攻克燃料电池“不可能三角”

“目前行业最大的诉求在于，如何让燃料电池实现更高效率、更长寿命及更低成本。” 神力科技副总经理周斌在2022高工氢电年会上表示，这类似经济学概念中的“不可能三角”，很难同时达到这些目标。但我们依然要凝心聚力寻找解题之道，通过系统性优化提升燃料电池堆寿命、推进燃料电池产业链国产化持续降本等多途径解决难题。

在本届年会的电堆与双极板专场，周斌发表了“燃料电池的‘不可能三角’与解题之道”的主题演讲。他深入阐释了来自政策及终端应用对燃料电池效率、寿命、成本等方面的要求，攻克技术的难点在哪，以及具体的解题路径。

“不可能三角”解题思路

燃料电池是多项、多尺度、动态、复杂和系统化的产品，各项性能指标相互耦合，类似于跷跷板，一项指标的改变，也会关联其他指标的反弹变化，鱼和熊掌难以兼得。对于燃料电池而言，要同时实现高效率、长寿命、低成本等多个性能指标十分不易。

效率方面，燃料电池效率提高，核心作用之一在于降低氢耗及用氢成本。从理论来看，燃料电池工作电压从0.6V提高到0.8V，效率可以从48%提高到64%，百公里氢耗可随之下降13.8%。比如重卡百公里氢耗10kg氢气，效率提高后只需8.63kg。而电堆提高工作电压，容易对寿命或者耐久性产生影响，故额定工作电压的设定还需要综合衡量而定。

寿命方面，《关于开展燃料电池汽车示范应用的通知》明确提出，燃料电池乘用车生产企业应提供不低于8年或12万公里的质保，商用车生产企业应提供不低于5年或20万公里的质保。美国DOE也提出到2030年，重型卡车的寿命应该达到25000小时。从相关数据来看，当前国内燃料电池实际运行寿命与目标寿命相差较大。

燃料电池耐久性与可靠性也是终端用户非常重视的性能指标。以当前销量正在快速上升的燃料电池重卡为例，无论是物流运输企业还是个体经营户都十分看重重卡的经济性，重卡“耐用”对于他们而言，意味着运营价值大、长期盈利能力强。

对比大巴及乘用车来看，燃料电池重卡载重量往往高达数十吨，单次运输里程动辄数百甚至数千公里，运行环境复杂得多。司机在运输过程中，可能会出现野蛮驾驶、超载、连续运行等情况，如果是一些特种作业车，还需要面对粉尘、高硫、山谷、频繁冲洗等作业环境。这些使用条件对燃料电池的可靠性和耐久性提出了严苛的要求。

成本方面，目前国内燃料电池成本高主要源于：1、整体推广规模偏小，难以形成规模效应；2、核心部件尤其是材料成本较高。目前包括质子膜、催化剂、气体扩散层等核心材料依赖进口，占据成本比重大；3、技术水平与国外仍有差距。以Pt用量为例，国际上目前可以达到0.2g/kW，还在继续突破达到0.1g/kW。国内Pt目前使用量比较高，在0.3-0.4g/kW。

针对以上痛点问题，周斌在年会现场给出了大体的思路与解题方向。

一是从材料、电堆和系统三个方面着手，系统性优化提升燃料电池寿命。材料层面，优化催化剂和载体稳定性，增强质子膜机械化学性能，提高膜电极抗腐蚀能力；电堆层面，优化电堆的一致性设计、电堆密封的耐久性、系统传热传质均匀性；系统层面，优化电堆的温度循环及湿度循环，改善电堆的排水能力，减缓电压的循环变动，优化系统的供气质量等。

周斌特别提到，燃料电池电堆运行寿命取决于电堆中电压最低的单电池，类似于管理学中的“木桶理论”，一桶水能装多满取决于电堆这只“木桶”最短的那根木板。因此，维持电堆中单电池电压均匀性是提升燃料电池寿命的最有效手段之一。为保证电堆单电池电压一致性，神力科技电堆开发团队从双极板设计、膜电极开发、电堆整体均匀性仿真、堆叠工艺过程控制、主管道分配能等五个方面，进行了系统性优化和创新。

在燃料电池系统中，电堆成本占比最高，是核心中的核心。电堆的各种参数需要系统BOP综合起来很好地去满足，令其在最合适的操作条件范围内运行，才能源源不断地输出能量和动力，从而达到经济性、寿命的各项指标和要求。

二是推进燃料电池产业链国产化，这是持续降本的重要途径。其实经过多年积累，国内燃料电池供应链已基本形成，且具备批量供货能力，发动机核心零部件已实现100%国产化替代，但质子膜、催化剂、气体扩散层等基础材料还需要依赖进口，是当前攻关的重点。目前国产材料产品正在测试验证，预计2-3年内可实现国产化替代。另外在Pt用量方面，可以通过回收及租赁模式来降低成本。

双极板也将是未来重点研究的降本渠道和方向。周斌认为，石墨材质具有耐久性和导电性等等多重优势，柔性石墨双极板路线是降成本关键，有更大的成本和更长的寿命优势。

产品累计出货320+MW，装车1800+辆

神力科技在攻克燃料电池“不可能三角”技术痛点方面，有着深厚的技术积累。自公司成立24年来，神力科技潜心专注于国产自主燃料电池技术与产业化，是我国燃料电池核心零部件供应商与技术领导者。

一组数据足以证实神力科技的行业地位：先后自主开发了5代燃料电池系统和电堆，累计申请专利671项，电堆产品功率覆盖30kW-300kW，具有完全自主知识产权，一级零部件国产化率100%；产品累计出货量320+MW，累计装车1800+辆，累计车辆运行5500+万公里；参与起草40+国家标准、地方标准及团体标准；在九五至十四五期间，参与40+项国家及省部级科研课题；97项检测能力获CNAS认可。

产品方面，神力科技B9系列拥有高功率密度、长寿命、低成本，打破了乘用车布置空间，单堆最大可达120kW，配套今年长安新能源发布的长安深蓝 SL03氢燃料电池版乘用车；B9P系列单堆最高可扩展至210kW，双堆可达300kW，堆芯体积功率密度≥4kW/L，设计寿命>15000小时，-35℃低功率快速自启动和-40℃低温储存。

市场方面，神力科技是我国唯一从夏奥到冬奥的双奥选手。其产品配套18辆乘用车和2辆客车，在2008年北京奥运会期间运行76,382公里；配套455辆客车，在2022年北京冬（残）奥运会期间运行1,100,000公里。

今年以来，除配套长安新能源推出乘用车和驰骋奥运会外，神力科技配套氢车的典型投运事件还包括：7月8日，50辆搭载神力电堆的氢能冷藏车正式交付终端用户齐鲁智行（淄博），推进冷链物流进入氢能时代；8月4日，国家燃料电池汽车示范应用上海市第一批车辆集中发车仪式举办，神力科技作为主力燃料电池供应商之一，示范任务达70辆。

当前国内技术针对中长途和长途干线物流场景的长里程、高车速、长爬坡等特殊工况的需求，在续航、氢耗、储氢、燃料电池功率、效率等方面仍面临较大的挑战。神力科技联合亿华通、福田汽车打造了全球首款在长续航、高功率的燃料电池重卡产品，满足1000km以上续航需求，为干线物流提供最佳氢能解决方案。

截至目前，1800多辆搭载神力科技燃料电池产品的车辆遍布12个省市自治区，让神力科技积累了丰富的运营经验。公司在7个省（市）建立服务保障驻点，在氢气丰富与场景成熟的地区提前布局，正在加速开拓全国市场。

神力科技致力于成为中国乃至世界具有领先水平的燃料电池技术创新、研发、推广的摇篮和基地，成为了中国燃料电池行业发展的一面鲜明旗帜。