中國(guó)燃料電池產(chǎn)業(yè)走了一條和日本大相徑庭的路，也是一條適合中國(guó)國(guó)情的路，以物流車(chē)和客車(chē)為突破點(diǎn)來(lái)發(fā)展燃料電池產(chǎn)業(yè)，2017年完成1000臺(tái)左右客車(chē)和物流車(chē)，2018年突破3000-5000臺(tái)規(guī)模，這是目前中國(guó)燃料電池汽車(chē)的發(fā)展現(xiàn)狀。

什么是燃料電池？

氫燃料電池是使用氫這種化學(xué)元素，制造成儲(chǔ)存能量的電池。它的存在優(yōu)勢(shì)在于：

無(wú)污染

燃料電池對(duì)環(huán)境無(wú)污染。它是通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)，而不是采用燃燒(汽、柴油)或儲(chǔ)能(蓄電池)方式--最典型的傳統(tǒng)后備電源方案。燃燒會(huì)釋放象COx、NOx、SOx氣體和粉塵等污染物。如上所述，燃料電池只會(huì)產(chǎn)生水和熱。

無(wú)噪聲

燃料電池運(yùn)行安靜，噪聲大約只有55dB，相當(dāng)于人們正常交談的水平。

高效率

燃料電池的發(fā)電效率可以達(dá)到50%以上。

應(yīng)用領(lǐng)域

20世紀(jì)60年代，氫燃料電池就已經(jīng)成功地應(yīng)用于航天領(lǐng)域。往返于太空和地球之間的"阿波羅"飛船就工作示意圖安裝了這種體積小、容量大的裝置。進(jìn)入70年代以后，隨著人們不斷地掌握多種先進(jìn)的制氫技術(shù)，很快，氫燃料電池就被運(yùn)用于發(fā)電和汽車(chē)。

隨著制氫技術(shù)的發(fā)展，氫燃料電池離我們的生活越來(lái)越近。到那時(shí)，氫氣將像煤氣一樣通過(guò)管道被送入千家萬(wàn)戶(hù)，每個(gè)用戶(hù)則采用金屬氫化物的貯罐將氫氣貯存起來(lái)，然后連接氫燃料電池，再接通各種用電設(shè)備。

電堆是制約燃料電池發(fā)展的關(guān)鍵之一

而電堆則成為中國(guó)燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素之一，低成本、高性能、批量供應(yīng)的國(guó)產(chǎn)電堆是燃料電池汽車(chē)成本下降從而與傳統(tǒng)汽車(chē)競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵。

為什么？

1）從成本上看，電堆占燃料電池系統(tǒng)的成本一半，是 FCV里單一價(jià)格最高的部件，隨著產(chǎn)能擴(kuò)張，未來(lái)電堆成本有望在下降 50%以上；

2）從性能上看，電堆性能是燃料電池系統(tǒng)乃至整車(chē)性能的決定因素；

3）從技術(shù)上看，電堆是整個(gè)系統(tǒng)里技術(shù)含量最高部分，無(wú)論從流道設(shè)計(jì)、催化劑制備、MEA合成都有相當(dāng)門(mén)檻。

電堆是怎么工作的？

在原理上相當(dāng)于水電解的“逆”裝置。陽(yáng)極為氫燃料發(fā)生氧化的場(chǎng)所，陰極為氧化劑還原的場(chǎng)所，兩極都含有加速電極電化學(xué)反應(yīng)的催化劑，質(zhì)子交換膜作為傳遞H+的介質(zhì)，只允許H+通過(guò)。工作時(shí)相當(dāng)于一直流電源，陽(yáng)極即電源負(fù)極，陰極即電源正極。

電堆工作時(shí)，氫氣和氧氣分別由進(jìn)口引入，經(jīng)電堆氣體主通道分配至各單電池的雙極板，經(jīng)雙極板導(dǎo)流均勻分配至電極，通過(guò)電極支撐體與催化劑接觸進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)。

陽(yáng)極(負(fù)極)：2H2→4H++4e-

陰極(正極)：O2+4H++4e-→2H2O

由于質(zhì)子交換膜只能傳導(dǎo)質(zhì)子，因此氫離子(即質(zhì)子)可直接穿過(guò)質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極，而電子只能通過(guò)外電路才能到達(dá)陰極。當(dāng)電子通過(guò)外電路流向陰極時(shí)就產(chǎn)生了直流電。

以陽(yáng)極為參考時(shí)，陰極電位為1.23V。也即每一單電池的發(fā)電電壓理論上限為1.23V。接有負(fù)載時(shí)輸出電壓取決于輸出電流密度，通常在0.5～1V之間。將多個(gè)單電池層疊組合就能構(gòu)成輸出電壓滿(mǎn)足實(shí)際負(fù)載需要的燃料電池堆(簡(jiǎn)稱(chēng)電堆)。

國(guó)產(chǎn)燃料電池零部件的發(fā)展

膜電極

膜電極組件（membraneelectrodeassembly，MEA）是集膜、催化層、擴(kuò)散層于一體的組合件，是燃料電池的核心部件之一。

目前，國(guó)際上已經(jīng)發(fā)展了3代MEA技術(shù)路線：一是把催化層制備到擴(kuò)散層上（GDE），通常采用絲網(wǎng)印刷方法，其技術(shù)已經(jīng)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(jié)構(gòu)上，使電極呈有序化結(jié)構(gòu)，有利于降低大電流密度下的傳質(zhì)阻力，進(jìn)一步提高燃料電池性能，降低催化劑用量。目前進(jìn)口產(chǎn)品與國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品并存，隨著新的業(yè)者加入，國(guó)產(chǎn)比例將不斷提高。

質(zhì)子交換膜

質(zhì)子交換膜作為電解質(zhì)，起到傳導(dǎo)質(zhì)子，隔離反應(yīng)氣體的作用。在燃料電池內(nèi)部，質(zhì)子交換膜為質(zhì)子的遷移和輸送提供通道，使得質(zhì)子經(jīng)過(guò)膜從陽(yáng)極到達(dá)陰極，與外電路的電子轉(zhuǎn)移構(gòu)成回路，向外界提供電流。質(zhì)子交換膜的性能對(duì)燃料電池的性能起著非常重要的作用，它的好壞也直接影響電池的使用壽命。

國(guó)內(nèi)產(chǎn)品從批次品質(zhì)看達(dá)到要求，由于供應(yīng)鏈的原因并未占據(jù)主流份額，隨著國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，國(guó)產(chǎn)質(zhì)子交換膜的替代將加快。

極板

燃料電池雙極板（bipolar plate，BP）的作用是傳導(dǎo)電子、分配反應(yīng)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(dǎo)體、具有一定的強(qiáng)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℃）環(huán)境下具有耐腐蝕性且對(duì)燃料電池其他部件與材料的相容無(wú)污染性；產(chǎn)品化方面要求雙極板材料要易于加工、成本低廉。

目前石墨極板有企業(yè)批量供貨，金屬極板也有部分有企業(yè)批量生產(chǎn)。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)目前以商用車(chē)為主導(dǎo)，石墨極板也許是一段時(shí)間性?xún)r(jià)比合適的選擇。

催化劑

是燃料電池的關(guān)鍵材料之一，其作用是降低反應(yīng)的活化能，促進(jìn)氫、氧在電極上的氧化還原過(guò)程、提高反應(yīng)速率。催化劑主要采用Pt/C,Pt合金/C，載體材料主要是納米顆粒碳、碳納米管、碳須等。對(duì)材料要求導(dǎo)電性好，載體耐蝕，催化活性大。

目前催化劑來(lái)源以國(guó)際大廠為主，國(guó)內(nèi)有企業(yè)開(kāi)始進(jìn)入。催化劑方面，之前擔(dān)心的鉑的供應(yīng)問(wèn)題隨著單耗的迅速下降也已不成問(wèn)題。

氣體擴(kuò)散層

在質(zhì)子交換膜燃料電池中，氣體擴(kuò)散層位于流場(chǎng)和催化層之間，其作用是支撐催化層、穩(wěn)定電極結(jié)構(gòu)，并具有質(zhì)/熱/電的傳遞功能。因此GDL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。氣體擴(kuò)散層GDL通常由碳紙或者碳布組成，主要起到傳質(zhì)，導(dǎo)電，傳熱，支持催化層，導(dǎo)水的作用。

審核編輯 ：李倩

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