2019年氫燃料電池汽車(chē)在迎來(lái)了政策與市場(chǎng)的強(qiáng)勁東風(fēng)，全國(guó)兩會(huì)期間，首次把氫能寫(xiě)入政府工作報(bào)告，政府工作報(bào)告的83處修訂中指出“推進(jìn)充電、加氫等設(shè)施建設(shè)”。

2019上海國(guó)際汽車(chē)展覽會(huì)上，燃料電池車(chē)方面，豐田MIRAI和現(xiàn)代NEXO悉數(shù)到場(chǎng)，國(guó)內(nèi)上汽、東風(fēng)等企業(yè)也發(fā)布了6款燃料電池汽車(chē)。相比之下，純電動(dòng)車(chē)則精彩紛呈：豐田電動(dòng)化“E擎”首秀，比亞迪叫板特斯拉的轎跑“漢”首秀，榮威Vision-i率先進(jìn)入5G時(shí)代；北汽EX3續(xù)航里程更是達(dá)到600公里。氫燃料電池汽車(chē)的同志們是否需996，甚至007來(lái)加速突破氫燃料電池汽車(chē)關(guān)鍵技術(shù)？

解決氫燃料電池汽車(chē)商業(yè)化的關(guān)鍵技術(shù)分析

氫燃料電池汽車(chē)要成功實(shí)現(xiàn)商業(yè)化要求其采用的燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)必須在性能、壽命和成本等方面達(dá)到與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)相當(dāng)?shù)乃剑⑶遗c其他類(lèi)型電動(dòng)汽車(chē)相比具有競(jìng)爭(zhēng)力。

1）比功率是車(chē)用燃料電池的動(dòng)力輸出指標(biāo)，它對(duì)燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)的小型化、輕量化以及成本影響最大。盡管從各方公布的數(shù)據(jù)來(lái)看，燃料電池堆的比功率已經(jīng)達(dá)到甚至超過(guò)商業(yè)化指標(biāo)要求，但進(jìn)一步提升電池堆的比功率仍然是各家領(lǐng)先車(chē)企的主要關(guān)注點(diǎn)。其原因在于：①比功率的提升可以減小電池堆的外形尺寸，為燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)提供更大的自由度，有利于保證燃料電池堆得到更佳的運(yùn)行狀態(tài)；②比功率的提升可以降低單位功率下電池堆材料的用量，有利于成本的降低。提高燃料電池堆額定工作電流和采用薄金屬雙極板是提升燃料電池堆比功率的主要技術(shù)路線，特別是膜電極（MEA）結(jié)構(gòu)與雙極板流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的同步優(yōu)化能夠有效減輕燃料電池的傳質(zhì)極化，讓額定工作電流的提高成為可能，使得相同尺寸電池堆的輸出功率大幅提升。另外，金屬薄板沖壓技術(shù)及表面改性技術(shù)的逐步成熟，使金屬雙極板的應(yīng)用成為可能，使得具有相同輸出功率的電池堆的尺寸及重量大幅降低，由此，燃料電池堆比功率指標(biāo)得到大幅提升。

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2）壽命是燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)車(chē)用的基本指標(biāo)。目前普遍認(rèn)可的要求是在性能衰減10%水平下運(yùn)行5000h（乘用車(chē)，平均車(chē)速40km/h相當(dāng)于20萬(wàn)km）。從己有的研究結(jié)果來(lái)看，燃料電池關(guān)鍵材料及零部件，如膜電極、雙極板以及密封材料的耐久性是影響燃料電池堆壽命的關(guān)鍵因素之一。其中，高耐久性膜電極的開(kāi)發(fā)得到了最多的關(guān)注。其技術(shù)難點(diǎn)在于：一方面，為了追求高的電輸出性能指標(biāo)而采用了更薄的質(zhì)子交換膜，加大了膜電極發(fā)生機(jī)械和化學(xué)衰減的風(fēng)險(xiǎn)，從而使電池壽命受到影響；另一方面，為了降低成本，要求膜電極擔(dān)載更少的貴金屬催化劑或采用復(fù)合甚至非貴金屬催化劑，這會(huì)帶來(lái)不充分或不均勻的電極反應(yīng)或催化層結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定，這同樣不利于提高燃料電池的壽命。同樣，為開(kāi)發(fā)高比功率電池堆而采用的金屬雙極板的壽命問(wèn)題也得到了更多關(guān)注，通過(guò)表面改性技術(shù)的開(kāi)發(fā)，提高其耐蝕能力是避免金屬雙極板成為電池堆壽命制約因素的關(guān)鍵。

3）優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化水管理，也是提高燃料電池堆耐久性的有效措施。美國(guó)UTC公司示范運(yùn)行的大型客車(chē)已經(jīng)成為車(chē)用燃料電池系統(tǒng)壽命考核的典型案例，截至2015年6月，在沒(méi)有更換任何部件的條件下，其在實(shí)際路況條件下運(yùn)行超過(guò)19000h。另外，由于車(chē)用環(huán)境的復(fù)雜性，包括－30。C-40°C的環(huán)境溫度變化、不同運(yùn)行路況變換以及空氣中多種雜質(zhì)的存在等，都對(duì)電池堆壽命有非常大的影響。因此，建立不同環(huán)境條件下電池堆壽命與其結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)之間的相關(guān)性，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池堆結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)化，保證電池堆良好的運(yùn)行狀態(tài)，均有利于電池堆壽命的提升。

4）成本是車(chē)用燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的導(dǎo)向性指標(biāo)。根據(jù)美國(guó)能源部估算。車(chē)用80kW燃料電池系統(tǒng)成本平均為53美元/kW（年產(chǎn)50萬(wàn)臺(tái)前提下），其中，燃料電池堆為26美元/kW。從成本敏感性因素分析來(lái)看，膜電極的比功率、貴金屬鈾的用量以及膜成本是決定成本的關(guān)鍵因素。降低成本的主要技術(shù)路徑：首先，提高電池堆的比功率，通過(guò)研究電池堆的傳質(zhì)機(jī)理，開(kāi)發(fā)優(yōu)化電池堆水管理模型，并引導(dǎo)電池關(guān)鍵材料的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)；其次，雙極板也是影響電池堆成本的重要因素，開(kāi)發(fā)更為廉價(jià)的金屬材料以及簡(jiǎn)化表面改性涂層技術(shù)是降低雙極板成本的主要研究方向。同時(shí)也要看到在目前的車(chē)用燃料電池系統(tǒng)成本中，輔助系統(tǒng)關(guān)鍵部件的成本為27美元／kW，空氣壓縮機(jī)、氫氣循環(huán)系統(tǒng)、增濕器的成本是關(guān)鍵因素,開(kāi)發(fā)自增濕燃料電池技術(shù),簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以不用或者減弱對(duì)增濕器和氫氣循環(huán)系統(tǒng)的依賴(lài)。

制約我國(guó)氫燃料電池汽車(chē)的關(guān)鍵因素

目前，制約我國(guó)氫燃料電池汽車(chē)發(fā)展的瓶頸包括燃料電池耐久性問(wèn)題、關(guān)鍵材料及核心零部件問(wèn)題與氫供給難題等技術(shù)性制約因素。

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1）燃料電池耐久性問(wèn)題。以車(chē)用燃料電池的基本要求為例，轎車(chē)用燃料電池系統(tǒng)的運(yùn)行壽命必須達(dá)到3000～5000h。國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)氫燃料電池的穩(wěn)定壽命還在3000h左右，而國(guó)際先進(jìn)技術(shù)已經(jīng)可以達(dá)到5000h以上。

2）關(guān)鍵材料和核心零部件薄弱。我國(guó)燃料電池關(guān)鍵材料和部件基礎(chǔ)比較薄弱，如燃料電池用電催化劑、質(zhì)子交換膜、炭紙等關(guān)鍵材料的開(kāi)發(fā)多停留于實(shí)驗(yàn)室和樣品階段，空氣壓縮機(jī)和氫氣回流泵等關(guān)鍵部件沒(méi)有產(chǎn)品供應(yīng)，嚴(yán)重影響到我國(guó)車(chē)用燃料電池堆技術(shù)的開(kāi)發(fā)進(jìn)程。

3）氫氣儲(chǔ)存問(wèn)題。我國(guó)使用的壓力為35MPa的碳纖維纏繞金屬內(nèi)膽氣瓶（Ⅲ型）的儲(chǔ)氫密度為3.9%，通過(guò)提高壓力到70MPa可達(dá)5%；而采用碳纖維纏繞塑料內(nèi)膽氣瓶（Ⅳ型）儲(chǔ)氫密度可以進(jìn)一步提高到5.5%。我國(guó)在Ⅳ型氣瓶方面尚沒(méi)有掌握制造技術(shù)，在70MPa的Ⅲ氣瓶方面僅有研發(fā)成果，沒(méi)有產(chǎn)品。另外，目前正在探討和研發(fā)的另外一條路徑是有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫，值得重視，國(guó)內(nèi)有一定的研究基礎(chǔ)，但缺乏示范考核。