投身“燃料电池”前，你需要get到的知识点都在这里了

2019-05

1839年，英国法官和科学家威廉·罗伯特·格罗夫（William Robert Grove）提出燃料电池概念，至今已有整整180年历史。中国的燃料电池研究则始于1958年的原电子工业部天津电源研究所。

燃料电池通过催化剂和氧气发生反应，将氢气转化成电流和热量。它是一种直接将燃料的化学能转化为电能的装置。从理论上来讲，只要连续供给燃料，燃料电池便能连续发电，已被誉为是继水力、火力、核电之后的第四代发电技术。

如果以纯氢气作为燃料，那么水是其唯一的副产品，这使得燃料电池不仅效率高，而且还非常环保。对于燃料电池而言，只要含有氢原子的物质都可以作为燃料，例如天然气、石油、煤炭等化石产物，或是沼气、酒精、甲醇等，因此燃料电池非常符合能源多样化的需求，可减缓主流能源的耗竭。

根据转换过程中使用的电解质，共有几种不同类型的氢燃料电池。其中，质子交换膜燃料电池（PEMFC）由于具有较高的能量效率和能量密度，体积重量小，冷启动时间短，运行安全可靠，而且质子膜为固态，可避免电解质腐蚀，因此，目前已经成为用于燃料电池汽车的首选技术。我们下面提到的燃料电池都是指质子交换膜燃料电池。

燃料电池产业链中，上游是组成电堆的原材料和部件，包括双极板，以及构成膜电极的催化剂、质子交换膜和气体扩散层。

处于中游核心环节的是电堆，它是燃料电池最关键部件，是发生电化学反应的场所。电堆与空压机、储氢瓶系统、氢气循环泵等其他组件构成燃料电池动力系统。

下游则对应交通领域和备用电源领域，主要是客车、轿车、叉车、固定式电源和便携式电源等。

燃料电池电堆由多个单体电池以串联方式层叠组合构成。具体说，就是由双极板与膜电极交替叠合形成单体电池，在单体电池之间嵌入密封件，经前、后端板压紧后用螺杆紧固拴牢，即构成电堆。

在膜电极中，氢气从一侧（阳极）进入，与催化剂反应后，分离为质子（氢离子）和电子。质子穿过质子交换膜到达另一个电极（阴极），在这里与氧气在催化剂的作用下，发生反应生成水。无法穿过质子交换膜的电子会从电路导出，产生电能。

多块单体电池串联，就形成了电堆。每块电池会发出1-3A的电流，电压在0.5-0.9V之间，串联以后，电流一样，电压叠加。

电堆工作时，氢气和氧气分别由进口引入，经电堆气体主通道分配至各单电池的双极板，经双极板导流均匀分配至电极，通过电极支撑体与催化剂接触进行电化学反应。

丰田、本田、现代等日韩车企已经有了量产输出功率100 kW以上的高功率密度电堆，而且体积比燃料电池功率密度都达到了3.1kW/L，汽车商业评论记者2018年初在美国试驾的现代汽车新一代氢燃料电池SUV NEXO的电堆体积比功率甚至达到了3.11kW/L。

而国内，国鸿氢能引进加拿大巴拉德（Ballard）公司技术后，也是只能够推出30-80 kW的燃料电池电堆。但这都属于第一代燃料电池技术水平。按照中国2018年对新能源汽车的补贴政策，燃料电池系统额定功率满足乘用车≧10kW、商用车≧30kW就已经可以拿补贴，显示出中国在这方面的落后程度。

再看体积比功率密度，北京亿华通公司采用自主研发的国产电堆达到2.0kW/L，只能勉强算作是第二代燃料电池技术。中能源工程集团氢能科技有限公司（中氢科技）有自主知识产权的石墨板电堆，实际验收测试体积比功率密度为2.6kW/L，超过科技部2020年项目验收指标，与国内其他同行目前金属板电堆相当。这种石墨板电堆适用于大巴、物流车等领域。

这家公司表示自己研制的金属板电堆，体积比功率已经达到4.0kW/L，较科技部2020年课题验收标准和丰田MIRAI的3.1kW/L高出30%。它的应用范围可以扩展到乘用车领域。果真如此，那属于世界领先水平。

汽车商业评论了解到，在质子交换膜、催化剂、气体扩散层、双极板、密封胶等环节，东岳集团、唐锋能源、中氢科技、武汉理工、江苏行动、新源动力、上海神力和氢璞创能等公司的原材料国产化进程在不同程度地推进。

一位业内专家告诉汽车商业评论，单从核心技术角度看，在全球范围内，燃料电池的核心技术虽然已经商品化，但仍不足以支撑大规模产业化，即使在技术先进的国家如日本、美国、韩国，燃料电池汽车也只是小范围的使用。从更全面的角度看，燃料电池产业链非常长，中间制氢、运氢、加氢及各种基础设施等很多环节还不完善，燃料电池产业化道阻且长。

各路玩家先进程度

燃料电池的先进程度主要体现在两方面，一是效率提高，二是成本降低。

① 质子交换膜戈尔全球份额最高

根据氟含量，质子交换膜可以分为全氟质子交换膜、部分氟化聚合物质子交换膜、非氟聚合物质子交换膜、复合质子交换膜。其中，全氟质子交换膜采用的磺酸树脂分子主链具有优秀的热稳定性、化学稳定性和较高的力学强度，而且最先实现了产业化。

普通全氟质子交换膜的生产主要集中在美国、日本、加拿大和中国，主要品牌包括美国杜邦（Dupont）的Nafion系列膜、陶氏化学公司（Dow）的Dow膜和Xus-B204膜、3M全氟碳酸膜、戈尔公司的SELECT系列膜、日本旭化成株式会社Alciplex，日本旭硝子公司Flemion膜，日本氯工程公司C系列；加拿大巴拉德公司BAM系列膜，比利时Solvay公司Solvay系列膜；中国山东东岳集团DF系列质子交换膜。

在国内，上海有机所、大连化学物理所、武汉理工大学、山东东岳集团、新源动力等是质子交换膜主要开发和生产单位。山东东岳的DF260质子膜为例，膜厚度为15微米，运行寿命超过6000小时，干湿循环次数超过20000次。

质子交换膜使用的催化剂按照使用材料的不同，可分为铂系和非铂系催化剂两类。由于质子交换膜燃料电池的工作温度低于100℃，目前只有铂催化剂对氢气氧化和氧气还原反应表现出了足够的催化活性。现在所用的最有效催化剂是铂碳或铂合金催化剂，它对氢气氧化和氧气还原都具有非常好的催化能力，且可以长期稳定工作。

铂碳或铂合金催化剂的主要问题是成本太高，由于铂的价格高、资源匮乏，质子交换膜燃料电池的成本居高不下，限制了大规模的应用，所以需要进一步降低铂载量。

一种方法是寻找新的价格较低的非铂催化剂；另一种方法是改进电极结构，提高铂的利用率，减少单位面积铂的使用量。

现在国际上比较先进的主流膜电极采用铂合金做催化剂，既能满足性能要求，又能满足寿命要求，还能有效地降低量产成本。

2015年较好的燃料电池铂含量达到0.16g/kW，质量比活性大于0.5A/mg。本田FCV燃料电池催化剂铂含量降至0.12g/kW，丰田MIRAI燃料电池催化剂铂含量达到0.175g/kW。

国内上海交大燃料电池研究所研发的质子交换膜使用的催化剂铂含量为0.25 g/kW，不到目前国内商业铂碳技术的一半，但目前还未大量应用在车辆上。

② 扩散层碳纸技术处于国外垄断状态

气体扩散层在材质方面，碳纤维纸由于制造工艺成熟、性能稳定、成本相对较低和适于再加工等优点，成为扩散层的首选。