氢燃料电池汽车的黄金时代到来

2019年氢燃料电池汽车在迎来了政策与市场的强劲东风，全国两会期间，首次把氢能写入政府工作报告，政府工作报告的83处修订中指出“推进充电、加氢等设施建设”。

2019上海国际汽车展览会上，燃料电池车方面，丰田MIRAI和现代NEXO悉数到场，国内上汽、东风等企业也发布了6款燃料电池汽车。相比之下，纯电动车则精彩纷呈：丰田电动化“E擎”首秀，比亚迪叫板特斯拉的轿跑“汉”首秀，荣威Vision-i率先进入5G时代；北汽EX3续航里程更是达到600公里。氢燃料电池汽车的同志们是否需996，甚至007来加速突破氢燃料电池汽车关键技术？

解决氢燃料电池汽车商业化的关键技术分析

氢燃料电池汽车要成功实现商业化要求其采用的燃料电池动力系统必须在性能、寿命和成本等方面达到与传统内燃机汽车相当的水平，并且与其他类型电动汽车相比具有竞争力。

1）比功率是车用燃料电池的动力输出指标，它对燃料电池动力系统的小型化、轻量化以及成本影响最大。尽管从各方公布的数据来看，燃料电池堆的比功率已经达到甚至超过商业化指标要求，但进一步提升电池堆的比功率仍然是各家领先车企的主要关注点。其原因在于：①比功率的提升可以减小电池堆的外形尺寸，为燃料电池动力系统提供更大的自由度，有利于保证燃料电池堆得到更佳的运行状态；②比功率的提升可以降低单位功率下电池堆材料的用量，有利于成本的降低。提高燃料电池堆额定工作电流和采用薄金属双极板是提升燃料电池堆比功率的主要技术路线，特别是膜电极（MEA）结构与双极板流场结构的同步优化能够有效减轻燃料电池的传质极化，让额定工作电流的提高成为可能，使得相同尺寸电池堆的输出功率大幅提升。另外，金属薄板冲压技术及表面改性技术的逐步成熟，使金属双极板的应用成为可能，使得具有相同输出功率的电池堆的尺寸及重量大幅降低，由此，燃料电池堆比功率指标得到大幅提升。

2）寿命是燃料电池动力系统实现车用的基本指标。目前普遍认可的要求是在性能衰减10%水平下运行5000h（乘用车，平均车速40km/h相当于20万km）。从己有的研究结果来看，燃料电池关键材料及零部件，如膜电极、双极板以及密封材料的耐久性是影响燃料电池堆寿命的关键因素之一。其中，高耐久性膜电极的开发得到了最多的关注。其技术难点在于：一方面，为了追求高的电输出性能指标而采用了更薄的质子交换膜，加大了膜电极发生机械和化学衰减的风险，从而使电池寿命受到影响；另一方面，为了降低成本，要求膜电极担载更少的贵金属催化剂或采用复合甚至非贵金属催化剂，这会带来不充分或不均匀的电极反应或催化层结构的不稳定，这同样不利于提高燃料电池的寿命。同样，为开发高比功率电池堆而采用的金属双极板的寿命问题也得到了更多关注，通过表面改性技术的开发，提高其耐蚀能力是避免金属双极板成为电池堆寿命制约因素的关键。

3）优化系统结构，强化水管理，也是提高燃料电池堆耐久性的有效措施。美国UTC公司示范运行的大型客车已经成为车用燃料电池系统寿命考核的典型案例，截至2015年6月，在没有更换任何部件的条件下，其在实际路况条件下运行超过19000h。另外，由于车用环境的复杂性，包括－30。C-40°C的环境温度变化、不同运行路况变换以及空气中多种杂质的存在等，都对电池堆寿命有非常大的影响。因此，建立不同环境条件下电池堆寿命与其结构及系统设计之间的相关性，实现对电池堆结构及系统设计的优化，保证电池堆良好的运行状态，均有利于电池堆寿命的提升。

4）成本是车用燃料电池动力系统开发的导向性指标。根据美国能源部估算。车用80kW燃料电池系统成本平均为53美元/kW（年产50万台前提下），其中，燃料电池堆为26美元/kW。从成本敏感性因素分析来看，膜电极的比功率、贵金属铀的用量以及膜成本是决定成本的关键因素。降低成本的主要技术路径：首先，提高电池堆的比功率，通过研究电池堆的传质机理，开发优化电池堆水管理模型，并引导电池关键材料的设计和开发；其次，双极板也是影响电池堆成本的重要因素，开发更为廉价的金属材料以及简化表面改性涂层技术是降低双极板成本的主要研究方向。同时也要看到在目前的车用燃料电池系统成本中，辅助系统关键部件的成本为27美元／kW，空气压缩机、氢气循环系统、增湿器的成本是关键因素,开发自增湿燃料电池技术,简化系统设计可以不用或者减弱对增湿器和氢气循环系统的依赖。

制约我国氢燃料电池汽车的关键因素

目前，制约我国氢燃料电池汽车发展的瓶颈包括燃料电池耐久性问题、关键材料及核心零部件问题与氢供给难题等技术性制约因素。

1）燃料电池耐久性问题。以车用燃料电池的基本要求为例，轿车用燃料电池系统的运行寿命必须达到3000～5000h。国内相关企业氢燃料电池的稳定寿命还在3000h左右，而国际先进技术已经可以达到5000h以上。

2）关键材料和核心零部件薄弱。我国燃料电池关键材料和部件基础比较薄弱，如燃料电池用电催化剂、质子交换膜、炭纸等关键材料的开发多停留于实验室和样品阶段，空气压缩机和氢气回流泵等关键部件没有产品供应，严重影响到我国车用燃料电池堆技术的开发进程。

3）氢气储存问题。我国使用的压力为35MPa的碳纤维缠绕金属内胆气瓶（Ⅲ型）的储氢密度为3.9%，通过提高压力到70MPa可达5%；而采用碳纤维缠绕塑料内胆气瓶（Ⅳ型）储氢密度可以进一步提高到5.5%。我国在Ⅳ型气瓶方面尚没有掌握制造技术，在70MPa的Ⅲ气瓶方面仅有研发成果，没有产品。另外，目前正在探讨和研发的另外一条路径是有机液态储氢，值得重视，国内有一定的研究基础，但缺乏示范考核。