国产化加速进行时——氢燃料电池电堆

氢燃料电池堆是整个燃料电池产业链的核心部分。其性能和成本直接决定了燃料电池产业化进程。评价氢燃料电池电堆性能的指标主要包括其耐久性、启动温度以及比功率，其中比功率是近两年国内外研究机构和企业重点攻克的方向之一。目前，国内电堆企业正在迅速崛起，无论是从膜电极、双极板等核心零部件技术突破方面还是从整堆功率等级，以及功率密度方面都有了长足的进步。

大众需求促使产业变革，氢燃料电池汽车的规模化应用推动了氢燃料电池全产业链的崛起。对于氢燃料电池电堆而言，成本的快速下降和技术的迭代更新一直在发展之中。

商业化进程加速推进

燃料电池电堆由多个燃料电池单体以串联方式层叠组合构成。双极板与膜电极MEA交替叠合，各单体之间嵌入密封件，经前、后端板压紧后用螺杆紧固拴牢，即构成燃料电池电堆。燃料电池电堆是发生电化学反应场所，为燃料电池系统（或燃料电池发动机）核心部分。

电堆工作时，氢气和氧气分别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。

当前，氢燃料电池汽车已经进入市场导入期，以日本丰田Mirai、韩国现代Nexo以及广汽AION LX为代表的氢燃料电池汽车已经实现商业化，其在车辆性能和续航里程等方面已经可以媲美传统燃油车水平。乘用车用燃料电池电堆功率级别一般在100 kW左右，而商用车用燃料电池电堆功率级别则通常在30～200 kW范围内。

受技术储备、基础设施及综合成本等多种因素的影响，近年来，我国燃料电池商用车实现了快速发展，发展速度明显快于燃料电池乘用车。经过十几年的研发投入，我国燃料电池技术趋于成熟，以福田欧辉、郑州宇通、佛山飞驰等为代表的燃料电池客车正逐步开始市场化进程，燃料电池物流车目前也已具备商业化发展条件。根据中国汽车工业协会统计，截至2018年12月，我国燃料电池汽车销售量已达到1 527辆。

国内几家开发氢燃料电池电堆的企业在今年频频传出好消息，国产电堆的性能正在努力提升中。

氢晨科技联合上下游企业联合开发的H3技术在现有H2技术上实现性能、寿命和可靠性的大幅度提升，单堆230kW的大功率电堆已经完成性能测试，择机将向行业公开发布。基于H2技术开发的80kW、100kW、120kW和150kW等四款大功率电堆均已实现百台级装车，目前运行状态良好。



新研氢能自主研发的110kW水冷电堆模块完成了一系列性能试验，目前是新研氢能单堆功率最大的模块，且该电堆兼容双堆模块结构，采用双堆结构的模块功率达200kW。



新源动力研发的第三代车用质子交换膜燃料电池模块，其技术性能更加卓越。结构紧凑，高功率密度，环境适应性强，易于系统集成。额定功率达到130kW，IP67防护等级，低温冷启动达到零下40℃。采用金属双极板组装的电堆，性能更高，体积更小，适合装配乘用车及商用车。



燃料电池电堆的重要组件包括膜电极、双极板以及质子交换膜等，国内目前在多个方面都有所研究，试图降低成本，提高燃料电池电堆整体性能。

氢燃料电池电堆核心之一——双极板

双极板是燃料电池电堆中极为关键的一个零部件，能够使活性气体均匀分布于活性区域，传导电流和支撑膜电极以保持电堆结构的稳定性，并移出燃料电池产生的热量和水。

双极板占整个燃料电池60%的重量和20%的成本，其性能优劣直接影响电池输出功率的大小和使用寿命的长短。双极板材料目前主要是石墨双极板、石墨复合双极板以及金属双极板，丰田Mirai、本田Clarity和现代NEXO等乘用车均采用金属双极板，而商用车一般采用石墨双极板。

金属双极板因具有优异的力学性能和导电性能，成为当前燃料电池产业研发的热点之一。近日，骥翀氢能在金属双极板涂层技术上获得突破，在第四代涂层完全解决金属板防腐、导电、低成本这一行业瓶颈的基础上，通过工艺与装备升级，高电位耐蚀性提升10倍。

较第三代碳基涂层，第四代涂层在高电位下(1.6Vvs.SHE)的腐蚀电流由200μA/cm2降低到50μA/cm2。本次基于第四代自主连续化生产装备，结合工艺升级，腐蚀电流进一步降低到5μA/cm2。

氢燃料电池电堆核心之二——膜电极

作为燃料电池的核心关键部件，膜电极结构设计和制备工艺非常复杂，整个研发周期长、技术壁垒高，实现规模化量产难度十分高。膜电极决定了电堆性能、寿命和成本的上限。膜电极组件由质子交换膜、催化剂和气体扩散层（气体扩散层）组成。

国产膜电极性能与国际水平接近，但专业特性上（例如铂载量、启停、冷启动、抗反极等）与国际水平还有一定差距。但随着国内市场的快速增长，国内工程化和质量控制的差距有望进一步缩小。

近期，长城旗下未势能源攻克燃料电池行业“卡脖子”难题，实现完全自研全新高性能膜电极规模化量产，加速了膜电极国产化进程。长城创新“梯度技术”，使膜电极产品单位面积发电功率、使用寿命等关键性能指标大幅提升。该膜电极功率密度达到1.30W/cm2，耐久性>10000h，铂载量达到0.35mg/cm2.



氢燃料电池电堆核心之三——质子交换膜

质子交换膜是燃料电池（PEMFC）的核心元件，主要成分以全氟磺酸膜为主，目前大部分依赖进口。质子交换膜目前主流趋势是全氟磺酸增强型复合膜，质子交换膜逐渐趋于薄型化，由几十微米降低到十几微米，降低质子传递的欧姆极化，以达到更高的性能。

目前国内生产质子交换膜的厂家有东岳集团旗下的未来氢能公司，主要经营燃料电池质子交换膜、以及上游原料全氟磺酸树脂和全氟羧酸树脂等。其产能、技术处于国内领先地位。

去年11月，东岳150万平米质子交换膜生产线一期工程正式投产。标志着东岳集团历经16年艰苦卓绝地科研攻关，与奔驰、福特进行实用性技术合作，成为全球两家能够为量产氢燃料电池汽车提供质子交换膜的企业之一。

目前，东岳集团拥有全球最完整的燃料电池全氟质子膜产业链，拥有含氟功能膜材料国家重点实验室，形成涵盖原材料、关键中间体、树脂及质子交换膜全方位的完整的知识产权体系，其中，燃料电池质子膜成膜聚合物，荣获2019年中国专利金奖。

燃料电池电堆的成本占整个氢燃料电池系统的50%左右，实现燃料电池电堆成本的快速下降和技术性能的大幅提升有利于我国更早实现氢燃料电池汽车的普及和示范。从双极板、膜电极到质子交换膜，国产化的进程正在不断提速，国内企业也在科技创新之路上不断探索和攻关。氢燃料电池电堆与燃料电池系统的商业化与规模化正在逐步实现之中，近年有望打破进口垄断局面。