NEDO(日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機構(gòu))發(fā)布了2040年日本國內(nèi)的燃料電池目標(biāo)計劃,，全部目標(biāo)包括：峰值功率工作電壓0.85V,、電堆功率密度9kW/L,、大工作溫度120℃、耐久性大于15年,、續(xù)航里程1000km,、燃料電池堆成本1000日元/kW,。
峰值功率工作電壓0.85V

日本NEDO發(fā)布的燃料電池堆棧性能路線路中提出,，至2040年，燃料電池堆大負(fù)荷處對應(yīng)的工作電壓為0.85[email protected]A/cm²,。下圖為日本NEDO在2017年發(fā)布的2040年燃料電池堆棧性能路線圖,，其中2030年目標(biāo)峰值功率工作電壓為[email protected]/cm²,，催化劑擔(dān)載量0.05~0.1g/kW，0.2A/cm²電流密度對應(yīng)電壓0.84V,；2040年目標(biāo)峰值功率工作電壓為[email protected]A/cm²,，催化劑擔(dān)載量0.03g/kW，0.2A/cm²電流密度對應(yīng)電壓1.1V,。

日本燃料電池堆性能路線圖(NEDO)

為獲得更高功率,，提升燃料電池單電池電壓是基本的途徑，但會導(dǎo)致陰極電位增加,，形成高電位(>0.85V),。在眾多影響燃料電池壽命的因素中，高電位造成陰極催化劑衰減被認(rèn)為是造成電堆性能衰減的主要因素,。高電位會加劇催化劑氧化物的形成,，不僅會降低催化劑Pt顆粒的活性，還會加劇Pt顆粒的降解,。

此外,，高電位存在的條件下，載體碳材料容易被氧化,，從而將Pt顆粒與碳載體之間的結(jié)合力減弱,，使Pt顆粒脫落，導(dǎo)致催化劑顆粒在電解質(zhì)中融解,，影響催化性能,。更嚴(yán)重的是剝離后的Pt顆粒通過電解質(zhì)或粘接劑結(jié)合在一起，使得電解質(zhì)阻值增大,。因此,，開發(fā)價格低廉、高活性和高穩(wěn)定性的電催化劑顯得尤為重要,。有關(guān)催化劑衰減機理解釋,，可參考『燃料電池干貨』推出的豐田如何實時監(jiān)測燃料電池催化劑衰減。

電堆功率密度9kW/L

日本NEDO發(fā)布的燃料電池堆棧性能路線路中提出,，至2040年,，燃料電池堆功率密度目標(biāo)值為9kW/L。目前日本國內(nèi),，豐田和本田均已推出搭載峰值功率密度3.1kW/L電堆的燃料電池汽車,。但對比燃料電池動力系統(tǒng)和燃油發(fā)動機體積可以看出，有必要進一步提高燃料電池堆功率密度,。

本田燃料電池動力系統(tǒng)與燃油發(fā)動機對比

以本田為例,，其xin一代燃料電池汽車Clarity動力系統(tǒng)體積與V6 3.5L燃油發(fā)動機基本相當(dāng)，但電堆峰值功率為103kW，僅為V6 3.5L燃油發(fā)動機的一半,。如果日本NEDO發(fā)布的燃料電池堆目標(biāo)功率密度9kW/L可以實現(xiàn),，屆時(2040年)燃料電池汽車動力系統(tǒng)功率密度有望超過燃油發(fā)動機，真正實現(xiàn)與傳統(tǒng)汽車抗衡,。

提高燃料電池堆棧功率密度可以從高活性催化劑,、增強復(fù)合質(zhì)子交換膜、高擾動流場,、導(dǎo)電耐腐蝕薄金屬雙極板,、電堆組裝與一致性等方面考慮，具體方法可參考『燃料電池干貨』推出的提升車用燃料電池電堆比功率的技術(shù)途徑,。

功率密度針對燃料電池堆使用場合較多,，定義為燃料電池堆的峰值功率除以燃料電池堆的體積(或質(zhì)量)。由于燃料電池堆體積(或質(zhì)量)定義差別較大,，通常燃料電池堆功率密度可分為四層級別,，分別為：活性面積層、電池組層,、端板層和外殼層,。有關(guān)燃料電池堆功率密度的真實情況，可參考『燃料電池干貨』推出的揭露國內(nèi)燃料電池堆及系統(tǒng)產(chǎn)品參數(shù)的真實意義,。

大工作溫度120℃

日本NEDO發(fā)布的燃料電池堆棧性能路線路中提出,，至2040年，燃料電池堆大工作溫度目標(biāo)值為120℃,。目前,，日本豐田和本田燃料電池堆工作溫度區(qū)間為75~80℃，電堆冷卻液進出口溫差在7~15℃,。

豐田Mirai燃料電池汽車主副散熱器位置

和傳統(tǒng)發(fā)動機類似,，燃料電池堆在工作狀態(tài)下會釋放大量熱量，需及時通過冷卻系統(tǒng)向外界散熱,，以使燃料電池堆工作在合理溫度區(qū)間,。由傳統(tǒng)發(fā)動機知識可得，燃料電池堆工作越高(溫差越大),，散熱能力越強(cmδT=Q),。

豐田Mirai燃料電池系統(tǒng)主副散熱器示意

此外，通過提高單體電壓至0.85V以上,，大大減少電化學(xué)反應(yīng)過程中產(chǎn)生的熱量,，從源頭上減少熱量產(chǎn)生。因此,，通過提高單體電壓(>0.85V)和電池工作溫度(120℃),，足以相信屆時燃料電池溫度將輕松可控可調(diào),。

耐久性>15年

日本NEDO發(fā)布的燃料電池堆棧性能路線路中提出，至2040年,，燃料電池汽車壽命超過15年。其中,，燃料電池乘用車壽命超15萬km,，燃料電池大巴壽命超75萬km，燃料電池列車壽命超100萬km,。
 

質(zhì)子交換膜燃料電池耐久性與其每個部件息息相關(guān),，如質(zhì)子交換膜、催化層,、氣體擴散層和雙極板,。質(zhì)子交換膜的降解機制通常有兩種：機械降解和化學(xué)降解。機械降解指質(zhì)子交換膜工作濕度不斷發(fā)生變化,，內(nèi)部產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力,，在周期性變化內(nèi)應(yīng)力作用下，質(zhì)子交換膜強度會降低,，甚至形成孔洞,，嚴(yán)重降低壽命?；瘜W(xué)降解是燃料電池在怠速和開路狀態(tài)下,，電池內(nèi)部形成大量H2O2，如果電池內(nèi)部存在一些過渡金屬二價離子,，在催化作用下,，H2O2會轉(zhuǎn)變成活性很強的基團，加速膜降解,。

由于陰極催化層電勢要比陽*,，大多數(shù)情況下陰極催化層電化學(xué)環(huán)境要比陽極催化層惡劣，因此陰極催化層更容易降解,。通常催化層是由Pt/C催化劑和一定量的Nafion粘結(jié)而成,，因此催化層降解主要指Pt/C催化劑降解和Nafion降解。碳載Pt催化劑的降解通常有四種機制：微晶遷移合并機制,、電化學(xué)熟化機制,、Pt融解且在離子導(dǎo)體中再沉積機制、碳腐蝕機制,。催化層Nafion和質(zhì)子交換膜組成,、結(jié)構(gòu)相似，因此降解機制和質(zhì)子膜類似,。

氣體擴散層通常由擴散層基質(zhì)和微孔層組成,。擴散層基質(zhì)通常由碳纖維或碳布經(jīng)疏水處理形成,；微孔層由碳粉通過PTFE溶液粘結(jié)而成。通常認(rèn)為氣體擴撒層的降解機制有兩種：機械降解和電化學(xué)降解,。機械降解是在機械應(yīng)力,、氣體和水沖蝕等作用下，PTFE脫落降低疏水性影響水氣傳輸性能,，同時微孔層孔徑可能發(fā)生變化甚至部分脫落,。電化學(xué)降解是高電勢條件下，氣體擴散層基質(zhì)中的碳纖維和微孔層中的碳顆粒發(fā)生氧化腐蝕,，改變組成和結(jié)構(gòu),，影響性能和降低耐久性。

續(xù)航里程>1000km

日本NEDO發(fā)布的燃料電池堆棧性能路線路中提出,，至2040年,，燃料電池汽車?yán)m(xù)航里程超過1000km。目前,，日本豐田Mirai和本田Clarity兩款燃料電池汽車滿載儲氫質(zhì)量都為5kg(70Mpa),，在JC08工況下續(xù)航里程分別為650km、750km(豐田Mirai滿載儲氫容積122.4L,，本田Clarity滿載儲氫容積141L),。

豐田Mirai燃料電池汽車氫罐擺放位置 

本田Clarity燃料電池汽車氫罐擺放位置

JC08工況車速變化

燃料電池汽車的續(xù)航里程主要和氫氣儲存壓力和體積相關(guān)?！喝剂想姵馗韶洝涣私獾?，在目前主流燃料電池汽車已實現(xiàn)續(xù)航里程700-800公里的前提下，屆時1000km公里續(xù)航里程并不難,。

燃料電池堆成本1000JPY/kW

日本NEDO發(fā)布的燃料電池堆棧性能路線路中提出,，至2040年，燃料電池堆成本目標(biāo)值為1000日元/kW,，燃料電池系統(tǒng)成本目標(biāo)值為2000日元/kW,，氫瓶成本目標(biāo)值為10萬日元(注：上述成本目標(biāo)值均建立在年產(chǎn)量50萬套前提下)。

燃料電池汽車目前大的課題是燃料電池組等部件的價格尚高,，豐田與本田的燃料電池汽車低成本方向略顯不同,。豐田低成本方向是與旗下混合動力汽車共享電動部件，本田則是與旗下插電式汽車(PHEV)共用底盤,。

豐田混合動力汽車年銷量超過100萬,，通過在燃料電池汽車中運用HEV的部件量產(chǎn)效應(yīng)來降低成本。如驅(qū)動馬達(dá)及逆變器采用了與車型級別接近的“雷克薩斯RX450h”相同的產(chǎn)品,，鎳氫電池則采用了與中型轎車“凱美瑞”相同的產(chǎn)品,。注意，豐田沒有讓Mirai與PHEV共用底盤,，原因是2015年底導(dǎo)入的跨越車型級別可以共用部件的豐田TNGA(豐田新型架構(gòu))是從第四代普銳斯開始采用,，Mirai問世比第四代普銳斯早一步,。

本田Clarity燃料電池汽車底盤

本田燃料電池汽車采用的戰(zhàn)略是通過與旗下PHEV共用底盤來降低成本。PHEV用底盤,，除了能將電池鋪設(shè)在地板下方之外,，后座下面的氫罐也可以換成郵xiang。當(dāng)然,，本田FCV還實現(xiàn)了電動部件的通用化,，如鋰電池組與旗下雅閣車型通用，驅(qū)動馬達(dá)與飛度EV通用,。