什么是燃料電池
與鋰電池作為儲(chǔ)能裝置不同，氫燃料電池是一種非燃燒過程的能量轉(zhuǎn)換裝置，通過電化學(xué)反應(yīng)將陽極的氫氣和陰極的氧氣（空氣）的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。燃料電池結(jié)構(gòu)單元主要由膜電極組件和雙極板構(gòu)成，其中膜電極組件是由質(zhì)子交換膜、催化劑與氣體擴(kuò)散層組合而成的，為反應(yīng)發(fā)生場所；雙極板是帶流道的金屬或石墨薄板，其主要作用是通過流場給膜電極組件輸送反應(yīng)氣體，同時(shí)收集和傳導(dǎo)電流并排出反應(yīng)產(chǎn)生的水和熱。
圖表1 燃料電池的工作原理
燃料電池電堆是氫氣和氧氣發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)及產(chǎn)生電能的場所，是燃料電池基本原理得以實(shí)現(xiàn)的核心物質(zhì)載體。鑒于單個(gè)燃料電池單元輸出功率較小，實(shí)踐中通常通過將多個(gè)燃料電池單元以串聯(lián)方式層疊組合構(gòu)成電堆來提高整體輸出功率。因此，電堆是由雙極板與膜電極交替疊合，各單體之間嵌入密封件，經(jīng)前、后端板壓緊后用螺桿拴牢，構(gòu)成的復(fù)合組件。
除電堆以外，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)還需要一系列輔助系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)其功能。其中控制系統(tǒng)通過高精度調(diào)節(jié)反應(yīng)氣體的壓力及流量等使得電堆中的反應(yīng)始終維持在輸出功率、溫度、濕度均合適的水平，保證發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定可靠工作；氫氣和空氣供給系統(tǒng)是為電堆提供合適壓力、溫度、濕度、流量的氫氣與空氣；水熱管理系統(tǒng)用于保持燃料電池內(nèi)部水平衡和熱平衡。此外，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)配備由車載高壓儲(chǔ)氫瓶和配套閥件組成的車載氫系統(tǒng)用于儲(chǔ)存燃料，以及用于實(shí)現(xiàn)燃料電池與整車高壓之間解耦的DC/DC變換器。
所以，最終發(fā)揮發(fā)動(dòng)機(jī)作用的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)主要由燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)、電壓變換器（DC/DC）、車載氫系統(tǒng)等構(gòu)成，其中燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)主要部件包括電堆、發(fā)動(dòng)機(jī)控制器、氫氣供給系統(tǒng)、空氣供給系統(tǒng)等。
圖表2 燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
車用燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈
燃料電池的應(yīng)用領(lǐng)域包括固定電源、便攜電池和汽車，其中車用燃料電池作為動(dòng)力系統(tǒng)有著續(xù)航里程長，加氫時(shí)間短和無污染等優(yōu)勢，是目前是爆發(fā)最迅猛,也是關(guān)注度最高的應(yīng)用領(lǐng)域。
燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)具有市場空間大、產(chǎn)業(yè)鏈長、參與方眾多的特點(diǎn)，產(chǎn)業(yè)鏈上游主要為膜電極、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)，產(chǎn)業(yè)鏈中游主要為燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)及電堆集成行業(yè)，產(chǎn)業(yè)鏈下游主要為燃料電池整車制造行業(yè)。
圖表3 車用燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈
行業(yè)上游
燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)核心部件主要包括電堆及其核心部件、輔助系統(tǒng)等，行業(yè)上游參與者主要為該等關(guān)鍵部件生產(chǎn)商，其中電堆作為燃料電池系統(tǒng)的核心組成部分，對燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵性能和成本具有較大的影響。
從燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)成本構(gòu)成來看，以年產(chǎn)200套公交車為例，電堆成本占比70%（其中質(zhì)子交換膜27%、催化劑19%、擴(kuò)散層19%、雙極板5%），輔助系統(tǒng)占比22%。
圖表4 燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)成本構(gòu)成（年產(chǎn)200套公交車&1000套乘用車）
行業(yè)下游
車用燃料電池的下游參與者主要為整車廠，普遍擁有雄厚的研發(fā)實(shí)力、資金實(shí)力、生產(chǎn)能力以及較大的知名度，并在燃料電池領(lǐng)域擁有一定的技術(shù)基礎(chǔ)，在行業(yè)內(nèi)部起到整合上游供應(yīng)鏈并生產(chǎn)最終整車成品的作用。
我國燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展路徑為先商后乘，即通過商用車發(fā)展規(guī)?；档腿剂想姵睾蜌錃獬杀荆瑫r(shí)帶動(dòng)氫能基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，后續(xù)拓展到乘用車領(lǐng)域，主要原因?yàn)椋?）我國城市人口密度和人口基數(shù)普遍較大，公共交通運(yùn)輸系統(tǒng)發(fā)達(dá)，公交車與城市客車保有量較大；2）商用車一般存在固定路線，沿線建設(shè)加氫站可有效提升加氫站利用率，且燃料電池汽車從技術(shù)特點(diǎn)上更適合中長途、中重載運(yùn)輸體系；3）我國依托政策優(yōu)勢可快速進(jìn)行公共交通體系及城市配送領(lǐng)域的商業(yè)化推廣，燃料電池公交車、城市客車、城市物流車節(jié)能減排效果顯著，可有效緩解因燃油車油耗及碳排放較高帶來的環(huán)保壓力。
燃料電池的現(xiàn)在與未來
我國燃料電池的發(fā)展規(guī)劃
氫燃料電池汽車早在“十五”期間即被確立為新能源汽車發(fā)展的主要技術(shù)路徑之一。過去十余年間在國家科技計(jì)劃和技術(shù)創(chuàng)新工程的支持下，我國系統(tǒng)開展了氫燃料電池汽車的研究、開發(fā)、示范和運(yùn)營工作，初步形成了從燃料電池電堆到整車的研發(fā)體系和制造能力，并開展了系統(tǒng)的示范運(yùn)營。自北京奧運(yùn)會(huì)有20多輛燃料電池轎車和2輛客車在運(yùn)行，到上海世博會(huì)將近200輛各類燃料電池汽車示范運(yùn)行，到目前在新能源汽車推廣財(cái)政補(bǔ)貼政策和科技部、聯(lián)合國開發(fā)計(jì)劃署的支持引領(lǐng)下，以客車、物流車等商用車型為先導(dǎo)陸續(xù)在全國范圍內(nèi)啟動(dòng)了商業(yè)化示范推廣。
受益于此，我國燃料電池汽車銷量于2016年開始快速起步，最近3年燃料電池汽車銷量年復(fù)合增長率達(dá)到55.81%，2018年度燃料電池汽車銷量達(dá)到1,527輛，表明我國燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)已經(jīng)從政府主導(dǎo)的技術(shù)探索、示范運(yùn)營階段發(fā)展至商業(yè)化初期階段。根據(jù)《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)技術(shù)路線圖》，到2030年將實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化推廣累計(jì)100萬輛，燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)能超過10萬套/企業(yè)，整機(jī)性能達(dá)到與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)相當(dāng)。
圖表5 我國燃料電池汽車保有量及燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)能規(guī)劃
根據(jù)中國氫能聯(lián)盟發(fā)布的《中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書》（2019 年），認(rèn)為氫能將成為中國能源體系的重要組成部分，預(yù)計(jì)2020-2025 年國內(nèi)氫燃料電池汽車達(dá)到5萬輛；2026-2035年達(dá)到130萬輛；2036-2050年達(dá)到500萬輛。以每輛燃料電池車電堆功率60kW計(jì)算，2025年、2035年、2050年國內(nèi)燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)值分別為144億元、720元億和990億元。
圖表6 我國燃料電池產(chǎn)業(yè)總體目標(biāo)
燃料電池的發(fā)展方向
根據(jù)《中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書》（2019年），燃料電池系統(tǒng)技術(shù)未來發(fā)展將會(huì)有四個(gè)方向：1）持續(xù)開發(fā)高功率系統(tǒng)產(chǎn)品；2）通過系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化提高產(chǎn)品性能；3）通過策略優(yōu)化提高產(chǎn)品壽命；4）通過零部件優(yōu)化及規(guī)?；?yīng)持續(xù)降低成本。相關(guān)技術(shù)指標(biāo)展望如下：
圖表7 我國燃料電池系統(tǒng)技術(shù)展望
2017年美國燃料電池系統(tǒng)年產(chǎn)50萬套成本已從2006年的124美元/Kw下降到45美元/Kw，根據(jù)DOE《Fuel Cell System Cost–2017》的預(yù)測，2020年將下降到40美元/Kw。當(dāng)產(chǎn)量達(dá)到50萬臺(tái)套時(shí)，規(guī)模效應(yīng)將加速成本下降，燃料電池系統(tǒng)的成本將下降到45$/kWnet，電堆成本將下降到19$/kWnet。
圖表8 不同產(chǎn)量下燃料電池堆和燃料電池系統(tǒng)的預(yù)計(jì)成本（$/kWnet）
燃料電池的核心零部件與相關(guān)企業(yè)
質(zhì)子交換膜
質(zhì)子交換膜的作用是在反應(yīng)時(shí)，只讓陽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，因而對導(dǎo)電率、耐酸堿性、熱穩(wěn)定性、柔韌性等性能有較高要求。
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家，其中應(yīng)用最廣泛的是美國杜邦公司的Nafion系列膜。但全氟磺酸膜有不耐高溫、成本高等缺陷，復(fù)合膜、高溫膜、堿性膜等是未來革新方向，例如復(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；堿性膜對應(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。
目前國內(nèi)具備質(zhì)子交換膜生產(chǎn)能力的企業(yè)包括武漢理工新能源、山東東岳集團(tuán)、上海神力科技、大連新源動(dòng)力和三愛富等，但目前僅有在該領(lǐng)域技術(shù)沉淀多年的東岳集團(tuán)進(jìn)入批量化試產(chǎn)階段。
催化劑
催化劑作用于氫氣，使電子離開氫原子。目前Pt/C載體型催化劑是PEMFC最常用的催化劑，由納米級的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。
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是價(jià)格高昂的貴金屬催化劑，鉑載量已大幅下降，超低鉑或無鉑（PGM-free）是未來研究重點(diǎn)。20世紀(jì)60年代美國通用采用鉑黑作為催化劑，鉑載量超過4 mg/cm2，而現(xiàn)在3M公司已經(jīng)開發(fā)出可量產(chǎn)的有序化膜電極，鉑載量僅為0.118 mg/cm2，有了大幅下降。
燃料電池催化劑的生產(chǎn)商為美國的3M、Gore，英國的Johnson Matthery，德國的BASF，日本的Tanaka，比利時(shí)的Umicore等，國內(nèi)大連化物所具備小規(guī)模生產(chǎn)的能力。
氣體擴(kuò)散層
氣體擴(kuò)散層（GDL）起著分布反應(yīng)氣體、在電極和雙極板之間傳導(dǎo)電子和熱量、與平衡電極表面水分的作用。對于氣體擴(kuò)散層，不僅有透氣/透水性好、導(dǎo)電/導(dǎo)熱性好、機(jī)械強(qiáng)度高、耐腐蝕性好等物理化學(xué)性質(zhì)，還要具有易于規(guī)模生產(chǎn)和價(jià)格便宜等商業(yè)方面的要求。
碳纖維紙/布是一種廣泛使用的擴(kuò)散層材料，規(guī)模化生產(chǎn)工藝是研發(fā)重點(diǎn)。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)模化生產(chǎn)將會(huì)帶來大幅的成本削減，根據(jù)Strategic Analysis2014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)。
目前碳紙產(chǎn)品由幾個(gè)國際大生產(chǎn)商壟斷，如加拿大巴拉德、日本Toray和德國SGL。我國的碳紙開發(fā)生產(chǎn)落后于國外，國內(nèi)上海和森公司有小批量碳紙產(chǎn)品，臺(tái)灣碳能科技公司的碳紙產(chǎn)品價(jià)格較低，獲得了一定市場認(rèn)可；中國石油大學(xué)和東華大學(xué)也在從事相關(guān)研究。
雙極板
雙極板在燃料電池堆中的體積和重量占比最大，成本占比近30%，主要功能為連接單體模塊、分隔反應(yīng)氣、收集電流、散熱和排水等。
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。同時(shí)，表面改性的金屬板以及成本降低的復(fù)合雙極板是未來發(fā)展的趨勢。
目前國際市場上，歐美日石墨、金屬雙極板整體較強(qiáng)，美、英復(fù)合材料雙極板處于世界先進(jìn)水平。國內(nèi)發(fā)展情況來看，石墨雙極板較成熟，個(gè)別廠商已達(dá)國際先進(jìn)水平，如上海弘楓實(shí)業(yè)、上海弘竣、淄博聯(lián)強(qiáng)等；金屬和復(fù)合材料雙極板在我國研究較晚，現(xiàn)階段國內(nèi)金屬和復(fù)合材料雙極板的相關(guān)研究機(jī)構(gòu)及企業(yè)有武漢理工大學(xué)、愛德曼氫能源、新源動(dòng)力等。
燃料電池系統(tǒng)
目前，我國燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)及電堆獨(dú)立供應(yīng)商主要分為三類，一類是較早從事燃料電池行業(yè)且具備自主核心技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)供應(yīng)商，以新源動(dòng)力、億華通、弗爾賽為代表；另一類是近年來興起的以國際技術(shù)引進(jìn)與合作見長、具備一定批量化生產(chǎn)能力的供應(yīng)商，以上海重塑、國鴻氫能為代表；此外還有一系列上市公司通過投資、產(chǎn)業(yè)鏈合作與技術(shù)引進(jìn)等方式不斷拓展燃料電池相關(guān)業(yè)務(wù)，以大洋電機(jī)、雄韜股份為代表。
