商用車(chē)燃料電池技術(shù)研究進(jìn)展

朱雅男 張克金 于力娜 崔新然 倪大龍

（一汽解放汽車(chē)有限公司 商用車(chē)開(kāi)發(fā)院，長(zhǎng)春 130011）

主題詞：商用車(chē) 燃料電池 膜電極 雙極板

1 前言

目前，全球能源及環(huán)境問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，世界各國(guó)能源與交通領(lǐng)域都在做技術(shù)的換代和升級(jí)，公共交通領(lǐng)域采取新能源車(chē)技術(shù)來(lái)降低排放、降低噪聲污染、減少對(duì)石油的依賴(lài)，這是全社會(huì)降低二氧化碳排放、阻止全球變暖采取的重要舉措之一。全球交通領(lǐng)域采取的低碳舉措是采用新能源汽車(chē)，新能源汽車(chē)有不同的類(lèi)型，其中燃料電池車(chē)因?yàn)榫哂小傲闩欧拧?、噪聲小、在燃料上?shí)現(xiàn)對(duì)燃油的完全替代、補(bǔ)加燃料時(shí)間短、續(xù)駛里程長(zhǎng)等特點(diǎn)[1]，因而被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)未來(lái)汽車(chē)工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要方向之一，也是解決全球能源和環(huán)境問(wèn)題的理想方案之一[2]。

如圖1是新能源汽車(chē)中的電動(dòng)汽車(chē)、混合動(dòng)力汽車(chē)和燃料電池車(chē)綜合性能比較，燃料電池車(chē)與其他兩類(lèi)汽車(chē)比較，在動(dòng)力性、補(bǔ)加燃料時(shí)間和續(xù)駛里程方面有優(yōu)勢(shì)。對(duì)于續(xù)駛里程較長(zhǎng)、動(dòng)力性能要求較高、汽車(chē)體積較大的車(chē)輛，更適合的能量來(lái)源為柴油及氫氣，并且商用車(chē)運(yùn)行在相對(duì)固定的線路上對(duì)加氫站依賴(lài)性較乘用車(chē)低，因此目前燃料電池汽車(chē)從商用車(chē)切入比較合適。

圖1 三類(lèi)新能源汽車(chē)綜合性能比較[3]

新能源汽車(chē)被國(guó)家確定為戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)和重點(diǎn)推進(jìn)領(lǐng)域，在國(guó)家頂層設(shè)計(jì)中獲得了高度重視。2015年國(guó)務(wù)院印發(fā)的《中國(guó)制造2025》明確指出“節(jié)能與新能源汽車(chē)”作為重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域，明確了指出燃料電池汽車(chē)的發(fā)展。2016年以來(lái)，《國(guó)家創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略綱要》、《“十三五”國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》等一系列政策措施的提出，將推動(dòng)企業(yè)開(kāi)發(fā)氫能和氫燃料電池等新一代能源技術(shù)，鼓勵(lì)企業(yè)到2020年實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)氫燃料電池汽車(chē)和規(guī)?；痉稇?yīng)用?？萍疾恳蔡岢隽恕赌茉醇夹g(shù)創(chuàng)新“十三五”規(guī)劃》、《可再生能源中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》，在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃中啟動(dòng)實(shí)施“可再生能源與氫能技術(shù)”重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)，在技術(shù)層面上推動(dòng)氫燃料電池汽車(chē)共性技術(shù)的突破。

由于氫燃料電池汽車(chē)技術(shù)完全顛覆了傳統(tǒng)汽車(chē)技術(shù)，雖然在試驗(yàn)室階段取得了很多突破，但在產(chǎn)業(yè)化的道路上仍然有很長(zhǎng)的路要走，有許多關(guān)鍵技術(shù)需要突破產(chǎn)業(yè)化瓶頸，如膜電極、催化劑等，而開(kāi)發(fā)低成本燃料電池技術(shù)對(duì)于降低商用車(chē)生命周期成本(Total Cost of Ownership,TCO)意義重大，對(duì)于推動(dòng)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程意義重大。本文深入挖掘國(guó)際上氫燃料電池汽車(chē)創(chuàng)新技術(shù)的文獻(xiàn)，總結(jié)了國(guó)際上商用車(chē)燃料電池汽車(chē)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)，對(duì)國(guó)內(nèi)商用車(chē)燃料電池汽車(chē)核心技術(shù)的研發(fā)提供參考。

根據(jù)The Fuel Cell Industry Review的統(tǒng)計(jì)，2014年～2018年質(zhì)子交換膜燃料電池出貨量一直遠(yuǎn)超其他類(lèi)型的燃料電池。目前質(zhì)子交換膜燃料電池是中國(guó)燃料電池商用車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的主要技術(shù)路線[4]。

有鑒于此，本文對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池的原理、結(jié)構(gòu)、影響商用車(chē)燃料電池應(yīng)用的主要問(wèn)題等進(jìn)行了梳理與分析，并提出了未來(lái)工作的研究方向。

2 商用車(chē)燃料電池的工作原理

質(zhì)子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC），圖2為其工作原理示意圖。

圖2 質(zhì)子交換膜燃料電池工作原理圖[5]

陽(yáng)極為氫電極，陰極為氧電極，H2通過(guò)擴(kuò)散到達(dá)陽(yáng)極，在催化劑作用下生成H＋和e－，H＋直接穿過(guò)質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極，而電子由陽(yáng)極通過(guò)外電路形成電流，帶動(dòng)負(fù)載做功后也到達(dá)陰極，與陰極的O2發(fā)生還原反應(yīng)生成水排出，并放出熱量。只要陽(yáng)極不斷輸入氫氣，陰極不斷輸入氧氣，電化學(xué)反應(yīng)就會(huì)連續(xù)不斷地進(jìn)行下去，從而持續(xù)形成電流帶動(dòng)負(fù)載工作。相比與作為能量?jī)?chǔ)存裝置的傳統(tǒng)電池而言，燃料電池實(shí)質(zhì)上是一種將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能的能量轉(zhuǎn)換裝置[6]。

3 商用車(chē)燃料電池的結(jié)構(gòu)分析

質(zhì)子交換膜燃料電池堆是由幾十到幾百個(gè)單電池構(gòu)成的，其中一個(gè)單電池主要由膜電極和雙極板等部件構(gòu)成的。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 質(zhì)子交換膜燃料電池單電池結(jié)構(gòu)示意圖

3.1 膜電極

膜電極是燃料電池的核心部件，是氫氣和氧氣反應(yīng)生成水的電化學(xué)反應(yīng)場(chǎng)所。對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池的能量密度、耐久性、輸出功率、成本至關(guān)重要。

膜電極具有類(lèi)似三明治的結(jié)構(gòu)，包括固體電解質(zhì)（質(zhì)子交換膜）、陰陽(yáng)極催化劑層和陰陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層集成在一起成為膜電極（Membrane Electrode Assembly，MEA）。通常將涂覆由陰極和陽(yáng)極催化劑層的質(zhì)子交換膜稱(chēng)為“三合一”膜電極；將包括有陰陽(yáng)極催化劑層、陰陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層和質(zhì)子交換膜的膜電極稱(chēng)為“五合一”膜電極或者“七合一”膜電極（包括密封墊片）[7-8]。

膜電極技術(shù)經(jīng)歷了幾代關(guān)鍵技術(shù)，大體可分為熱壓法、CCM法和有序化膜電極三種類(lèi)型。將催化劑層涂覆在氣體擴(kuò)散層上，再將質(zhì)子交換膜夾在兩層氣體擴(kuò)散層之間進(jìn)行熱壓（熱壓法）制成的膜電極，又被稱(chēng)為GDE（Gas Diffusion Electrode）型膜電極[9]，該方法催化層較厚，鉑利用率低。將催化劑通過(guò)轉(zhuǎn)印法或者直接噴涂法制備到質(zhì)子交換膜兩面而制成的膜電極稱(chēng)為CCM（Catalyst Coating Membrane）型膜電極[10]，CCM型為當(dāng)前的膜電極較常用的制備方法，其優(yōu)勢(shì)為電極催化劑層與膜緊密結(jié)合，防止由催化劑層與質(zhì)子交換膜溶脹性不同而導(dǎo)致催化劑層與膜的剝離，同時(shí)提高催化劑的利用率，降低鉑的擔(dān)載量，但是缺點(diǎn)為催化劑層沒(méi)有疏水劑，氣體通道較少，氣、水傳輸阻力較大，容易導(dǎo)致膜電極的“水淹”，為了減少氣、水傳輸阻力，催化劑層一般需控制在10 μm以下[11]。納米材料的發(fā)展，如納米管材料、納米線材料，使膜電極發(fā)展到有序化膜電極，有序化膜電極降低了膜電極的厚度并且結(jié)構(gòu)可控，與傳統(tǒng)膜電極比較，具有較大的每單位體積的反應(yīng)活性面積，是下一代膜電極制備技術(shù)的研究方向[12-13]。

隨著材料及制備技術(shù)兩方面的進(jìn)步，膜電極的功率密度取得了很大的進(jìn)步，國(guó)外的膜電極主流產(chǎn)品功率密度可達(dá)到1.8 W/cm2，國(guó)內(nèi)的膜電極最高功率密度達(dá)到1 W/cm2[14]。

膜電極的供應(yīng)商分為兩類(lèi)，一種是具備膜電極產(chǎn)業(yè)化能力，能夠自給自足的燃料電池整車(chē)或電堆主機(jī)廠，以豐田和Ballard為代表。另一種是獨(dú)立的專(zhuān)業(yè)膜電極供應(yīng)商，如國(guó)外的Gore、JM、3M、Toray（Greenerity）和國(guó)內(nèi)的武漢理工新能源等，都已經(jīng)具備不同程度的自動(dòng)化生產(chǎn)線，年產(chǎn)能在數(shù)千平方米到數(shù)萬(wàn)平方米[15]。

3.1.1 質(zhì)子交換膜

質(zhì)子交換膜是一種選擇性透過(guò)的膜，具有較高的質(zhì)子透過(guò)能力，防止陽(yáng)極的氫氣和陰極的氧氣接觸，在燃料電池酸性環(huán)境中具有好的機(jī)械穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，并且是催化劑的載體[16]。

質(zhì)子交換膜根據(jù)組成分為全氟磺酸質(zhì)子交換膜、以聚四氟乙烯（Poly tetra fluoroethylene,PTFE）多孔膜為基底的復(fù)合膜、部分氟化的質(zhì)子交換膜、非氟化的質(zhì)子交換膜[17]。全氟磺酸質(zhì)子交換膜因其機(jī)械強(qiáng)度高、化學(xué)穩(wěn)定性好、質(zhì)子傳導(dǎo)電阻小、電導(dǎo)率較高、低溫時(shí)電流密度大等優(yōu)勢(shì)，得到廣泛應(yīng)用。

根據(jù)美國(guó)能源部（Department of Energy,DOE）的2020年目標(biāo)，質(zhì)子交換膜機(jī)械耐久性達(dá)到20 000次，化學(xué)耐久性達(dá)到500 h。目前國(guó)內(nèi)山東東岳集團(tuán)的質(zhì)子交換膜機(jī)械耐久性超過(guò)21 000次，化學(xué)耐久性大于620 h，已經(jīng)達(dá)到并超過(guò)DOE的2020年目標(biāo)[18]。

采用薄的增強(qiáng)復(fù)合膜，降低歐姆極化，是提高單電池的比功率的方法之一[19]，目前市場(chǎng)使用較多的為杜邦NR211，膜厚約為25 μm，而山東東岳DF260膜厚度為15 μm[20]，可有效降低歐姆極化[21]。降低膜厚度、提高機(jī)械強(qiáng)度是未來(lái)全氟磺酸膜的研究方向[22]。

國(guó)際上知名的質(zhì)子交換膜的包括美國(guó)杜邦Nafion膜、陶氏公司的Dow系列質(zhì)子交換膜、Gore公司的Core－Select膜、3M公司全氟磺酸膜、日本旭化成公司Aciplex膜和日本旭哨子公司的Flemion膜等[14]，其中Nafion膜應(yīng)用最廣。國(guó)內(nèi)知名的質(zhì)子交換膜包括山東東岳化工集團(tuán)公司研制的含氟功能膜材料，已經(jīng)具備規(guī)模化生產(chǎn)能力，已進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)。

3.1.2 催化劑

催化劑的主要功能是降低電極反應(yīng)的活化能，提高反應(yīng)速度，是提高質(zhì)子交換膜燃料電池能量轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵。催化劑的性能決定了質(zhì)子交換的反應(yīng)速率和使用效果[23]。

催化劑根據(jù)組成不同分為低鉑催化劑、鉑合金催化劑、非鉑催化劑。低鉑催化劑因其較好的催化活性、較高的化學(xué)穩(wěn)定性，得到廣泛應(yīng)用。因鉑的價(jià)格昂貴和稀有性，在催化劑碳載體的表面上均勻分布大表面積的微小鉑顆粒，提高鉑的利用率和減少鉑的用量是未來(lái)的研究方向[24]。根據(jù)DOE的2020年目標(biāo)達(dá)到 0.125 mg PGM/cm2(Platinum Group Met,PGM)，單車(chē)鉑用量與現(xiàn)有單車(chē)尾氣后處理裝置三元催化器的鉑用量持平。

使用高活性的氧化還原催化劑，加快反應(yīng)過(guò)程，降低電化學(xué)極化，提高電池電壓，是提高單電池的比功率的方法之一[19]。

催化劑占領(lǐng)市場(chǎng)份額較大的國(guó)外供應(yīng)商為英國(guó)的Johnson Matthey、日本的田中（本田Clarity催化劑的供應(yīng)商）。國(guó)內(nèi)催化劑供應(yīng)商與國(guó)外的催化劑技術(shù)差距正在不斷縮小，清華大學(xué)與武漢喜瑪拉雅聯(lián)合開(kāi)發(fā)的催化劑已經(jīng)量產(chǎn)[25]；貴研鉑業(yè)的催化劑進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室放大階段[26]。

3.1.3 氣體擴(kuò)散層

氣體擴(kuò)散層（Gas Diffusion Layer,GDL）的主要功能是提供機(jī)械支撐、排出反應(yīng)生成的水、導(dǎo)通電流。性能優(yōu)異的氣體擴(kuò)散層應(yīng)具有一定的機(jī)械強(qiáng)度、收集陽(yáng)極產(chǎn)生的電流、為陰極輸送電子、較低的接觸電阻、高孔隙率、適宜的孔分布、良好的化學(xué)穩(wěn)定性和良好的導(dǎo)熱性能[27-28]。

氣體擴(kuò)散層是由支撐層和涂覆在支撐層一側(cè)的微孔層組成。支撐層一般為多孔的碳布、碳紙和無(wú)紡材料等，厚度為100 μm～400 μm，在氣體擴(kuò)散層內(nèi)有憎水的反應(yīng)氣體通道和親水的液態(tài)水傳輸通道，因此需要用PTFE乳液對(duì)支撐層做憎水處理。微孔層為改善支撐層孔隙結(jié)構(gòu)的一層碳粉，厚度約為10 μm～100 μm，目的是降低支撐層和催化劑層之間的接觸電阻，使氣體和水再分配[29-30]。

氣體擴(kuò)散層是目前燃料電池堆各部件中技術(shù)水平最成熟的產(chǎn)品。市售的產(chǎn)品多為碳紙，少數(shù)廠家銷(xiāo)售氣體擴(kuò)散層，碳紙的國(guó)外供應(yīng)商為日本東麗、德國(guó)SGL、加拿大的Ballard等。國(guó)內(nèi)碳紙目前為小批量的生產(chǎn)水平，供應(yīng)商為臺(tái)灣碳能科技公司、上海河森公司等。氣體擴(kuò)散層能夠批量化生產(chǎn)，提高產(chǎn)品性能一致性是未來(lái)工作的研究重點(diǎn)。

3.2 雙極板

雙極板能夠分隔氫氣和氧氣，因此應(yīng)該有良好的阻氣性；電池堆溫度分布均勻及具有良好的換熱策略，因此應(yīng)該具有良好的導(dǎo)熱性；保持電池堆的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，因此應(yīng)該具有較好的機(jī)械強(qiáng)度；應(yīng)在酸性、濕度高、氫氣和氧氣的環(huán)境中工作，因此應(yīng)該有優(yōu)異的耐腐蝕性；能夠集聚和傳輸電流，因此應(yīng)該有良好的導(dǎo)電性；雙極板還應(yīng)具有材料易于加工可批量生產(chǎn)、材料及生產(chǎn)加工成本低等特點(diǎn)[31]。三類(lèi)材料已經(jīng)用于燃料電池雙極板，分別為石墨、金屬和復(fù)合材料。

石墨雙極板具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、高導(dǎo)電率等特點(diǎn)。加工方式為雕刻和模壓，雕刻成型的材料主要為石墨，模壓成型的材料主要為石墨和聚合物。因?yàn)椴牧辖M成及加工方式等不同，模壓成型的雙極板與雕刻成型的雙極板相比較機(jī)械強(qiáng)度更高、生產(chǎn)效率更高、降低生產(chǎn)成本、適于批量化生產(chǎn)[32]，模壓成型的石墨雙極板也被稱(chēng)為石墨復(fù)合雙極板或柔性石墨雙極板。石墨雙極板因?yàn)槟途眯蚤L(zhǎng)，廣泛應(yīng)用于商用車(chē)。石墨雙極板的國(guó)外供應(yīng)商為美國(guó)POCO、美國(guó)SHF、美國(guó) Graftech、日本 FujikuraRubber LTD、日本 Kyushu Refractories、英國(guó)Bac2等[15]，石墨雙極板國(guó)產(chǎn)化程度高，國(guó)內(nèi)供應(yīng)商有上海弘竣等。

金屬雙極板適用于批量生產(chǎn)（沖壓、壓?。⑶矣捎谀軌蜃龅煤鼙。ǎ? mm）從而可使得電池堆更加緊湊和輕巧，相對(duì)于石墨雙極板有更高的功率密度，因此成為乘用車(chē)燃料電池的主流雙極板。金屬雙極板必須充分覆蓋非腐蝕性又導(dǎo)電的涂層[5]。金屬雙極板的國(guó)外供應(yīng)商包括瑞典的Cellimpact、德國(guó)的Dana和Grabener、美國(guó)Treadstone等，金屬雙極板的國(guó)內(nèi)供應(yīng)商較少，如上海治臻新能源裝備有限公司等[15]。

復(fù)合雙極板包括復(fù)合石墨/金屬板，Ballard申請(qǐng)了由兩個(gè)壓印石墨箔與其中間的一個(gè)薄金屬片構(gòu)成雙極板的專(zhuān)利，結(jié)合了兩個(gè)石墨（耐腐蝕性）和金屬板（抗?jié)B透性和結(jié)構(gòu)剛度）的優(yōu)點(diǎn)，從而構(gòu)成了質(zhì)量輕、耐久性強(qiáng)且易于制造的雙極板，由于石墨箔的一致性，其接觸電阻非常小[5]。復(fù)合材料雙極板的國(guó)外供應(yīng)商有英國(guó)Porvair、美國(guó)ORNL等，國(guó)內(nèi)供應(yīng)商有北京氫璞創(chuàng)能科技有限公司等。

雙極板流場(chǎng)的作用為引導(dǎo)反應(yīng)氣流方向，保證反應(yīng)氣均勻分配，通過(guò)氣體擴(kuò)散層到達(dá)催化劑層發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。目前已經(jīng)應(yīng)用較多的流場(chǎng)為條形流場(chǎng)、蛇形流場(chǎng)等，流場(chǎng)采用新型流場(chǎng)，如豐田Mirai的3D流場(chǎng)，有利于傳質(zhì)，降低傳質(zhì)極化，是提高單電池的比功率的方法之一[19]。

4 商用車(chē)燃料電池發(fā)展的影響因素

商用車(chē)燃料電池在國(guó)內(nèi)外研究并發(fā)展了多年，中國(guó)政府支持政策正在不斷出臺(tái)，許多領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)還沒(méi)有完全突破，商用車(chē)燃料電池的發(fā)展存在諸多影響因素。

4.1 基礎(chǔ)設(shè)施有待完善

加快我國(guó)氫能源基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，促進(jìn)氫燃料電池汽車(chē)全面均衡發(fā)展。與燃料電池車(chē)產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不足的原因可能有：國(guó)內(nèi)制氫、儲(chǔ)氫、運(yùn)輸、加氫等核心技術(shù)落后，加氫站建設(shè)審批流程繁雜，加氫站的關(guān)鍵設(shè)備本土化及自主化程度低，加氫站建設(shè)及運(yùn)營(yíng)政府補(bǔ)貼力度不足等等。

與乘用車(chē)運(yùn)營(yíng)路線比較，商用車(chē)的運(yùn)營(yíng)路線比較固定。燃料電池商用車(chē)?yán)m(xù)駛里程400 km以上，在商用車(chē)的典型運(yùn)營(yíng)路線上建設(shè)加氫站，可在目前中國(guó)加氫站密度低的情況下，帶動(dòng)中國(guó)燃料電池車(chē)市場(chǎng)，并大幅度降低因重型商用車(chē)排放導(dǎo)致的環(huán)境污染。

目前電解水制氫是獲得氫最簡(jiǎn)單最直接的方法，但耗電量極大。可改變或優(yōu)化制氫的方法，降低氫的生產(chǎn)成本，如工業(yè)廢氣純化、使用催化劑化學(xué)方法制氫、甲烷水蒸氣轉(zhuǎn)化工藝（Steam Methane Reforming，SMR）制氫等[1]。

4.2 燃料電池成本高

燃料電池的成本偏高，是燃料電池車(chē)推廣的核心問(wèn)題之一。DOE對(duì)燃料電池車(chē)從整車(chē)、燃料電池系統(tǒng)、電堆成本構(gòu)成進(jìn)行了分析，得出了各部件成本的具體百分比，如圖4～圖6所示[2]。根據(jù)DOE的研究，目前燃料電池系統(tǒng)成本已從2006年的每千瓦280美元（約合人民幣1 880元，電堆批量化生產(chǎn)能力為每年2萬(wàn)輛）降低到每千瓦53美元（約合人民幣355元，電堆批量化生產(chǎn)能力為每年50萬(wàn)輛）和每千瓦60美元（約合人民幣402元，電堆批量化生產(chǎn)能力為每年10萬(wàn)輛），未來(lái)通過(guò)技術(shù)進(jìn)步和更大批量生產(chǎn)，還有望進(jìn)一步降低成本，實(shí)現(xiàn)每千瓦30美元（約合人民幣201元）的長(zhǎng)期目標(biāo)[33]。中國(guó)燃料電池系統(tǒng)的實(shí)際成本目前約每千瓦人民幣5 000元，差距明顯，不過(guò)中國(guó)也制定了每千瓦人民幣200元的目標(biāo)，與DOE的目標(biāo)接近[2]。

圖4 燃料電池整車(chē)成本構(gòu)成[2]

圖5 燃料電池系統(tǒng)成本構(gòu)成[2]

圖6 燃料電池電堆成本構(gòu)成[2]

通過(guò)降低質(zhì)子交換膜的厚度降低歐姆極化，通過(guò)提高催化劑的活性降低電化學(xué)極化，通過(guò)改變雙極板流場(chǎng)分布降低傳質(zhì)極化，從而提高單電池的比功率，可以有效的減低燃料電池的成本，國(guó)外的電堆比功率密度超過(guò)3.0 kW/L，國(guó)內(nèi)裝車(chē)電堆比功率密度達(dá)到2.0 kW/L[19]。

從技術(shù)上降低生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)燃料電池的商業(yè)化，使燃料電池車(chē)成本接近現(xiàn)有車(chē)輛的生產(chǎn)成本，包括商用車(chē)的運(yùn)營(yíng)成本，逐項(xiàng)完成技術(shù)突破，降低燃料電池商用車(chē)TCO是未來(lái)工作的研究方向。

4.3 耐久性的要求不斷提升

目前，燃料電池商業(yè)化面臨的另外一個(gè)障礙是其耐久性差，DOE制定的2020年的燃料電池耐久性目標(biāo)為運(yùn)行5 000 h（相當(dāng)于行駛24萬(wàn)公里）性能衰減10%以?xún)?nèi)，最終的燃料電池耐久性目標(biāo)為運(yùn)行8 000 h，并給出了一系列的燃料電池材料或部件的耐久性測(cè)試協(xié)議。國(guó)內(nèi)領(lǐng)先燃料電池廠的燃料電池耐久性已經(jīng)達(dá)到5 000 h。而對(duì)于燃料電池商用車(chē)，燃料電池耐久性應(yīng)該達(dá)到12 000 h（相當(dāng)于行駛5年），商業(yè)化的燃料電池車(chē)與該目標(biāo)差距較大，應(yīng)不斷提升燃料電池性能[33]。

影響燃料電池耐久性的主要因素為催化劑表面積的逐漸減少、質(zhì)子交換膜性能的衰減、車(chē)輛運(yùn)行工況的頻繁變動(dòng)等。催化劑表面積的減少的產(chǎn)生是因?yàn)樵谪?fù)載循環(huán)和高電極電位下的催化劑燒結(jié)和分解；在高電極電位條件下催化劑載體的耐腐蝕性也是研發(fā)催化劑面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)，特別是在負(fù)載循環(huán)和高溫工作條件下載體的腐蝕更嚴(yán)重。質(zhì)子交換膜性能的衰減由濕度變化和化學(xué)降解產(chǎn)物附著在膜上兩個(gè)主要原因?qū)е碌模瑵穸茸兓瘯?huì)使膜因含水率不同而膨脹和收縮，膨脹和收縮過(guò)程中產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力使膜損壞；雙極板和燃料電池堆的其他部件的化學(xué)降解產(chǎn)物附著在膜上，會(huì)加速膜的化學(xué)降解[32]。車(chē)輛運(yùn)行工況的頻繁變動(dòng)將引起動(dòng)力系統(tǒng)的變載，以上是由控制策略控制的，而對(duì)于燃料電池車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的變載即是燃料電池的變載，DOE對(duì)催化劑壽命評(píng)價(jià)以及燃料電池耐久性測(cè)試協(xié)議均是在燃料電池變載情況下測(cè)試的。因此，提高耐久性的未來(lái)工作研究主要方向?yàn)椋?/p>

（1）持續(xù)技術(shù)突破，提高關(guān)鍵材料的耐久性；

（2）優(yōu)化動(dòng)力系統(tǒng)和控制策略的匹配性。

5 商用車(chē)燃料電池研究策略

5.1 積極研究國(guó)家政策

氫燃料電池堆和氫燃料電池車(chē)輛是新能源汽車(chē)中技術(shù)最復(fù)雜的一個(gè)平臺(tái)，在鋰電新能源補(bǔ)貼逐步退坡的情況下，國(guó)家仍對(duì)燃料電池車(chē)輛進(jìn)行補(bǔ)貼，積極鼓勵(lì)燃料電池技術(shù)創(chuàng)新，從另一個(gè)側(cè)面展示了燃料電池的產(chǎn)業(yè)發(fā)展仍不成熟，也給商用車(chē)的燃料電池推廣應(yīng)用提供窗口機(jī)會(huì)，建議積極應(yīng)對(duì)。

5.2 制定科學(xué)的開(kāi)發(fā)規(guī)劃

相比于傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)或傳統(tǒng)汽車(chē)的產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)就相對(duì)簡(jiǎn)單多了，例如，一個(gè)完整的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)從雙極板和膜電極到電堆和系統(tǒng)，再到系統(tǒng)附件和隨車(chē)附件，大約包括大約100種零部件（不含緊固件），生產(chǎn)線也比傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)簡(jiǎn)單多了，因此，對(duì)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)最具有吸引力的是整車(chē)企業(yè)和傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的企業(yè)。但是，燃料電池畢竟是以電化學(xué)反應(yīng)為特征的化學(xué)反應(yīng)器，它涉及到材料化學(xué)、物理化學(xué)、高分子化學(xué)、化學(xué)反應(yīng)工程、電子電控、機(jī)械設(shè)計(jì)、動(dòng)力設(shè)計(jì)和流體仿真計(jì)算等學(xué)科，完全顛覆了傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力的汽車(chē)技術(shù)，需要多學(xué)科、跨行業(yè)共同努力才能突破研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化瓶頸，很難在一個(gè)封閉的整車(chē)企業(yè)和發(fā)動(dòng)機(jī)企業(yè)的小環(huán)境里實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。最后，在制定企業(yè)的燃料電池技術(shù)路線規(guī)劃時(shí)，建議仔細(xì)研究國(guó)家的技術(shù)路線圖，也就是正確識(shí)別目前技術(shù)水平條件下的商用車(chē)和乘用車(chē)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的本質(zhì)區(qū)別。

5.3 加強(qiáng)行業(yè)間的協(xié)同創(chuàng)新

燃料電池商用車(chē)產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)協(xié)同創(chuàng)新的前提是：

（1）大型車(chē)企一般都具備較為全面人力資源和開(kāi)發(fā)能力，似乎最適合進(jìn)入燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā)業(yè)務(wù)領(lǐng)域，但是，這類(lèi)企業(yè)存在機(jī)制、開(kāi)發(fā)效率以及薪酬對(duì)高端人力資源限制的問(wèn)題，難以提升開(kāi)發(fā)效率；

（2）相反，那些借助于民間資本快速成長(zhǎng)起來(lái)的一批小型的燃料電池企業(yè)，由于缺少技術(shù)積淀和體系能力，難以承受多學(xué)科集成創(chuàng)新的壓力，很難勝任技術(shù)開(kāi)發(fā)業(yè)務(wù)；

（3）強(qiáng)調(diào)行業(yè)的協(xié)同創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)鏈的整合，既單個(gè)的核心部件生產(chǎn)企業(yè)與其它鏈條上的企業(yè)進(jìn)行業(yè)務(wù)整合，節(jié)省單個(gè)小企業(yè)的開(kāi)發(fā)費(fèi)用，提高效率；

（4）大型汽車(chē)企業(yè)具備產(chǎn)品平臺(tái)資源，如能在上游的鏈條中把分部資源進(jìn)行整合，一定是商用車(chē)燃料電池開(kāi)發(fā)最有效的模式。

5.4 實(shí)踐運(yùn)營(yíng)新模式

從我國(guó)2017和2018年的燃料電池商用車(chē)市場(chǎng)分析看來(lái)，市場(chǎng)并沒(méi)有被激活，產(chǎn)能釋放存在較大的空間，例如，距離2020年10 000輛燃料電池車(chē)的市場(chǎng)規(guī)模預(yù)期仍需付出較大努力。不過(guò)，分析燃料電池商用車(chē)出貨較大的幾家企業(yè)，不難看出，凡是能找到運(yùn)營(yíng)模式，既聯(lián)合第三方構(gòu)建良好的運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景的企業(yè)，是當(dāng)前被檢驗(yàn)為適合中國(guó)國(guó)情的成功模式。

6 結(jié)束語(yǔ)

燃料電池商用車(chē)對(duì)于改善未來(lái)能源結(jié)構(gòu)、發(fā)展低碳交通具有深遠(yuǎn)意義。本文指出了商用車(chē)燃料電池未來(lái)工作的研究方向，在關(guān)鍵材料、關(guān)鍵零部件等方面不斷突破關(guān)鍵技術(shù)和不斷完善產(chǎn)業(yè)發(fā)展軟環(huán)境，提高燃料電池的比功率密度、降低燃料電池成本及提高其耐久性。中國(guó)燃料電池雖然已經(jīng)發(fā)展多年，但是與國(guó)外先進(jìn)水平相比仍有一定差距，各車(chē)企、各大高校及自主燃料電池供應(yīng)商應(yīng)注重自主研發(fā)，政府給予足夠重視及切實(shí)支持，推動(dòng)中國(guó)燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。燃料電池商用車(chē)開(kāi)發(fā)能否成功，最終還需要?jiǎng)?chuàng)新驅(qū)動(dòng)，先行者和后來(lái)者都需要重視創(chuàng)新策略研究。