目前，环球能源及情况题目越来越主要，全国各国能源与交通界限都正在做本领的换代和升级，群众交通界限选用新能源车本领来消重排放、消重噪声污染、节减对石油的依

目前，环球能源及情况题目越来越主要，全国各国能源与交通界限都正在做本领的换代和升级，群众交通界限选用新能源车本领来消重排放、消重噪声污染、节减对石油的依赖，这是全社会消重二氧化碳排放、障碍环球变暖选用的紧要方法之一。环球交通界限选用的低碳方法是采用新能源汽车，新能源汽车有分歧的类型，个中燃料电池车由于具有“零排放”、噪声小、正在燃料上竣工对燃油的全部代替、补加燃料年华短、续驶里程长等特质，因此被以为是竣工将来汽车工业可陆续生长的紧要倾向之一，也是办理环球能源和情况题目的理念计划之一。

如图1是新能源汽车中的电动汽车、搀杂动力汽车和燃料电池车归纳职能对照，燃料电池车与其他两类汽车对照，正在动力性、补加燃料年华和续驶里程方面有上风。看待续驶里程较长、动力职能央浼较高、汽车体积较大的车辆，更适合的能量起原为柴油及氢气，而且商用车运转正在相对固定的线道上对加氢站依赖性较乘用车低，于是目前燃料电池汽车从商用车切入对照适应。

新能源汽车被国家确定为战术新兴财富和中心促进界限，正在国家顶层安排中取得了高度珍惜。2015年国务院印发的《中国创筑2025》真切指出“节能与新能源汽车”行为中心生长界限，真切了指出燃料电池汽车的生长。2016年今后，《国家立异驱动生长战术提纲》、《“十三五”国家战术性新兴财富生长谋划》等一系列战略设施的提出，将胀动企业开拓氢能和氢燃料电池等新一代能源本领，勉励企业到2020年竣工批量临盆氢燃料电池汽车和领域化树范利用。科技部也提出了《能源本领立异“十三五”谋划》、《可再生能源中长久生长谋划》，正在国家中心研发安放中启动施行“可再生能源与氢能本领”中心专项，正在本领层面上胀动氢燃料电池汽车共性本领的打破。因为氢燃料电池汽车本领全部打倒了古代汽车本领，固然正在试验室阶段获得了许众打破，但正在财富化的道道上还是有很长的道要走，有很众要害本领需求打破财富化瓶颈，如膜电极、催化剂等，而开拓低本钱燃料电池本领看待消重商用车性命周期本钱(Total Cost of Ownership,TCO)旨趣宏大，看待胀动财富化过程旨趣宏大。本文深切开掘国际上氢燃料电池汽车立异本领的文献，总结了国际上商用车燃料电池汽车本领公布现状与趋向，对国内商用车燃料电池汽车主旨本领的研发供应参考。

依照The Fuel Cell Industry Review的统计，2014年～2018年质子互换膜燃料电池出货量不停远超其他类型的燃料电池。目前质子互换膜燃料电池是中国燃料电池商用车动力体系的合键本领途径。

有鉴于此，本文对证子互换膜燃料电池的道理、机合、影响商用车燃料电池利用的合键题目等举办了梳理与明白，并提出了将来就业的磋商倾向。

质子互换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC），图2为其就业道理示企图。

阳极为氢电极，阴极为氧电极，H2通过扩散来到阳极，正在催化剂效用下天生H＋和e－，H＋直接穿过质子互换膜来到阴极，而电子由阳极通过外电道酿成电流，策动负载做功后也来到阴极，与阴极的O2爆发还原反映天生水排出，并放出热量。只须阳极一向输入氢气，阴极一向输入氧气，电化学反映就会接二连三地举办下去，从而陆续酿成电流策动负载就业。比拟与行为能量储蓄安装的古代电池而言，燃料电池本色上是一种将化学能直接转换为电能的能量转换安装。

质子互换膜燃料电池堆是由几十到几百个单电池组成的，个中一个单电池合键由膜电极和双极板等部件组成的。其机合示企图如图3所示。

3.1 膜电极膜电极是燃料电池的主旨部件，是氢气和氧气反映天生水的电化学反映位置。对证子互换膜燃料电池的能量密度、耐久性、输出功率、本钱至合紧要。

膜电极具有雷同三明治的机合，席卷固体电解质（质子互换膜）、阴阳极催化剂层和阴阳极气体扩散层集成正在一齐成为膜电极（Membrane Electrode Assembly，MEA）。每每将涂覆由阴极和阳极催化剂层的质子互换膜称为“三合一”膜电极；将席卷有阴阳极催化剂层、阴阳极气体扩散层和质子互换膜的膜电极称为“五合一”膜电极或者“七合一”膜电极（席卷密封垫片）。膜电极本领始末了几代要害本领，梗概可分为热压法、CCM法和有序化膜电极三品种型。将催化剂层涂覆正在气体扩散层上，再将质子互换膜夹正在两层气体扩散层之间举办热压（热压法）制成的膜电极，又被称为GDE（Gas Diffusion Electrode）型膜电极，该办法催化层较厚，铂欺骗率低。将催化剂通过转印法或者直接喷涂法制备到质子互换膜两面而制成的膜电极称为CCM（Catalyst Coating Membrane）型膜电极，CCM型为如今的膜电极较常用的制备办法，其上风为电极催化剂层与膜密切联合，抗御由催化剂层与质子互换膜溶胀性分歧而导致催化剂层与膜的剥离，同时普及催化剂的欺骗率，消重铂的担载量，可是坏处为催化剂层没有疏水剂，气体通道较少，气、水传输阻力较大，容易导致膜电极的“水淹”，为了节减气、水传输阻力，催化剂层大凡需局限正在10 μm以下。纳米原料的生长，如纳米管原料、纳米线原料，使膜电极生长到有序化膜电极，有序化膜电极消重了膜电极的厚度而且机合可控，与古代膜电极对照，具有较大的每单元体积的反映活性面积，是下一代膜电极制备本领的磋商倾向。

跟着原料及制备本领两方面的前进，膜电极的功率密度获得了很大的前进，海外的膜电极主流产物功率密度可抵达1.8 W/cm2，国内的膜电极最高功率密度抵达1 W/cm。

膜电极的供应商分为两类，一种是具备膜电极财富化才气，也许自给自足的燃料电池整车或电堆主机厂，以丰田和Ballard为代表。另一种是独立的专业膜电极供应商，如海外的Gore、JM、3M、Toray（Greenerity）和国内的武汉理工新能源等，都仍然具备分歧水平的自愿化临盆线，年产能正在数千平方米到数万平方米。

3.1.1 质子互换膜质子互换膜是一种拣选性透过的膜，具有较高的质子透过才气，抗御阳极的氢气和阴极的氧气接触，正在燃料电池酸性情况中具有好的机器宁静性和化学宁静性，而且是催化剂的载体。

质子互换膜依照构成分为全氟磺酸质子互换膜、以聚四氟乙烯（Poly tetra fluoroethylene,PTFE）众孔膜为基底的复合膜、部门氟化的质子互换膜、非氟化的质子互换膜。全氟磺酸质子互换膜因其机器强度高、化学宁静性好、质子传导电阻小、电导率较高、低温时电流密度大等上风，取得广博利用。

依照美国能源部（Department of Energy,DOE）的2020年方针，质子互换膜机器耐久性抵达20 000次，化学耐久性抵达500 h。目前国内山东东岳集团的质子互换膜机器耐久性横跨21 000次，化学耐久性大于620 h，仍然抵达并横跨DOE的2020年方针。

采用薄的加强复合膜，消重欧姆极化，是普及单电池的比功率的办法之一，目前墟市应用较众的为杜邦NR211，膜厚约为25 μm，而山东东岳DF260膜厚度为15 μm，可有用消重欧姆极化。消重膜厚度、普及机器强度是将来全氟磺酸膜的磋商倾向。

国际上着名的质子互换膜的席卷美国杜邦Nafion膜、陶氏公司的Dow系列质子互换膜、Gore公司的Core－Select膜、3M公司全氟磺酸膜、日本旭化成公司Aciplex膜和日本旭叫子公司的Flemion膜等，个中Nafion膜利用最广。国内着名的质子互换膜席卷山东东岳化工集团公司研制的含氟效用膜原料，仍然具备领域化临盆才气，已进入国际墟市。

3.1.2 催化剂催化剂的合键效用是消重电极反映的活化能，普及反映速率，是普及质子互换膜燃料电池能量转换结果的要害。催化剂的职能定夺了质子互换的反映速度和应用效率。

催化剂依照构成分歧分为低铂催化剂、铂合金催化剂、非铂催化剂。低铂催化剂因其较好的催化活性、较高的化学宁静性，取得广博利用。因铂的价值腾贵和珍稀性，正在催化剂碳载体的轮廓上平均漫衍大轮廓积的细微铂颗粒，普及铂的欺骗率和节减铂的用量是将来的磋商倾向。依照DOE的2020年方针抵达 0.125 mg PGM/cm2(Platinum Group Met,PGM)，单车铂用量与现有单车尾气后统治安装三元催化器的铂用量持平。

应用高活性的氧化还原催化剂，加快反映经过，消重电化学极化，普及电池电压，是普及单电池的比功率的办法之一。催化剂攻陷墟市份额较大的海外供应商为英国的Johnson Matthey、日本的田中（本田Clarity催化剂的供应商）。国内催化剂供应商与海外的催化剂本领差异正正在一向缩小，清华大学与武汉喜玛拉雅连合开拓的催化剂仍然量产；贵研铂业的催化剂进入实践室放大阶段。

气体扩散层（Gas Diffusion Layer,GDL）的合键效用是供应机器支柱、排出反映天生的水、导通电流。职能优异的气体扩散层应具有肯定的机器强度、征求阳极形成的电流、为阴极输送电子、较低的接触电阻、高孔隙率、适宜的孔漫衍、优良的化学宁静性和优良的导热职能。

气体扩散层是由支柱层和涂覆正在支柱层一侧的微孔层构成。支柱层大凡为众孔的碳布、碳纸和无纺原料等，厚度为100 μm～400 μm，正在气体扩散层内有憎水的反映气体通道和亲水的液态水传输通道，于是需求用PTFE乳液对支柱层做憎水统治。微孔层为改良支柱层孔隙机合的一层碳粉，厚度约为10 μm～100 μm，方针是消重支柱层和催化剂层之间的接触电阻，负气体和水再分拨。

气体扩散层是目前燃料电池堆各部件中本领秤谌最成熟的产物。市售的产物众为碳纸，少数厂家出售气体扩散层，碳纸的海外供应商为日本东丽、德国SGL、加拿大的Ballard等。国内碳纸目前为小批量的临盆秤谌，供应商为台湾碳能科技公司、上海河森公司等。气体扩散层也许批量化临盆，普及产物职能相同性是将来就业的磋商中心。

3.2 双极板双极板也许隔离氢气和氧气，于是该当有优良的阻气性；电池堆温度漫衍平均及具有优良的换热战术，于是该当具有优良的导热性；维系电池堆的机合宁静，于是该当具有较好的机器强度；应正在酸性、湿度高、氢气和氧气的情况中就业，于是该当有优异的耐腐化性；也许集聚和传输电流，于是该当有优良的导电性；双极板还应具有原料易于加工可批量临盆、原料及临盆加工本钱低等特质。三类原料仍然用于燃料电池双极板，分裂为石墨、金属和复合原料。

石墨双极板具有优良的化学宁静性、高导电率等特质。加工体例为雕塑和模压，雕塑成型的原料合键为石墨，模压成型的原料合键为石墨和聚集物。由于原料构成及加工体例等分歧，模压成型的双极板与雕塑成型的双极板比拟较机器强度更高、临盆结果更高、消重临盆本钱、适于批量化临盆，模压成型的石墨双极板也被称为石墨复合双极板或柔性石墨双极板。石墨双极板由于耐久性长，广博利用于商用车。石墨双极板的海外供应商为美国POCO、美国SHF、美国 Graftech、日本 FujikuraRubber LTD、日本 Kyushu Refractories、英国Bac2等，石墨双极板国产化水平高，国内供应商有上海弘竣等。

金属双极板合用于批量临盆（冲压、压印），而且因为也许做得很薄（＜1 mm）从而可使得电池堆愈加紧凑和轻盈，相看待石墨双极板有更高的功率密度，于是成为乘用车燃料电池的主流双极板。金属双极板务必足够笼盖非腐化性又导电的涂层。金属双极板的海外供应商席卷瑞典的Cellimpact、德国的Dana和Grabener、美国Treadstone等，金属双极板的国内供应商较少，如上海治臻新能源配备有限公司等。复合双极板席卷复合石墨/金属板，Ballard申请了由两个压印石墨箔与个中央的一个薄金属片组成双极板的专利，联合了两个石墨（耐腐化性）和金属板（抗渗入性和机合刚度）的利益，从而组成了质料轻、耐久性强且易于创筑的双极板，因为石墨箔的相同性，其接触电阻出格小。复合原料双极板的海外供应商有英国Porvair、美国ORNL等，国内供应商有北京氢璞创能科技有限公司等。双极板流场的效用为诱导反映气流倾向，保障反映气平均分拨，通过气体扩散层来到催化剂层爆发电化学反映。目前仍然利用较众的流场为条形流场、蛇形流场等，流场采用新型流场，如丰田Mirai的3D流场，有利于传质，消重传质极化，是普及单电池的比功率的办法之一。

商用车燃料电池正在国表里磋商并生长了众年，中国政府撑持战略正正在一向出台，很众界限的要害本领还没有全部打破，商用车燃料电池的生长存正在诸众影响身分。

4.1 根柢办法有待完好加快我国氢能源根柢办法设立，鞭策氢燃料电池汽车完全平衡生长。与燃料电池车财富链联系的根柢办法设立亏欠的起因或者有：国内制氢、储氢、运输、加氢等主旨本领落伍，加氢站设立审批流程繁杂，加氢站的要害设置本土化及自决化水平低，加氢站设立及运营政府补贴力度亏欠等等。

与乘用车运营途径对照，商用车的运营途径对照固定。燃料电池商用车续驶里程400 km以上，正在商用车的类型运营途径上设立加氢站，可正在目前中国加氢站密度低的情景下，策动中国燃料电池车墟市，并大幅度消重因重型商用车排放导致的情况污染。目前电解水制氢是取得氢最简略最直接的办法，但耗电量极大。可转折或优化制氢的办法，消重氢的临盆本钱，如工业废气纯化、应用催化剂化学办法制氢、甲烷水蒸气转化工艺（Steam Methane Reforming，SMR）制氢等。

燃料电池的本钱偏高，是燃料电池车扩充的主旨题目之一。DOE对燃料电池车从整车、燃料电池体系、电堆本钱组成举办了明白，得出了各部件本钱的全体百分比，如图4～图6所示。依照DOE的磋商，目前燃料电池体系本钱已从2006年的每千瓦280美元（约合百姓币1 880元，电堆批量化临盆才气为每年2万辆）消重到每千瓦53美元（约合百姓币355元，电堆批量化临盆才气为每年50万辆）和每千瓦60美元（约合百姓币402元，电堆批量化临盆才气为每年10万辆），将来通过本领前进和更大宗量临盆，还希望进一步消重本钱，竣工每千瓦30美元（约合百姓币201元）的长久方针。中国燃料电池体系的本质本钱目前约每千瓦百姓币5 000元，差异昭彰，只是中国也拟订了每千瓦百姓币200元的方针，与DOE的方针靠近。

通过消重质子互换膜的厚度消重欧姆极化，通过普及催化剂的活性消重电化学极化，通过转折双极板流场漫衍消重传质极化，从而普及单电池的比功率，能够有用的减低燃料电池的本钱，海外的电堆比功率密度横跨3.0 kW/L，国内装车电堆比功率密度抵达2.0 kW/L。

从本领上消重临盆本钱，竣工燃料电池的贸易化，使燃料电池车本钱靠近现有车辆的临盆本钱，席卷商用车的运营本钱，逐项实行本领打破，消重燃料电池商用车TCO是将来就业的磋商倾向。

4.3 耐久性的央浼一向晋升目前，燃料电池贸易化面对的别的一个窒碍是其耐久性差，DOE拟订的2020年的燃料电池耐久性方针为运转5 000 h（相当于行驶24万公里）职能衰减10%以内，最终的燃料电池耐久性方针为运转8 000 h，并给出了一系列的燃料电池原料或部件的耐久性测试契约。国内领先燃料电池厂的燃料电池耐久性仍然抵达5 000 h。而看待燃料电池商用车，燃料电池耐久性该当抵达12 000 h（相当于行驶5年），贸易化的燃料电池车与该方针差异较大，应一向晋升燃料电池职能。影响燃料电池耐久性的合键身分为催化剂轮廓积的渐渐节减、质子互换膜职能的衰减、车辆运转工况的屡次转化等。催化剂轮廓积的节减的形成是由于正在负载轮回和高电极电位下的催化剂烧结和认识；正在高电极电位要求下催化剂载体的耐腐化性也是研发催化剂面对的一个挑衅，异常是正在负载轮回和高温就业要求下载体的腐化更主要。质子互换膜职能的衰减由湿度改变和化学降解产品附着正在膜上两个合键起因导致的，湿度改变会使膜因含水率分歧而膨胀和压缩，膨胀和压缩经过中形成的机器应力使膜损坏；双极板和燃料电池堆的其他部件的化学降解产品附着正在膜上，会加快膜的化学降解。车辆运转工况的屡次转化将惹起动力体系的变载，以上是由局限战术局限的，而看待燃料电池车动力体系的变载即是燃料电池的变载，DOE对催化剂寿命评议以及燃料电池耐久性测试契约均是正在燃料电池变载情景下测试的。于是，普及耐久性的将来就业磋商合键倾向为：（1）陆续本领打破，普及要害原料的耐久性；（2）优化动力体系和局限战术的成亲性。

氢燃料电池堆和氢燃料电池车辆是新能源汽车中本领最繁复的一个平台，正在锂电新能源补贴逐渐退坡的情景下，国家仍对燃料电池车辆举办补贴，主动勉励燃料电池本领立异，从另一个侧面显现了燃料电池的财富生长仍不行熟，也给商用车的燃料电池扩充利用供应窗口机遇，发起主动应对。

比拟于古代的内燃机或古代汽车的财富链机合，燃料电池带头机体系就相对简略众了，比如，一个完好的燃料电池带头机从双极板和膜电极到电堆和体系，再到体系附件和随车附件，大约席卷大约100种零部件（不含紧固件），临盆线也比古代的内燃机简略众了，于是，对燃料电池带头机最具有吸引力的是整车企业和古代内燃机的企业。可是，燃料电池终归是以电化学反映为特质的化学反映器，它涉及到原料化学、物理化学、高分子化学、化学反映工程、电子电控、机器安排、动力安排和流体仿真企图等学科，全部打倒了古代内燃机动力的汽车本领，需求众学科、跨行业合伙尽力本事打破研发和财富化瓶颈，很难正在一个紧闭的整车企业和带头机企业的小情况里竣工财富化。最终，正在拟订企业的燃料电池本领途径谋划时，发起贯注磋商国家的本领途径图，也即是确切识别目前本领秤谌要求下的商用车和乘用车燃料电池带头机的实质区别。

（1）大型车企大凡都具备较为完全人力资源和开拓才气，好似最适合进入燃料电池带头机的开拓生意界限，可是，这类企业存正在机制、开拓结果以及薪酬对高端人力资源局部的题目，难以晋升开拓结果；

（2）相反，那些借助于民间资金敏捷生长起来的一批小型的燃料电池企业，因为缺乏本领积淀和编制才气，难以承袭众学科集创制异的压力，很难胜任本领开拓生意；

（3）夸大行业的协同立异和财富链的整合，既单个的主旨部件临盆企业与其它链条上的企业举办生意整合，省俭单个小企业的开拓用度，普及结果；

（4）大型汽车企业具备产物平台资源，如能正在上逛的链条中把分部资源举办整合，肯定是商用车燃料电池开拓最有用的形式。

从我国2017和2018年的燃料电池商用车墟市明白看来，墟市并没有被激活，产能开释存正在较大的空间，比如，间隔2020年10 000辆燃料电池车的墟市领域预期仍需付出较大尽力。只是，明白燃料电池商用车出货较大的几家企业，不难看出，但凡能找到运营形式，既连合第三方修筑优良的运营场景的企业，是如今被考验为适合中国国情的胜利形式。

燃料电池商用车看待改良将来能源机合、生长低碳交通具有深远旨趣。本文指出了商用车燃料电池将来就业的磋商倾向，正在要害原料、要害零部件等方面一向打破要害本领和一向完好财富生长软情况，普及燃料电池的比功率密度、消重燃料电池本钱及普及其耐久性。中国燃料电池固然仍然生长众年，可是与海外进步秤谌比拟仍有肯定差异，各车企、各大高校及自决燃料电池供应商应看重自决研发，政府予以足够珍惜及凿凿撑持，胀动中国燃料电池汽车财富的敏捷生长。燃料电池商用车开拓能否胜利，最终还需求立异驱动，先行者和厥后者都需求珍惜立异战术磋商。

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