商用車燃料電池技術研究進展

朱雅男 張克金 于力娜 崔新然 倪大龍

（一汽解放汽車有限公司 商用車開發院，長春 130011）

主題詞：商用車 燃料電池 膜電極 雙極板

1 前言

目前，全球能源及環境問題越來越嚴重，世界各國能源與交通領域都在做技術的換代和升級，公共交通領域采取新能源車技術來降低排放、降低噪聲污染、減少對石油的依賴，這是全社會降低二氧化碳排放、阻止全球變暖采取的重要舉措之一。全球交通領域采取的低碳舉措是采用新能源汽車，新能源汽車有不同的類型，其中燃料電池車因為具有“零排放”、噪聲小、在燃料上實現對燃油的完全替代、補加燃料時間短、續駛里程長等特點[1]，因而被認為是實現未來汽車工業可持續發展的重要方向之一，也是解決全球能源和環境問題的理想方案之一[2]。

如圖1是新能源汽車中的電動汽車、混合動力汽車和燃料電池車綜合性能比較，燃料電池車與其他兩類汽車比較，在動力性、補加燃料時間和續駛里程方面有優勢。對于續駛里程較長、動力性能要求較高、汽車體積較大的車輛，更適合的能量來源為柴油及氫氣，并且商用車運行在相對固定的線路上對加氫站依賴性較乘用車低，因此目前燃料電池汽車從商用車切入比較合適。

圖1 三類新能源汽車綜合性能比較[3]

新能源汽車被國家確定為戰略新興產業和重點推進領域，在國家頂層設計中獲得了高度重視。2015年國務院印發的《中國制造2025》明確指出“節能與新能源汽車”作為重點發展領域，明確了指出燃料電池汽車的發展。2016年以來，《國家創新驅動發展戰略綱要》、《“十三五”國家戰略性新興產業發展規劃》等一系列政策措施的提出，將推動企業開發氫能和氫燃料電池等新一代能源技術，鼓勵企業到2020年實現批量生產氫燃料電池汽車和規模化示范應用。科技部也提出了《能源技術創新“十三五”規劃》、《可再生能源中長期發展規劃》，在國家重點研發計劃中啟動實施“可再生能源與氫能技術”重點專項，在技術層面上推動氫燃料電池汽車共性技術的突破。

由于氫燃料電池汽車技術完全顛覆了傳統汽車技術，雖然在試驗室階段取得了很多突破，但在產業化的道路上仍然有很長的路要走，有許多關鍵技術需要突破產業化瓶頸，如膜電極、催化劑等，而開發低成本燃料電池技術對于降低商用車生命周期成本(Total Cost of Ownership,TCO)意義重大，對于推動產業化進程意義重大。本文深入挖掘國際上氫燃料電池汽車創新技術的文獻，總結了國際上商用車燃料電池汽車技術發展現狀與趨勢，對國內商用車燃料電池汽車核心技術的研發提供參考。

根據The Fuel Cell Industry Review的統計，2014年～2018年質子交換膜燃料電池出貨量一直遠超其他類型的燃料電池。目前質子交換膜燃料電池是中國燃料電池商用車動力系統的主要技術路線[4]。

有鑒于此，本文對質子交換膜燃料電池的原理、結構、影響商用車燃料電池應用的主要問題等進行了梳理與分析，并提出了未來工作的研究方向。

2 商用車燃料電池的工作原理

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

圖2 質子交換膜燃料電池工作原理圖[5]

陽極為氫電極，陰極為氧電極，H2通過擴散到達陽極，在催化劑作用下生成H＋和e－，H＋直接穿過質子交換膜到達陰極，而電子由陽極通過外電路形成電流，帶動負載做功后也到達陰極，與陰極的O2發生還原反應生成水排出，并放出熱量。只要陽極不斷輸入氫氣，陰極不斷輸入氧氣，電化學反應就會連續不斷地進行下去，從而持續形成電流帶動負載工作。相比與作為能量儲存裝置的傳統電池而言，燃料電池實質上是一種將化學能直接轉換為電能的能量轉換裝置[6]。

3 商用車燃料電池的結構分析

質子交換膜燃料電池堆是由幾十到幾百個單電池構成的，其中一個單電池主要由膜電極和雙極板等部件構成的。其結構示意圖如圖3所示。

圖3 質子交換膜燃料電池單電池結構示意圖

3.1 膜電極

膜電極是燃料電池的核心部件，是氫氣和氧氣反應生成水的電化學反應場所。對質子交換膜燃料電池的能量密度、耐久性、輸出功率、成本至關重要。

膜電極具有類似三明治的結構，包括固體電解質（質子交換膜）、陰陽極催化劑層和陰陽極氣體擴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極催化劑層的質子交換膜稱為“三合一”膜電極；將包括有陰陽極催化劑層、陰陽極氣體擴散層和質子交換膜的膜電極稱為“五合一”膜電極或者“七合一”膜電極（包括密封墊片）[7-8]。

膜電極技術經歷了幾代關鍵技術，大體可分為熱壓法、CCM法和有序化膜電極三種類型。將催化劑層涂覆在氣體擴散層上，再將質子交換膜夾在兩層氣體擴散層之間進行熱壓（熱壓法）制成的膜電極，又被稱為GDE（Gas Diffusion Electrode）型膜電極[9]，該方法催化層較厚，鉑利用率低。將催化劑通過轉印法或者直接噴涂法制備到質子交換膜兩面而制成的膜電極稱為CCM（Catalyst Coating Membrane）型膜電極[10]，CCM型為當前的膜電極較常用的制備方法，其優勢為電極催化劑層與膜緊密結合，防止由催化劑層與質子交換膜溶脹性不同而導致催化劑層與膜的剝離，同時提高催化劑的利用率，降低鉑的擔載量，但是缺點為催化劑層沒有疏水劑，氣體通道較少，氣、水傳輸阻力較大，容易導致膜電極的“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]。納米材料的發展，如納米管材料、納米線材料，使膜電極發展到有序化膜電極，有序化膜電極降低了膜電極的厚度并且結構可控，與傳統膜電極比較，具有較大的每單位體積的反應活性面積，是下一代膜電極制備技術的研究方向[12-13]。

隨著材料及制備技術兩方面的進步，膜電極的功率密度取得了很大的進步，國外的膜電極主流產品功率密度可達到1.8 W/cm2，國內的膜電極最高功率密度達到1 W/cm2[14]。

膜電極的供應商分為兩類，一種是具備膜電極產業化能力，能夠自給自足的燃料電池整車或電堆主機廠，以豐田和Ballard為代表。另一種是獨立的專業膜電極供應商，如國外的Gore、JM、3M、Toray（Greenerity）和國內的武漢理工新能源等，都已經具備不同程度的自動化生產線，年產能在數千平方米到數萬平方米[15]。

3.1.1 質子交換膜

質子交換膜是一種選擇性透過的膜，具有較高的質子透過能力，防止陽極的氫氣和陰極的氧氣接觸，在燃料電池酸性環境中具有好的機械穩定性和化學穩定性，并且是催化劑的載體[16]。

質子交換膜根據組成分為全氟磺酸質子交換膜、以聚四氟乙烯（Poly tetra fluoroethylene,PTFE）多孔膜為基底的復合膜、部分氟化的質子交換膜、非氟化的質子交換膜[17]。全氟磺酸質子交換膜因其機械強度高、化學穩定性好、質子傳導電阻小、電導率較高、低溫時電流密度大等優勢，得到廣泛應用。

根據美國能源部（Department of Energy,DOE）的2020年目標，質子交換膜機械耐久性達到20 000次，化學耐久性達到500 h。目前國內山東東岳集團的質子交換膜機械耐久性超過21 000次，化學耐久性大于620 h，已經達到并超過DOE的2020年目標[18]。

采用薄的增強復合膜，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、提高機械強度是未來全氟磺酸膜的研究方向[22]。

國際上知名的質子交換膜的包括美國杜邦Nafion膜、陶氏公司的Dow系列質子交換膜、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膜應用最廣。國內知名的質子交換膜包括山東東岳化工集團公司研制的含氟功能膜材料，已經具備規模化生產能力，已進入國際市場。

3.1.2 催化劑

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

催化劑根據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、較高的化學穩定性，得到廣泛應用。因鉑的價格昂貴和稀有性，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的研究方向[24]。根據DOE的2020年目標達到 0.125 mg PGM/cm2(Platinum Group Met,PGM)，單車鉑用量與現有單車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，加快反應過程，降低電化學極化，提高電池電壓，是提高單電池的比功率的方法之一[19]。

催化劑占領市場份額較大的國外供應商為英國的Johnson Matthey、日本的田中（本田Clarity催化劑的供應商）。國內催化劑供應商與國外的催化劑技術差距正在不斷縮小，清華大學與武漢喜瑪拉雅聯合開發的催化劑已經量產[25]；貴研鉑業的催化劑進入實驗室放大階段[26]。

3.1.3 氣體擴散層

氣體擴散層（Gas Diffusion Layer,GDL）的主要功能是提供機械支撐、排出反應生成的水、導通電流。性能優異的氣體擴散層應具有一定的機械強度、收集陽極產生的電流、為陰極輸送電子、較低的接觸電阻、高孔隙率、適宜的孔分布、良好的化學穩定性和良好的導熱性能[27-28]。

氣體擴散層是由支撐層和涂覆在支撐層一側的微孔層組成。支撐層一般為多孔的碳布、碳紙和無紡材料等，厚度為100 μm～400 μm，在氣體擴散層內有憎水的反應氣體通道和親水的液態水傳輸通道，因此需要用PTFE乳液對支撐層做憎水處理。微孔層為改善支撐層孔隙結構的一層碳粉，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]。

氣體擴散層是目前燃料電池堆各部件中技術水平最成熟的產品。市售的產品多為碳紙，少數廠家銷售氣體擴散層，碳紙的國外供應商為日本東麗、德國SGL、加拿大的Ballard等。國內碳紙目前為小批量的生產水平，供應商為臺灣碳能科技公司、上海河森公司等。氣體擴散層能夠批量化生產，提高產品性能一致性是未來工作的研究重點。

3.2 雙極板

雙極板能夠分隔氫氣和氧氣，因此應該有良好的阻氣性；電池堆溫度分布均勻及具有良好的換熱策略，因此應該具有良好的導熱性；保持電池堆的結構穩定，因此應該具有較好的機械強度；應在酸性、濕度高、氫氣和氧氣的環境中工作，因此應該有優異的耐腐蝕性；能夠集聚和傳輸電流，因此應該有良好的導電性；雙極板還應具有材料易于加工可批量生產、材料及生產加工成本低等特點[31]。三類材料已經用于燃料電池雙極板，分別為石墨、金屬和復合材料。

石墨雙極板具有良好的化學穩定性、高導電率等特點。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。因為材料組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械強度更高、生產效率更高、降低生產成本、適于批量化生產[32]，模壓成型的石墨雙極板也被稱為石墨復合雙極板或柔性石墨雙極板。石墨雙極板因為耐久性長，廣泛應用于商用車。石墨雙極板的國外供應商為美國POCO、美國SHF、美國 Graftech、日本 FujikuraRubber LTD、日本 Kyushu Refractories、英國Bac2等[15]，石墨雙極板國產化程度高，國內供應商有上海弘竣等。

金屬雙極板適用于批量生產（沖壓、壓印），并且由于能夠做得很薄（＜1 mm）從而可使得電池堆更加緊湊和輕巧，相對于石墨雙極板有更高的功率密度，因此成為乘用車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電的涂層[5]。金屬雙極板的國外供應商包括瑞典的Cellimpact、德國的Dana和Grabener、美國Treadstone等，金屬雙極板的國內供應商較少，如上海治臻新能源裝備有限公司等[15]。

復合雙極板包括復合石墨/金屬板，Ballard申請了由兩個壓印石墨箔與其中間的一個薄金屬片構成雙極板的專利，結合了兩個石墨（耐腐蝕性）和金屬板（抗滲透性和結構剛度）的優點，從而構成了質量輕、耐久性強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]。復合材料雙極板的國外供應商有英國Porvair、美國ORNL等，國內供應商有北京氫璞創能科技有限公司等。

雙極板流場的作用為引導反應氣流方向，保證反應氣均勻分配，通過氣體擴散層到達催化劑層發生電化學反應。目前已經應用較多的流場為條形流場、蛇形流場等，流場采用新型流場，如豐田Mirai的3D流場，有利于傳質，降低傳質極化，是提高單電池的比功率的方法之一[19]。

4 商用車燃料電池發展的影響因素

商用車燃料電池在國內外研究并發展了多年，中國政府支持政策正在不斷出臺，許多領域的關鍵技術還沒有完全突破，商用車燃料電池的發展存在諸多影響因素。

4.1 基礎設施有待完善

加快我國氫能源基礎設施建設，促進氫燃料電池汽車全面均衡發展。與燃料電池車產業鏈相關的基礎設施建設不足的原因可能有：國內制氫、儲氫、運輸、加氫等核心技術落后，加氫站建設審批流程繁雜，加氫站的關鍵設備本土化及自主化程度低，加氫站建設及運營政府補貼力度不足等等。

與乘用車運營路線比較，商用車的運營路線比較固定。燃料電池商用車續駛里程400 km以上，在商用車的典型運營路線上建設加氫站，可在目前中國加氫站密度低的情況下，帶動中國燃料電池車市場，并大幅度降低因重型商用車排放導致的環境污染。

目前電解水制氫是獲得氫最簡單最直接的方法，但耗電量極大。可改變或優化制氫的方法，降低氫的生產成本，如工業廢氣純化、使用催化劑化學方法制氫、甲烷水蒸氣轉化工藝（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，是燃料電池車推廣的核心問題之一。DOE對燃料電池車從整車、燃料電池系統、電堆成本構成進行了分析，得出了各部件成本的具體百分比，如圖4～圖6所示[2]。根據DOE的研究，目前燃料電池系統成本已從2006年的每千瓦280美元（約合人民幣1 880元，電堆批量化生產能力為每年2萬輛）降低到每千瓦53美元（約合人民幣355元，電堆批量化生產能力為每年50萬輛）和每千瓦60美元（約合人民幣402元，電堆批量化生產能力為每年10萬輛），未來通過技術進步和更大批量生產，還有望進一步降低成本，實現每千瓦30美元（約合人民幣201元）的長期目標[33]。中國燃料電池系統的實際成本目前約每千瓦人民幣5 000元，差距明顯，不過中國也制定了每千瓦人民幣200元的目標，與DOE的目標接近[2]。

圖4 燃料電池整車成本構成[2]

圖5 燃料電池系統成本構成[2]

圖6 燃料電池電堆成本構成[2]

通過降低質子交換膜的厚度降低歐姆極化，通過提高催化劑的活性降低電化學極化，通過改變雙極板流場分布降低傳質極化，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，國外的電堆比功率密度超過3.0 kW/L，國內裝車電堆比功率密度達到2.0 kW/L[19]。

從技術上降低生產成本，實現燃料電池的商業化，使燃料電池車成本接近現有車輛的生產成本，包括商用車的運營成本，逐項完成技術突破，降低燃料電池商用車TCO是未來工作的研究方向。

4.3 耐久性的要求不斷提升

目前，燃料電池商業化面臨的另外一個障礙是其耐久性差，DOE制定的2020年的燃料電池耐久性目標為運行5 000 h（相當于行駛24萬公里）性能衰減10%以內，最終的燃料電池耐久性目標為運行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試協議。國內領先燃料電池廠的燃料電池耐久性已經達到5 000 h。而對于燃料電池商用車，燃料電池耐久性應該達到12 000 h（相當于行駛5年），商業化的燃料電池車與該目標差距較大，應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、質子交換膜性能的衰減、車輛運行工況的頻繁變動等。催化劑表面積的減少的產生是因為在負載循環和高電極電位下的催化劑燒結和分解；在高電極電位條件下催化劑載體的耐腐蝕性也是研發催化劑面臨的一個挑戰，特別是在負載循環和高溫工作條件下載體的腐蝕更嚴重。質子交換膜性能的衰減由濕度變化和化學降解產物附著在膜上兩個主要原因導致的，濕度變化會使膜因含水率不同而膨脹和收縮，膨脹和收縮過程中產生的機械應力使膜損壞；雙極板和燃料電池堆的其他部件的化學降解產物附著在膜上，會加速膜的化學降解[32]。車輛運行工況的頻繁變動將引起動力系統的變載，以上是由控制策略控制的，而對于燃料電池車動力系統的變載即是燃料電池的變載，DOE對催化劑壽命評價以及燃料電池耐久性測試協議均是在燃料電池變載情況下測試的。因此，提高耐久性的未來工作研究主要方向為：

（1）持續技術突破，提高關鍵材料的耐久性；

（2）優化動力系統和控制策略的匹配性。

5 商用車燃料電池研究策略

5.1 積極研究國家政策

氫燃料電池堆和氫燃料電池車輛是新能源汽車中技術最復雜的一個平臺，在鋰電新能源補貼逐步退坡的情況下，國家仍對燃料電池車輛進行補貼，積極鼓勵燃料電池技術創新，從另一個側面展示了燃料電池的產業發展仍不成熟，也給商用車的燃料電池推廣應用提供窗口機會，建議積極應對。

5.2 制定科學的開發規劃

相比于傳統的內燃機或傳統汽車的產業鏈結構，燃料電池發動機系統就相對簡單多了，例如，一個完整的燃料電池發動機從雙極板和膜電極到電堆和系統，再到系統附件和隨車附件，大約包括大約100種零部件（不含緊固件），生產線也比傳統的內燃機簡單多了，因此，對燃料電池發動機最具有吸引力的是整車企業和傳統內燃機的企業。但是，燃料電池畢竟是以電化學反應為特征的化學反應器，它涉及到材料化學、物理化學、高分子化學、化學反應工程、電子電控、機械設計、動力設計和流體仿真計算等學科，完全顛覆了傳統內燃機動力的汽車技術，需要多學科、跨行業共同努力才能突破研發和產業化瓶頸，很難在一個封閉的整車企業和發動機企業的小環境里實現產業化。最后，在制定企業的燃料電池技術路線規劃時，建議仔細研究國家的技術路線圖，也就是正確識別目前技術水平條件下的商用車和乘用車燃料電池發動機的本質區別。

5.3 加強行業間的協同創新

燃料電池商用車產業化開發協同創新的前提是：

（1）大型車企一般都具備較為全面人力資源和開發能力，似乎最適合進入燃料電池發動機的開發業務領域，但是，這類企業存在機制、開發效率以及薪酬對高端人力資源限制的問題，難以提升開發效率；

（2）相反，那些借助于民間資本快速成長起來的一批小型的燃料電池企業，由于缺少技術積淀和體系能力，難以承受多學科集成創新的壓力，很難勝任技術開發業務；

（3）強調行業的協同創新和產業鏈的整合，既單個的核心部件生產企業與其它鏈條上的企業進行業務整合，節省單個小企業的開發費用，提高效率；

（4）大型汽車企業具備產品平臺資源，如能在上游的鏈條中把分部資源進行整合，一定是商用車燃料電池開發最有效的模式。

5.4 實踐運營新模式

從我國2017和2018年的燃料電池商用車市場分析看來，市場并沒有被激活，產能釋放存在較大的空間，例如，距離2020年10 000輛燃料電池車的市場規模預期仍需付出較大努力。不過，分析燃料電池商用車出貨較大的幾家企業，不難看出，凡是能找到運營模式，既聯合第三方構建良好的運營場景的企業，是當前被檢驗為適合中國國情的成功模式。

6 結束語

燃料電池商用車對于改善未來能源結構、發展低碳交通具有深遠意義。本文指出了商用車燃料電池未來工作的研究方向，在關鍵材料、關鍵零部件等方面不斷突破關鍵技術和不斷完善產業發展軟環境，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。中國燃料電池雖然已經發展多年，但是與國外先進水平相比仍有一定差距，各車企、各大高校及自主燃料電池供應商應注重自主研發，政府給予足夠重視及切實支持，推動中國燃料電池汽車產業的快速發展。燃料電池商用車開發能否成功，最終還需要創新驅動，先行者和后來者都需要重視創新策略研究。