氫燃料電池作為將氫能轉(zhuǎn)化為電能的關(guān)鍵技術(shù)，也是氫能應(yīng)用于交通領(lǐng)域的重要技術(shù)路線，具有非常重要的地位。發(fā)展氫能燃料電池技術(shù)是世界各國(guó)未來(lái)能源技術(shù)的戰(zhàn)略性選擇，也是能源體系和新能源汽車戰(zhàn)略的重要組成。多年以來(lái)，世界主要發(fā)達(dá)國(guó)家以及中國(guó)在戰(zhàn)略、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、科技、財(cái)政等方面相繼發(fā)布了一系列政策，引導(dǎo)并鼓勵(lì)包括氫能燃料電池和相關(guān)產(chǎn)業(yè)在內(nèi)的氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

氫燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈主要由上游原材料、中游集成以及下游應(yīng)用組成。其中，氫燃料電池產(chǎn)業(yè)上游主要是膜電極、雙極板、各類管閥件與傳感器、車載高壓儲(chǔ)氫瓶等發(fā)動(dòng)機(jī)零部件生產(chǎn)制造行業(yè)；中游為燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)及電堆集成行業(yè)；下游各大應(yīng)用領(lǐng)域包含新能源汽車領(lǐng)域、固定電站、工業(yè)電子及其他特殊領(lǐng)域等。

氫燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈

上游-電堆關(guān)鍵材料

催化劑

在氫燃料電池的電堆中，電極上氫的氧化反應(yīng)和氧的還原反應(yīng)過(guò)程主要受催化劑控制。催化劑是影響氫燃料電池活化極化的主要因素，被視為氫燃料電池的關(guān)鍵材料，決定著氫燃料電池汽車的整車性能和使用經(jīng)濟(jì)性。膜電極成本約占電池總成本的50%，其中催化劑是成本的主要貢獻(xiàn)者。

氫燃料電池催化劑分類

目前，鉑基催化劑是質(zhì)子交換膜燃料電池的重要組成部分，主要包括：鉑碳催化劑、鉑合金催化劑和核殼催化劑。

膜電極

膜電極（MEA）作為質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的場(chǎng)所，是傳遞電子和質(zhì)子的介質(zhì)，是反應(yīng)氣體、尾氣和液態(tài)水緊密接觸的場(chǎng)所。膜電極是質(zhì)子交換膜燃料電池的“心臟”，類似電腦里的CPU，直接決定了電堆的性能、壽命和成本。膜電極通常由質(zhì)子交換膜、陰陽(yáng)極催化層、防水碳層涂敷的陰-陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層這5層組成。

氫燃料電池膜電極

目前，國(guó)產(chǎn)膜電極關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)接近國(guó)際先進(jìn)水平，但在專業(yè)技術(shù)特性、產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)能力、批量化生產(chǎn)工藝還存在差距。國(guó)外膜電極供應(yīng)商主要包括Johnson Matthey（英國(guó)莊信萬(wàn)豐）、Ballard（加拿大巴拉德）等具備大規(guī)模的流水線生產(chǎn)能力的供應(yīng)商，豐田汽車、本田汽車等燃料電池車企自主開(kāi)發(fā)了用于其自身乘用車產(chǎn)品的膜電極但并不對(duì)外銷售。

雙極板

雙極板是電池結(jié)構(gòu)的重要組件，是電堆質(zhì)量的主要構(gòu)成部分（80%質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。在燃料電池運(yùn)行中發(fā)揮著不可或缺的作用-導(dǎo)電、導(dǎo)氣與導(dǎo)熱，需要具備良好的導(dǎo)電性、耐腐蝕性強(qiáng)、高機(jī)械強(qiáng)度、質(zhì)量輕等特點(diǎn)。

氫燃料電池雙極板

雙極板按材料可分為石墨雙極板和金屬雙極板，石墨雙極板電堆具有耐腐蝕性強(qiáng)等特點(diǎn)，主要應(yīng)用于商用車領(lǐng)域，代表性企業(yè)為Ballard、Hydrogenics（加拿大氫能）；金屬雙極板電堆以其體積小、易于批量生產(chǎn)等特點(diǎn)，主要應(yīng)用于乘用車領(lǐng)域，代表性企業(yè)為豐田汽車等。目前石墨雙極板已實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，金屬雙極板尚未實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)批量供應(yīng)。

質(zhì)子交換膜

質(zhì)子交換膜是聚合物基固體電解質(zhì)，在燃料電池中用來(lái)傳導(dǎo)質(zhì)子、屏蔽電子和隔絕反應(yīng)氣體。質(zhì)子交換膜性能直接決定了燃料電池性能。對(duì)于車用質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）而言，質(zhì)子交換膜厚度和穩(wěn)定性是影響質(zhì)子交換膜燃料電池、電堆壽命的關(guān)鍵因素。

氫燃料電池質(zhì)子交換膜

按照膜材料的組成，質(zhì)子交換膜可分為：全氟磺酸型質(zhì)子交換膜、部分氟化型質(zhì)子交換膜和非氟型質(zhì)子交換膜。目前常用的商業(yè)化質(zhì)子交換膜為全氟磺酸膜，屬于固體聚合物電解質(zhì)；利用碳氟主鏈的疏水性和側(cè)鏈磺酸端基的親水性，實(shí)現(xiàn)質(zhì)子交換膜在潤(rùn)濕狀態(tài)下的微相分離，具有質(zhì)子傳導(dǎo)率高、耐強(qiáng)酸強(qiáng)堿等優(yōu)異特性。代表性產(chǎn)品有美國(guó)杜邦公司的Nafion系列膜、科慕化學(xué)有限公司的NC700膜、陶氏集團(tuán)的Dow膜、3M公司的PAIF膜，日本旭化成株式會(huì)社的Aciplex膜、旭硝子株式會(huì)社的Flemion膜，加拿大巴拉德動(dòng)力系統(tǒng)公司的BAM膜，這些膜的差異在于全氟烷基醚側(cè)鏈的長(zhǎng)短、磺酸基的含量有所不同。目前，我國(guó)武漢綠動(dòng)氫能能源技術(shù)有限公司、東岳集團(tuán)已實(shí)現(xiàn)了質(zhì)子交換膜國(guó)產(chǎn)化技術(shù)突破，具備產(chǎn)業(yè)化能力，部分生產(chǎn)線已投產(chǎn)。

氣體擴(kuò)散層

氣體擴(kuò)散層（GDL）位于雙極板和催化層之間，在燃料電池運(yùn)行過(guò)程中，氣體擴(kuò)散層在控制物質(zhì)輸送、熱傳導(dǎo)和電子傳輸方面發(fā)揮著重要作用，同時(shí)它還在組裝和操作過(guò)程中為脆弱的催化層和質(zhì)子交換膜提供強(qiáng)大的機(jī)械支撐和保護(hù)。

氫燃料電池氣體擴(kuò)散層

氣體擴(kuò)散層通常由微孔層（MPL）和基底層（GDB）組成。MPL通常由碳粉和疏水劑（如聚四氟乙烯）組成，厚度為10~100um，影響氣體擴(kuò)散層的孔徑分布、氣體和水的滲透性、電導(dǎo)率。GDB主要是由多孔的碳纖維紙或碳纖維布構(gòu)成。碳纖維紙的平均孔徑約為10.0um，孔隙率為0.7~0.8，碳纖維紙和碳纖維布的多孔結(jié)構(gòu)為反應(yīng)物氣體以及產(chǎn)物水提供了傳輸通道。

目前氣體擴(kuò)散層國(guó)際主要供應(yīng)商有日本東麗（TORAY）、德國(guó)西格里（SGL）、德國(guó)科德寶（Freudenberg）、美國(guó)Avcarb、韓國(guó)JNTG等。國(guó)內(nèi)企業(yè)有深圳通用氫能、江蘇天鳥(niǎo)、武漢綠動(dòng)氫能、上海嘉資、上海河森電氣、上海濟(jì)平及臺(tái)灣碳能等。

中游-氫燃料電池系統(tǒng)

氫燃料電池系統(tǒng)按結(jié)構(gòu)來(lái)拆分主要包括燃料電池電堆及輔助系統(tǒng)。電堆是氫燃料電池的主體部分,成本方面在系統(tǒng)中占比超過(guò)60%。為了維持電堆的正常工作，氫燃料電池系統(tǒng)還需要供氫系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、水管理系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)等外部輔助子系統(tǒng)的協(xié)同配合,對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)部件有空氣循環(huán)系統(tǒng)、氫氣循環(huán)系統(tǒng)、增濕器等。

電堆集成

電堆是發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的場(chǎng)所，也是燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)的核心部分，維系著整個(gè)燃料電池系統(tǒng)的能量輸出。電堆是由多個(gè)單體電池以串聯(lián)方式層疊組合構(gòu)成，所有單電池交替疊合密封后，用前、后端板（電流收集板）壓緊再用螺桿緊固拴牢，即構(gòu)成燃料電池電堆。

氫燃料電池電堆

單體電池是由雙極板、膜電極組件和密封件組成。膜電極的關(guān)鍵材料是質(zhì)子交換膜、催化劑、氣體擴(kuò)散層，這些部件及材料的耐久性（與其他性能）決定了電堆的使用壽命和工況適應(yīng)性。

燃料電堆的研發(fā)和生產(chǎn)具備較高的技術(shù)壁壘，以豐田汽車為代表的國(guó)際知名車企大多自行開(kāi)發(fā)或與合作伙伴共同開(kāi)發(fā)燃料電池電堆，一般不對(duì)外開(kāi)放。以Ballard、Hydrogenics為代表的國(guó)際知名電堆生產(chǎn)企業(yè)在燃料電池領(lǐng)域深耕多年，具有較強(qiáng)的技術(shù)積累和產(chǎn)業(yè)化能力，可以對(duì)外單獨(dú)供應(yīng)車用電堆。目前，國(guó)內(nèi)能夠獨(dú)立自主開(kāi)發(fā)電堆并經(jīng)過(guò)多年實(shí)際應(yīng)用的主要包括新源動(dòng)力、神力科技等企業(yè)，一些新興的燃料電池企業(yè)通過(guò)獲得國(guó)外技術(shù)授權(quán)、成立合資公司等方式生產(chǎn)燃料電池電堆。

空氣循環(huán)系統(tǒng)

空氣循環(huán)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件為空壓機(jī)，也為燃料電池陰極供氣系統(tǒng)重要部件，通過(guò)對(duì)進(jìn)堆空氣進(jìn)行增壓，為電堆提供適量適壓的氧氣?？諝鈮嚎s機(jī)的性能對(duì)燃料電池系統(tǒng)的效率、緊湊性和水平衡特性等有著重要影響。燃料電池系統(tǒng)用空壓機(jī)主要有離心式、羅茨式、螺桿式三種類型。由于離心式空壓機(jī)在效率、噪音、體積、無(wú)油、功率密度等方面具有良好的綜合效果，故隨燃料電池系統(tǒng)功率的快速上升，離心式空壓機(jī)已逐漸成為市場(chǎng)上的主流選擇。在空氣壓縮機(jī)的關(guān)鍵部件中，軸承、電機(jī)是瓶頸技術(shù)，低成本、耐摩擦的涂層材料也是開(kāi)發(fā)重點(diǎn)。

氫燃料電池空壓機(jī)

從國(guó)產(chǎn)化率方面來(lái)說(shuō)，空壓機(jī)是燃料電池關(guān)鍵部件中國(guó)產(chǎn)化程度較高的一款。相對(duì)于其它產(chǎn)品而言，空壓機(jī)已經(jīng)較早的實(shí)現(xiàn)了全功率段國(guó)產(chǎn)化，目前國(guó)產(chǎn)化率接近100% 。國(guó)內(nèi)主要供應(yīng)商有勢(shì)加透博、金士頓科技、東德實(shí)業(yè)、德燃動(dòng)力、雪人股份、廣順新能源、穩(wěn)力科技、漢鐘精機(jī)等企業(yè)。

氫氣循環(huán)系統(tǒng)

氫氣循環(huán)系統(tǒng)的作用是將電堆未反應(yīng)的氫氣再次循環(huán)到電堆的氫氣入口，從而提升氫氣的利用率及涉氫安全，同時(shí)將電堆內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)生成的水也循環(huán)至燃料電池堆的入口，改善電堆濕潤(rùn)水平和提高水管理能力。氫氣循環(huán)系統(tǒng)分為主動(dòng)循環(huán)和被動(dòng)循環(huán)兩種形式，主動(dòng)循環(huán)形式的關(guān)鍵部件是氫氣循環(huán)泵，被動(dòng)循環(huán)形式的關(guān)鍵部件是氫氣引射器。氫循環(huán)泵在主動(dòng)可調(diào)節(jié)、快響應(yīng)速度和寬工作區(qū)間等方面占有一定優(yōu)勢(shì)，成為未來(lái)使用主流。

氫燃料電池氫氣循環(huán)泵

按照技術(shù)路線的不同，國(guó)內(nèi)企業(yè)涉足氫氣循環(huán)泵的有東德實(shí)業(yè)、瑞驅(qū)電動(dòng)、雪人股份、漢鐘精機(jī)、南方德?tīng)?、?jì)南思明特、浙江恒友等；而涉足引射器的公司則主要有鸞鳥(niǎo)電氣、浙江宏昇、未勢(shì)能源等企業(yè)。

增濕器

氫燃料電池電堆在反應(yīng)過(guò)程中，質(zhì)子交換膜需要處于水飽和狀態(tài)來(lái)保持較高的反應(yīng)效率和導(dǎo)電性，因此反應(yīng)介質(zhì)需要通過(guò)增濕器來(lái)攜帶一定量的水蒸氣進(jìn)入電堆。增濕器也被稱為燃料電池的“肺泡”，由特種材料制成的膜管內(nèi)外形成獨(dú)立的干濕通道，通過(guò)回收電堆中的水分和熱量，使其在膜管內(nèi)外兩側(cè)進(jìn)行濕熱交換，達(dá)到電堆所需要的溫度和濕度。

目前，市場(chǎng)上有三種類型的增濕器：氣泡式增濕器、焓輪加濕器、膜增濕器；前兩種增濕器較少應(yīng)用，主流的燃料電池系統(tǒng)上基本都是膜增濕器。膜增濕器主要分為兩類：膜管式加濕器和平板膜加濕器。

氫燃料電池增濕器

在燃料電池系統(tǒng)的構(gòu)成中，增濕器只占整體成本的5%左右，但是作為燃料電池系統(tǒng)中進(jìn)氣加濕的關(guān)鍵零部件，實(shí)現(xiàn)增濕器國(guó)產(chǎn)化將是實(shí)現(xiàn)燃料電池的降本的重要一環(huán)。由于增濕器技術(shù)門檻高、市場(chǎng)容量相對(duì)小，截至目前國(guó)內(nèi)能真正實(shí)現(xiàn)增濕器商業(yè)化的企業(yè)并不多。國(guó)內(nèi)外的增濕器市場(chǎng)，長(zhǎng)時(shí)間被韓國(guó)科隆（KOLON）、德國(guó)科德寶旗下的恩福、美國(guó)博純等幾家國(guó)際公司占據(jù)。經(jīng)過(guò)國(guó)產(chǎn)增濕器廠家的努力，國(guó)產(chǎn)增濕器在核心材料和制作工藝上都有所突破。出于降本增效的考慮，增濕器產(chǎn)品的國(guó)產(chǎn)化替代需求上漲，部分企業(yè)已從測(cè)試研發(fā)向小規(guī)模的生產(chǎn)逐漸過(guò)渡，改變了國(guó)外產(chǎn)品壟斷的市場(chǎng)格局。網(wǎng)絡(luò)公開(kāi)數(shù)據(jù)顯示，2023年國(guó)產(chǎn)增濕器產(chǎn)品市場(chǎng)占比已經(jīng)接近一半，并呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)。

下游-氫燃料電池的應(yīng)用

氫燃料電池主要有三大類應(yīng)用場(chǎng)景：交通運(yùn)輸、便攜式電源和分布式發(fā)電。

交通運(yùn)輸

交通動(dòng)力應(yīng)用是目前關(guān)注度最高的燃料電池應(yīng)用領(lǐng)域。交通運(yùn)輸市場(chǎng)包括為乘用車、巴士、客車、叉車及其他以燃料電池作為動(dòng)力的車輛提供的燃料電池，例如特種車輛、物料搬運(yùn)設(shè)備和越野車輛的輔助供電裝置等。

氫燃料電池運(yùn)輸車

根據(jù)《中國(guó)氫能發(fā)展報(bào)告2020》測(cè)算，氫燃料電池商用車將率先實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的應(yīng)用與運(yùn)行，除了政策的激勵(lì)效應(yīng)之外，氫燃料電池客車、物流車、重卡等車型將在2030年前取得與純電動(dòng)車型相當(dāng)?shù)娜芷诮?jīng)濟(jì)性。

便攜式電源

目前小于5kW功率等級(jí)的氫燃料電池主要作為筆記本電腦、手機(jī)、收音機(jī)及其他需要電源的移動(dòng)設(shè)備的移動(dòng)備用電源，應(yīng)急供電及便攜式電源等，以堿性氫燃料電池、質(zhì)子交換膜氫燃料電池為主。

分布式發(fā)電

氫燃料電池分布式能源發(fā)電站適用于儲(chǔ)能容量大、供電時(shí)間長(zhǎng)的新能源儲(chǔ)能、電網(wǎng)側(cè)調(diào)峰等領(lǐng)域，且適用于熱電聯(lián)供的場(chǎng)合。當(dāng)前國(guó)際上大型固定式氫燃料電池發(fā)電站主要分布在北美、韓國(guó)和日本。

氫燃料電池具有清潔零碳、安全高效、用途多元等特點(diǎn)，可代替汽柴油在汽車、輪船、飛機(jī)等機(jī)動(dòng)性強(qiáng)的現(xiàn)代交通工具中發(fā)揮重要作用。但是，在行業(yè)熱度高漲的同時(shí)也應(yīng)看到，我國(guó)氫燃料電池產(chǎn)業(yè)仍處于起步階段，在燃料電池電極、電解質(zhì)以及催化劑等主要核心部件及材料的研發(fā)方面較行業(yè)領(lǐng)先國(guó)家還有一定的差距。通過(guò)對(duì)行業(yè)領(lǐng)先國(guó)家的氫燃料電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展歷程和共性問(wèn)題進(jìn)行研究，可以給中國(guó)氫燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)程完善思路和提供創(chuàng)新想法，促進(jìn)中國(guó)氫燃料電池更好、更快發(fā)展。

轉(zhuǎn)載自：化工好料到haoliaodao.com

來(lái)源：中國(guó)化工信息周刊