量的燃料电池的成本高得多。因此，电池驱动的车辆广泛用于短距离和轻型操作，例如叉车和摩托车，但对于长距离旅行或重型操作相当有限。许多混合动力汽车（HV）已经开发出来[24HV基于使用发动机和电池作为动力的概念。一辆车的动力系统。这可以是一个混合动力系统的内燃机与电池组，或燃料电池与电池组。虽然具有电池组的IC发动机的当前目的是改善IC发动机车辆的环境影响，但是混合燃料电池电动车辆（FCEV）的目的是结合FCV和电动车辆（EV）的特征。插电式FCEV使用燃料电池动力系统驱动，电池电动范围为30-50英里。这样的HV有利于使用混合动力的长距离和短加油时间[27，28]。因此，它的行驶里程可能比其他车辆更长，而不会面临与电动汽车相同的里程和加油时间限制。例如，丰田报告说，其HV的行驶里程可达1035英里km[24]。当燃料电池发生故障时，电池可以继续行驶，从而增加了HV的可靠性。但是，由于一辆车有两套动力系统，比单一动力系统的效率更高。此外，燃料电池汽车的控制系统更复杂，由于两套动力系统。应该指出的是，电池和燃料电池的成本都需要走上一条轨道，到2022年，在没有政府补贴的情况下，使电动汽车和燃料电池汽车在大多数国家都能像内燃机汽车那样负担得起。燃料电池的实际成本受到很多争论和猜测，因为大多数电动汽车和燃料电池汽车制造商避免详细讨论这个话题。最近的研究表明，在加拿大[29]和美国[30]，政府补贴支持的电动汽车无法充分减少温室气体排放。政府对购买电动汽车的补贴对温室气体排放影响甚微，而且比其他激励措施要昂贵得多。虽然很难预测这些未来的发展，但燃料电池技术是一种令人兴奋和极具潜力的手段，可以弥合减少化石燃料使用和可再生能源崛起之间的差距。这是因为燃料电池具有高转换效率和低排放[8]。因此，在本发明中，如图1（b）所示，如果燃料电池的新经济模式能够成功地作为IC能源的替代，它将导致低碳经济和环境友好型产业。2.2. 传统发动机大多数内燃机在能量转换方面效率极低。一般来说，内燃机的热效率平均在20%左右。进一步改进内燃机或燃气轮机技术是相对困难的，即使将效率提高1%，到2%。有时最大热效率可能达到38%左右，但这样的系统很复杂，并且由于相关系统（如热电联产（CHP））而导致成本增加，这需要应用新技术。燃料电池作为一种高效发动机，其效率可达50%以上。由于燃料电池的效率可以是内燃机和锅炉的两倍，如果用它们代替传统发动机，减排量可以增加一倍。由于燃料电池的效率更高，在相同的发电能力下，燃料电池的使用转化为低得多的运营成本。此外，燃料电池是环境友好的。它们是内燃机，涡轮机和锅炉的理想替代品，其目的是节能和减少排放。此外，不同类型的燃料电池使用不同的燃料。例如，固体氧化物燃料电池（SOFC）使用天然气，直接乙醇燃料电池（DEFC）使用乙醇，质子交换膜燃料电池（PEMFC）使用氢气[8]。因此，目前的燃料供应基础设施不需要重大改变。使用这种高效环保的如果在备用电源、物料搬运、电池和热电联产市场中使用燃料电池取代传统能源系统，该系统将大大提升发电发动机市场，并创造一种新的商业模式。因此，如果在燃料电池放大方面取得技术突破，可能会导致新的3. 燃料电池生命周期和价值链作为一种新的能源技术，燃料电池尚未显著渗透能源市场。成本、耐用性和可靠性是燃料电池商业化的主要挑战。在这里，我们分析了燃料电池开发的生命周期和价值链，并根据其价值链活动和最终用户验收标准，确定应采取哪些活动来克服必须考虑许多因素，例如制造工艺的可行性、适当的材料、产品质量和成本、供应链弹性以及最终用户的接受程度。J. Wang et al. / Engineering 4 （2018）352355·······3.1. 制造成本建模新产品最初在实验室中实现其经济和技术目标，然后在整个系统中按设计指标扩大到工业规模。制造生命周期和价值链代表生产过程和成本，如图2所示。燃料电池堆的技术经济生命周期可以分为两个主要阶段：制造和最终用户阶段。制造成本包括设计、材料、部件制造和组装、劳动力和设备资本，这在定制制造和商业生产的燃料电池的整体组装中是需要的。Ahluwalia等人[31]提出了一个80 kW净阿贡质子交换膜（PEM）燃料电池系统配置（图3）。Yang[32]分析了该80 kW净阿贡燃料电池堆系统的成本，并确定总堆成本约为30 USD kW-1。包括阴极、阳极和催化剂的电极占整个电池组成本的51%。电池组组装和调节约占总成本的7%因此，剩下的三个组件-电极，双极板和密封件-是电池堆中最昂贵的部分（图11）。 4（a））。80 kW净 PEM燃料电池堆系统在批量生产时的成本为59 USD kW-1。其堆栈占整个系统成本的50%（图。 4（b））。烟囱，空气管理，燃料管理，和热管理是系统中最昂贵的部分。烟囱系统的组装和平衡占总成本的14%。事实上，燃料电池制造技术和PEM燃料电池的材料已经有了相当大的进步一些材料成本也大大降低。例如，阳极和阴极上的铂负载基于0.1/0.15mg cm-2，具有0.12-0.3mg cm-2的变化 整个系统的成本分析是基于2000美元吨盎司-1（1吨盎司= 31.10348克）的铂价[32]，这接近于历史上最高的铂价（图1）。 5）。然而，铂的价格变化±40%，因此范围从约800到超过2000美元t oz-1[33]。目前，铂金的价格不到1000美元t oz-1，不到早期最高成本的一半。因此，铂装载量不是整个系统成本的主要因素，并且燃料电池堆的成本应该降低，因为其主要材料铂的价格低于其最高价格。因此，堆叠成本可以小于总系统成本的50%。3.2. 燃料电池与内燃机的制造成本比较Elnozahy等人[34]比较了燃料电池汽车、内燃机汽车和高压汽车的成本（表1）。燃料电池汽车的成本约为24355美元，内燃机汽车的成本约为15805美元，图二. 燃料电池的生命周期和价值链。图三. 阿贡2009 PEM燃料电池系统配置[31]。HT：高温; LT：低温; MH：膜湿化器。356J. Wang et 等/工程4（2018）352见图4。 80 kW净 PEM燃料电池堆系统的成本[32]。(a)烟囱成本;（b）烟囱系统成本。图五. 自1996年以来的历史铂金价格（美元·吨盎司-1）。2017年6月22日，铂金价格为923.95美元·吨盎司-1[33]。表1燃料电池汽车、内燃机汽车和高压汽车的成本比较（改编自Ref。[34]）车辆类型发动机类型动力效率燃料成本驱动费用（美元）罐1马力= 0.7457千瓦; 1英里= 1.61公里。a参考文献[34]中的原始数字为24363.1。HV约24050美元。这一比较表明，燃料电池系统的成本与HV相当，但如果我们考虑材料、封装和燃料，则高于IC发动机车辆。然而，从表1中可以看出，燃料电池的效率为60%内燃机。因此，由于较高的热效率，燃料电池的燃料费用将应该注意的是，目前的燃料电池操作是在40%（hp）（%）（USD·kg-1）范围（mi）推进系统底盘和车身传输燃料别人总建议的FCV本田思域轿车燃料电池系统内燃机11214060–7010–162–30.98-1.05300.0475.013964.04741.57902.57902.5316.11580.5750.00158.051422.451422.4524355.05a15805.00本田思域混合动力车混合11010–160.98-1.05580.87215.012025.02405.0240.502164.5024050.00J. Wang et al. / Engineering 4 （2018）352357美国能源部（DOE）[35]，低于表1。然而，当配置为CHP时，燃料电池效率可以大于90%。在上一节中，我们分析了燃料电池的成本问题。虽然燃料电池的成本仍然高于传统的内燃机（表1），但由于燃料电池的效率更高，其总成本与内燃机相当。了成本燃料电池的质量不应成为最终用户接受的主要因素。显然，大多数关于现有燃料电池成本的研究仅基于电池堆制造成本，而没有考虑维修和维护成本。然而，维修和维护费用是堆栈服务和最终用户接受所必需的。由于很少有关于维修和保养费用占整个寿命周期费用的百分比的报告，因此只能确定在最终用户接受方面似乎处于竞争劣势的当前服务活动。使用燃料电池为企业提供动力与实现竞争性服务优势直接相关。因为燃料电池按比例放大使用重复电池（所谓的特别是，组件故障通常需要拆卸堆栈来更换[8，13]。因此，组件的每一个小故障都会增加100%的组件、调节和电池组和系统的平衡成本。 如上一节所述，烟囱系统的组装和平衡占整个系统成本的14%（图1）。 4（b））。其余的堆叠、组装、调节和密封构成了堆叠的16%（图1）。 4（a）），由于系统成本的50%（即，8%）。因此，电池堆的组装、平衡以及与其系统的调节可占整个电池堆系统成本的约22%对于每次维修或维护，由于组装、堆叠平衡和调节是必要的，因此包括22%的成本因此，单个组件故障可能会显著增加整个堆栈的成本。如果在燃料电池堆的持续时间内需要两次维修，则组装、调节和平衡的成本约为44%。还必须考虑运输成本和故障元件成本。电池堆系统的维修和维护成本可能超过整个系统成本的60%[36]，具体取决于维修和维护的次数。因此，很明显，可靠性和耐用性是大幅度降低整个系统成本和提高最终用户对系统接受度的重要因素。因此，如果由燃料电池供电的企业希望超越可能使用内燃机或锅炉的竞争对手，其价值链活动必须优于竞争对手，通过更高的质量和可靠性来区分。为了提高燃料电池的可靠性，减少维修和维护活动，有必要制定一项基于质量和成本领先的战略。4. 燃料电池技术挑战：耐久性和可靠性可靠性和耐用性可以显著影响燃料电池的可用性。这是最终用户接受的关键因素[8，13]。燃料电池市场将需要可靠的技术来提高和改善最终用户接受的操作公差。然而，现有的燃料电池开发与最终用户需求之间存在很大差距[13]。4.1. 最终用户接受最终用户接受因素包括功能、成本、性能（即，效率和可靠性）以及环境影响。具有马达的燃料电池的功能与具有马达的燃料电池的功能相同。内燃机。燃料电池对环境友好，噪音低;燃料电池的主要关注点是性能，包括效率和可靠性。前者不是问题，因为燃料电池的效率通常比内燃机高得多。因此，可靠性是最终用户接受的最大潜在技术障碍，此外还有意外维修和维护造成的额外成本。4.2. 技术准备水平必须使用可重复的步骤和标准来执行评估，以实现促进可重复性、一致性和规律性的有纪律的过程技术准备水平（TRL）被广泛用于衡量特定技术的成熟度[37，38]。因此，燃料电池开发的TRL是对燃料电池实现耐用性和可靠性的规模化目标的准备程度的评估。该评估提供了对整个创新链中技术状况的共同理解。TRL可以分为十个级别，其中TRL 0是最低的，TRL 9是最高的。 6）[37]。TRL 1和TRL 2用于未来和新兴技术，TRL 3评估燃料电池的TRL就像评估复杂的化学处理设施一样复杂。与其他产品不同，燃料电池没有明确的TRL。燃料电池产品存在于所有TRL中，从TRL 1（基础研究）到TRL 8（存在于商业系统中），再到TRL9（燃料商业部署）的峰值。虽然已经对假设的原理进行了大量的基础研究，例如催化剂和通道中的多相流[39最终用户的接受度可能是TRL 9的“黄金标准”，它参考了燃料电池的成本、功能和性能（例如效率和可靠性）。如第4.1节所述，由于燃料电池系统是重复单元，单个组件故障可能导致整个电池组的故障。因此，10%的复合材料组件故障的成本可能会使燃料电池系统的成本上升60%[13]。因此，对燃料电池可靠性的评估在以下方面至关重要：综合处理系统和技术成熟过程[8]。因此，有必要根据技术的成熟度和有效性对燃料电池的可靠性进行可靠的判断4.3. 可靠性的技术障碍如上所述，由于意外缺陷导致的维护和维修成本影响可能很高[13，36]。电池中的通道需要仔细审查框架和扩大规模的方法，以了解与扩大规模所用燃料电池和系统相关的操作和风险，这对评估燃料电池技术的部署很重要。为了解决燃料电池的高成本和低可用性，解决可靠性问题是必不可少的很难让所有的渠道和细胞都在同一水平上工作按比例放大的理论表明，绝对均匀的流量分布仍然是一个挑战[12，44小的、不均匀的流量分布可导致电池和电池堆的操作因此，燃料电池的高成本会受到频繁维修和维护停机的影响，导致可靠性低的印象[8]。Powell[44]指出了微型反应器放大的类似问题，其使用类似的模块化。在执行方面存在不确定性，358J. Wang et 等/工程4（2018）352见图6。 技术准备水平。（改编自Ref。[37]）“以数放大”是化工行业的一种工程方法。也就是说，尚不清楚导阀设计、建模和操作中的低效流量分配设计会导致什么结果[48]。然而，如果我们能够仔细设计流场，基于低分布理论，则可以将燃料电池堆的不均匀性控制在小范围内或制造公差内[13]。5. 燃料电池商业化能源部和其他机构已经报道了许多燃料电池装置例如，据报道，自2009年以来，美国的燃料电池备用系统部署显着增加[42]。到2013年，已经安装了7000多个燃料电池系统，总计16.3兆瓦有超过2000个用于电信系统的备用电源系统。能源部报告了康涅狄格州CTtransition的400千瓦燃料电池安装[30]。该系统为运输机构的维护和储存设施供电一个2.8兆瓦的燃料电池系统安装在安大略省，加利福尼亚州的废水处理厂然而，所有安装的燃料电池都受益于政府补贴。Behling[43]指出，所有燃料电池的部署几乎完全基于政府补贴，以建立燃料电池部署的商业市场材料和催化剂性能对燃料电池耐久性的影响已被广泛研究[39，40]。这些研究强调，规模扩大问题主要是材料和催化剂性能问题，导致成本上升。然而，这些材料和催化剂问题是科学问题，因此该问题不仅是规模依赖性的。因此，由于存在大量的不确定性[49]，燃料电池的放大问题尚未得到充分认识，燃料电池产品和系统的TRL也没有人们估计的那么高Wang[13]进行了一系列关于燃料电池放大的研究由于可靠性问题，无法直接将试验工厂扩大到部署，这是投资这种新能源转换技术的一个关键障碍。为了解决可靠性问题，建议进行系统集成然而，在这方面，知识差距存在于组件、单个单元和堆栈的各个阶段[13]。Wang[13]强调了可靠性在燃料电池商业化中的重要性他提出了三个操作窗口来连接组件、流场设计、单个电池、工艺的堆栈和程序设计以及系统控制，以解决耐用性和可靠性问题。在这项研究中，我们建议使用TRL和生命周期分析的燃料电池商业化的关键放大技术的建设标准和阶段。与规模扩大和可靠性相关的所有各方都应共同努力，包括拥有关键知识、技能和经验的科学家、建模师、工程师和设计师，以及政府和投资者。政府、投资者和资助机构应支持技术整合。该技术必须通过高重复性和与大规模示范装置的一致性在更高水平上运行，以证明投资风险的合理性。6. 总结发言许多国家努力发展低碳经济和绿色工业，将其作为长期目标，以确保可持续的能源供应符合其经济发展和可持续环境目标。发展低碳绿色经济有两条途径：第一，增加新能源和可再生能源的份额，以满足日益增长的能源需求，减少温室气体排放，并减少对化石燃料的依赖;第二，通过提高现有能源系统的效率来节约能源和减少排放燃料电池可以在这两方面发挥关键作用燃料电池作为一种高效这一分析的结果表明，燃料电池可能是内燃机和锅炉的最有效替代品;因此，燃料电池可以为低碳绿色经济，甚至绿色工业革命做出贡献。然而，燃料电池的市场渗透尚未实现。在本文中，我们进行了技术经济和J. Wang et al. / Engineering 4 （2018）352359使用生命周期分析和价值链对燃料电池系统进行环境分析我们分析了燃料电池的生命周期和价值链活动以及最终用户的验收标准，从而全面统一地了解了燃料电池商业化的制度障碍结果发现，尽管目前燃料电池的制造成本仍高于内燃机的成本，但其运行成本可以远低于竞争对手（例如，内燃机或锅炉），因为更高的热效率。此外，制造成本不是最终用户接受和燃料电池商业化的主要因素。然而，由于燃料电池的低可靠性，燃料电池的意外维修和维护成本可能导致高达60%的成本大幅增加，并可能降低燃料电池的可用性。因此，维护和维修的额外成本以及可用性的降低是最终用户接受和燃料电池商业化的最大障碍。燃料电池行业必须面对如何克服可靠性和耐用性的技术障碍的挑战。虽然本文质疑燃料电池的目标是否会实现，但考虑到目前的发展速度，它为读者提供了对这一能源领域的深刻概述有必要改变优先级，使用系统集成来显著改善可靠性和耐久性问题，并降低燃料电池系统安装后的服务成本几年来，我们研究了燃料电池研发中的主要技术障碍，并考虑了如何最好地解决燃料电池放大挑战[13]。扩大规模继续依赖于重复单位的有效试点。流场设计和实践的理论可以是放大重复单元的基础[12，13]。通过燃料电池的绿色能源很可能成为未来的商业模式，以寻求更可持续的经济增长途径。确认王俊业感谢阿尔伯塔省政府经济发展和贸易部为阿尔伯塔大学校园创新计划（CAIP）研究主席（RCP-12-001- BCAIP）。我们还要感谢Jim Sellers先生的校对。遵守道德操守准则Junye Wang、Hualin Wang和Yi Fan声明他们没有利益冲突或财务冲突需要披露。引用[1] 能源安全[互联网]。巴黎：国际能源署; 2018年[引用2018年4月2日]。可从以下网址获得：https://www.iea.org/topics/energysecurity/[2] 能源系统转型的政治和政策--解释德国可再生能源技术的扩散。能源政策2006;34（3）：256-76。[3] 张平德，杨燕宁，施军，郑永华，王良生，李晓荣。中国可再生能源政策的机遇与挑战。Renew Sustain Energy Rev2009;13（2）：439-49.[4] Ong HC ，Mahlia TMI ，Masjuki HH. 马来 西亚能 源情景和 可持续 能源述 评。Renew Sustain Energy Rev 2011;15（1）：639-47.[5] 王继英。分布式厌氧消化沼气技术与农田生态系统：机遇与挑战。2014年，《前线能源研究》;2：10。[6] 赫普巴斯利河面向可持续未来的可再生能源分析与评价。 Renew Sustain EnergyRev 2008;12（3）：593-661.[7] 美国能源情报署。 年度能源评论2011. 次报告.华盛顿特区：美国能源部能源统计办公室，2012年。报告编号：D O E /EIA-0384（2011）。[8] 王继英。燃料电池规模化的障碍：成本、耐久性和可靠性。能源2015;80：509[9] 王继英，王洪华.质子交换膜燃料电池双极板流场设计：理论与应用。燃料电池2012;12（6）：989-1003.[10] 王继英，王洪华.燃料电池平行通道结构流场设计的离散方法。Int J HydrogenEnergy 2012;37（14）：10881-97.[11] 王继英，王洪华.歧管流量分配设计的离散方法。应用热工程2015;89：927-45。[12] 王继英。燃料电池放大用流场设计的理论与实践。应用能源2015;157：640-63.[13] 王继英。燃料电池的系统集成、耐久性和可靠性：挑战和解决方案。应用能源2017;189：460-79.[14] Akinyele DO，Rayudu RK.支持电网的储能技术综述。可持续能源技术评估2014;8：74-91。[15] 姜荣文，王俊华，关永平。 风力发电和抽水蓄能水电的强大机组承诺。IEEETrans Power Syst2012;27（2）：800-10.[16] Ramakrishnan S，Wang XM，Sanjayan J，Wilson J.与相变材料集成的建筑物的热性能，以减少极端热浪事件期间的热应力风险。应用能源2017;194：410-21.[17] Goodenough JB，Park KS.锂离子可充电电池：透视。J AmChem Soc 2013;135（4）：1167-76.[18] 李毅，杨杰，宋杰. 面向更绿色、更可持续的电动汽车的可充电电池设计结构模型和可再生能源技术。Renew Sustain Energy Rev2017;74：19-25.[19] Peters JF，Baumann M，Zimmermann B，Braun J，Weil M.锂离子电池的环境影响及关键参数的作用。RenewSustain Energy Rev 2017;67：491-506.[20] 电动汽车电池发展势头强劲[互联网]。Golden：国家可再生能源实验室; c2017 [更新 于 2017 年 8 月 16 日 ; 引 用 于 2017 年 7 月 5 日 ] 。 可 查 阅 ：http://www.nrel.gov/continuum/sustainable_transportation/batteries.html。[21] 沙 尔 E. 电 动 汽 车 充 电 的 简 单 指 南 [ 互 联 网 ] 。 Waterloo ： CrossChasmTechnologies; c2018 [cited 2017 Jul 5].可查阅：www.fleetcarma.com/electric-vehicle-charging-guide/。[22] David H.续航信心：充电快，开得远，用你的电动车[互联网]。[2017年7月5日]。可查阅：https://greentransportation.info/ev-charging/range-confidence/chap8-tech/charge-faster-than-gas.html。[23] 开车送我们。燃料电池技术团队路线图。南菲尔德：美国驱动器; 2017年。[24] 丰田混合动力汽车：2018年的新事物[互联网]。多伦多：丰田加拿大; c2018 [更新于 2018 年 1 月 22 日 ; 引 用 于 2018 年 1 月 22 日 ] 。 可 从 以 下 网 址 获 得 ：www.toyota.ca/toyota/en/connect/2034/hybrid-cars-suvs[25] Emadi A，Rajashekara K，Williamson SS，Lukic SM.混合电力和燃料电池车辆动力系统结构和配置的拓扑综述。IEEE Trans Vehicular Technol2005;54（3）：763-70.[26] Rahman KM，Patel NR，Ward TG，Nagashima JM，Caricchi F，CrescimbiniF. 直接驱动轮马达于燃料电池电动车及混合动力电动车推进系统之应用。IEEETrans Indust Appl 2006;42（5）：1185-92.[27] 泳道B，Shaffer B，Samuelsen GS.插电式燃料电池电动汽车：加州案例研究。Int JHydrogen Energy 2017;42（20）：14294-300.[28] Brunel J，Ponssard JP. 燃料电池电动汽车的政策和部署：诺曼底项目的评估。Int JHydrogen Energy 2017;42（7）：4276-84.[29] 放大图片作者：Belzile G，Milke M.电动汽车补贴是否有效？[互联网]。蒙特利尔 ： MEI; c2018 [ 更 新 于 2017 年 6 月 22 日 ; 引 用 于 2018 年 4 月 2 日 ] 。 可 从 ：https://www.iedm.org/71215-are-electric-vehicle-subsidies-高效。[30] Jenn A，Azevedo IML，Michalek JJ. 根据美国公司平均燃料经济性政策和温室气体排放标准，采用替代燃料车辆增加了车队汽油消耗和温室气体排放。环境科学技术2016;50（5）：2165-74。[31] 杨晓，王晓. 燃 料 电池系统分析报告。华盛顿特区：美国能源部，2009年。[32] 杨耀PEM 燃料电池系统制造成本分析汽车应用。Wellesley ： Austin PowerEngineering LLC; 2015.[33] 白金价格-互动历史图表[互联网]. 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