综述：中国燃料电池电动汽车产业化的现状与前景

《Carbon Neutrality》：Current status and prospects of fuel cell electric vehicle industrialization in China

　　摘要
氢能源因其清洁性和高效性而受到重视，逐渐被视为可持续社会的基石，特别是在应对全球气候变化和推动能源转型方面。在各种应用中，燃料电池技术成为采用清洁能源的关键途径。燃料电池电动汽车（FCEVs）相比传统内燃机汽车（ICEVs）具有显著优势，包括更高的效率、零碳排放以及对有限化石燃料的依赖减少。然而，FCEVs在中国的工业化面临重大挑战。这些挑战包括高昂的资本支出（CAPEX），重型应用的FCEV前期成本是电池电动汽车（BEVs）或ICEVs的2-3倍。此外，氢气的零售价格通常为60-70元人民币/千克，且加氢站（HRSs）的分布有限，全国仅有358座。因此，在重型应用中，FCEVs的总拥有成本（TCO）大约是ICEVs和BEVs的1.5倍。本文系统地研究了FCEVs在整个生命周期中的TCO，并提出了克服这些挑战的策略。通过减少铂金的使用、提高燃料电池堆的功率密度以及开发关键材料和组件的规模化生产和本土制造，同时完善高效的铂金回收和再利用流程，可以降低CAPEX。此外，通过先进的系统控制策略延长燃料电池的运行寿命，从而降低维护和服务成本。本文还详细分析了氢能源供应链，比较了不同生产和运输方法的成本。要实现氢能源供应的成本竞争力，需要创新，例如开发抗中毒的氢氧化反应催化剂、推进可再生氢生产技术，并选择适合特定应用的存储和运输解决方案。最后，优化对加氢站的投资对于推进氢能源基础设施的发展至关重要。推荐的策略包括提高长管拖车罐的存储压力、降低压缩机成本，以及促进HRS组件的本土生产和大规模制造。通过解决这些挑战，本文为加速FCEVs在中国的工业化提供了可行的见解。

图形摘要
本研究重点介绍了降低燃料电池车辆总拥有成本（TCO）的关键策略，从而促进其在中国的规模化工业化。

1 引言
各国政府都在积极追求脱碳技术以实现气候目标。在2019年联合国气候行动峰会上，66个国家承诺到2050年实现净零碳排放[1]。中国设定了雄心勃勃的目标，计划在2030年前达到碳排放峰值，并在2060年前实现碳中和。氢作为一种多用途的二次能源，在能源存储、可再生能源分配以及难以脱碳的领域（如交通运输、冶金和建筑）中发挥着关键作用[2, 3]。根据国际能源署的数据，氢能源到2050年可减少全球二氧化碳排放量20%，占全球能源市场的18%[4]。目前，氢能源的来源包括工业副产品、化石燃料、甲烷重整和水电解。其中，只有可再生能源水电解能够实现零碳排放。在交通运输领域，燃料电池电动汽车（FCEVs）是主要的氢能源应用方式，具有高能量转换效率、长续航里程、快速加氢和在寒冷气候下可靠的性能[5, 6]。认识到这一潜力，中国政府通过支持性政策优先发展FCEVs。2019年，氢能源被纳入政府工作报告，强调了充电和加氢基础设施的扩展[7]。2020年，国家发展和改革委员会及相关机构将重点从购买补贴转向示范项目，鼓励城市集群推动FCEV技术的工业化和应用[8]。此外，2022年3月发布的《氢能源产业发展中长期规划（2021-2035年）》为2025年设定了雄心勃勃的目标，包括部署50,000辆FCEVs和每年生产100,000-200,000吨可再生氢[9]。尽管付出了这些努力，中国的FCEV产业仍处于早期阶段，车辆保有量低且基础设施有限。截至2022年底，中国仅有约18,000辆FCEVs和450座加氢站[10]。为了推广FCEVs的使用并减少交通运输排放，解决现有挑战至关重要。Wu等人[11]指出了14个关键障碍，其中基础设施不足、安全问题和制造商数量有限是最主要的。Zhang等人[12]强调了制定强有力的政策和突破核心组件的必要性。Zhao等人[13]从生命周期的角度分析了FCEVs的能源、环境和经济性能，对中国氢能源FCEV行业进行了详细研究，包括政策支持、市场应用和技术准备情况。Huang等人[14]提出了提高氢生产、存储和运输盈利能力的策略，同时保持价格竞争力。除了这些方面，总拥有成本（TCO）[15,16,17,18]也是一个关键但尚未充分研究的因素，它对FCEVs的商业可行性和大规模采用起着决定性作用。Rout等人[15]对由氢、电力和柴油驱动的重型车辆（HDVs）进行了TCO分析，结果表明，在有利条件下，某些FCEVs的TCO可能低于柴油车辆，例如在高购车补贴和燃料价格降低20%的情况下。在某些情景下，FCEVs的表现也优于电池电动汽车（BEVs），这凸显了它们在最佳条件下的成本优势。Wang等人[16]比较了重型车辆中BEV和FCEV动力系统的TCO，发现两者都显著高于柴油动力系统。尽管有这些宝贵的见解，但一种能够从技术、经济、政策和基础设施维度全面解决和降低FCEVs TCO的系统化方法仍然不够成熟。鉴于中国独特的工业格局和政策环境，这一空白尤为关键。
本文对燃料电池技术及其在中国面临的挑战进行了综合分析，超越了以往仅关注材料、组件性能、市场趋势或政策框架等孤立方面的研究，提供了全面的系统视角。其主要创新在于通过技术、政策和基础设施优化来降低TCO的综合性方法。我们整合了整个价值链的前沿发展，包括催化剂设计、燃料电池堆制造、氢生产、运输和加氢基础设施，并特别强调了TCO降低策略。通过将技术创新与政策和经济分析相结合，本文为提高FCEVs的商业可行性和加速其在中国的应用提供了可行的路径。讨论首先概述了FCEV的工作原理、优势和挑战，随后详细分析了中国FCEV行业的TCO和近期成本降低措施。文章最后提出了前瞻性建议，为中国FCEV行业的可持续发展奠定了基础。

2 FCEV概述
FCEV通过电化学反应将氢的化学能转化为电能，为车辆提供动力[19, 20]。这一过程高效且无排放，减少了对有限化石燃料资源的依赖。除了交通运输外，FCEVs还通过支持并网应用为更广泛的能源系统做出贡献。通过与电网的集成，FCEVs可以在停车时为电网供电，增强电网的稳定性和韧性[21,22,23,24,25]。FCEV动力系统的核心是质子交换膜燃料电池（PEMFC），其工作原理如下（图1所示）[26, 27]：

图1
燃料电池的工作原理示意图（经参考文献[26, 27]授权修改）

1. 氢气输送和氧化：氢气通过阳极流场板流入并通过气体扩散层（GDL）到达阳极催化剂层（CL）。在这里发生氢氧化反应（HOR），将氢原子分解为质子和电子。
2. 质子传输：质子通过质子交换膜迁移到阴极。
3. 电子流动：电子通过导电阳极和双极板（BP）传输，通过外部电路向阴极移动。
4. 氧还原反应（ORR）：在阴极，空气中的氧气与电子和质子结合，生成水。
5. 废物 removal：多余的水分、未反应的气体和多余的空气从燃料电池中排出。
6. 电流生成：来自第一个电池阳极的电子通过外部电路流向最后一个电池的阴极，完成电路并产生电能。
$$\mathrm{Anodic}\;\mathrm{reaction}:\;H_2=2H^++2e^-$$ (1)
$$\mathrm{Cathodic}\;\mathrm{reaction}:\;{2H^++\frac12O}_2+2e^-=H_2O$$ (2)
$$\mathrm{Overall}\;\mathrm{reaction}:H_2+\frac12O_2=H_2O$$ (3)
燃料电池堆将氢高效地转化为电能，驱动车辆的推进系统。FCEVs的采用反映了政府对环境可持续性的坚定承诺，代表了推动交通运输行业走向更绿色未来的战略路径。

2.1 FCEV的结构和工作机制
FCEV的结构由几个关键组件组成，它们共同协作以实现高效运行，如图2a所示[28]：

图2
a FCV结构的组装（来自Alternative Fuels Data Center参考文献[28]），b 燃料电池系统的示意图（经参考文献[29]授权修改）
1. 燃料电池系统：作为车辆的主要电源，通过电化学反应产生电能。
2. 辅助电池：协助启动和关闭燃料电池系统，并管理动态功率需求，与燃料电池形成混合动力系统。
3. DC/DC转换器：调整燃料电池的输出电压，以满足车辆电气系统的要求。
4. 氢储存罐：储存氢气并持续供应给燃料电池堆。
5. 电力电子控制器：处理驾驶员指令并向控制单元传输信号。
6. 电力牵引电机：将燃料电池系统的电能转化为机械能，推动车辆前进。燃料电池系统作为FCEV的核心，其工作原理类似于内燃机车辆（ICEV），但通过电化学反应实现。其系统架构（图2b）包括以下部件[29]：燃料电池堆栈：这是氢气与氧气发生反应的核心部件，产生电能和热能。

2. 氢气系统：包括氢气注入器、循环泵和脉冲阀，这些装置调节氢气的压力和流量，确保氢气从储氢罐正确输送到堆栈的阳极进行反应。

3. 空气系统：由空气过滤器、压缩机、中间冷却器和加湿器组成，该系统将环境空气调节到燃料电池堆栈所需的最佳温度和压力。

4. 冷却系统：包括冷却泵、恒温器和散热器，用于散发堆栈产生的多余热量，保持系统在最佳运行温度范围内。

5. 电气控制系统：整合了燃料电池系统控制器、传感器和执行器。控制器管理实时功能，处理来自传感器的电流、电压、温度和压力等输入数据，以确保在整个车辆功率范围内快速而精确的响应。

2.2 氢燃料电池汽车（FCEVs）的优势和需要克服的挑战

FCEVs与传统的内燃机汽车（ICEVs）有若干相似之处。首先，两者都配备了燃料储存装置和发电单元。在ICEVs中，燃料箱储存汽油或柴油，发动机将这些燃料转化为机械能。同样，FCEVs也有储氢罐来储存氢气，燃料电池系统则作为发电单元来产生电能。然而，两者之间存在一个关键区别。ICEVs在运行过程中会释放多种污染物，包括有害的温室气体（如二氧化碳）以及氮氧化物和颗粒物。相比之下，FCEVs是环保的，其能量转换过程仅产生水作为副产品。对于某些特定用途，FCEVs提供了锂离子电池电动汽车（BEVs）无法比拟的优势。由锂离子电池驱动的BEVs通常适用于轻型、短距离的城市交通，因为这些场景下每日行驶距离较短且可以方便地接入充电设施。然而，BEVs面临充电时间较长和续航里程有限的挑战，尤其是在恶劣天气条件或长途城际旅行时。相比之下，FCEVs可以在不到10分钟内完成加注，并且通常具有更长的续航里程，这使它们在长途物流、公交车和需要最小化停机时间的重型应用中更具吸引力。此外，FCEVs在极端气候条件下也能保持稳定的性能，而BEVs可能会遭受显著的容量损失。

从技术角度来看，FCEVs具有以下具体优势：

1. 高比能量：燃料电池的能源密度高于锂离子电池，这对于重型卡车和公交车尤其有价值。虽然具体数值因系统设计和应用而异，但燃料电池系统的功率重量比优于电池系统。

2. 提高安全性：氢气储罐和燃料电池堆栈之间的物理分离降低了燃烧或爆炸的风险。相比之下，锂离子电池在封闭系统中运行时，在平衡能量密度和安全性方面面临挑战，可能会导致自燃。

3. 在寒冷环境中的稳定性能：FCEVs利用燃料电池产生的废热进行加热，在极低温度下（如-30°C）仍能可靠地启动和运行。而BEVs在低温下由于内部电阻增加，通常会导致容量和续航里程减少。

4. 快速加注和延长续航里程：FCEVs的加注时间少于10分钟，续航里程可与ICEVs相媲美，避免了BEVs在续航里程和充电时间之间需要权衡的问题。这些优势使得FCEVs成为多样化低碳交通系统中的有力补充，FCEVs在长途运输、重型应用或车队场景中表现出色，而BEVs则主导短距离、客运和城市出行市场。

然而，在中国发展FCEVs时必须解决一些技术和经济挑战。首先，燃料电池系统的高资本支出（CAPEX）使其价格远高于ICEVs，是BEVs的1.5倍。这主要是由于燃料电池中使用铂（Pt），且目前的制造量较低。尽管过去五年中国质子交换膜燃料电池（PEMFCs）中的铂载荷已从0.5毫克/平方厘米降至0.3毫克/平方厘米，但还需要进一步降低才能达到0.125毫克/平方厘米的商业目标。此外，由于产量难以扩大，进一步降低燃料电池系统及其核心组件的成本也较为困难。截至2023年，中国只有大约18,000辆FCEVs上路，远低于2025年的目标50,000辆。其次，如表1所示，氢气生产和分配的高成本导致零售价格高达60-70元人民币/千克。使用可再生能源的水电解等方法生产氢气成本较高，因为电解槽需要大量投资且电力需求大。此外，对长管拖车的压力限制以及缺乏氢气管道基础设施也增加了分配成本。第三，高压氢存储系统（HRSs）的成本很高，通常在1200万至1500万元人民币之间，这限制了其普及。2022年，中国的HRSs数量仅为358个，远少于加油站或电动汽车充电站的数量。这种有限的基础设施阻碍了FCEVs的广泛采用，潜在用户担心长途旅行时的加注便利性。

为了在中国实现FCEVs的大规模商业化，必须降低燃料电池系统、氢气生产和分配的成本以及HRSs的建设成本。

表格1 中国典型的HRSs

降低FCEV的总体拥有成本（TCO）包括资本支出（CAPEX）、运营支出（OPEX）、维护费用以及额外成本（例如税费、通行费以及与续航里程、充电时间和寒冷天气性能相关的成本），扣除残值后。其中，CAPEX和OPEX是主要贡献因素。OPEX在整个车辆使用寿命内的现值为：

$$OPEX=\sum_{i=1}^{t}\frac{{L}_{i}*H{*P}_{i}}{{(1+{r}_{1})}^{n}}$$

其中\({L}_{i}\)是第i年的年行驶距离（单位：100公里），H是每100公里的平均能耗，\({P}_{i}\)是第i年的平均燃料价格，r1是折现率，n是服务年限（年）。根据Liu等人的研究[44]，本文假设折现率为5%，服务年限为6年，氢气价格为35元人民币/千克（见表2和表3）。对于年行驶里程为111,240公里的重型卡车，巨大的能源需求使得OPEX成为所有动力系统中最主要的部分。具体而言，ICEV的OPEX占比为54.4%，BEV为39.7%，FCEV为54.6%。如图3和表2所示，FCEV的TCO为3,193,000元人民币，远高于BEV（2,310,300元人民币）和ICEV（2,124,300元人民币）。这一成本差距主要由高CAPEX和高OPEX造成。FCEV的CAPEX为1,284,600元人民币，是BEV（582,100元人民币）的2.2倍，是ICEV（562,200元人民币）的2.3倍。同样，FCEV的OPEX为1,743,200元人民币，是BEV（916,400元人民币）的1.9倍，是ICEV（1,155,500元人民币）的1.5倍。值得注意的是，虽然BEV的OPEX较低，但它们面临充电时间较长（50.8分钟）和冬季续航里程减少等运营挑战，这可能会引入更高的额外成本。相反，对于年行驶里程较低的轻型车辆（LDVs），较低的能耗减少了OPEX的影响（见表3）。在这种情况下，TCO主要由CAPEX主导，ICEV的CAPEX占TCO的61.3%，BEV为78.5%，FCEV为97.9%。如图3和表3所示，FCEV的CAPEX（701,000元人民币）远高于BEV（217,800元人民币）和ICEV（177,400元人民币）。因此，FCEV的TCO达到716,200元人民币，是BEV（277,500元人民币）的2.6倍，是ICEV（289,300元人民币）的2.5倍。这些发现表明，FCEVs的经济可行性高度依赖于能源使用和车辆类型。对于高里程的重型车辆（HDVs），高CAPEX和高OPEX导致其TCO较高。对于低里程的轻型车辆（LDVs），高昂的前期投资是主要障碍。这意味着需要制定有针对性的策略来提高其成本竞争力。

表格2 中国49吨重型车辆（ICEV、BEV和FCEV）的TCO分析

表格3 中国轻型车辆（ICEV、BEV和FCEV）的TCO分析

因此，降低FCEV的TCO对于其在中国的商业化至关重要。可以通过提高燃料电池堆栈的比功率和减少铂的使用量来降低CAPEX。这些努力应辅以建立高效的铂回收和再利用系统，以减轻对初级资源的依赖并降低成本波动性。促进关键燃料电池材料和组件的本地化和大规模生产可以显著降低整体系统成本。改进系统控制策略，提高燃料电池在各种运行条件下的可靠性和耐用性，将进一步减少维护费用。通过开发抗毒化HOR催化剂可以使用粗氢，从而降低纯化成本。推进基于可再生能源的水电解技术生产绿色氢气，以及利用天然气或专门的氢气管道进行运输，也可以大幅降低氢气价格。这些措施将增强FCEVs的成本竞争力，使其能够更好地与ICEVs和BEVs竞争。

3.1 提高堆栈的比功率和减少铂的使用量

铂的高成本显著推高了FCEVs的高CAPEX。如图4a所示，虽然批量生产可以大幅降低其他组件（如阳极催化剂（BP）、膜和气体扩散层（GDL）的成本，但铂/C催化剂的成本仍然很高，即使在年产量达到500,000个单元的情况下也占堆栈成本的约40%。这些压力还受到中国铂供应结构限制的影响。中国是全球最大的铂消费国，但国内铂资源极少。2022年，全球铂资源储备约为70,000吨，而中国仅拥有87.69吨。因此，大部分国内需求依赖进口。此外，供应高度集中，南非提供了约66.7%的全球产量，俄罗斯占12.8%。如果生产商遇到中断（如恶劣天气、安全停机或劳资纠纷），中国制造商的价格波动性和采购风险可能会增加。减少燃料电池系统中的铂使用量既是一种直接的成本控制手段，也是应对供应风险的方法。图4b表明，将铂载荷从0.2克/千瓦降低到0.05克/千瓦可以将堆栈成本降低9美元/千瓦。对于100千瓦的堆栈，这相当于仅使用5克铂，与ICEV排气催化剂中的使用量相当。此外，将堆栈的功率密度从4.5千瓦/升提高到9.0千瓦/升，实际上将其体积减半，可以进一步将成本降低6美元/千瓦。提高堆栈功率密度和减少铂的使用量是降低FCEV CAPEX的关键策略。然而，较低的铂载荷可能会增加电化学反应中的极化现象，从而可能降低堆栈效率和功率密度。解决极化问题对于确保在减少铂含量时性能不受影响至关重要。

图4

表格3 中国重型车辆（FCEV、ICEV和BEV）的TCO分析

因此，降低FCEV的TCO对于其在中国的商业化至关重要。通过提高燃料电池堆栈的比功率和减少铂的使用量可以降低CAPEX。这些努力应配合高效的铂回收和再利用系统，以减轻对初级资源的依赖并降低成本波动性。促进关键燃料电池材料和组件的本地化和大规模生产可以显著降低整体系统成本。改进系统控制策略，提高燃料电池在多种运行条件下的可靠性和耐用性，将进一步减少维护费用。为了降低氢气成本，开发抗毒化HOR催化剂可以允许使用粗氢，从而减少纯化费用。推进基于可再生能源的水电解技术生产绿色氢气，以及利用天然气或专用氢气管道进行运输，也可以大幅降低氢气价格。这些措施将增强FCEVs的成本竞争力，使其能够更好地与ICEVs和BEVs竞争。

3.1 提高堆栈的比功率和减少铂的使用量

铂的高成本显著推高了FCEVs的高CAPEX。如图4a所示，虽然批量生产可以大幅降低其他组件（如阳极催化剂（BP）、膜和气体扩散层（GDL）的成本，但铂/C催化剂的成本仍然很高，即使在每年生产500,000个单元的情况下也占堆栈成本的约40%。这些压力还受到中国铂供应结构限制的影响。中国是全球最大的铂消费国，但国内铂资源极少。2022年，全球铂资源储备约为70,000吨，而中国仅拥有87.69吨。因此，大部分国内需求依赖进口。此外，供应高度集中，南非提供了约66.7%的全球产量，俄罗斯占12.8%。如果生产商遇到中断（如恶劣天气、安全停机或劳资纠纷），中国制造商的价格波动性和采购风险可能会增加。减少燃料电池系统中的铂使用量既是一种直接的成本控制手段，也是应对供应风险的方法。图4b表明，将铂载荷从0.2克/千瓦降低到0.05克/千瓦可以将堆栈成本降低9美元/千瓦。对于100千瓦的堆栈，这相当于仅使用5克铂，与ICEV排气催化剂中的使用量相当。此外，将堆栈的功率密度从4.5千瓦/升提高到9.0千瓦/升，使其体积减半，可以进一步将成本降低6美元/千瓦。提高堆栈功率密度和减少铂的使用量是降低FCEV CAPEX的关键策略。然而，较低的铂载荷可能会增加电化学反应中的极化现象，从而可能降低堆栈效率和功率密度。解决极化问题对于确保在减少铂含量时性能不受影响至关重要。

图4

表格3 中国重型车辆（FCEV、ICEV和BEV）的TCO分析

因此，降低FCEV的TCO对于其在中国的商业化至关重要。通过提高燃料电池堆栈的比功率和减少铂的使用量可以降低CAPEX。这些努力应辅以建立高效的铂回收和再利用系统，以减轻对初级资源的依赖并降低成本波动性。促进关键燃料电池材料和组件的本地化和大规模生产可以显著降低整体系统成本。改进系统控制策略，提高燃料电池在各种运行条件下的可靠性和耐用性，将进一步减少维护费用。为了降低氢气成本，开发抗毒化HOR催化剂可以允许使用粗氢，从而降低纯化费用。推进基于可再生能源的水电解技术生产绿色氢气，以及利用天然气或专门的氢气管道进行运输，也可以大幅降低氢气价格。这些措施将增强FCEVs的成本竞争力，使其能够更好地与ICEVs和BEVs竞争。激活过电位（$\eta_{act}$）的表达式如[51]所示：$$\eta_{act}=b*\log\left(\frac{i+{i}_{x}}{10*{L}_{ca}*{A}_{Pt}*{i}_{0}}\right)$$ (5) 其中，b是塔菲尔斜率（Tafel slope），${L}_{Ca}$（mg/cm2）是阴极中铂（Pt）的负载量，${A}_{Pt}$（m2/gPt）是铂的有效电化学活性表面积，ix是氢 crossover 电流和短路电流之和，${i}_{0}$是氧化还原反应（ORR）的交换电流密度，其表达式如[52]所示：$$i_{0}=nF*kTc}_{O}_{2}^{*}{e}^{-\Delta{G}^{*}/(RT)}/h$$ (6) 其中，n是电子转移数，F是法拉第常数，k是玻尔兹曼常数，${c}_{O}_{2}^{*}$是铂表面的氧气（O?）浓度（mol/cm2），$\Delta{G}^{*}$是ORR的激活能垒，T是温度，h是普朗克常数。为了在铂含量较低的情况下显著降低激活极化，提高${i}_{0}$或${A}_{Pt}$是至关重要的，因为这两者都与催化剂活性直接相关[53, 54]。提高ORR活性可以通过两种主要方式实现。首先，通过工程化电催化剂的电子结构可以增加每个活性位点的固有活性，从而降低$\Delta{G}^{*}$并提高${i}_{0}$。研究表明，表面活性位点上氧中间体的结合能$\Delta E_{O}$可以作为ORR活性的预测指标。根据N?rskov等人的d带中心理论，通过将铂的d带中心相对于费米能级下移（$\Delta E_{O}$的最佳值比铂（111）弱约0.2 eV）来减弱$\Delta E_{O}$是提高固有活性的关键[55, 56]。将铂与其他合适的金属元素合金化已被广泛报道可以通过几何效应、配体效应和晶格应变效应来优化电子结构并提高电催化活性[57,58,59]。例如，Cho等人[57]通过将镓（Ga）掺入铂镍（PtNi）八面体纳米晶体中，显著提高了催化活性，使其质量活性提高了11.7倍，比商用Pt/C提高了17.3倍。密度泛函理论（DFT）计算表明，向八面体PtNi中添加镓可以增加氧中间体的结合能，从而提高ORR的催化活性。在单电池测试中，当铂的负载量为0.15 mg/cm2且电池电压为0.6 V时，Ga-PtNi/C的电流密度为700 mA/cm2，功率密度为420 mW/cm2，超过了PtNi/C（639 mA/cm2）和商用Pt/C（552 mA/cm2，331 mW/cm2）。Bu等人[58]制备了一类具有较大双轴应变的PtPb/Pt核壳纳米片催化剂。边缘的Pt和顶部的（底部的）Pt（110）面经历了较大的拉伸应变，有助于优化Pt-O键的强度并提升ORR性能。

最近，高熵合金（HEAs）由于其至少包含五种主要金属成分且这些成分的原子比例接近相等，作为高效的ORR催化剂而受到了广泛关注[60, 61]。与二元或三元合金催化剂相比，HEAs中添加的更多成分大大减少了铂的使用量。此外，HEAs的独特性质导致其表面$\Delta E_{O}$与传统的铂基催化剂明显不同。在纯铂体系中，均匀的原子环境导致结合能保持不变，无法达到ORR活性火山曲线上的最佳点。相比之下，二元或三元铂合金引入了两个或三个不同的结合能水平，优化机会有限。然而，HEAs展示了复杂的原子组成，形成了五个不同的结合能峰，并且这些峰几乎是连续分布的。这种分布有利于形成具有接近最佳结合能的活性位点，显著提高了ORR活性[62, 63]。例如，Chen等人[64]通过浸渍还原法合成了PtFeCoNiCu HEA纳米颗粒，在0.9 V下获得了1.738 A/mgPt的显著质量活性，这是商用Pt/C的15.8倍。此外，这些纳米颗粒在单电池水平上表现出色，仅通过0.03 mg/cm2的铂负载量，在0.6 V下就实现了1.38 W/cm2的功率密度。同样，Wang等人[65]通过冲击加热和冷却工艺制备了碳支撑的PtFeCoNiMn HEA纳米颗粒，其半波电位和质量活性均优于Pt/C。DFT计算表明，HEA表面上的铂原子表现出更广的d带中心分布，从而改善了氧中间体的选择性吸附。有趣的是，HEAs中的Fe、Co、Ni和Mn等元素显示出比其单质对应物更低的d带中心值，这表明HEA结构中相邻原子之间的电子相互作用可能会激活以前不活跃的原子作为ORR位点。除了提高ORR活性外，由于其混合焓较高，HEAs还表现出较高的结构和化学稳定性。HEAs中不同的原子尺寸导致了显著的晶格畸变，增加了原子扩散的能量障碍，从而提高了整体稳定性[66, 67]。例如，Zhang等人[68]使用锚定碳化方法在多孔碳上制备了超细的PtFeCoNiCuZn HEAs。经过5,000次耐久性测试循环后，PtFeCoNiCuZn HEAs在0.9 V下的质量活性保持了近98%，而Pt/C则下降了约33%。同样，Yu等人[69]观察到，经过30,000次循环后，PtCo/C的质量活性下降了50.4%，半波电位负移了32 mV。相比之下，PtPdFeCoNi HEA/C在50,000次循环后活性损失可以忽略不计，半波电位仅负移了6 mV。能量色散X射线光谱的元素分析显示，由于Co原子在腐蚀性环境中的溶解，PtCo/C中的Pt与Co的比例发生了显著变化（从51:49变为63:37）。然而，PtPdFeCoNi HEA/C中的元素损失可以忽略不计，这突显了HEAs在恶劣操作条件下的优越耐久性。

除了调节催化剂的电子结构外，另一种关键的设计策略是最大化活性位点的数量以提高${A}_{Pt}$ [70, 71]。这种方法涉及仔细设计纳米颗粒的形状和结构（如纳米线、纳米片、纳米框架和凹形纳米颗粒）以改进铂原子的利用率[72,73,74,75,76]。这些结构设计的最新进展显著提高了催化活性和长期耐久性。例如，Tian等人[72]开发了一维成束的PtNi合金纳米笼，其具有特定的Pt皮层结构，专门用于ORR，实现了3.52 A/mgPt的显著质量活性和5.16 mA/cm2的比活性。使用这种Pt-Ni催化剂组装的燃料电池在0.6 V下达到了920 mW/cm2的峰值功率密度，并保持了1.5 A/cm2的电流密度，持续时间为180小时。这种催化剂的优异性能归因于其空心结构和一维架构，这优化了质量传输和铂原子的利用率，这一点通过理论计算和实验结果得到了证实。类似地，Feng等人[73]引入了一种具有工程化表面畸变的新型Pt超结构，该结构是通过电化学浸出PtTex超结构制成的。由此产生的畸变表面形态，结合高密度的活性位点，显著增强了ORR活性，质量活性达到了2.24 A/mgPt。分子动力学（MD）模拟和DFT计算表明，这些多孔Pt纳米片上的表面压缩、缺陷和纳米孔的结合改善了反应物的吸附，并降低了反应的能量障碍，从而提高了ORR性能。

在质子交换膜燃料电池（PEMFCs）中，欧姆极化源于多种电阻，包括内部离子电阻${R}_{ion}$、电子电阻${R}_{ele}$以及组件之间的接触电阻${R}_{con}$。所有这些电阻都与电流（i）成正比增加。欧姆过电位（$\eta_{ohm}$）与电流之间的关系由以下公式表示[77]：$$\eta_{ohm}=\left({R}_{ion}+{R}_{ele}+{R}_{con}\right)*i$$ (7) 具体来说，${R}_{ion}$主要来源于质子交换膜和质子交换层（CL）内的质子传输电阻。决定质子交换膜质子传导性（$\sigma$）的关键因素是Nafion膜的当量重量（EW）。降低EW可以提高离子交换容量，从而略微提高质子传导性。这种关系由方程（8）描述[78]：$$\sigma =cZe\mu =\frac{0.01\rho }{\left(1+0.01x\right)EW}*Ze\mu$$ (8) 在这个方程中，c、Z、e、ρ和x分别代表载流子浓度、载流子的价态、基本电荷单位、聚合物密度和基于体积的水吸收量。膜的厚度也显著影响${R}_{ion}$。较厚的膜增加了质子传输的距离，导致${R}_{ion}$增加，性能下降[79,80,81]。然而，较薄的膜机械性能较差，如强度和延展性较低，使其在操作过程中更容易失效。此外，较薄的膜通常允许更多的反应物穿过，加速了过氧化物自由基的形成，增加了化学降解速率[82,83,84]。

为了提高机械耐久性，将坚固的材料掺入复合膜中可以增强机械强度和尺寸稳定性[85,86,87,88,89]。例如，Liu等人[85]通过将Nafion溶液浸渍到多孔聚四氟乙烯（PTFE）中制备了Nafion/聚四氟乙烯复合材料膜。与Nafion 212相比，这种复合材料在厚度减半的情况下减少了尺寸变化。在500 mA/cm2的电流下进行180小时稳定性测试后，电池电压保持稳定。同样，W. L. Gore & Associates, Inc.（Gore）[86]使用膨胀PTFE（ePTFE）技术开发了一种超薄质子交换膜，厚度仅为8 μm。这种膜提高了性能并降低了成本，加速测试证实了其高耐久性。通过添加过氧化氢分解催化剂或自由基清除剂（FRSs）可以显著提高化学耐久性，以抑制或消除氧化自由基[90, 91]。已经探索了各种过氧化氢分解催化剂，包括杂多酸[92,93,94]、贵金属（Au, Pt, Pd等）[95,96,97]和过渡金属氧化物[98, 99]，以抵抗膜的化学降解。例如，Kim等人[92]证明，当在膜中添加硅钨杂多酸（HPA, α-K8SiW11O40*13H2O）时，其在开路电压（OCV）的加速应力测试条件下可以存活超过800小时，而不含添加剂的标准全氟磺酸（PFSA）膜在258小时后失效。Hiroki等人[99]发现，H2O2分解速率随着氧化物表面积的增加而增加，反应位点的数量或效率起着主导作用。研究表明，H2O2分解速率的顺序为SiO? < Al2O? < TiO? < CeO? < ZrO?。向PFSA膜中添加FRSs也通过减轻自由基攻击提高了化学耐久性。最常见的FRSs是基于铈的材料，它们具有高的自由基清除效率，并且可以通过Ce3+和Ce4+之间的可逆氧化还原循环快速再生[100, 101]。在最佳负载下，Ce能够将Nafion?的化学降解降低三个数量级[102]。Zhao等人[103]通过自组装方法制备了Nafion/CeO2混合复合材料膜[103]。在原位加速RH循环测试中，含有5 wt% CeO2的自组装Nafion/CeO2膜的OCV降低率为1.13 × 10?? mV/s，明显低于原始Nafion膜的11.7 × 10?? mV/s。然而，在燃料电池操作过程中，压力、水分含量、质子通量、浓度和电场梯度等因素可能导致铈离子迁移，从而导致FRSs局部耗尽，降低自由基清除效率[104,105,106]。此外，铈离子向电极的迁移还会降低阴极CL中的质子传导和氧气扩散，从而影响性能[107, 108]。因此，开发更稳定的基于铈的FRSs以抵抗迁移至关重要。最近提高稳定性的策略包括控制表面形态[109,110,111]、金属掺杂[112, 113]以及引入配位化合物[114, 115]，以增强基于铈的FRSs的稳定性。例如，Yuk等人[109]在CeO2纳米颗粒上制备了化学耐用的碳氮化物（C2N）涂层。C2N保护层将Ce4+的溶解速率降低了11倍。DFT计算表明，C2N结构通过牢固地结合Ce4+来抑制其溶解。用C2N涂层的CeO2制成的膜电极组件（MEA）在开路电压下保持了超过600小时的优异耐久性，且功率性能没有损失。此外，Baker等人[112]报告称，掺杂了15 at% Zr（10 nm）和5 at% Pr（17 nm）的二氧化铈（Ceria）纳米颗粒比未掺杂的二氧化铈具有更大的溶解抗性。前者掺杂纳米颗粒的稳定性归因于晶粒聚集，而后者的稳定性则归因于其内部多孔和介观结构。阿加瓦尔等人[114]将15-Crown-5配位复合体与Ce3+结合，由于冠醚的稳定作用，使得铈的保留率提高了300%以上，化学耐久性提高了80%。在质子交换膜（CL）中，覆盖催化剂表面的离子聚合物膜是质子传输的主要途径[116, 117]。通常，具有高离子交换能力的短侧链（SSC）全氟磺酸（PFSA）离子聚合物在低湿度条件下比传统的Nafion表现出更好的电池性能[118, 119]。帕克等人[120]发现，SSC离子聚合物能够更均匀、更连续地覆盖Pt/C颗粒，从而改善了质量传输和质子传导。增加催化剂墨液中的离子聚合物含量可以提高CL中的质子传导能力，尤其是在低水合水平下[121]。然而，过高的离子聚合物含量可能会堵塞孔隙空间，阻碍氧气的传输[122,123,124]。因此，保持燃料电池性能的关键是找到最佳的离子聚合物与碳重量（I/C）比例。沙加尔迪等人[125]表明，使用25 wt% SSC离子聚合物制造的CL比使用17 wt%或30 wt%的CL性能更好。安德森等人[126]在制造含57 wt% Pt/C和Nafion离子聚合物的CL时，发现30 wt%的Nafion含量是最佳的，使得I/C比例约为0.7。此外，PFSA离子聚合物在不同的溶剂中的行为不同，这会影响催化剂表面上PFSA膜的微观结构，并影响CL中的质子传导[127,128,129]。吴等人[127]调整了催化剂墨液溶液中异丙醇（IPA）/水的混合比例，发现墨液中IPA含量较低时，会形成更大、带负电荷的Nafion聚集体颗粒，从而增加Nafion离子聚合物在Pt/C颗粒表面沉积的位阻。这种增加的位阻减少了Nafion膜的厚度，使更多的氢离子能够到达Pt表面，从而提高燃料电池的性能。 Ahn等人[128]使用水-IPA混合物中的超临界流体制备了纳米级Nafion分散体，其颗粒大小比Nafion D521更小。这些分散体形成了均匀分布的小亲水区域的形态，由于高效的质子传输通道，提高了质子导电性和单电池性能。另外，由于尺寸排他效应，离子聚合物无法渗透高表面积碳载体的微孔和小介孔，因此液态水对于质子传输到Pt活性位点是必需的[130, 131]。然而，水的离子导电性明显低于离子聚合物，即使在受限环境中也低两个数量级[132, 133]。一种有效的策略是用离子液体（ILs）填充这些孔隙来增强质子传输。这些ILs具有高离子强度（2.77至2.77×10^3 mol/m^3），可以显著提高质子导电性[134,135,136]。例如，阿维德等人[134]证明，一种低吸水性的IL可以减少Nafion聚合物链上的静电排斥。这种保持Pt表面附近水层的方法通过Grotthuss机制和涉及氢氧根离子（H3O+）的传导机制来提高质子导电性。在他们的研究中，用[C2mim]+ [NTf2]?改性的Pt/C表现出最高的孔隙填充度，并实现了高达3.95 S/m的质子导电性，远高于基线Pt/C的1.93 S/m。燃料电池内的内部电阻（R_ele）主要来源于诸如气体扩散层（GDLs）和双极板（BPs）等组分。在GDLs中，碳纤维的微观结构至关重要。施加机械压缩可以增加碳纤维之间的接触点和接触面积，从而降低电阻（R_ele）[137, 138]。邱等人[137]观察到，随着负载循环的增加，电阻逐渐减小。然而，当压缩压力超过2.0 MPa的“断裂应力”阈值时，电阻的进一步减小伴随着明显的纤维裂纹。此外，传统GDL中的碳纤维大多以无序方式排列，导致电子迁移路径延长，主要是点对点接触，这限制了接触面积。最近的进展使得利用3D打印技术制造出三维（3D）有序的GDLs成为可能[139,140,141]。研究表明，具有立方或六角结构的GDLs明显优于无序的GDLs。这些有序结构减少了电子路径的曲率，将接触从点接触转变为线接触，并显著增加了碳纤维之间的接触面积[141]。双极板的导电性主要由基底材料和涂层决定。石墨与炭黑和碳纤维相比具有更好的电导率，是大多数碳基BPs的主要成分[142, 143]。金属BPs主要由不锈钢（SS）制成。然而，在质子交换膜燃料电池（PEMFCs）中，金属BPs在酸性操作条件下往往耐腐蚀性和导电性不足[144, 145]。提高金属材料的耐腐蚀性和导电性仍然是开发金属BPs的主要挑战。燃料电池中的电阻（R_con）主要由膜/CL界面处的质子阻力和CL/微孔层（MPL）以及GDL/BP界面处的电子阻力组成。降低膜/CL界面处的质子传输阻力可以通过两种主要策略有效管理：提高界面的固有离子导电性和增加膜与CL之间的接触面积。实现这一目标的方法包括将离子聚合物掺入CL[146]，从气体扩散电极（GDE）制造工艺转变为催化剂涂层膜（CCM）制造工艺[147]，以及直接将膜沉积在电极上[148]。这些方法确保了膜与CL之间的连续质子传输通道。通过热压也可以增加膜与CL之间的接触面积，利用膜在高温下的变形倾向及其流动性来一定程度上填充CL中的空隙[149]。CL/MPL和GDL/BP界面处的电子阻力构成了燃料电池欧姆电压降的主要部分，实验表明这些界面可以占到总电子电阻的55%[150]。增加夹紧力可以增加双极板与GDL之间的接触点，从而降低界面接触阻力[151,152,153]。邢等人[151]发现，将螺栓扭矩从1.0 N*m增加到5.0 N*m使电池性能提高了20.1%，这是因为欧姆阻力减小。然而，进一步将螺栓扭矩增加到5.5 N*m后，最大功率密度下降了1.3%。这种下降主要是由于过度压缩导致的质量传输阻力增加，抵消了欧姆阻力降低的好处。降低CL/MPL界面处的电阻（R_con）主要是通过减小MPL的表面粗糙度来实现的。例如，余等人[154]在MPL的制造中用聚乙烯吡咯烷酮（PVP）替换了PTFE。这种替换提高了气体渗透性，并创造了更均匀的表面疏水性，从而降低了欧姆阻力并改善了与CL的界面接触。奥兹登等人[155]使用石墨烯代替碳纳米颗粒制备了水平堆积的基于石墨烯的MPL，他们在所有相对湿度（RH）条件下都观察到了显著的高频电阻降低，这表明CL/MPL界面处的电阻（R_con）减小了。这种改进归因于没有增加碳基CL与MPL之间电阻的添加剂。GDLs与BPs之间的电阻（R_con）主要由BPs上的涂层组成决定[156,157,158]。赵等人[156]比较了不同Cr/C比例的BPs涂层，发现当Cr/C比为0.75:5和1:5时，电阻（R_con）最低。这种性能差异可能是由于sp2与sp3杂化碳的比例，其中较高的比例表示更好的导电性。范等人[157]通过将金点集成到SS上的TiN涂层上，开发了一种复合涂层，形成了Au/TiN/SS结构。金点提供了额外的导电路径，将界面电阻（R_con）显著降低到了1.47 mΩ*cm^2，相比单独的TiN/SS涂层降低了5.48 mΩ*cm^2。最近的研究还引入了由金属或石墨制成的创新泡沫结构，将BP与GDL有效地结合在一起，消除了这些组件之间的接触界面[159,160,161,162]。例如，Park等人[159]使用石墨烯泡沫创建了一个统一的流场/GDL组件，无需MPL。这一创新使电池厚度减少了82%，并在广泛的电流密度范围内提高了功率输出。同样，Tongsh等人[160]报道了一种无需GDL的设计，他们使用石墨烯涂层Ni泡沫和超薄（9.1 μm）碳纳米纤维膜作为传统流场和GDL的替代品。这种独特结构显著减少了MEA体积90%，从而使功率密度提高了50%。质量传输极化主要发生在高电流密度下，通常使用总氧传输阻力（R_Total）来评估。如图5[163]所示，该过程始于氧在阴极流动通道内的对流质量传输。随后，在浓度梯度的驱动下，氧通过GDL向阴极CL扩散。在CL内，氧同时进行扩散和反应。阴极处氧质量传输的总体阻力可以分为几个关键部分：流动通道内的阻力（RChannel）、GDL内的阻力（RGDL）和CL内的阻力（RCL）。这些单独的阻力组合如下所示：图5。这张图片的替代文本可能是使用AI生成的。全尺寸图像。阴极氧传输路径的示意图（根据CC BY许可协议改编自参考文献[163]）$$R_{Total}={R}_{Channel}+{R}_{GDL}+{R}_{CL}$$（9）Baker等人[164]使用以下经验公式定义了BPs内的氧质量传输阻力：$${R}_{Channel}=A\frac{a}{{D}_{{O}_{2}}^{CH}}+B\frac{2NdL}{{Q}_{dry}}(\frac{273}{T})\frac{P-{P}_{w}}{{P}_{a}}$$（10）在方程（10）中，A和B是经验参数，a、L和d分别代表通道宽度的一半、通道长度和通道深度。N是流动通道的数量，\({D}_{{O}_{2}}^{CH}\)是这些通道内的氧扩散系数。P和Pw分别表示通道内的气体压力和水蒸气分压。Pa是大气压力，T是电池的操作温度。显然，BPs的设计元素，包括尺寸和流动通道的数量，显著影响了燃料电池内的氧质量传输。目前，已经开发出一些创新的流场设计并实现了商业化。例如，丰田的第一代Mirai采用了3D细网格流场。这种设计包含了鱼鳞图案的挡板，增强了质量传输并促进了水分去除[165]。然而，这种3D设计增加了零件数量，增加了成本，并产生了额外的压力损失。撕裂制造过程还可能导致断裂和表面裂纹，可能使金属基底暴露在苛刻的酸性环境中，降低耐用性。为了解决这些问题，第二代Mirai采用了二维直通道，并在通道点和沟槽处进行了部分收窄[166]。这种改进的结构提高了局部气体速度和液压阻力，迫使一部分反应气体通过GDL流向气体通道下方的CL。这种设计显著改善了水分去除效果，使GDL中的氧浓度比传统直通道高出2.3倍，与3D细网格通道相当。此外，流线型的BP设计降低了制造成本和压力损失。流场的最佳设计参数很大程度上取决于燃料电池的应用和操作条件[167, 168]。例如，何等人[167]设计并制造了一系列具有梯形挡板的3D流场。实验结果表明，对于低水分含量、高化学计量比和低操作压力的应用，具有较大倾斜角的流场更为适合。这归因于这种设计增强了氧的传输能力。相反，倾角较小的流场更适合高水分含量的场景，因为其具有强大的水分管理特性。关于在多孔介质GDL中的氧气扩散，质量传递阻力可以表示为[169, 170]：$${R}_{GDL}=\frac{h}{{D}_{A}^{eff}}=\frac{\tau h}{{\varepsilon }_{0}}(\frac{1}{{D}_{Knud, A}}+\frac{1}{{D}_{A:mix}})$$ （11）在方程（11）中，h是GDL的厚度，\({D}_{A}^{eff}\)是有效扩散系数，τ是迂曲度，\({\varepsilon }_{0}\)是孔隙率，\({D}_{Knud, A}\)和\({D}_{A:mix}\)分别代表MPL层和基底层内的克努森扩散系数和分子扩散系数。显然，GDL的厚度、迂曲度、孔隙率、克努森扩散系数和分子扩散系数是氧气质量传递阻力的关键决定因素。研究表明，增加GDL的孔隙率可以显著改善气体传输，从而提高燃料电池的性能[171, 172]。优化孔径分布并创建孔隙率梯度可以减少水饱和度，有效缓解高电流密度下的积水问题，并降低质量传递极化[173, 174]。例如，Ko等人[173]比较了在25%相对湿度条件下，无孔隙梯度、中等孔隙梯度和高孔隙梯度GDL的性能。具有中等孔隙梯度的GDL通过有效减少水分含量而表现出更好的性能。这种水分的减少降低了浓度过电位，提高了电池性能。然而，在低相对湿度条件下，高孔隙梯度GDL中的液态水过度减少会导致膜脱水，从而不利地影响性能。

氧气分子通过GDL后进入CL。CL是由涂有离子聚合物的催化剂颗粒堆叠而成的复杂结构。RCL的整体阻力由两部分组成：靠近Pt表面的局部氧气传输阻力，称为\({R}_{local}\)，以及CL多孔结构内的体积阻力，称为\({R}_{bulk}\)。\({R}_{local}\)归因于发生在Pt表面附近的传输过程，包括氧气通过离子聚合物的溶解和扩散[175]。另一方面，\({R}_{bulk}\)是由CL孔隙内的分子扩散和克努森扩散引起的[176]。\({R}_{bulk}\)通常通过CL内氧气的有效扩散系数来表征，表示如下[177]：$${R}_{bulk}=\frac{1}{{D}_{{O}_{2}}^{eff}}=\frac{1}{{D}_{{O}_{2}}*{({\varepsilon }^{eff})}^{1.5}}$$ （12）这里，\({D}_{{O}_{2}}^{eff}\)是氧气的有效扩散系数，\({D}_{{O}_{2}}\)是自由空间中的氧气扩散系数，\({\varepsilon }^{eff}\)是CL内的有效孔隙率。影响有效孔隙率的因素包括孔径分布、孔道粗糙度和CL内的分形维数。这些特性可以通过精确调整浆料配方、分散技术和干燥过程来控制[178,179,180,181]。例如，Lee等人[178]在浆料中添加了少量低分子量聚乙二醇，将CL的平均孔径从50纳米增加到60纳米。这种增加通过创建更大的气体扩散通道有效地降低了质量传递阻力。在另一项研究中，Wang等人[179]发现，浆料超声处理不足会导致初级颗粒的严重聚集。他们证明，10秒的 tip 超声处理后进行20分钟的浴式超声处理可以有效地将碳聚集体分散成初级颗粒，而不剥离Pt纳米颗粒，从而增强了CL内的孔隙连通性，进而降低了\({R}_{bulk}\)。此外，Talukdar等人[180]比较了不同的干燥技术，发现冷冻干燥相比真空干燥或 oven 干燥具有更高的有效孔隙率和更好的离子聚合物分布。这种方法通过促进反应气体更容易接触到反应界面，显著降低了质量传递阻力[180]。此外，研究人员可以微调CL结构以降低\({R}_{bulk}\)[182,183,184,185]。例如，Kim等人[182]使用超高分辨率纳米转移打印技术开发了三维定制的多尺度Pt纳米架构，由密集、狭窄和稀疏的纳米级构建块组成。这种方法导致了更少迂曲的质量传递路径，并比商业Pt/C催化剂更有效地利用了活性材料。表现最佳的Pt纳米架构在半电池中的特定活性提高了1.88倍，在单电池中的最大功率密度提高了43%。同样，Lee等人[183]使用硅图案作为模板制造了沟槽电极，引入了专门的氧气传输通道。这些沟槽电极在标准条件下的性能比最先进的传统Pt/C电极提高了50%。限制电流测试表明，使用沟槽电极时氧气质量传递阻力降低了66%。

局部氧气传输行为涉及三个过程：（1）氧气从气相吸附到离子聚合物中，（2）氧气在超薄离子聚合物膜内的扩散，以及（3）氧气从离子聚合物吸附到Pt表面[186, 187]。因此，\({R}_{local}\)可以表示为[188]：$${R}_{local}=\left[\frac{{\delta }_{i}}{{D}_{{O}_{2}}^{i}}+\left(\frac{1}{{k}_{gas/i}}+\frac{1}{{k}_{i/Pt}}\right)\right]*\frac{1}{RT}*\frac{1}{{S}_{{O}_{2}}^{i/gas}}$$ （13）其中\({\delta }_{i}\)是超薄离子聚合物膜的平均厚度，\({D}_{{O}_{2}}^{i}\)表示离子聚合物膜内的有效氧气扩散系数，\({k}_{gas/i}\)和\({k}_{i/Pt}\)分别代表气体/离子聚合物和离子聚合物/Pt界面上的氧气吸附的表观速率常数，\({S}_{{O}_{2}}^{i/gas}\)表示氧气溶解度，描述了氧气吸附的速率。研究表明，当Pt负载较低（≤?0.1 mg/cm2）时，\({R}_{local}\)变得占主导地位，可能占总阻力的77%[49, 176]。通过适当降低I/C比率来减少CL中的离子聚合物厚度是直接降低\({R}_{local}\)的方法[124, 189]。然而，简单地降低I/C比率可能会影响CL内的质子传输。此外，PTFE在离子聚合物中的结晶度也会显著影响\({R}_{local}\)。具有高结晶度和低自由体积分数的离子聚合物膜为氧气传输创造了更迂曲的路径，导致渗透性较差[190]。解决这个问题的有效策略是通过结合高气体渗透性的非晶氟聚合物来修改PFSA离子聚合物的PTFE骨架的化学结构[191,192,193,194]。例如，Katzenberg等人[191]开发了一种基于全氟(2-甲基-4-甲基-1,3-二氧杂环烷)骨架的玻璃态非晶基团的新型离子聚合物。这种新型骨架化学结构在离子聚合物中引起了结构变化，限制了水合时的离子聚合物域膨胀，并破坏了骨架结晶度，显著提高了气体渗透性。Fang等人[192]报告称，通过用高氧气渗透性的全氟离子聚合物替代Nafion，显著提高了PEMFC的性能。这种创新的离子聚合物在其骨架中融入了二氧杂环烷段，既作为质子导体，又作为阴极CL中的催化剂粘合剂，使峰值功率密度提高了多达100?mW/cm2。分子动力学模拟显示，合成的离子聚合物比Nafion具有更高的扩散系数和氧气溶解度。此外，几种策略可以显著提高CL内离子聚合物的均匀性，从而降低\({R}_{local}\)。这些策略包括催化剂表面修饰[195,196,197,198]、溶剂效应[199,200,201,202]和CCM制造方法[203,204,205,206]。例如，Orfanidi等人[195]用-NHx基团功能化了市售的碳Vulcan XC72表面。这种修饰由于离子聚合物的磺酸根阴离子与碳载体上的NHx表面基团之间的库仑吸引力，使得离子聚合物在整个CL中均匀分布。该研究表明，优化阴极电极中的离子聚合物分布可以显著减少与质量传输相关的电压损失，尤其是在高电流密度下。溶剂显著影响催化剂油墨中的范德华力、静电力和溶剂化力，控制颗粒间和离子聚合物/颗粒间的相互作用，进一步控制CL中的离子聚合物分布[207, 208]。例如，Cleve等人[199]表明，用于CL制造的油墨中的水/IPA比例显著影响了离子聚合物的分布及其与催化剂的相互作用。当油墨中的水分含量较低（24%）时，离子聚合物与催化剂的相互作用较弱，导致CL内形成更大的聚集体，从而使\({R}_{local}\)增加。将水分含量优化到62%可以适当地增强催化剂与离子聚合物之间的相互作用，促进在催化剂表面上形成均匀、薄的离子聚合物膜，从而有效降低\({R}_{local}\)。然而，当水分含量进一步增加到83%时，磺酸基团的过度吸附和离子聚合物取向的变化在离子聚合物/Pt界面引入了界面阻力，导致\({R}_{local}\)增加。Chen等人[209]表明，具有椅式或船式构象的环己醇可以有效地阻塞离子聚合物在Pt表面的吸附路径，显著提升了局部质量传输路径。结果，环己醇与Nafion离子聚合物和Pt/C催化剂的组合表现出更好的性能，在0.65 V下的电流密度达到了0.93 A/cm2。这个值比仅使用Nafion离子聚合物和Pt/C制备的催化剂高出21%。在CCM制造过程中，电喷雾方法具有优势，因为它相比空气喷涂或浸渍等方法需要更少的离子聚合物[210]。这是由于催化剂颗粒之间的库仑排斥作用，防止了离子聚合物在催化剂表面的交联和聚集。这导致CL中更均匀的离子聚合物分布，从而降低了\({R}_{local}\)。

3.2 Pt的回收和再利用

虽然增加堆栈功率密度和减少Pt载量可以降低初级需求，但从生命周期的角度来看，仅仅依靠节约不足以减轻中国对进口的依赖和价格波动的影响。从二次来源回收Pt是一种已被证明的策略，可以增强供应安全，特别是对于国内储备有限的国家[211, 212]。与初级生产相比，回收过程所需的能量要少得多，并且当高效进行时，可以减少超过50%的相关环境影响[213]。因此，通过Pt的回收和再利用建立闭环系统必须是可持续FCEV工业化的基石[214]。传统的Pt回收主要使用火法冶金和湿法冶金路线。火法冶金是一个强大的过程，因为它能够处理多种原料，且预处理要求较低，特别适用于废弃的汽车催化剂[215]。如图6a所示，该方法使用高温热处理来诱导物理和化学变化，从而浓缩Pt并将其与支撑材料分离。一种常见的技术是熔炼，它利用熔融相之间的密度差异。将原料熔化，使富含Pt的合金作为不同的相沉淀下来，而较轻的氧化物形成可去除的矿渣层[216]。回收效率高度依赖于金属收集器和矿渣组成的选择。使用Pb、Cu或Fe等收集器与Pt形成合金，可以降低熔点并提高分离效果。尽管Pb收集器在较低的温度下操作，但它们的回收率有限，并且由于释放有毒的PbO蒸汽而引发环境问题[217, 218]。相比之下，Cu和Fe收集器因效率更高、毒性更低而受到青睐。例如，Kolliopoulos等人[219]使用Cu收集器报告了88%的回收率，其中固体Pt溶解在坩埚底部的熔融Cu中。Ding等人[220]在1300–1400?°C的优化矿渣条件下使用Fe收集器实现了超过99%的回收率，形成了与Pt的连续固溶体。其他的火法冶金策略包括氯化挥发，其中Pt与氯反应生成挥发性化合物，随后进行冷凝[221,222,223]。Kim等人[221]开发了一种使用Cl2/CO气体混合物的碳氯化过程，在参数优化后实现了95.9%的Pt回收率。Horike等人[222]采用CuCl2作为氯源，首先将Pt废料与Mg合金化，然后在500?°C下用CuCl2加热，实现了完全氯化，使其随后能够在HCl中溶解。尽管火法冶金在可扩展性和处理稳健性方面具有优势，但它需要极高的温度，导致能耗高。更重要的是，它直接应用于从PEMFCs中回收Pt的能力非常有限。焚烧膜、GDL和CL中的氟聚合物会产生HF，这种物质对基础设施具有高度腐蚀性，对人类健康和环境有害[211, 224]。

与火法冶金相比，湿法冶金为Pt回收提供了一种更节能和环保的替代方案。该方法在较低温度下运行，能够选择性提取铂（Pt）和其他有价值的金属，并将有害挥发性化合物的释放降到最低，因此成为MEA中铂回收的主要方法[214, 224]。此外，这种方法支持金属的高效共回收，降低温室气体排放，并产生可管理的水性废物流，而不是持久的气态污染物[212, 225]。如图6b所示，典型的湿法冶金过程包括三个核心阶段：将金属浸出到水溶液中，净化和浓缩浸出液，以及以金属形式或纯盐的形式回收金属。有效的铂溶解需要使用浓酸以及强氧化剂，如氯、H2O2、溴或氮氧化物，以产生可溶性的铂物种[211, 226]。王水（HCl和HNO3的3:1混合物）由于其强大的氧化作用和高氯化物活性而被广泛用作浸出剂，这促进了可溶性氯化物复合物（如PtCl62?）的形成[227, 228]。然而，其使用会产生有毒气体（例如NO、NO2、NOCl和Cl2），从而推动了对于更安全的浸出替代方法的研究。基于氯化物的系统使用较温和的氧化剂显示出显著的前景[229,230,231,232]。例如，Sharma等人[229]通过将MEA成分在稀HCl中与H2O2共沸，实现了超过95%的铂溶解率。Torres等人[230]使用含有臭氧的浓氯化物溶液作为氧化剂，在低于30°C的温度下实现了超过90%的提取率。同样，Trinh等人[231]报告使用稀HCl和NaClO3时达到了98%的溶解效率，动力学分析表明这是一个化学控制的机制。浸出后，铂通常通过使用胺类、磷酸盐或肟类溶剂进行溶剂萃取，然后进行剥离[225, 233]。尽管技术上可行且回收率高，传统的湿法冶金仍面临环境和操作挑战。对浓酸、有机溶剂和有时是有毒试剂的依赖性带来了严重的风险，并使废物管理复杂化[224, 234]。扩大这些过程的规模还需要专门的耐腐蚀设备，导致能源和试剂消耗增加。因此，开发新技术对于减少环境影响和提高过程可持续性至关重要。

最近，电化学溶解作为一种从废料中回收铂的有前景的方法出现了。与主要依赖剧烈化学浸出的湿法冶金过程不同，电化学溶解利用受控的电位在相对温和的条件下（例如在室温下的稀酸中）驱动铂的氧化和溶解[235,236,237,238]。电化学铂溶解的关键机制涉及循环电位扫描，这促进了表面氧化物的形成和随后的还原，从而导致铂离子释放到电解质中。在含氯的电解质（例如HCl）中，这一过程得到了显著增强，铂形成了稳定的可溶性复合物，如PtCl42?或PtCl62?，从而降低了所需的溶解电位并减少了再沉积[237,238,239]。Sharma等人[237]的研究证明了一种方法的有效性，通过在1.0 M HCl中优化电位循环在0.4 V到1.6 V之间，实现了大约30 μg/循环的高溶解率。同样，Kanamura等人[238]开发了一种从废弃MEA中回收铂和钌的方法，使用1 M HCl，达到了93.2%的溶解效率，并确定1.4 V为最佳的上限电位。为了进一步抑制再沉积，还探索了其他策略。一种有效的方法是向电解质中引入Cu2+等物种。这些离子通过阻塞催化剂表面的再沉积位点来抑制Ostwald熟化，从而提高了整体铂的回收率。即使在温和的0.1 M HCl电解质中，这种方法也实现了75%的溶解效率[240]。最近的创新进一步简化了这一过程。例如，Hodnik等人[241]引入了使用O3和CO气体来诱导铂表面电位瞬变的技术。这种气体诱导的电位调制使得在室温下的温和HCl/NaCl溶液中快速且完全地溶解铂成为可能，而无需外部电位计。这种方法通过在20次气体交替循环内利用循环氧化和还原防止了表面钝化，实现了铂的完全溶解。尽管取得了这些有希望的进展，但在扩大电化学溶解过程的规模方面仍存在挑战。必须解决的关键问题包括确保大规模电极上的电流分布均匀性以及提高系统长期稳定性以适应工业应用。

因此，传统的火法冶金是一个成熟的过程，但能耗高且污染严重，并且难以处理含有氟基材料的PEMFC组件。湿法冶金虽然效率高且选择性良好，但依赖于强酸和有机溶剂，带来了环境和工程上的挑战。新兴的电化学溶解技术能够在温和条件下实现高效的铂回收，更加环保。然而，将这项技术扩大到工业应用仍面临挑战，包括复杂的过程控制、金属再沉积问题以及确保系统的长期稳定性。因此，未来的研究和开发工作应优先考虑创建集成、绿色且成本效益高的铂回收过程。

3.3 关键材料的规模化生产和本地化
PEMFC的成本可以分为三个主要类别：材料成本、与各种组件相关的制造成本以及制造设备的资本支出。对于可从市场上购买的标准化燃料电池系统组件（如阀门、热交换器等），材料价格通常根据年订购量进行分析。经常应用学习曲线公式来估计成本降低[242]：
$$
{P}_{Q} = {{P}_{I} * F}_{LC}^{\left(\frac{\text{ln}\left(\frac{Q}{{Q}_{I}}\right)}{\text{ln}2}\right)}
$$
其中 \({P}_{Q}\) 是期望年生产量Q时的价格，\({P}_{I}\) 是初始数量时的初始报价价格，\({F}_{LC}\) 是学习曲线降低因子（< 1）。随着燃料电池系统的年生产能力从1,000增加到100,000单位，标准化材料的价格呈指数级下降。扩大生产规模还显著降低了PEMFC及其材料的制造成本和资本成本[243,244,245]。例如，每年生产1,000个系统的情况下，ePTFE支持质子交换膜的制造成本几乎是材料成本的160%。然而，每年生产100,000个系统时，这一成本降至总材料成本的14%[243]。美国能源部（DOE）[246]使用275 kW燃料电池系统作为模型进行的研究进一步说明了这一规模效应。研究表明，将燃料电池系统和堆栈的年生产能力从1,000增加到100,000单位将大幅降低成本。具体来说，系统的成本从302 USD/kW降至170 USD/kW，堆栈的成本从201 USD/kW降至107 USD/kW。这些降低分别代表了43.7%和46.8%的成本减少（图7）。

通过技术创新可以进一步降低PEMFC的材料成本。可以实施两种主要策略：减少使用的材料数量或使用更具成本效益的替代品，而不牺牲性能和耐久性。例如，减小膜厚度可以通过使用更少的离子聚合物来降低成本。然而，较薄的未增强膜耐用性较差。Kienitz等人[247]通过在5 μm厚的膜中加入ePTFE增强材料，显著提高了耐用性。加速的耐久性循环测试显示，这些增强膜超过了90,000次循环，而未经增强的25 μm膜在20,000次循环前就失效了。这一创新提高了耐久性并降低了成本。此外，减少铂的使用对于降低燃料电池系统成本也至关重要。然而，减少铂的装载量可能会对MEA的性能产生不利影响。为了抵消这一点，提高催化剂活性至关重要。第一代丰田Mirai使用了低表面积的碳，使得铂容易受到离子聚合物的磺酸毒害。第二代Mirai使用介孔碳作为催化剂支撑，80%的铂被封装在孔内[166]。这种设计减少了铂与离子聚合物的接触，防止了毒害并使催化活性提高了50%。因此，第二代Mirai的铂使用量减少了40%以上，提高了成本效益[248,249,250]。此外，使用金属或石墨烯多孔泡沫作为反应物分布器的BP和GDL组合比传统的带肋或挡板的设计具有成本优势。这种方法可能消除了对单独GDL的需求，减少了MEA的厚度和成本[162, 251]。然而，没有GDL时，金属泡沫可能在酸性的燃料电池环境中腐蚀，因此开发耐腐蚀涂层是必要的[160]。此外，Li等人[252]用碳基材料替换了金属BP上的Au涂层，显著降低了成本同时保持了耐久性。修改后的堆栈使用寿命超过12,000小时，展示了在不牺牲可靠性的情况下降低成本的可能性。优化制造过程以最大化材料利用率也是关键。增加CCM制备中的固体含量可以减少溶剂的使用，提高材料效率并减少浪费。槽式涂布已经取代了GDL和CCM/GDE的丝网印刷和喷涂方法，提供了更精确的材料应用和更高的原材料利用率[253,254,255]。自动化是另一个降低成本的驱动力。自动化生产线大大减少了劳动力成本并提高了效率。Porstmann等人[256]发现，对于每年生产10,000个堆栈单元的情况，自动化生产线的成本仅为手动组装方法的7%。在MEA制造中，精确切割框架和GDL以及与CCM的准确对齐至关重要。手动组装可能导致效率低和产品质量不稳定。采用卷对卷的自动化成型过程显著提高了效率和可靠性[257, 258]。此外，将自动化生产线与在线检查方法结合使用可以确保产品质量的一致性，同时减少检查时间[259, 260]。

除了扩大生产规模外，本地化制造关键燃料电池组件和材料还可以显著降低FCEV的采购成本。本地化提供了多项好处，包括减少对进口的依赖、消除关税以及降低运输费用，所有这些都有助于降低采购成本。使用国产材料和组件还可以缩短采购周期，使制造商能够更好地管理原材料库存和交货计划，从而提高生产效率。目前，中国已经本地化了几个关键组件，包括燃料电池堆栈、BP、MEA、空气压缩机和氢循环系统。这些组件的性能和寿命符合先进的国际标准。例如，如表4所示，国产燃料电池堆栈的额定功率超过了200 kW，峰值功率密度高于6.0 kW/L，在-30°C以下的温度下具有冷启动能力，使用寿命超过20,000小时。然而，MEA的关键材料（如催化剂、膜和GDL）尚未被国产替代品广泛替代。近年来，在政策指导和政府通过示范城市集群增加的支持下，在本地化这些关键材料方面取得了实质性进展。几家高质量的国内供应商已经出现。在催化剂领域，Jiping New Energy、Sino-Pt Metals和Qingdao Create & Inspire New Energy Catalysis等公司正在引领本地化努力。在膜领域，Shandong Dongyue Future Hydrogen Energy Materials、Hyproof和Hynerchi也取得了显著进展。同样，在GDL领域，上海Tanji Industry Group、Guangdong Hydrogen Engine New Material和General Hydrogen也在推进本地化（图8）。

本地化中国FCEV行业所需的关键材料需要一个综合策略，结合持续的科学研究和协调的工业政策。专门的项目应解决材料和制造中的核心挑战。重点领域包括低铂催化剂的原子级设计、化学稳定质子交换膜的分子工程以及GDL孔结构的优化。这些努力应该得到先进平台的支持，如基于同步加速器的原位表征、材料基因组学和高通量计算筛选[268, 269]。进展还取决于整个价值链的协调发展，而不仅仅是孤立的公司努力。需要一个垂直整合的平台，将材料、组件和系统联系起来。燃料电池制造商应该向上游扩展，并与关键材料供应商建立战略伙伴关系。行业联盟可以制定开放的接口标准和数据共享协议。在现有的示范集群（如北京、上海和广东）建立专门的氢能工业园区，将促进供应商聚集和共享基础设施的更高效使用[270]。这些公园应该提供试点生产线、洁净室和测试设施，以降低开发成本并缩短迭代周期。为了支持市场采用，建立全国性的测试和认证系统是必不可少的。像中国汽车技术研究中心和中国氢能联盟这样的领先机构可以开发针对关键材料的全面评估方法，为性能、耐用性、安全性和环境影响设定明确的基准。积极参与国际论坛和标准制定将有助于使国内产品符合全球技术规范。还需要加强行业与学术界的联系。将氢能作为核心学术领域，建立联合实验室，并创建实践培训基地，以加强人才队伍建设。为技术人员和工程师提供职业认证，将提高他们在研究、工程和运营方面的技能，形成一个能够支持快速工业化的多层次劳动力队伍。

提高燃料电池系统的可靠性并延长其寿命对于减少故障、降低维修频率和维护成本至关重要。延长燃料电池的寿命可以让操作者在相同的初始投资下实现更长的运行时间，从而有效分散成本，降低单位时间的成本。美国能源部的M2FCT项目就是一个例子，该项目为重型卡车设定了雄心勃勃的耐用性目标，例如运行一百万英里和服务寿命25,000小时[271]。实现这些目标需要在关键材料的耐用性和强大的系统控制策略开发方面取得重大进展。车辆运行条件的频繁变化是缩短燃料电池寿命的主要因素[77, 272]。从物理上讲，动态车辆运行涉及电流负载的瞬态变化，这会导致反应气体压力、温度和湿度的波动。这些波动可能会对材料或组件结构造成机械损伤[273,274,275,276]。从化学上讲，负载变化会导致电压波动，尤其是在启动-停止循环、怠速和动态循环期间，这会导致材料降解[277,278,279]（图9）。为了解决这些问题，通常会使用结合PEMFC和电池组（如锂离子或镍氢电池）的混合动力系统。这些电池可以管理突然的功率需求，并在再生制动过程中回收能量，从而显著减少对燃料电池的负载波动[19, 280]。典型的车辆运行条件包括动态循环、启动-停止以及开路或怠速情况。以下部分将探讨这些条件如何影响燃料电池的寿命，并深入讨论相关的控制策略。

图9：该图像的替代文本可能是使用AI生成的。全尺寸图像

在车辆运行条件下燃料电池的衰减机制

动态循环指的是由于行驶道路条件的变化而引起的输出功率波动。这种现象很常见，也是影响燃料电池耐用性的最严重因素之一[281, 282]。研究表明，动态循环、启动-停止、怠速和高功率运行分别会导致燃料电池公交车性能下降56.5%、33.0%、4.7%和5.8%[283]。在高负载期间，电极反应和电渗流阻力都会加剧，从而导致膜和离子导体内的水分吸收增加和水含量升高。相反，在低负载条件下，膜和离子导体会脱水，导致水分含量降低。因此，动态循环会导致燃料电池内部水分含量的显著波动，从而引起膜的机械疲劳[284,285,286,287]。例如，Liu等人[284]观察到，在900小时的动态循环测试后，氢气溢出电流密度从2 mA/cm2增加到17 mA/cm2。这种急剧增加表明膜迅速降解，这是燃料电池故障的一个重要指标。在另一项研究中，Wang等人[285]发现靠近冷却通道出口的燃料电池经历了最极端的温度和相对湿度波动。因此，位于燃料电池堆末端的电池由于受到过度或不均匀的机械应力，更容易出现穿孔或裂纹。燃料电池还可能在负载应用后立即经历短期缺氧，因为空气压缩机的响应滞后于电负载信号。在这种情况下，一些从阳极迁移到阴极的质子由于氧气不足而无法参与氧化还原反应（ORR）。这种情况会导致缺氧区域的氢气释放反应，从而产生氢气泵送现象。缺氧主要通过阴极电位的突然下降来降低燃料电池的输出电压[288, 289]。此外，被泵送到阴极的氢气可能会与附近区域的氧气直接反应，释放大量热量并形成热点[290]。这些局部热点会对燃料电池的均匀性和寿命产生不利影响。更重要的是，动态循环会导致电压频繁波动，加速催化剂的降解[291,292,293]。Shan等人[291]报告称，仅200次循环后，催化剂的电化学活性表面积（ECSA）就显著减少了48%。透射电子显微镜（TEM）结果显示，由于溶解和聚集，Pt颗粒的大小增加并发生了迁移。Chu等人[292]对一个由30个电池组成的10千瓦金属板燃料电池堆进行了耐久性测试，在动态驾驶循环下进行测试。他们观察到第30个电池的阴极催化剂严重聚集，最大平均颗粒尺寸达到了5.5纳米。这种降解导致ECSA下降和第30个MEA的电荷转移电阻增加，从而影响电压性能。为了减轻动态循环对燃料电池的影响，一种有效的策略是使用高压电池为电机驱动提供必要的电力。这种方法可以减少燃料电池的负载波动，使其运行更加稳定和高效[294, 295]。为了防止动态加载过程中的缺氧，可以采用前馈控制策略。这包括在施加负载之前预设适当的反应气体量，以帮助减少潜在的反应物短缺[296,297,298]。此外，在设计、加工和组装过程中确保气体在电池堆内的均匀分布也非常重要。均匀分布有助于防止动态加载期间某些电池的过早缺氧，这对于维持电池寿命和防止降解至关重要[299]。除了缺氧外，由于氢气供应不足，特别是在阳极死端模式下，也可能发生燃料短缺。瞬间燃料短缺会提高阳极电位，加剧阳极的碳腐蚀[300,301,302]。Enz等人[300]观察到，在单次负载变化实验中，由于燃料短缺，可能会出现极端电池反向条件。燃料短缺时，阳极排气中的二氧化碳排放量呈指数级增加，排气气体中检测到的最高浓度达到了143.8毫摩尔。这种动态操作使燃料电池性能下降了47%。Liang等人[301]指出，随着氢气化学计量从0.91降低到0.55，阳极出口附近的局部界面电位从1.8伏增加到2.6伏。同时，二氧化碳的产生速率从18毫升/分钟增加到20毫升/分钟。在燃料电池系统中加入氢气循环泵或喷射器是一种有效的防止燃料短缺的策略[303,304,305]。氢气循环有多种作用：它可以提高气体流速，改善水管理并减轻阳极浸没现象。此外，它还可以有效地提高反应界面的氢气化学计量，并为阳极加湿提供水分，特别是在没有加湿器的系统中。

启动和停止是PEMFC在汽车应用中不可避免的关键动态事件。启动前，阳极流道充满了空气。在阳极入口引入氢气会形成氢气-空气界面，导致部分电池反向和阴极处出现极高的电位。这种高电位可能引发氧气的释放反应，从而损坏阴极电极结构[306,307,308]。Lin等人[306]证明，在经过1,800次启动-停止循环后，氢气出口处阴极Cl的厚度减少了近60%，从9.89微米减少到3.95微米。碳腐蚀在这些过程中以多种方式影响燃料电池性能。首先，它会削弱Pt颗粒与碳载体之间的结合，导致Pt颗粒脱落和生长。这种降解降低了ECSA并增加了活化极化[309,310,311,312]。Park等人[309]报告称，在50小时的加速碳腐蚀测试后，Pt颗粒的大小增加，ECSA值减少了50%，0.87伏时的质量活性降低了57%。其次，碳腐蚀会损坏阴极中的导电介质，增加\({R}_{ele}\)和\({R}_{con}\) [313, 314]。Oh等人[313]证明，在施加1.4伏的恒定电位30分钟后，非石墨化Pt/C载体的高频电阻增加了47%。第三，碳框架的坍塌会导致阴极Cl内离子导体的重新分布。这会导致Pt颗粒要么覆盖不足，要么被离子导体过度覆盖，从而增加未覆盖表面的\({R}_{ion}\)和过度覆盖表面的质量传输阻力[315, 316]。第四，碳腐蚀会削弱阴极Cl框架，使其容易坍塌并降低孔隙率。这种减少会导致Cl内的\({R}_{bulk}\)增加[317, 318]。Schulenburg等人[317]观察到，在1,000次启动-停止循环后，降解后的Cl的孔隙率显著降低，形成了主要为孤立孔隙的结构。这些孔隙变化阻碍了Cl中的质量传输，导致燃料电池性能大幅下降。在启动和停止过程中减少碳腐蚀主要是通过避免形成阳极H2-空气界面来实现的。气体吹扫可以有效缩短这一界面的存在时间。已经提出了多种吹扫策略，包括N2吹扫[319]、H2吹扫[320]和空气吹扫[322]。Jo等人[320]发现，与同时供应相比，先供应氢气可以将降解率降低近30%，平均每个循环从0.68 mA/cm2降低到0.47 mA/cm2。需要注意的是，流场中的残留气体和GDL或Cl中的剩余反应物无法完全消除。为了解决这个问题，可以使用辅助负载来消耗阴极中的剩余氧气或阳极中的氢气，这是一种非常有效的策略[323,324,325]。例如，Zhang等人[323]引入了一种创新的两相虚拟负载策略。主负载以线性速率减少，消耗阴极中的剩余氧气并避免空气缺氧。一旦主虚拟负载连接，电池电压降至0.1伏以下，表明阴极中的氧气已被大量消耗。随后施加的一个固定小辅助负载旨在通过消耗粘附在CL和GDL上的剩余氧气来抑制电池电压的再次激增。此外，在开放式电池中，更容易形成氢气-空气界面，导致电池性能显著下降。在施加虚拟负载期间保持阴极排气阀关闭可以显著减缓性能下降和ECSA的减少，从而提高燃料电池的耐用性[326]。

车辆在运行过程中经常遇到开路或怠速条件，在这些条件下，燃料电池系统以低电流密度为系统部件供电，不会产生显著的功率输出。在这些条件下，电池电压相对较高，阴极电位通常在0.85到0.9伏之间。在开路或怠速条件下，质子交换膜的加速化学降解成为一个重要问题，这主要是由两个因素驱动的。首先，低电流密度导致氧气消耗减少和阴极处氧气分压增加。此外，OCV下没有水生成导致膜的水分含量降低，增加了其孔隙率并增强了内部氧气的渗透性。这加速了阳极处的自由基生成[278, 327, 328]。其次，在高电位下，金属双极板腐蚀产生的金属离子（如Fe3+）在电场的作用下迁移到阳极。这些离子在阳极处不断生成Fe2+，从而增加了Fenton反应的速率[329, 330]。例如，Wong等人[329]证明，将电池电压从OCV降低到0.7伏后，膜中的Fe2+浓度减少了93%，氟化物的累积释放量减少了十倍。除了膜降解外，高阴极电位还会显著加速催化剂的降解。在高电位下，阴极Pt的溶解加剧，Ostwald成熟过程也会增强，因为Pt2+浓度增加。同时，透过膜层的氧气与氢气发生化学反应，在局部形成热点，进一步促进铂颗粒的聚集[331,332,333,334]。Ferreira等人[331]发现，在开路电压（约0.95 V）下运行的质子交换膜燃料电池（PEMFC）中，铂表面积的损失比在负载下运行（约0.75 V）时更大。此外，阴极中高浓度的溶解铂离子（Pt2+）和阳极中低浓度的铂离子通过扩散驱动物质传输。在开路或怠速条件下，这种浓度梯度导致铂离子从阴极迁移到阳极，在膜层内形成铂带[335,336,337]。Zhang等人[335]估计，在2000小时的测试后，大约55%的初始位于阴极电极的铂离子移动到了膜层中。Lacaze等人[336]通过透射电子显微镜（TEM）图像显示，在120 mA/cm2的电流下，靠近阴极处只观察到少数20–130纳米的铂颗粒，而在膜层中则观察到更多直径为50–200纳米的颗粒。限制电池电压是一种已被证明可以减少高电位下电池降解的方法。研究表明，将阴极电压从1.0 V降至0.85 V可以将电流密度为0.8 A/cm2的燃料电池的输出功率衰减降低92%[248]。实施这种电压限制通常涉及两种方法。第一种方法利用二次电池，根据其充电状态来管理辅助电源单元和电池之间的负载分配，从而确保燃料电池不会在超过规定限制的电压下运行[338]。第二种方法是为燃料电池提供低浓度的空气。通过在怠速期间减少空气进气量并采用空气循环技术，降低氧气浓度，从而降低电池电压[339, 340]。

3.5 降低氢气成本
氢气成本是燃料电池总拥有成本（TCO）的重要组成部分，因此降低氢气成本对于燃料电池汽车（FCEVs）的竞争力至关重要。对于FCEV用户来说，氢气成本包括与氢气生产、运输以及氢储存和回收系统（HRSs）运行相关的费用[341, 342]。氢气可以从多种来源生产。根据所消耗的一次能源，生产方法可以分为以下几类：来自石油、煤炭和天然气等化石燃料；作为焦化、氯碱、合成氨和甲醇等工业过程的副产品；以及来自风能、太阳能和生物质等可再生能源[343, 344]。尽管从化石燃料生产氢气的方法已经成熟且成本效益高，但如果不采用碳捕获、利用和储存（CCUS）技术，这种方法无法实现二氧化碳减排目标。目前，从煤气化和天然气重整过程中生产氢气的成本分别约为1.1–1.7美元/千克和1.4–2.8美元/千克。如果加入CCUS技术，这些成本将分别提高到约1.4–3.1美元/千克和2–3.8美元/千克[345]。从工业副产品中获得的氢气成本主要取决于富氢气混合物的价格或经济价值，与从煤炭中获得的氢气成本相似，约为1.4–1.7美元/千克[346]。然而，为了在FCEVs中使用工业副产品氢气，必须对气体进行净化。例如，焦炉气需要去除一氧化碳（CO）；来自氯碱行业的氢气需要脱氯化；氨合成行业的尾气必须去除微量氨；而在丙烷脱氢制备丙烯的过程中需要去除碳氢化合物[347,348,349]。为了减少对大规模净化的需求，开发耐阳极的氢氧化物还原（HOR）催化剂是一种策略，可以显著降低整体氢气使用成本。一个关键例子是制备抗CO中毒的催化剂。已经出现了两种主要的设计策略。第一种策略是设计具有CO氧化能力的催化剂，使其能够在低电位下有效去除CO[350, 351]。Luo等人[350]通过在PtMo纳米颗粒上沉积一层MoOx原子，制备了一种PtMo/MoOx催化剂。非晶态MoOx层的高氧亲和力降低了CO氧化反应的障碍，即使在100 ppm CO存在的情况下，该催化剂也表现出优异的抗中毒性能。第二种策略利用配体效应来减轻CO在铂上的吸附，从而减少催化剂的中毒[352,353,354]。Dong等人[352]通过用硼和氮掺杂石墨烯，改变了催化剂颗粒的大小并降低了铂与CO之间的结合能，有效抑制了CO中毒。Yang等人[353]使用原子层沉积技术在CrN纳米颗粒上固定了单个铂原子，制备出的Pt SACs/CrN在纯H2被1000 ppm CO/H2替代时，仅有轻微的电流限制（降低了3.5%）。相比之下，Pt nanoparticles/CrN和PtRu/C的电流限制分别降低了80.4%和35.7%。Pt SACs/CrN之所以具有更好的抗CO性能，是因为其含有更多的空铂5d轨道，这弱化了铂与CO之间的键。

相比之下，利用可再生能源进行水电解生产氢气可以获得高纯度的氢气（>99.9%），有效消除了对额外净化过程的需求[355]。这种方法特别有优势，因为它不排放二氧化碳，并且有助于电网平衡，因此是建立未来基于氢的经济体的一个有前景的方向[356, 357]。如表5[358]所示，根据操作条件、电极类型和隔膜材料，水电解生产氢气的方法分为四种主要类型：碱性水电解（ALK）、质子交换膜电解（PEM）、固体氧化物电解（SOEC）和阴离子交换膜电解（AEM）。到目前为止，ALK和PEM技术已经实现商业化，而AEM和SOEC仍处于实验开发阶段[359]。表5列出了四种水电解技术的关键技术参数（经许可改编自参考文献[358]）。

通过水电解降低氢气生产成本仍然面临挑战，因为目前其成本仍高于从天然气或煤炭生产氢气的成本，即使结合了CCUS技术也是如此。这主要是由于电解槽设备、负载利用率和电价等相关费用所致。例如，在一个通过碱性水电解以2000 Nm3/h的速率生产氢气的项目中，负载率为95%，电价为0.616元/千瓦时，估计的氢气生产成本约为39.06元/千克。考虑到当前可再生能源（如水电0.33元/千瓦时、陆上风电0.41元/千瓦时、海上风电0.63元/千瓦时和光伏0.4元/千瓦时）的平准化电价，相应的氢气生产成本分别为22.89元/千克、27.65元/千克、40.05元/千克和26.65元/千克[360]。预计未来的技术进步将降低水电解制氢的成本。这一成本降低受到几个关键因素的推动：电解槽资本支出（CAPEX）的减少、由于可再生电力成本降低而导致的运营成本（OPEX）下降，以及电解槽效率、运行时间和使用寿命的提高。这些改进合计可以将生产成本降低多达80%，使得电解制氢的成本可能与基于化石燃料的方法相当，约为1美元/千克（图10[361]）。技术创新是降低CAPEX的主要因素之一。例如，Krishnan等人[362]详细介绍了材料进步如何大幅降低成本。在ALK系统中，一种先进的设计将成本降低了75%（从118欧元/千瓦降至30欧元/千瓦），主要是通过将电流密度提高了5.3倍实现的。这是通过使用更薄的隔膜、纯镍网代替涂层碳钢以及先进的阴极涂层来实现的。同样，PEM电解槽通过提高电流密度和大幅减少催化剂用量（铂减少了15倍，铱减少了20倍）也实现了82%的成本降低。此外，使用不锈钢和铌代替更昂贵的材料以及使用更薄的聚合物电解质膜也进一步节省了成本。然而，这些材料使用的激进减少带来了耐久性挑战，需要进一步研究[363, 364]。规模经济在降低CAPEX方面也起着重要作用。Curcio等人[365]表明，随着工厂规模的扩大，电解槽系统的单位成本显著降低，从1兆瓦电厂的1500–2500欧元/千瓦降至100兆瓦电厂的800–1500欧元/千瓦。在运营方面，电价是OPEX中最显著的因素，占ALK系统总成本的85.7%，占PEM系统的53%[366]。因此，扩大可再生能源容量至关重要。当可再生能源电价从目前的平均0.5元/千瓦时降至0.15元/千瓦时时，使用现有技术生产的绿色氢气成本可以降至15元/千克以下，具有经济可行性[366]。系统效率和使用率也直接影响成本。更高的效率意味着生产每千克氢气所需的电量减少，从而降低了生产成本。例如，Proost等人[367]证明了将年运行时间从2000小时增加到7000小时可以将生产成本从6.1欧元/千克降至3.7欧元/千克。最后，更长的系统使用寿命有助于在更长的时间内摊销初始资本投资，从而降低年化成本。提高寿命的关键方法包括开发更耐用的催化剂涂层、稳定的膜材料和耐腐蚀的堆栈组件[368, 369]。

在氢经济中，运输氢气是一个关键步骤，涉及多种技术和解决方案。目前主要的氢气运输方法包括：（1）使用管式拖车运输压缩气体氢（CGH2）；（2）通过低温储罐运输液态氢（LH2）；（3）管道运输；（4）使用氨和液态有机氢载体（LOHC）等氢载体[370, 371]。运输方法的选择取决于运输距离、体积、地理条件、循环频率和与供应点的距离等因素。对于短距离运输（<200公里）和较小的运输量，使用长管拖车运输CGH2是经济高效的。运输成本高度依赖于操作压力，这直接影响拖车的容量和车队需求。然而，中国的国内法规将长管拖车的最大操作压力限制在20 MPa，而国际标准为50 MPa。如果放宽国内压力标准，相同的管道容量可以运输更多的氢气，从而可能降低运输成本。在100公里的运输距离下，操作压力分别为20 MPa和50 MPa的长管拖车的运输成本分别为8.7元/千克和5.6元/千克，后者大约是前者的65%[372]。对于超过200公里的运输距离，液态氢低温储罐提供了一个更经济的解决方案。单个LH2储罐可以运输约4,554千克的氢气，几乎是CGH2拖车容量的三倍[373]。液化过程需要大量能量，消耗氢气能量的30–40%，并且存在每天0.2–0.4%的蒸发损失[365]。然而，扩大液化工厂规模和改进绝缘技术有可能降低成本。例如，当液化能力从每天5吨增加到100吨时，特定液化成本可以降低67%[374]。管道运输是大规模、长距离陆地运输的最经济选择。欧盟的研究表明，对于1000公里的运输距离，管道运输的成本仅为0.27美元/千克[375]。Bai等人的研究[376]进一步表明，对于200至2000公里的运输距离，管道运输特别经济，尽管其经济可行性很大程度上取决于管道利用率。在利用率较低的情况下（例如50%），管道运输成本随距离的增加而显著增加。通过两种关键策略可以显著提高氢气管道运输的经济性：重新利用现有的天然气基础设施和保持高利用率。对现有天然气输送网络进行改造以用于氢气运输可以将成本降低超过60%[377]。此外，Solomon等人的研究[378]表明，对于一条全长500公里的100毫米氢气管道，如果将日运输量从30,000千克增加到100,000千克，特定运输成本可以降低约50%。对于长途、大规模（>100吨）的跨洋运输，氨或LOHC是合适的载体。这些载体使得氢气可以在接近常温的条件下处理，避免了高压缩或低温处理的成本[379]。然而，它们需要额外的氢气转化和再转化过程，从而产生额外的成本和能量损失。尽管氨的运输成本（每1000公里0.30-0.70美元/公斤氢气）低于液态有机氢存储（LOHCs，每1000公里0.50-1.00美元/公斤氢气），但两者都面临1.50-2.50美元/公斤氢气的再转化费用[365]。最近的一些进展，如低压脱氢和反应蒸馏技术，有助于降低氢气释放的能量和成本负担[380]。此外，将氢气混入天然气网络是长距离陆路运输的实用选择。当氢气浓度较高（>5%）时，膜分离器可以从天然气-氢气混合物中提取纯氢气。相反，当氢气浓度较低时，可以提取等热值的天然气用于重整成氢气。在海上地区，可以利用风能结合水电解来生产氢气，从而根据具体条件制定定制的运输计划。

氢气储存和分配系统（HRSs）在氢气供应链中扮演着关键角色，作为分配网络的最后一道环节，为燃料电池电动汽车（FCEVs）提供加油服务。HRSs基础设施的扩展必须与FCEVs的日益普及相匹配。然而，目前加油站的稀缺阻碍了FCEVs的广泛部署。高设备成本和低利用率进一步加剧了这些挑战，HRSs的氢气成本占总运营成本的62%[381]。如图11所示，典型的HRS包括压缩机、氢气储存罐、加氢器和预冷设备[382]。站点配置取决于氢气是以气体还是液体形式储存。气体氢气通过管式拖车、管道或现场生产进行输送，而液体氢气则储存在低温罐中，并由油轮卡车补充。HRSs的生命周期成本主要包括三个方面：建设（设备采购、安装、土地获取和场地准备）、运营（维护、人工、租金和保险）以及氢气供应。供应成本根据生产方法而异：现场生产涉及电力和水资源费用，而场外生产则包括氢气采购和运输[383]。为了降低成本，优化氢气储存压力至关重要。将长管拖车中的储存压力从20 MPa提高到50 MPa可以减少现场储罐的需求并降低压缩机能耗。此外，扩大高压气瓶、压缩机和加氢器的国内生产规模可以通过规模经济降低设备成本。例如，将年产量从10个增加到100个单位，压缩机成本可能降低67%，加氢器成本可能降低22%[384]。站点容量和利用率也显著影响成本效率。Ku等人的研究[385]指出，随着每日加氢量和每小时需求的增加，液体氢气站的成本竞争力更强，相比其他方案可节省5-44%的成本。同样，Reddi等人[384]发现，在站点运营的前十年内逐步提高利用率会使平准化成本增加约40%，而与从一开始就满负荷运行相比。系统配置优化可以进一步节省成本。Maurer等人[386]发现，增加储存罐的数量可以减少总储存体积和压缩及预冷的能源需求。然而，随着储存罐数量的增加，边际效益会逐渐减少，因为管道和仪表的成本最终会超过效率提升。他们对压缩机质量流量的分析还表明，对于小型公交车队（2-4辆公交车），最小的压缩机容量（足以在24小时内重新填充储存罐）可以降低成本。相反，对于大型车队（8-32辆公交车），更高的压缩机质量流量（如54公斤/小时）更为经济。通过将氢气与电力或石油结合（例如通过燃料混合或联合发电），可以利用现有的能源基础设施，从而减少对新基础设施的需求并降低资本支出。此外，结合能量储存系统（如电池）可以使每个组件在其最佳效率范围内运行，最终降低维护和更换成本[387, 388]。

为了进一步降低氢气成本并加速其应用，需要一个协调的政策框架。首先，政策应优先考虑研究资金，并促进公私合作，以推进关键技术的发展，包括耐碳催化剂、高效电解器和具有成本效益的氢气液化及再转化工艺。其次，政府可以通过定向补贴、税收激励和专注于电解器、高压储存系统和加油基础设施等关键设备的制造扩建计划来降低资本支出（CAPEX）。第三，引入国家可再生氢气指令和碳定价机制将鼓励绿色氢气的生产，并创造稳定的市场需求，为行业利益相关者提供长期的投资确定性。第四，政策努力应集中在协调技术标准和促进基础设施适应上。例如，将中国允许的管式拖车压力限制与50 MPa的国际标准对齐，将显著提高运输效率。此外，促进现有天然气管道的重新用于氢气运输可以进一步降低基础设施成本，并加速专用氢气网络的部署。

4. 结论与政策影响

总之，燃料电池电动汽车（FCEVs）由于其高能源效率、零尾气排放、快速加油能力、在寒冷气候下的强劲表现以及长距离行驶的潜力，成为可持续交通的有力竞争者。然而，FCEVs在中国的发展面临三个主要挑战：高资本支出（CAPEX）、燃料成本上升以及HRSs数量有限。基于最近的研究进展，本综述提出了以下战略建议来解决这些问题：

1. 提高堆栈的特定功率，同时减少铂（Pt）的使用。降低Pt负载通常会导致催化剂表面积减少，从而增加极化和性能损失。因此，要在低Pt负载下实现高功率密度是具有挑战性的。减少极化对于提高特定功率至关重要。为了降低活化极化，增强ORR（氧化还原）催化剂的活性是关键。这可以通过合金化设计其电子结构或开发HEAs（高分散性催化剂）来提高内在活性来实现。此外，通过设计纳米结构催化剂（如纳米线、纳米框架或纳米片）来增加活性位点的数量也是一种有效策略。为了减少欧姆极化，使用更薄的膜来最小化\({R}_{ion}\)可以提高性能，但这必须权衡机械和化学降解的风险。通过在膜复合材料中加入坚固的材料（如ePTFE）可以提高机械耐久性。通过添加过氧化氢分解催化剂或使用基于铈的材料等FRSs（功能增强的膜）可以改善化学耐久性。此外，通过优化PFSA离子聚合物的结构、调整I/C比率、修改CL墨水中的溶剂组成或引入ILs（离子液体），可以降低CL中的离子电阻\({R}_{ion}\)。通过开发3D有序GDLs（三维有序的导电层），由于其有序结构将碳纤维之间的点接触转变为线接触，可以降低\({R}_{ele}\)（电子电阻）。为了降低膜/CL界面处的质子电阻\({R}_{con}\)，可以从GDE（气体扩散层）过渡到CCM（碳纳米层），直接在电极上沉积膜，或者优化热压工艺。通过在MPL（碳纳米层）中加入PVP或石墨烯等材料，可以最小化CL/MPL（碳纳米层/聚合物）界面处的电子接触电阻，从而降低表面粗糙度并增加接触面积。对于传输极化，阴极处的氧气质量传递涉及流动通道（\({R}_{Channel}\)、GDL（\({R}_{GDL}\)）和CL（\({R}_{CL}\）中的电阻。通过优化BP（导电层）的几何形状（部分狭窄的通道、梯形挡板等）和GDL的孔径分布，可以分别降低\({R}_{Channel}\)和\({R}_{GDL}\)。\({R}_{CL}\)包括\({R}_{bulk}\)和\({R}_{local}\)。通过精确调整浆料配方、分散技术和干燥工艺，可以降低\({R}_{bulk}\)。通过用非晶氟聚合物修改PFSA离子聚合物的PTFE骨架或改善CL中的离子聚合物分布均匀性，可以降低\({R}_{local}\)。

2. 铂的回收和再利用。建立完善的铂回收和再利用系统对于确保FCEVs在中国的可持续发展至关重要。虽然通过先进的低负载和高性能催化剂减少初级铂需求是必要的，但这种方法本身无法完全缓解与进口依赖和价格波动相关的供应风险。从报废的燃料电池组件中回收铂提供了一种可行的途径，以提高资源安全性、减少生命周期的环境影响并降低长期材料成本。传统的回收方法如火法冶金和湿法冶金已被广泛采用。火法冶金过程虽然稳健且能处理多种原料，但能耗高，并且在处理含氟PEMFC材料时会产生腐蚀性和有毒化合物，带来困难。湿法冶金技术通常用于从MEA（膜电极）中提取铂，在相对温和的条件下能够高效且选择性地提取金属。然而，这些方法往往依赖于刺激性化学物质，并产生危险废物，对可持续的大规模运营构成挑战。新兴的电化学溶解方法显示出巨大潜力，能够在温和条件下使用稀酸和受控制的电位实现高效铂回收，从而减少环境影响和能源消耗。尽管如此，关于工艺可扩展性、金属再沉积和系统耐久性的问题仍需进一步研究。未来，开发集成化、环保且经济可行的回收过程对于闭合铂材料循环至关重要。这样的进步将增强FCEVs的循环经济，并支持中国向基于氢气的交通生态系统过渡。

3. 关键材料的规模化生产和本地化。PEMFC的成本包括材料费用、组件制造成本以及制造设备的资本费用。扩大生产规模可以显著降低制造和资本成本，从而降低与FCEVs相关的CAPEX，使其更具经济可行性。通过减少材料用量（例如更薄的膜、高活性的介孔碳催化剂、集成的BP-GDL设计）或使用更具成本效益的替代品（例如用于金属BP的碳基涂层），可以在不牺牲性能或耐久性的前提下降低材料成本。自动化生产方法（如卷对卷工艺）也可以显著降低劳动力成本，同时提高生产效率和可靠性。本地化燃料电池关键组件和材料的制造对于降低运输成本和缩短采购周期至关重要。中国在本地化多个关键组件方面取得了显著进展，包括燃料电池堆栈、BP、MEA（膜电极）、空气压缩机和氢气循环系统。这些国产组件在性能和寿命方面符合国际标准。然而，MEA的关键材料（如催化剂、膜和GDL）尚未完全被国产替代品取代。加速这些关键材料在中国FCEVs中的验证和采用对于实现完全本地化和进一步降低成本至关重要。

4. 优化系统控制策略，以提高燃料电池系统的可靠性和延长其寿命。车辆运行条件的频繁变化会显著影响燃料电池的耐久性，从而缩短系统寿命。为了缓解这些影响，通常采用将PEMFC与电池组（如锂离子或镍氢电池）结合的混合动力系统。影响燃料电池性能的典型运行条件包括动态循环、启动-关闭阶段和开路电压情况。通过集成高压电池、采用前馈控制系统和采用氢气再循环策略，可以减轻由快速功率输出波动引起的动态循环。启动-关闭阶段是一个挑战，由氢气-空气界面形成引起的碳腐蚀是燃料电池退化的一个主要因素。有效的策略包括气体净化和使用辅助负载，可以消除这一界面。此外，在怠速或开路条件下的高阴极电位会加速膜和催化剂的退化。通过二次电池限制电压或提供低浓度空气可以减轻这些效应。优化这些系统控制策略将提高燃料电池的鲁棒性并延长运行寿命，从而降低维护成本。此外，更长的寿命可以使初始FCEV投资在更长的时间内得到摊销，显著提高整体成本效益。这种方法不仅增强了FCEVs的经济可行性，也有利于技术的可持续性。

5. 降低氢气成本。总体而言，氢的成本主要由三个因素决定：氢的生产、运输以及氢储存和输送系统（HRSs）的运营。氢的生产方法包括使用化石燃料、工业副产品以及由可再生能源驱动的电解法。其中，作为工业过程副产品产生的氢最具成本效益，但在用于燃料电池汽车（FCEVs）之前需要净化，这会增加成本。开发耐阳极的氢氧化反应（HOR）催化剂是一种战略性的方法，可以减少对复杂净化的需求，从而降低相关成本。从可持续性的角度来看，通过电解并结合可再生能源生产氢气是减少碳排放的最有前景的选择。然而，即使采用了碳捕获与封存（CCUS）技术，当前通过电解生产氢的成本仍然高于使用天然气或煤炭生产的氢成本。降低这些成本的关键措施包括降低电解槽的价格、降低电力成本、提高电解槽的效率、延长其满负荷运行时间以及延长电解槽的使用寿命。

对于氢的运输，优化储存和运输方法至关重要。利用天然气管道或专用氢气管道可以提高长距离运输的效率。在海上或偏远地区，将风能等可再生能源与水电解结合以在就地生产氢气，可以通过减少长距离运输的需求来降低运输成本。

关于HRSs的运营，提高长管拖车的最大允许压力（例如从20 MPa增加到50 MPa）可以降低加氢站的运营费用。如果在中国将加氢站的氢价格目标定为30元人民币/千克，那么燃料电池汽车的成本将具有与内燃机汽车（ICEVs）相当的竞争力，从而促进其更广泛的市场接受度。

此外，降低HRSs的建设与运营成本也是一个重要目标。HRS所需的高额前期投资一直是扩大氢基础设施的主要障碍，限制了燃料电池汽车的便利性和经济可行性。应对这一挑战需要采取针对性策略，以降低HRS生命周期内的成本。首先，优先实现关键部件（高压氢气瓶和分配器）的国产化和大规模生产，可以降低制造和运输费用。扩大国内生产不仅能够降低成本，还能增强供应链的韧性。其次，采用整合石油、氢气和电力服务的混合加氢模式，可以优化资源利用，提高用户便利性，并增加加氢站的吞吐量。这样的多能源中心能够将固定成本分摊到多个收入来源中，从而提高整体效率。最后，扩大加氢站的容量和利用率也非常重要。更大、更高容量的加氢站可以通过将固定基础设施和运营费用分摊到更大数量的氢气上，降低每千克氢气的加氢成本。更高的利用率进一步摊薄了成本，提高了HRSs运营的经济可行性。

为了将这些技术路径转化为可实施的成果，需要建立一个综合的政策框架，使治理、市场和标准与可衡量目标相一致。在宏观层面，应指定一个主管机构来协调堆栈、MEA（膜电极）和HRS设备的规范和符合性评估，简化选址和许可流程，并要求采用互操作的测试和数据报告协议。在微观层面，应采用基于性能的公共采购机制，这些机制与独立验证的功率密度、每千瓦铂含量以及认证的耐用性相关联，并提供包括限时研究资助、试点生产线补助以及关键材料的加速认证和本地化支持在内的供应方支持。

为了降低氢和加氢成本并减少资本风险，可以应用差额合同和聚合购买协议来固定走廊级别的价格目标，并推广标准化、模块化的HRS设计，同时采用集群化制造方式，并嵌入计量学和共享的可靠性数据库以提高利用率和质量。最终，应规定统一的数据接口、预测性维护和故障预测机制，以及带有回收信用的堆栈寿命结束后的回收计划，以延长使用寿命并稳定铂金供应链。

根据这些原则，提出以下政策举措：
1. 推进高功率密度、低铂含量的燃料电池堆栈的发展。通过重新制定采购标准，优先考虑独立验证的功率密度、每千瓦铂含量和认证的耐用性，来推进高性能堆栈的开发。通过分阶段的研究资助和试点生产线补助来支持创新，并实施强制性的堆栈寿命结束后的回收计划，鼓励铂金回收，并采用标准化测试协议以加速先进堆栈的商业化进程并稳定铂金供应。
2. 实施基于性能的车队采购。在公共采购过程中，纳入评估指标，这些指标奖励经过第三方验证的堆栈性能，包括功率密度、铂金效率和耐用性（与预设基准相比）。这种方法将推动市场对高效、低铂含量技术的需求，同时促进行业内的透明度和问责制。
3. 建立综合制造集群。建立区域生产中心，将关键部件和材料的制造商（如MEA、催化剂、GDLs（石墨扩散层）、BP（湿法制备的碳载体）和DC/DC转换器）集中在一起。在这些集群内建立计量学实验室和共享的可靠性数据库。通过多年的公共车队采购承诺来支持这些举措，以降低投资风险、缩短认证周期、提高质量一致性并降低材料成本。
4. 简化认证流程并促进本地化。协调关键材料和部件（如膜、离子聚合物和催化剂）的技术标准和符合性评估，同时促进各地区之间测试结果的相互认可。发布明确的、有时间限制的国内供应链本地化路线图，以减少冗余测试并加快本地供应商的准备速度。
5. 标准化数据管理和寿命延长技术。规定统一的数据接口、最低的运营数据记录要求以及安全的空中更新能力。建立全国性的匿名运营数据存储库，以便根据实际使用情况优化控制策略。将技术支持和激励措施与认证的运行时间和可靠性挂钩，从而延长使用寿命并减少故障。
6. 通过独立测试验证耐用性。资助独立实验室，将加速老化测试与实际性能相关联，确保应力测试能准确预测性能下降情况。将财务激励与通过增强控制策略和热管理/水管理系统实现的堆栈寿命提升联系起来。这将为保修提供可靠的基础，并使支持措施与实际的性能提升相一致。
7. 通过金融工具稳定清洁氢的生产。引入差额合同，以保证低碳氢的最低价格，减少生产者的收入不确定性。在省级或城市集群层面促进聚合购买协议，以确保最低购买量并提高电解槽的利用率。发布透明、可验证的碳强度数据，以增强市场信心并降低氢的交付成本。
8. 建立高效的区域氢供应链。协调氢价值链中的所有关键利益相关者，包括能源生产商、分销商和零售商，以在高需求货运走廊和城市中心战略性地部署基础设施。优化加氢站的选址，平衡短期需求与长期增长，同时遵守安全和监管要求。利用聚合采购、长期电力购买协议和标准化的加氢站设计来降低成本、加快调试进度并提高资产利用率。将新的加氢站与现有的燃料站合建，以降低软成本并实现渐进式的零售价格目标（例如，在示范走廊内达到≤30元人民币/千克）。