鉅大LARGE | 點擊量：733次 | 2019年04月30日
燃料電池正式進入導入期
1、 政策不斷加碼，燃料電池市場開啟元年
1.1、 燃料電池技術路線更為環(huán)保，發(fā)電系統(tǒng)具有復雜性
人類能源的發(fā)展史也是一部生產力發(fā)展史。從不發(fā)達社會使用收集的牲畜糞干、 秸稈茅草，到今天使用的石油、煤炭、天然氣能源，人類社會的發(fā)展是隨著能源的 進步而進步的。
從氫能生命周期的角度來看，只要有水，有太陽能、光能、核能、電能等一次 能源或者二次能源，就可以制成氫氣。氫氣的用途非常廣泛，無論是發(fā)電、發(fā)熱還 是用作交通燃料，最后氫氣又會與氧化物反應生成水。氫就像個能源載體，跟電一 樣的能源載體，將地球上的能量源源不斷地應用到人類生活的方方面面。另外，只 要制氫的能量來源是可再生能源，那么整個氫能的生命周期也將是清潔環(huán)保可持續(xù) 的。
氫能源具備以下特點:(1)來源廣，不受地域限制;(2)可儲存，適應中大規(guī) 模的儲能;(3)可再生能源橋梁，可以將其變成穩(wěn)定能源;(4)零污染，零碳，是 控制地球溫升的主要能源;(5)氫是全能的能源:可發(fā)電、可發(fā)熱，也可用作交通 燃料。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
燃料電池是一種不經過燃燒過程直接以電化學反應方式將燃料如氫氣、天然氣 等和氧化劑中的化學能直接轉化為電能的高效發(fā)電裝臵，是繼水力發(fā)電、火力發(fā)電、 化學發(fā)電之后 第四種發(fā)電方式。燃料電池可以持續(xù)發(fā)電，且生成物主要是水，基 本上不排放有害氣體，因此更加清潔環(huán)保。燃料電池的概念是最早由 W.Grove在 1839 年提出的，目前在特種航天、交通運輸、消費電子產品及固定供電供熱裝臵 開始了運用。
與鋰電池作為一種儲能裝臵不同，二者有著本質的差別。按其電解質不同，常 用的燃料電池包括質子交換膜燃料電池(PEMFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)、 熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、磷酸燃料電池(PAFC)和堿性燃料電池(AFC)等。其中質子交換膜燃料電池 PEMFC 操作溫度低、啟動速度快，是車用燃料電池 的首選。
燃料電池發(fā)電原理與原電池或二次電池相似，電解質隔膜兩側分別發(fā)生氫氧化 反應與氧還原反應，電子通過外電路作功，反應產物為水。燃料電池單電池包括膜 電極組件(MEA)、雙極板及密封元件等。膜電極組件MEA是電化學反應的核心 部件，由陰陽極多孔氣體擴散電極和電解質隔膜組成。額定工作條件下，一節(jié)單電 池工作電壓僅為 0.7 V 左右，實際應用時，為了滿足一定的功率需求，通常由數百節(jié)單電池組成燃料電池電堆或模塊。因此，與其他化學電源一樣，燃料電池電堆單 電池間的均一性非常重要。
與原電池和二次電池不同的是，燃料電池發(fā)電需要有一相對復雜的系統(tǒng)。典型 的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)組成，除了燃料電池電堆外，還包括燃料供應子系統(tǒng)、氧化劑 供應子系統(tǒng)、水熱管理子系統(tǒng)及電管理與控制子系統(tǒng)等，其主要系統(tǒng)部件包括空壓 機、增濕器、氫氣循環(huán)泵、高壓氫瓶等，這些子系統(tǒng)與燃料電池電堆(或模塊)組 成了燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。燃料電池系統(tǒng)的復雜性給運行的可靠性帶來了挑戰(zhàn)。
燃料電池工作方式與內燃機類似的，其燃料是在電池外攜帶的，而原電池及二 次電池的活性物質是封裝在電池內部，燃料電池所用的氫氣可以像傳統(tǒng)車汽油一樣 充裝速度快，只需要幾分鐘時間，顯示出比純電動汽車較大的優(yōu)勢;另外，70 MPa 的車載高壓氫瓶，也保證了燃料電池汽車具有較長的續(xù)駛里程。因此，燃料電池汽 車在加氫、續(xù)駛里程等特性方面與傳統(tǒng)車具有一定的相似性。
與目前在發(fā)電廠和乘用車廣泛使用的以燃燒為基礎的技術相比，燃料電池擁有 很多優(yōu)勢。 由于其沒有傳統(tǒng)熱機卡諾循環(huán)的限制，具有遠高于內燃機30%-35%的 能源轉換效率，燃料電池最高能效轉化率超過 60%，且具備污染低、無機械震動、噪音低、能適應不同功率要求、可連續(xù)性發(fā)電、可靠性高等優(yōu)勢性能。
燃料電池汽車的主流技術為燃料電池與二次電池“電-電”混合模式，平穩(wěn)運 行時依靠燃料電池提供動力，需要高功率輸出時，燃料電池與二次電池共同供電， 在低載或怠速工況燃料電池在提供驅動動力的同時，給二次電池充電。這種“電- 電”混合模式，可使燃料電池輸出功率相對穩(wěn)定，有利于燃料電池壽命的提升。另 外，燃料電池輸出電壓要通過 DC-DC變換器使之與電機匹配。燃料電池電堆可采 用底板布局(如 Mirai)，也有的采用前艙布局(如美國通用汽車公司的 FCV)。
燃料電池電動汽車動力性能高、充電快、續(xù)駛里程長、接近零排放，是未來新 能源汽車的有力競爭者。國際上特別是日本車用燃料電池技術鏈已逐漸趨于成熟， 我國需要加大產業(yè)鏈建設，鼓勵企業(yè)進行投入，發(fā)展批量生產設備，在產業(yè)鏈的建 立過程中促進技術鏈的逐步完善。同時，在成本、壽命方面還要繼續(xù)進行研發(fā)投入， 激勵創(chuàng)新材料的研制，加大投入強化電堆可靠性與耐久性考核，為燃料電池汽車商 業(yè)化形成技術儲備。
1.2、 電池成本仍然較高，期待復制鋰電規(guī)模效應之路
對于燃料電池技術，目前最大的問題是需要從能源供給轉換全局考慮，如果沒 有實現從石油能源往氫氣的整體轉換，并在較大地域范圍覆蓋，就沒辦法進行大規(guī) 模化應用。對于整車企業(yè)而言，市場規(guī)模就比較有限，需要較大的量才能有效降低 成本。
據美國能源部最新數據顯示，以 80kW 質子交換膜燃料電池系統(tǒng)為例，2017 年，每生產 1000 套燃料電池，燃料電池系統(tǒng)(包括燃料電池電堆、高壓儲氫罐、 升壓變頻器、電動機、動力控制單元等)的成本達到179美元/kW，其中電堆成本 為 118 美元/kW;每生產 1 萬套燃料電池，燃料電池系統(tǒng)成本為 79 美元/kW，其中 電堆成本為 39美元/kW。
以豐田 Mirai 為例，2015 年該車產量已達到700輛，2016 年提升至 2000 輛， 到 2020年將達到 3 萬輛，這是 2017 年的10倍。如果按照上述數字折算，豐田 Mirai 的續(xù)航超過 600 公里，燃料電池組最大功率為114kW，核算其電堆成本為 1.1~1.3 萬美元，整套燃料電池系統(tǒng)超過 2 萬美金。而同等的電池系統(tǒng)大約需要 70-80kWh， 電池系統(tǒng)成本為 1.4-1.6 萬美金。
2017年 LDV 汽車燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池堆和組件，包括空氣回路、燃料 回路、高(HTL)和低溫液體(LTL)冷卻劑回路，儲氫罐和閥門不包括在成本分 析中。研究小組發(fā)現，功率密度的提高和陰極催化劑的鉑含量降低(設定為 0.125 g/cm2)促使成本降低。然而，催化劑和雙極板在大規(guī)模生產堆棧成本中占比最高， 尤其是 Pt和不銹鋼的含量。研究小組發(fā)現，壓縮機膨脹機(CEM)單元仍然是組 件中成本最高的一項。
燃料電池壽命不需要解決充電問題，其持續(xù)壽命主要是發(fā)電和行駛工況，現階 段核心的難點之一就是解決燃料電池壽命，這個目標是5000-10000小時。目前國 際先進水平的燃料電池壽命是 5000 小時，部分電堆的壽命可能更高一些，而國內 水平只有 2000-3000 小時。
氫燃料發(fā)電的過程中，需要用到含鉑催化劑，但鉑金是貴金屬，價格高昂。豐 田的燃料電池車 Mirai 每輛車用鉑 20g，約合 0.17g/kW。根據美國能源部的規(guī)劃， 到 2020 年燃料電池汽車用鉑量預計會下降到 0.125g/kW。在這個層面，持續(xù)的技術投入對于原料的依賴還有持續(xù)的工作要做。
1.3、 固定電源應用最為廣泛，交通動力運用成長空間大
燃料電池有三大類主要市場:固定電源、交通運輸和便攜式電源。
固定電源應用是目前最大的市場。固定電源市場包括所有的在固定的位臵運行 的作為主電源、備用電源或者熱電聯產的燃料電池，比如分布式發(fā)電及余熱供熱等。 固定燃料電池被用于商業(yè)、工業(yè)及住宅主要和備份能發(fā)電，它還可以作為動力源可 以安裝在片源遠位臵，如航天器、遠端氣象站、大型公園及游樂園、通訊中心、農 村及偏遠地帶，對于一些科學研究站和某些特種應用非常重要。
固定電源應用在燃料電池主流應用中占比最大，其中美國市場目滲透率略高， 大型企業(yè)的數據中心使用量呈較明顯的上升趨勢。除用于發(fā)電之外，熱電聯產(CHP) 燃料電池系統(tǒng)還可以同時為工業(yè)或家庭供電和供熱。
交通動力應用是目前關注度最高的燃料電池應用領域。交通運輸市場包括為乘 用車、巴士/客車、叉車以及其他以燃料電池作為動力的車輛提供的燃料電池，例 如特種車輛、物料搬運設備和越野車輛的輔助供電裝臵等。
汽車用燃料電池作為動力系統(tǒng)是目前關注度最高的應用領域。這是目前是爆發(fā) 最迅猛，也是關注度最高的應用領域。燃料電池為動力的叉車是燃料電池在工業(yè)應 用內最大的部門之一。用于材料搬運的大多數燃料電池是質子交換膜燃料電池提供 動力，但也有一些直接甲醇燃料叉車進入市場。目前正在運營的燃料電池車隊有大 量的公司，包括聯邦快遞貨運、西斯科食品、GENCO、H-E-B 雜貨店等。
而便攜式電源市場包括非固定安裝的或者移動設備中使用的燃料電池，目前相比鋰電池的優(yōu)勢并不明顯，因此市場滲透不快。
1.4、 相關政策支持顯現，補貼標準保持不變
從國際看，美國、歐盟、日本、韓國等國家投入巨資研究燃料電池技術、強力 推動燃料電池產業(yè)發(fā)展并制定補貼政策和中長期發(fā)展規(guī)劃，搶占行業(yè)制高點。目前 來看，燃料電池已經在交通領域、固定式發(fā)電領域、通信基站備用電源領域和物料 搬運領域所有成績，正在逐步邁向商業(yè)化的步伐。
從國內看，燃料電池研究始于 1958 年，70 年代呈現出第一次高潮。“九五” 和“十五”期間，燃料電池作為國家支持的重點領域之一，形成了以大學研究院所 為主的研發(fā)體系，積累了一定經驗;到“十一五”期間，196 輛燃料電池汽車服務于 北京奧運和上海世博會，奧運會后燃料電池大客車繼續(xù)進行公交車示范;隨著政策 和項目支持力度放緩，“十二五”期間有 2 項燃料電池相關的863項目;“十三五” 期間國家日益重視其發(fā)展，將氫能和燃料電池作為“十三五”發(fā)展的重點之一。
從 2006 年開始，我國開始制定與燃料電池相關的政策;2014 年《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動計劃(2014-2020年)》，明確將氫能與燃料電池列入能源科技 20 個重點創(chuàng)新方向之一;2014 年《關于新能源汽車充電設施建設獎勵的通知》提出“對符合國家標 準且日加氫能力不少于 200公斤的新建燃料電池汽車加氫站每個站獎勵 400 萬元”; 到 2015 年《2016-2020年新能源汽車推廣應用財政支持政策》提到“2016 年燃料 電池汽車補助 20 萬元，2017年-2020 年除燃料電池汽車外其他車型補助標準將適 當退坡”。
節(jié)能與新能源汽車技術路線中明確到 2025 年燃料電池汽車達到 10 萬輛規(guī)模， 到 2030 年達到百萬輛規(guī)模。2017 年 7 月，中國汽車技術研究中心發(fā)布《中國燃料 電池汽車發(fā)展路線圖》，明確了我國氫能產業(yè)的近、中、遠期發(fā)展目標與任務:2020 年行業(yè)總產值達到 3000 億元，2030年產業(yè)產值突破 1 萬億。
1.5、 燃料電池汽車銷量提升需要政府扶持推動
根據日經 BP 清潔技術研究所的研究，到 2015 年世界氫氣相關市場規(guī)模約為 7 萬億日元。之后，燃料電池車與定臵燃料電池將帶動市場擴大，市場規(guī)模將在2020年超過 10 萬億日元，到 2030 年將達到約37萬億日元。到那時，各國的發(fā)電企業(yè) 都將積極投資氫氣發(fā)電，投入運營。2050 年的市場規(guī)模預期高達 160 萬億日元。
據 Information Trends 的研究結果，自 2013 年氫燃料電池車商業(yè)化到2017年 底，全球總計售出 6475 輛氫燃料電池乘用車。2016 年之前一共銷售 3000 輛，2017 年銷售 3382 輛，其中豐田Mirai就賣出 3000 輛，占比為 75%，本田和現代汽車分 別占 13%和 11%。豐田在推動燃料電池車商業(yè)化方面不遺余力，主要在美國市場 和日本市場同步大力推動。
燃料電池汽車的加氫站分布，在美國比較集中，主要在加州舊金山灣區(qū)、洛杉 磯及奧蘭治縣，對應超過50%的氫燃料電池車也在加州售出。從全球范圍來看，燃 料電池汽車商業(yè)化進程正在加快，不過推動力主要源自于日本和韓國兩個相對地域 狹小的國家。
2018年 6 月，韓國政府同意在未來五年內投資約 20 億歐元用于氫燃料電池以 及加氫站的補貼。目標到 2022 年為 15000 輛燃料電池汽車和1000輛燃料電池公交 車提供資金。最重要的是，資助計劃包括 310 個新的加氫站。
日本則致力于氫氣站網絡的發(fā)展和完善。2020 年前，日本計劃推廣 4 萬輛氫 燃料電池汽車上路，并在 2025 年和2030年之前分別達到 20 萬輛和 80 萬輛。另外， 加氫站也將在 2020年之前發(fā)展到 160 個，在 2025 年和2030年前分別發(fā)展到 320 個和 720 個。
根據 Ofweek 產業(yè)研究院統(tǒng)計，2018 年中國燃料電池汽車銷量共計833輛，同 比減少 20.5%。對比產量數據，2018 年我國氫燃料電池汽車產量達 1619 輛，同比 增加 27%。其中 12 月份生產的車輛多達 1153 輛，預計這些車輛部分將在 2019 年 實現銷售。
2018年中國燃料電池客車銷量同比大增 262.9%。與新能源汽車類似，我國燃 料電池汽車產量“翹尾現象”明顯。2018 年12月燃料電池汽車銷量達到 665 輛， 占全年銷售總量的 78.3%。2018 年我國銷售的燃料電池汽車中，燃料電池客車 421 輛，占全年銷量的 50.5%，同比增長 262.9%。燃料電池貨車銷量412輛，同比減 少 55.8%。
主要受燃料電池貨車銷售情況影響，2018 年我國燃料電池汽車銷售情況整體 呈下降趨勢。但在各地政府示范項目的帶動下，2018 年燃料電池客車采購合同頻 現，燃料電池客車銷量較 2017 年大漲。
受政策及加氫站建設等因素影響，2018 年廣東省深圳、佛山、廣州、云浮四 地區(qū)銷售的燃料電池汽車總量達到 503 輛，占到全國銷量的 60%。其中深圳、佛 山兩地區(qū)分別銷售燃料電池汽車350、106 輛。此外，北京、張家口地區(qū)也是燃料 電池汽車主要銷售區(qū)域，兩地分別銷售燃料電池汽車 90 和74輛。
2018年各省市燃料電池客車銷售分布較為均衡。燃料電池貨車則主要集中在 廣東、北京等地區(qū)，其中深圳市銷售的350輛燃料電池汽車車型全部為中型貨車。
與 2018 年我國燃料電池汽車生產情況一致的是，銷售排名前三的企業(yè)分別為 中通、飛馳和福田，三家車企銷售總量為 606 輛，占全部車企銷量的 72.7%。涉及 燃料電池貨車生產的僅有中通、飛馳、福田和青年曼五個品牌。燃料電池客車以大 中型客車為主，燃料電池貨車以中型貨車為主。
根據《中國氫能產業(yè)基礎設施發(fā)展藍皮書》，到 2020 年和 2030 年燃料電池車 保有量分別達到 1萬輛和 200 萬輛，加氫站分別達到 100 座和 1000座。
總體來看，2018 年中國燃料電池汽車產銷規(guī)模與 2017 年相比沒有明顯變化， 而銷售車型更加均衡，燃料電池客車數量增加明顯。
2、 電堆是核心部分，材料技術構建壁壘
2.1、 化石燃料制氫和高壓氣態(tài)儲氫為成熟路線
燃料電池上游主要是氫氣和氧氣，是燃料電池的動力來源。氧氣較容易獲得， 主要通過直接吸取空氣作為氧氣的來源。
制氫方法是將存在于天然或合成的化合物中的氫元素，通過化學的過程轉化為 氫氣的方法。根據氫氣的原料不同，氫氣的制備方法可以分為非再生制氫和可再生 制氫，前者的原料是化石燃料，后者的原料是水或可再生物質。制備氫氣的方法目 前較為成熟，從多種能源來源中都可以制備氫氣，每種技術的成本及環(huán)保屬性都不 相同。主要分為五種技術路線:工業(yè)尾氣副產氫、電解水制氫、化工原料制氫、石 化資源制氫和新型制氫方法等。
電解水制氫，在由電極、電解質與隔膜組成的電解槽中，在電解質水溶液中通 入電流，水電解后，在陰極產生氫氣，在陽極產生氧氣。
化石原料制氫，化石原料目前主要指天然氣、石油和煤，其他還有頁巖氣和可 燃冰等。天然氣、頁巖氣和可燃冰的主要成分是甲烷。甲烷水蒸氣重整制氫是目前 采用最多的制氫技術。煤氣化制氫是以煤在蒸汽條件下氣化產生含氫和一氧化碳的 合成氣，合成氣經變換和分離制得氫。由于石油量少，現在很少用石油重整制氫。
化合物高溫熱分解制氫，甲醇裂解制氫、氨分解制氫等都屬于含氫化合物高溫 熱分解制氫含氫化合物由一次能源制得。
工業(yè)尾氣制氫，合成氨生產尾氣制氫、石油煉廠回收富氫氣體制氫、氯堿廠回收副產氫制氫、焦爐煤氣中氫的回收利用等。
新型制氫方法，包括生物質制氫、光化學制氫、熱化學制氫等技術。生物質制 氫指生物質通過氣化和微生物催化脫氫方法制氫，在生理代謝過程中產生分子氫過 程的統(tǒng)稱。光化學制氫是將太陽輻射能轉化為氫的化學自由能，通稱太陽能制氫。 熱化學制氫指在水系統(tǒng)中，不同溫度下，經歷一系列化學反應，將水分解成氫氣和 氧氣，不消耗制氫過沉重添加的元素或化合物，可與高溫核反應堆或太陽能提供的 溫度水平匹配。
從全球范圍來看，當前主要的制氫方法主要采用的是石化資源制氫，其次是化 工原料制氫。具體來看，制氫原料來源最多的是天然氣，比重達到48%，其次是醇 類，比重為 30%。兩者對應的制氫方法分別是石化資源制氫和化工原料制氫占比。 而原料來源于電解水的比重只占 4%，目前采用電解水制氫的方法還很少。而新型 制氫法幾乎沒怎么應用于大規(guī)模的制氫。
全球主流的選擇是化石原料制氫和化工原料制氫。之所以如此，主要原因在于 化石原料制氫和化工原料制氫的成本較低，具有盈利空間。
日本主要的制氫產能主要來自于電解水制氫，該方式的制氫產能占總制氫產能 的 63%，而化石原料制氫、化工原料制氫、工業(yè)尾氣制氫的制氫產能占比都比較小。 而我國則可以學習日本的電解水制氫的發(fā)展經驗，發(fā)展電解水制氫技術。
從當前技術、資源條件來看，我國主要采用化石原料制氫法。雖然在煤制氫工 藝過程中，二氧化碳的排放水平較高，但可以引入二氧化碳捕捉技術(CCS)，降低 碳排放。
電解水制氫是最清潔、最可持續(xù)的制氫方式，并且是未來制氫的發(fā)展的重要方 向。當前制氫技術比較發(fā)達的日本，主要采用的制氫方法就是電解水制氫。但是電 解水制氫的成本很高，因此要大規(guī)模發(fā)展電解水制氫，降成本將是首要任務。當前， 電解水制氫成本主要來源于固定資產投資、用電成本和固定生產運維成本，其中電 價占總成本的77%，電價高是造成電解水成本高的主要原因。要發(fā)展電解水制氫就 需要降低用電成本。除此之外，還需要提高電解水制氫的效率，降低規(guī)?；茪涞?成本。
雖然目前水電解制氫成本遠高于石化燃料，而煤氣化制氫和天然氣重整制氫相 對于石油售價已經存在利潤空間。但是用化石燃料制取氫氣不可持續(xù)，不能解決能 源和環(huán)境的根本矛盾。并且碳排放量高，煤氣化制氫二氧化碳排放量高達 193kg/GJ， 天然氣重整制氫也有 69 kg/GJ，對環(huán)境不友好。而電解水制氫是可持續(xù)和低污染的， 這種方法的二氧化碳排放最高不超過 30 kg/GJ，遠低于煤氣化制氫和天然氣重整制 氫。
從成本和原料的可得性分析出化石原料制氫是當前最具有可行性的制氫方法。 但是這種制氫方法不可持續(xù)，并且不符合環(huán)保的要求，因此未來還是要發(fā)展清潔、 環(huán)保、可持續(xù)的電解水制氫。 再利用電力方面，如果充分利用棄風棄水的電量， 則有利于電解水制氫產業(yè)的發(fā)展。
氫是所有元素中最輕的，在常溫常壓下為氣態(tài)，密度僅為 0.0899 kg/m3 ，是 水的萬分之一，因此其高密度儲存一直是一個世界級難題。
燃料電池儲氫方式主要包括高壓儲氫、液態(tài)儲氫以及儲氫材料儲氫，目前燃料 電池汽車儲氫的主流技術是高壓儲氫，儲存的氣體氫通過氫泵進入電堆，同時氫泵 也可以調節(jié)氫氣壓力實現與空氣壓力的協調以保障電化學反應的穩(wěn)定。
按照氫在輸運時所處狀態(tài)的不同，可以分為氣氫輸送、液氫輸送和固氫輸送。 其中前兩者是目前正在大規(guī)模使用的兩種方式。根據氫的輸送距離、用氫要求及用 戶的分布情況，氣氫可以用管道網絡，或通過高壓容器裝在車、船等運輸工具上進 行輸送。管道輸送一般適用于用量大的場合，而車、船運輸則適合于量小、用戶比 較分散的場合。液氫、固氫輸運方法一般是采用車船輸送。
2.2、 MEA 為電池關鍵部件
膜電極組件(membrane electrode assembly，MEA)是集膜、催化層、擴散層于一體的組合件，是燃料電池的核心部件之一。
膜位于中間，兩側分別為陰極、陽極的催化層和擴散層，通常采用熱壓方法粘 結使其成為一個整體。其性能除了與所組成的材料自身性質有關外，還與組分、結 構、界面等密切相關。
目前，國際上已經發(fā)展了 3 代 MEA 技術路線:一是把催化層制備到擴散層上(GDE)，通常采用絲網印刷方法，其技術已經基本成熟;二是把催化層制備到膜 上(CCM)，與第 1 種方法比較，在一定程度上提高了催化劑的利用率與耐久性; 三是有序化的MEA，把催化劑如 Pt 制備到有序化的納米結構上，使電極呈有序化結構，有利于降低大電流密度下的傳質阻力，進一步提高燃料電池性能，降低催化 劑用量。其中第 1代、第 2 代技術已基本成熟，新源動力股份有限公司、武漢新能 源汽車等公司均可以提供膜電極產品。
電催化劑(catalyst)是燃料電池的關鍵材料之一，其作用是降低反應的活化 能，促進氫、氧在電極上的氧化還原過程、提高反應速率。因為氧還原反應(ORR) 交換電流密度低，是燃料電池總反應的控制步驟。目前，燃料電池中常用的商用催 化劑是 Pt/C，由 Pt 的納米顆粒分散到碳粉(如 XC-72)載體上的擔載型催化劑。
使用 Pt 催化劑受資源與成本的限制，目前Pt用量已從 10 年前 0.8~1.0 gPt〃kW-1 降至現在的 0.3~0.5 gPt〃kW-1，希望進一步降低，使其催化劑用量達 到傳統(tǒng)內燃機尾氣凈化器貴金屬用量水平(<0.05 gPt〃kW-1)，近期目標是 2020 年燃料電池電堆的 Pt 用量降至0.1 gPt〃kW-1 左右。Pt 催化劑除了受成本與資源 制約外，也存在穩(wěn)定性問題，通過燃料電池衰減機理分析可知，燃料電池在車輛運 行工況下，催化劑會發(fā)生衰減，如在動電位作用下會發(fā)生 Pt 納米顆粒的團聚、遷 移、流失，在開路、怠速及啟停過程產生氫空界面引起的高電位導致催化劑碳載體 的腐蝕，從而引起催化劑流失。因此，針對目前商用催化劑存在的成本與耐久性問 題，研究新型高穩(wěn)定、高活性的低 Pt 或非 Pt 催化劑是目前的熱點。
車用燃料電池中質子交換膜(proton exchange mem?brane，PEM)是一種固 態(tài)電解質膜，其作用是隔離燃料與氧化劑、傳遞質子(H+)。在實際應用中，要求 質子交換膜具有高質子傳導率和良好的化學與機械穩(wěn)定性，目前常用的商業(yè)化質子 交換膜是全氟磺酸膜，其碳氟主鏈是疏水性的，而側鏈部分的磺酸端基(-SO3H) 是親水性的，故膜內會產生微相分離，當膜在潤濕狀態(tài)下，親水相相互聚集構成離 子簇網絡，傳導質子。目前常用的全氟磺酸膜有Na?fion?膜及與 Nafion 膜類似的Flemion、Aciplex 膜及國內新源動力、武漢理工的復合膜等。
山東東岳集團長期致力于全氟離子交換樹脂和含氟功能材料的研發(fā)，建成了年 產 50 t 的全氟磺酸樹脂生產裝臵、年產 10 萬 m2 的氯堿離子膜工程裝臵和燃料 電池質子交換膜連續(xù)化實驗裝臵，產品的性能達到商品化水平，但批量生產線還有 待進一步建設。目前車用質子交換膜逐漸趨于薄型化，由幾十微米降低到十幾微米， 降低質子傳遞的歐姆極化，以達到較高的性能。但是薄膜的使用給耐久性帶來了挑 戰(zhàn)，尤其是均質膜在長時間運行會出現機械損傷與化學降解，在車輛工況下，操作壓力、干濕度、溫度等操作條件的動態(tài)變化會加劇這種衰減。于是，研究人員在保 證燃料電池性能同時，為了提高耐久性，研究了一系列增強復合膜。
在質子交換膜燃料電池中，氣體擴散層(gas diffusion layer，GDL)位于流場 和催化層之間，其作用是支撐催化層、穩(wěn)定電極結構，并具有質/熱/電的傳遞功能。 因此 GDL 必須具備良好的機械強度、合適的孔結構、良好的導電性、高穩(wěn)定性。
通常 GDL 由支撐層和微孔層組成，支撐層材料大多是憎水處理過的多孔碳紙 或碳布，微孔層通常是由導電炭黑和憎水劑構成，作用是降低催化層和支撐層之間 的接觸電阻，使反應氣體和產物水在流場和催化層之間實現均勻再分配，有利于增 強導電性，提高電極性能。支撐層比較成熟的產品有日本的Toray、德國的 SGL 和 加拿大的AVCarb等。
燃料電池雙極板(bipolar plate，BP)的作用是傳導電子、分配反應氣并帶走 生成水，從功能上要求雙極板材料是電與熱的良導體、具有一定的強度以及氣體致 密性等;穩(wěn)定性方面要求雙極板在燃料電池酸性(pH=2~3)、電位(E=~1.1 V)、濕 熱(氣水兩相流，~80°C)環(huán)境下具有耐腐蝕性且對燃料電池其他部件與材料的相 容無污染性;產品化方面要求雙極板材料要易于加工、成本低廉。燃料電池常采用 的雙極板材料包括石墨碳板、復合雙極板、金屬雙極板 3 大類。
由于車輛空間限制(尤其是轎車)，要求燃料電池具有較高的功率密度，因此 薄金屬雙極板成為目前的熱點技術，幾乎各大汽車公司都采用金屬雙極板技術，如 豐田公司、通用公司、本田公司等
燃料電池電堆(fuel cell stack)是燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的核心。通常為了滿足一 定的功率及電壓要求，電堆通常由數百節(jié)單電池串聯而成，而反應氣、生成水、冷 劑等流體通常是并聯或按特殊設計的方式(如串并聯)流過每節(jié)單電池。燃料電池 電堆的均一性是制約燃料電池電堆性能的重要因素。燃料電池電堆的均一性與材料 的均一性、部件制造過程的均一性有關，特別是流體分配的均一性，不僅與材料、 部件、結構有關，還與電堆組裝過程、操作過程密切相關。
常見的均一性問題包括由于操作過程生成水累積引起的不均一、電堆邊緣效應 引起的不均一等。電堆中一節(jié)或少數幾節(jié)電堆的不均一會導致局部單節(jié)電壓過低， 限制了電流的加載幅度，從而影響電堆性能。從設計、制造、組裝、操作過程控制 不均一性的產生，如電堆設計過程的幾何尺寸會影響電堆流體的阻力降，而流體阻力降會影響電堆對制造誤差的敏感度。
燃料電池電堆在車上通常要進行封裝，為了保證氫安全，通常在封裝內部要設 有氫傳感器，當氫濃度超標時，會通過空氣強制對流的方式排出聚集的氫，以免發(fā) 生危險。此外，封裝內部通常還設有電堆單電壓巡檢原件，以對單電壓輸出情況進 行監(jiān)控與診斷。
2.3、 系統(tǒng)部件與控制策略影響發(fā)電系統(tǒng)性能
燃料電池工作方式與內燃機類似，除了燃料電池電堆外，還包括燃料供應子系 統(tǒng)、氧化劑供應子系統(tǒng)、水熱管理子系統(tǒng)及監(jiān)控子系統(tǒng)等，其主要系統(tǒng)部件包括空 壓機、增濕器、氫氣循環(huán)泵、高壓氫瓶等。燃料電池發(fā)電系統(tǒng)性能與耐久性，除了 與電堆本身有關外，還與系統(tǒng)部件與系統(tǒng)控制策略密切相關。
車載空壓機是車用燃料電池重要部件之一，常用的空壓機種類有離心式、螺桿 式、羅茨式等?？諌簷C的任務是提供燃料電池發(fā)電所需要的氧化劑(空氣中的氧氣)， 要求空壓機能夠提供滿足最高功率所需的空氣，如果按空氣化學計量比2.0計算， 100 k W 的燃料電池系統(tǒng)大約需要 300 Nm3〃h-1的空氣。為了降低傳質極化，可 在燃料電池的結構上改進，國際上有些產品的空氣化學計量比已經降低至1.8，這 樣可以減輕空壓機供氣負擔，減少內耗。另外，由于車輛體積限制，要求空壓機體 積小，因此需要空壓機有高的電機轉速，滿足供氣量要求。此外，能耗也是空壓機 的重要指標，一般空壓機的能耗占電堆輸出功率的 10%以下才能保證整個系統(tǒng)高 的發(fā)電效率。目前，燃料電池車載空壓機還是瓶頸技術之一，豐田汽車公司的空壓 機是專有技術，并沒有對外銷售，廣東省佛山廣順電器有限公司開發(fā)的車載空壓機 還正在研究中。
增濕器是燃料電池發(fā)電系統(tǒng)另一重要部件，燃料電池中的質子交換膜需要有水 潤濕的狀態(tài)下才能夠傳導質子，反應氣通過增濕器把燃料電池反應所需的水帶入燃 料電池內部，常用的增濕器形式包括膜增濕器、焓輪增濕器等，原理是把帶有燃料 電池反應生成水的尾氣(濕氣)與進口的反應氣(干氣)進行濕熱交換，達到增濕 的目的。由于燃料電池薄膜的使用，透水能力增加，加大了陰極產生水向陽極側的 反擴散能力，使得陰陽極濕度梯度變小。這樣，一側增濕即可滿足反應所需的濕度 要求。目前，發(fā)展趨勢是采用氫氣回流泵帶入反應尾氣的水，系統(tǒng)不需要增濕器部 件，使得系統(tǒng)得到簡化。
氫氣回流泵的作用是燃料電池發(fā)電系統(tǒng)氫氣回路上把未反應氫氣從燃料電池 出口直接泵回燃料電池入口，與入口反應氣匯合后進入燃料電池。利用回流泵一方 面可以實現把反應氣尾氣的水份帶入電池起到增濕作用;另一方面，可以提高氫氣 在燃料電池陽極流道內流速，防止陽極水的累積，避免陽極水淹;同時也起到了提 高氫氣利用率的目的。
回流泵有噴射器與電動回流泵兩種，前者的回流能力是固定的，因此只能在一 定的輸出功率范圍內有效;后者是采用電機變頻控制電機使回流能力根據不同功率 進行響應。氫氣回流泵在豐田汽車公司 Mirai 燃料電池車上得到了實施，該技術在 國內還正在開發(fā)中。
氫瓶在燃料電池汽車上相當于傳統(tǒng)汽車的油箱。為了達到一定的續(xù)駛里程，目 前國內外開發(fā)的燃料電池汽車大多采用70 MPa 高壓氣態(tài)儲氫技術，其高壓氫瓶是 關鍵技術。常用的氫瓶分為四種類型:全金屬氣瓶(I 型)、金屬內膽纖維環(huán)向纏繞 氣瓶(II 型)、金屬內膽纖維全纏繞氣瓶(III 型)及非金屬內膽纖維全纏繞氣瓶(IV 型)。國際上大部分燃料電池汽車(如日本豐田汽車公司的 Mirai，圖 19)采用的 都是IV型瓶，其儲氫量可以達到 5.7%(質量分數)。IV 型瓶以其輕質、廉價的特 點得到開發(fā)商的認可。國內目前還沒有IV型高壓氫瓶的相應法規(guī)標準，35 MPa III 型氫瓶有一些供應商，如斯林達、科泰克等，同濟大學對 70 MPa 氫瓶及加氫系統(tǒng) 方面進行了開發(fā)，依托于國家 863 課題的燃料電池加氫站正在建設中。
除了上述的系統(tǒng)部件外，系統(tǒng)的控制策略也非常重要。可以在現有材料的基礎 上通過優(yōu)化控制策略，提高耐久性?；谌剂想姵厮p機理，提出車用燃料電池的 合理控制策略，規(guī)避如動態(tài)循環(huán)工況、啟動/停車過程、連續(xù)低載或怠速等不利運 行條件的影響，提高燃料電池系統(tǒng)的壽命。
2.4、 產業(yè)鏈相關上市公司
我國在燃料電池產業(yè)鏈的多個環(huán)節(jié)中已經發(fā)展出了掌握核心技術的企業(yè)，同時 多家具有資本優(yōu)勢的企業(yè)參股了海外的龍頭公司，包括濰柴動力、大洋電機、雪人 股份等。
