發展氫能用哪些新材料？

氫燃料電池作為將氫能轉化為電能的關鍵技術，也是氫能應用於交通領域的重要技術路線，具有非常重要的地位。發展氫能燃料電池技術是世界各國未來能源技術的戰略性選擇，也是能源體系和新能源汽車戰略的重要組成。多年以來，世界主要發達國家以及中國在戰略、產業結構、科技、財政等方面相繼發佈了一系列政策，引導並鼓勵包括氫能燃料電池和相關產業在內的氫能產業發展。

氫燃料電池產業鏈主要由上游原材料、中游集成以及下游應用組成。其中，氫燃料電池產業上游主要是膜電極、雙極板、各類管閥件與傳感器、車載高壓儲氫瓶等發動機零部件生產製造行業；中游為燃料電池發動機系統及電堆集成行業；下游各大應用領域包含新能源汽車領域、固定電站、工業電子及其他特殊領域等。

氫燃料電池產業鏈

上游-電堆關鍵材料

催化劑

在氫燃料電池的電堆中，電極上氫的氧化反應和氧的還原反應過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鍵材料，決定着氫燃料電池汽車的整車性能和使用經濟性。膜電極成本約佔電池總成本的50%，其中催化劑是成本的主要貢獻者。

氫燃料電池催化劑分類

目前，鉑基催化劑是質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)作為質子交換膜燃料電池發生電化學反應的場所，是傳遞電子和質子的介質，是反應氣體、尾氣和液態水緊密接觸的場所。膜電極是質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。膜電極通常由質子交換膜、陰陽極催化層、防水碳層塗敷的陰-陽極氣體擴散層這5層組成。

氫燃料電池膜電極

目前，國產膜電極關鍵技術指標接近國際先進水平，但在專業技術特性、產品實現能力、批量化生產工藝還存在差距。國外膜電極供應商主要包括Johnson Matthey（英國莊信萬豐）、Ballard（加拿大巴拉德）等具備大規模的流水線生產能力的供應商，豐田汽車、本田汽車等燃料電池車企自主開發了用於其自身乘用車產品的膜電極但並不對外銷售。

雙極板

雙極板是電池結構的重要組件，是電堆質量的主要構成部分（80%質量分數）。在燃料電池運行中發揮着不可或缺的作用-導電、導氣與導熱，需要具備良好的導電性、耐腐蝕性強、高機械強度、質量輕等特點。

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等特點，主要應用於商用車領域，代表性企業為Ballard、Hydrogenics（加拿大氫能）；金屬雙極板電堆以其體積小、易於批量生產等特點，主要應用於乘用車領域，代表性企業為豐田汽車等。目前石墨雙極板已實現國產化，金屬雙極板尚未實現國產批量供應。

質子交換膜

質子交換膜是聚合物基固體電解質，在燃料電池中用來傳導質子、屏蔽電子和隔絕反應氣體。質子交換膜性能直接決定了燃料電池性能。對於車用質子交換膜燃料電池(PEMFC)而言，質子交換膜厚度和穩定性是影響質子交換膜燃料電池、電堆壽命的關鍵因素。

氫燃料電池質子交換膜

按照膜材料的組成，質子交換膜可分為：全氟磺酸型質子交換膜、部分氟化型質子交換膜和非氟型質子交換膜。目前常用的商業化質子交換膜為全氟磺酸膜，屬於固體聚合物電解質；利用碳氟主鏈的疏水性和側鏈磺酸端基的親水性，實現質子交換膜在潤濕狀態下的微相分離，具有質子傳導率高、耐強酸強鹼等優異特性。代表性產品有美國杜邦公司的Nafion系列膜、科慕化學有限公司的NC700膜、陶氏集團的Dow膜、3M公司的PAIF膜，日本旭化成株式會社的Aciplex膜、旭硝子株式會社的Flemion膜，加拿大巴拉德動力系統公司的BAM膜，這些膜的差異在於全氟烷基醚側鏈的長短、磺酸基的含量有所不同。目前，我國武漢綠動氫能能源技術有限公司、東岳集團已實現了質子交換膜國產化技術突破，具備產業化能力，部分生產線已投產。

氣體擴散層

氣體擴散層(GDL)位於雙極板和催化層之間，在燃料電池運行過程中，氣體擴散層在控制物質輸送、熱傳導和電子傳輸方面發揮着重要作用，同時它還在組裝和操作過程中為脆弱的催化層和質子交換膜提供強大的機械支撐和保護。

氫燃料電池氣體擴散層

氣體擴散層通常由微孔層(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，影響氣體擴散層的孔徑分佈、氣體和水的滲透性、電導率。GDB主要是由多孔的碳纖維紙或碳纖維布構成。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構為反應物氣體以及產物水提供了傳輸通道。

目前氣體擴散層國際主要供應商有日本東麗(TORAY)、德國西格里(SGL)、德國科德寶(Freudenberg)、美國Avcarb、韓國JNTG等。國內企業有深圳通用氫能、江蘇天鳥、武漢綠動氫能、上海嘉資、上海河森電氣、上海濟平及臺灣碳能等。

中游-氫燃料電池系統

氫燃料電池系統按結構來拆分主要包括燃料電池電堆及輔助系統。電堆是氫燃料電池的主體部分,成本方面在系統中佔比超過60%。爲了維持電堆的正常工作，氫燃料電池系統還需要供氫系統、供氣系統、水管理系統、熱管理系統等外部輔助子系統的協同配合,對應的系統部件有空氣循環系統、氫氣循環系統、增濕器等。

電堆集成

電堆是發生電化學反應的場所，也是燃料電池動力系統的核心部分，維繫着整個燃料電池系統的能量輸出。電堆是由多個單體電池以串聯方式層疊組合構成，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。膜電極的關鍵材料是質子交換膜、催化劑、氣體擴散層，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性。

燃料電堆的研發和生產具備較高的技術壁壘，以豐田汽車為代表的國際知名車企大多自行開發或與合作伙伴共同開發燃料電池電堆，一般不對外開放。以Ballard、Hydrogenics為代表的國際知名電堆生產企業在燃料電池領域深耕多年，具有較強的技術積累和產業化能力，可以對外單獨供應車用電堆。目前，國內能夠獨立自主開發電堆並經過多年實際應用的主要包括新源動力、神力科技等企業，一些新興的燃料電池企業通過獲得國外技術授權、成立合資公司等方式生產燃料電池電堆。

空氣循環系統

空氣循環系統的關鍵部件為空壓機，也為燃料電池陰極供氣系統重要部件，通過對進堆空氣進行增壓，為電堆提供適量適壓的氧氣。空氣壓縮機的性能對燃料電池系統的效率、緊湊性和水平衡特性等有着重要影響。燃料電池系統用空壓機主要有離心式、羅茨式、螺桿式三種類型。由於離心式空壓機在效率、噪音、體積、無油、功率密度等方面具有良好的綜合效果，故隨燃料電池系統功率的快速上升，離心式空壓機已逐漸成為市場上的主流選擇。在空氣壓縮機的關鍵部件中，軸承、電機是瓶頸技術，低成本、耐摩擦的塗層材料也是開發重點。

氫燃料電池空壓機

從國產化率方面來説，空壓機是燃料電池關鍵部件中國產化程度較高的一款。相對於其它產品而言，空壓機已經較早的實現了全功率段國產化，目前國產化率接近100% 。國內主要供應商有勢加透博、金士頓科技、東德實業、德燃動力、雪人股份、廣順新能源、穩力科技、漢鍾精機等企業。

氫氣循環系統

氫氣循環系統的作用是將電堆未反應的氫氣再次循環到電堆的氫氣入口，從而提升氫氣的利用率及涉氫安全，同時將電堆內部電化學反應生成的水也循環至燃料電池堆的入口，改善電堆濕潤水平和提高水管理能力。氫氣循環系統分為主動循環和被動循環兩種形式，主動循環形式的關鍵部件是氫氣循環泵，被動循環形式的關鍵部件是氫氣引射器。氫循環泵在主動可調節、快響應速度和寬工作區間等方面佔有一定優勢，成為未來使用主流。

氫燃料電池氫氣循環泵

按照技術路線的不同，國內企業涉足氫氣循環泵的有東德實業、瑞驅電動、雪人股份、漢鍾精機、南方德爾、濟南思明特、浙江恆友等；而涉足引射器的公司則主要有鸞鳥電氣、浙江宏昇、未勢能源等企業。

增濕器

氫燃料電池電堆在反應過程中，質子交換膜需要處於水飽和狀態來保持較高的反應效率和導電性，因此反應介質需要通過增濕器來攜帶一定量的水蒸氣進入電堆。增濕器也被稱為燃料電池的「肺泡」，由特種材料製成的膜管內外形成獨立的乾溼通道，通過回收電堆中的水分和熱量，使其在膜管內外兩側進行濕熱交換，達到電堆所需要的温度和濕度。

目前，市場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用，主流的燃料電池系統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

在燃料電池系統的構成中，增濕器只佔整體成本的5%左右，但是作為燃料電池系統中進氣加濕的關鍵零部件，實現增濕器國產化將是實現燃料電池的降本的重要一環。由於增濕器技術門檻高、市場容量相對小，截至目前國內能真正實現增濕器商業化的企業並不多。國內外的增濕器市場，長時間被韓國科隆(KOLON)、德國科德寶旗下的恩福、美國博純等幾家國際公司佔據。經過國產增濕器廠家的努力，國產增濕器在覈心材料和製作工藝上都有所突破。出於降本增效的考慮，增濕器產品的國產化替代需求上漲，部分企業已從測試研發向小規模的生產逐漸過渡，改變了國外產品壟斷的市場格局。網絡公開數據顯示，2023年國產增濕器產品市場佔比已經接近一半，並呈現出上升趨勢。

下游-氫燃料電池的應用

氫燃料電池主要有三大類應用場景：交通運輸、便攜式電源和分佈式發電。

交通運輸

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置等。

氫燃料電池運輸車

根據《中國氫能發展報告2020》測算，氫燃料電池商用車將率先實現產業化的應用與運行，除了政策的激勵效應之外，氫燃料電池客車、物流車、重卡等車型將在2030年前取得與純電動車型相當的全生命周期經濟性。

便攜式電源

目前小於5kW功率等級的氫燃料電池主要作為筆記本電腦、手機、收音機及其他需要電源的移動設備的移動備用電源，應急供電及便攜式電源等，以鹼性氫燃料電池、質子交換膜氫燃料電池為主。

分佈式發電

氫燃料電池分佈式能源發電站適用於儲能容量大、供電時間長的新能源儲能、電網側調峰等領域，且適用於熱電聯供的場合。當前國際上大型固定式氫燃料電池發電站主要分佈在北美、韓國和日本。

氫燃料電池具有清潔零碳、安全高效、用途多元等特點，可代替汽柴油在汽車、輪船、飛機等機動性強的現代交通工具中發揮重要作用。但是，在行業熱度高漲的同時也應看到，我國氫燃料電池產業仍處於起步階段，在燃料電池電極、電解質以及催化劑等主要核心部件及材料的研發方面較行業領先國家還有一定的差距。通過對行業領先國家的氫燃料電池產業的發展歷程和共性問題進行研究，可以給中國氫燃料電池產業發展進程完善思路和提供創新想法，促進中國氫燃料電池更好、更快發展。

（轉自：氫能源燃料電池電動汽車）