氫燃料電池是一種能夠?qū)?chǔ)存在燃料（氫氣）和氧化劑（空氣中的氧氣）中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能的能量轉(zhuǎn)換裝置，其基本工作原理就是電解水的逆過程。

燃料電池常用的分類方式是按電解質(zhì)性質(zhì)不同加以區(qū)分，有堿性燃料電池(AFC)、質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)、磷酸燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、固態(tài)氧化物燃料電池(SOFC)。質(zhì)子交換膜燃料電池是目前主流的燃料電池。五類燃料電池輸出功率范圍、發(fā)電效率、優(yōu)缺點(diǎn)、應(yīng)用領(lǐng)域都不盡相同，以及與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)的對(duì)比，詳見圖1和表1。

圖1 燃料電池分類及其特征

表1 各類燃料電池特征與應(yīng)用

氫燃料電池系統(tǒng)由電堆和輔助子系統(tǒng)構(gòu)成，電堆包括為雙極板、電解質(zhì)、催化劑、氣體擴(kuò)散層，其中催化劑、質(zhì)子膜材料、擴(kuò)散層共同組成膜電極組件（MEA），MEA是燃料電池的核心；輔助子系統(tǒng)包括了供氫子系統(tǒng)、供氣子系統(tǒng)、水管理系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)、探測(cè)器、系統(tǒng)控制等部件。上期周報(bào)已經(jīng)涉及下游應(yīng)用，本期周報(bào)將呈現(xiàn)國(guó)際上國(guó)際上膜電極組件的技術(shù)發(fā)展方向，以及目前的商業(yè)化進(jìn)展。

燃料電池系統(tǒng)組成

1.燃料電池膜電極組件發(fā)展方向

總體來看，氫燃料電池膜電極的發(fā)展方向是有序化膜電極。技術(shù)上看，膜電極技術(shù)經(jīng)歷了幾代革新，大體上可以分為熱壓法、CCM法和有序化膜電極三種類型。膜電極的材料、結(jié)構(gòu)及操作條件等決定著其電化學(xué)性能。膜電極結(jié)構(gòu)的有序化使得電子、質(zhì)子氣體傳質(zhì)高效通暢，對(duì)提高發(fā)電性能和降低PGM的載量提供了新的解決方案。有序化膜電極是下一代膜電極制備技術(shù)的主攻方向。

（1） 質(zhì)子交換膜：全氟磺酸型膜為目前主流，復(fù)合膜、高溫膜、堿性膜是未來發(fā)展方向

質(zhì)子交換膜是燃料電池關(guān)鍵材料，其作用是在反應(yīng)時(shí)，只讓陽(yáng)極失去電子的氫離子（質(zhì)子）透過到達(dá)陰極，但阻止電子、氫分子、水分子等通過，需要其具有以下幾個(gè)特性：（1）電導(dǎo)率高（高選擇性地離子導(dǎo)電而非電子導(dǎo)電）；（2）化學(xué)穩(wěn)定性好(耐酸堿和抗氧化還原能力)；（3）熱穩(wěn)定性好；（4）良好的機(jī)械性能（如強(qiáng)度和柔韌性）；（5）反應(yīng)氣體的透氣率低、水的電滲系數(shù)??；（6）可加工性好、價(jià)格適當(dāng)。

全氟磺酸膜

目前常用的商業(yè)化質(zhì)子交換膜是全氟磺酸膜，全氟磺酸型膜是目前燃料電池主要采用的膜材料，全球全氟磺酸型膜的供應(yīng)商集中于日本和歐美國(guó)家，其中應(yīng)用最廣泛的是美國(guó)杜邦公司的Nafion系列膜。

全氟磺酸膜有機(jī)械強(qiáng)度高、化學(xué)穩(wěn)定性好、濕度大條件下導(dǎo)電率高等優(yōu)點(diǎn)，但是同時(shí)也存在缺點(diǎn)：溫度升高時(shí)會(huì)引起質(zhì)子傳導(dǎo)性變差、高溫時(shí)易發(fā)生化學(xué)降解、單體合成困難、成本高等。因此各機(jī)構(gòu)也在研究其他類型的膜，包括復(fù)合膜、高溫膜、堿性膜等。

復(fù)合膜

復(fù)合膜是通過復(fù)合的方法來改性全氟型磺酸膜從而提升其耐高溫性和阻醇性，如美國(guó)Gore公司研制的Gore-select復(fù)合膜、大連化物所的Nafion/PTFE復(fù)合增強(qiáng)膜和碳納米管增強(qiáng)復(fù)合膜等。

堿性膜

堿性膜對(duì)應(yīng)的燃料電池系統(tǒng)的工作環(huán)境為堿性，在這種狀態(tài)下催化劑選擇的范圍可以更寬泛，不僅限于鉑，還可以使用鎳和銀等；美國(guó)3M公司開發(fā)的一種新型PAIF高溫質(zhì)子交換膜，其某些特性參數(shù)已經(jīng)達(dá)到甚至超過DOE 2020年目標(biāo)。

全球主要質(zhì)子交換膜供應(yīng)商

國(guó)內(nèi)的武漢理工新能源公司、山東東岳集團(tuán)、上海神力科技、大連新源動(dòng)力和三愛富都有均質(zhì)膜的生產(chǎn)能力，武漢理工的產(chǎn)品還出口國(guó)外；在復(fù)合膜方面，武漢理工已向國(guó)內(nèi)外數(shù)家研究單位提供測(cè)試樣品；大連化物所、上海交大也在質(zhì)子交換膜的研究領(lǐng)域有所突破。

（2）催化劑：Pt/C是目前主流，超低鉑、無鉑是未來方向

目前燃料電池中常用的商用催化劑是Pt/C，由納米級(jí)的Pt顆粒（3~5nm）和支撐這些Pt顆粒的大比表面積活性炭構(gòu)成。目前的技術(shù)水平下，催化層中的鉑載量約為1g/kW。

質(zhì)子交換膜燃料電池商業(yè)化進(jìn)程中的主要阻礙之一，就是貴金屬催化劑價(jià)格高昂，鑒于此催化層的鉑載量已大幅下降，超低鉑或無鉑是未來研究重點(diǎn)。

燃料電池零部件的成本主要來源于原材料與加工費(fèi)用，在目前技術(shù)水平下，加工成本主導(dǎo)的部件(如質(zhì)子交換膜、氣體擴(kuò)散層)的成本可通過規(guī)?；a(chǎn)來降低，但材料成本占主導(dǎo)的催化劑難以通過量產(chǎn)來降低成本。因此，減少鉑的使用量才是降低催化劑成本的有效途徑。

根據(jù)DOE統(tǒng)計(jì)，如果以現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行燃料電池汽車商業(yè)化，每年車用燃料電池對(duì)Pt資源的需求高達(dá)1160噸，遠(yuǎn)超過全球Pt的年產(chǎn)量（2015年178噸）。

目前3M公司已經(jīng)開發(fā)出可量產(chǎn)的有序化膜電極，鉑載量?jī)H為0.118 mg/cm2。但由于鉑資源具有稀缺、昂貴的屬性，大量的研究工作仍集中于降低鉑載量、增強(qiáng)催化劑的耐久性、或是開發(fā)新的催化劑來替代鉑的使用。

Pt催化劑除了受成本與資源制約外，也存在耐久性問題（主要體現(xiàn)在穩(wěn)定性上）。通過燃料電池衰減機(jī)制分析可知，燃料電池在車輛運(yùn)行工況下，催化劑會(huì)發(fā)生衰減，如在動(dòng)電位作用下會(huì)發(fā)生Pt 納米顆粒的團(tuán)聚、遷移、流失等。針對(duì)這些成本和耐久性問題，研究新型高穩(wěn)定、高活性的低Pt或非Pt催化劑是目前熱點(diǎn)。許多研究著眼于提高Pt基陰極氧還原（ORR）催化劑的穩(wěn)定性、利用率、改進(jìn)電極結(jié)構(gòu)以降低Pt 負(fù)載量，降低燃料電池成本。另一些研究專注于開發(fā)尋找完全可以替代鉑的、低成本的、資源豐富的非鉑ORR催化劑。

氫燃料電池催化劑主要研究方向

目前全球燃料電池催化劑主要生產(chǎn)商為美國(guó)的3M、Gore，英國(guó)的Johnson Matthery，德國(guó)的BASF，日本的Tanaka，比利時(shí)的Umicore 等，國(guó)內(nèi)大連化物所具備小規(guī)模生產(chǎn)的能力。

（3） 氣體擴(kuò)散層：規(guī)?；a(chǎn)是降成本重點(diǎn)

氣體擴(kuò)散層位于流暢和催化層之間，主要作用是為參與反應(yīng)的氣體和生成的水提供傳輸通道，并支撐催化劑。因此，擴(kuò)散層基底材料的性能將直接影響燃料電池的電池性能——?dú)怏w擴(kuò)散層必須具備良好的機(jī)械強(qiáng)度、合適的孔結(jié)構(gòu)、良好的導(dǎo)電性、高穩(wěn)定性。

通常氣體擴(kuò)散層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(dǎo)電炭黑和憎水劑構(gòu)成，作用是降低催化層和支撐層之間的接觸電阻，使反應(yīng)氣體和產(chǎn)物水在流場(chǎng)和催化層之間實(shí)現(xiàn)均勻再分配，有利于增強(qiáng)導(dǎo)電性，提高電極性能。

選擇性能優(yōu)良的氣體擴(kuò)散層基材能直接改善燃料電池的工作性能。性能優(yōu)異的擴(kuò)散層基材應(yīng)滿足以下要求：（1）低電阻率；（2）高孔隙度和一定范圍內(nèi)的孔徑分布；（3）一定的機(jī)械強(qiáng)度；（4）良好的化學(xué)穩(wěn)定性和導(dǎo)熱性能；（5）較高的性價(jià)比。

由于炭材料的孔隙度較高，孔徑可調(diào)，常常被用作制備氣體擴(kuò)散層，主要有炭紙、炭纖維布、無紡布和炭黑紙，此外，也有的利用泡沫金屬、金屬網(wǎng)等來制備。工藝方面，氣體擴(kuò)散層所用炭紙初坯的制備方法可分為兩種：濕法和干法。濕法造紙技術(shù)制備的擴(kuò)散層用炭紙具有良好且均勻的大量孔隙，能夠通過調(diào)節(jié)酚醛樹脂的量來控制孔隙率的大小，有利于加工成滿足實(shí)際需求的炭紙。

不同種類擴(kuò)散層的性能指標(biāo)

目前商業(yè)化碳纖維紙/布等材料從性能上已能夠很好地滿足要求，而氣體擴(kuò)散層是加工費(fèi)用主導(dǎo)成本的部件，規(guī)?；a(chǎn)將會(huì)帶來大幅的成本削減，根據(jù)Strategic Analysis 2014 年發(fā)布的數(shù)據(jù)，當(dāng)生產(chǎn)規(guī)模從1000套提升到50萬套時(shí)，成本會(huì)從$2,661/套降到$102/套，因此開發(fā)擴(kuò)散層大規(guī)模生產(chǎn)工藝是未來研究重點(diǎn)。

產(chǎn)品生產(chǎn)商方面，由幾個(gè)國(guó)際大廠所壟斷，如日本東麗、加拿大Ballard、德國(guó)SGL等。東麗目前占據(jù)較大的市場(chǎng)份額，且擁有的炭紙相關(guān)的專利較多，生產(chǎn)的炭紙具有高導(dǎo)電性、高強(qiáng)度、高氣體通過率、表面平滑等優(yōu)點(diǎn)；但Toray炭紙由于其脆性大而不能連續(xù)生產(chǎn)的特點(diǎn)導(dǎo)致其難以實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，極大地限制了供應(yīng)量的增長(zhǎng)。我國(guó)對(duì)炭紙的研發(fā)主要集中于中南大學(xué)、武漢理工大學(xué)以及北京化工大學(xué)等，上海和森公司已有小批量碳紙產(chǎn)品。

（4）雙極板：石墨雙極板最為成熟，金屬雙極板是未來方向

雙極板，又叫流場(chǎng)板，是燃料電池的關(guān)鍵組件之一，主要起到輸送和分配燃料、在電堆中隔離陽(yáng)極陰極氣體的作用。雙極板占整個(gè)燃料電池重量的60%、成本的13%。其基體材料需具有強(qiáng)度高、致密性好、導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能好等特點(diǎn)，材料的選擇將直接影響燃料電池的電性能和使用壽命。

不同雙極板的特點(diǎn)對(duì)比

根據(jù)基體材料的不同，雙極板可以分為石墨雙極板、金屬雙極板和復(fù)合材料雙極板，其中石墨雙極板最早被開發(fā)使用，目前技術(shù)已經(jīng)成熟，并已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化大規(guī)模應(yīng)用了。目前主流供應(yīng)商有美國(guó)POCO、SHF、Graftech、日本Fujikura Rubber LTD、Kyushu Refractories、英國(guó)Bac2等。石墨雙極板目前已實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，國(guó)產(chǎn)廠商主要有杭州鑫能石墨、江陰滬江科技、淄博聯(lián)強(qiáng)碳素材料、上海喜麗碳素、南通黑匣、上海弘楓等。

金屬雙極板是替代石墨雙極板的最佳選擇，表面改性的多涂層結(jié)構(gòu)金屬雙極板具備較大的發(fā)展空間。金屬雙極板的機(jī)械性能、加工性能、導(dǎo)電性等都十分優(yōu)異，易于批量化生產(chǎn)降低成本，國(guó)外一些廠商如UTC等已開始采用金屬雙極板。目前金屬雙極板主要供應(yīng)商有瑞典Cellimpact、德國(guó)Dana、Grabener、美國(guó)treadstone等，國(guó)內(nèi)還處于研發(fā)試制階段，研究機(jī)構(gòu)包括新源動(dòng)力、大連化物所等。

（5）空壓機(jī)：渦旋和雙螺桿空壓機(jī)是目前主流技術(shù)路線

空壓機(jī)的作用是將常壓的空氣壓縮到燃料電池期望的壓力,并根據(jù)電力需求提供相應(yīng)的空氣流量?？諌簷C(jī)按工作原理可分為3大類：容積型（活塞式、螺桿式、渦旋式）、速度型（離心式、鼓風(fēng)機(jī)）、熱力型壓縮機(jī)（噴射器）等。目前，車用燃料電池使用的空壓機(jī)主要是容積型空壓機(jī)和速度型空壓機(jī)。

空氣壓縮機(jī)種類及對(duì)比

螺桿式空壓機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是壓力 / 流量可以靈活調(diào)整、啟停方便、安裝簡(jiǎn)單；但其缺點(diǎn)是噪聲大、體積大、質(zhì)量重和價(jià)格高。目前美國(guó)GM、Plug Power、德國(guó)Xcellsis、加拿大Ballard 等公司的燃料電池中都采用了螺桿壓縮機(jī)壓縮機(jī)/膨脹機(jī)供氣系統(tǒng)。

渦旋式空壓機(jī)也屬于容積式機(jī)械，在容積式流體機(jī)械中容積效率較高，且壓力與氣量連續(xù)可調(diào)，在寬的工況下都能達(dá)到較高的效率。渦旋機(jī)械可設(shè)計(jì)成壓縮機(jī)--電機(jī)--膨脹機(jī)共軸的一體化結(jié)構(gòu)型式。但與離心式相比尺寸和重量較大。日本豐田（TOYOTA）、美國(guó)UTC 等公司的燃料電池系統(tǒng)也都采用了渦旋機(jī)械作為其供氣系統(tǒng)的核心部件。

離心式空壓機(jī)的價(jià)格相對(duì)便宜，質(zhì)量和體積功率密度高，是目前燃料電池用空壓機(jī)的開發(fā)方向。但是離心式空壓在偏離設(shè)計(jì)工況情況下性能下降嚴(yán)重。

2.規(guī)模效應(yīng)與技術(shù)進(jìn)步驅(qū)動(dòng)燃料電池成本下降

燃料電池系統(tǒng)成本構(gòu)成中，假設(shè)年產(chǎn)量為50萬套，催化劑、雙極板、質(zhì)子交換膜、空氣循環(huán)系統(tǒng)、氫氣循環(huán)系統(tǒng)、熱力管理系統(tǒng)分別占電池系統(tǒng)成本的24%、10%、5%、21%、5%、9%。

燃料電池系統(tǒng)成本構(gòu)成（假設(shè)年產(chǎn)50萬套）

資料來源：Strategic Analysis, Inc、DOE

燃料電池系統(tǒng)成本將逐步下降（單位：美元/千瓦）

資料來源：DOE

規(guī)模效應(yīng)與技術(shù)進(jìn)步是促進(jìn)燃料電池成本逐步下降重要驅(qū)動(dòng)因素。根據(jù)美國(guó)能源部（DOE）的測(cè)算，未來燃料電池系統(tǒng)的成本將逐步下降，在年產(chǎn)50萬套燃料電池系統(tǒng)情況下，其成本將從每千瓦53-55美元下降到2020 年每千瓦40美元，未來目標(biāo)成本是每千瓦30美元，降幅達(dá)到43%。

催化層在電堆中的成本最高，占到電堆成本的49%，主要原因在于催化層中含有貴金屬鉑。在目前的技術(shù)水平下用催化層中的鉑載量約為1g/kW，美國(guó)能源局（DOE）的目標(biāo)是，到2020年鉑用量降至每千瓦0.125g/kw左右；長(zhǎng)期目標(biāo)是催化劑用量達(dá)到＜0.05g/kw，低鉑和無鉑催化劑是未來技術(shù)發(fā)展方向。

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