中國燃料電池產業(yè)走了一條和日本大相徑庭的路，也是一條適合中國國情的路，以物流車和客車為突破點來發(fā)展燃料電池產業(yè)，2017年完成1000臺左右客車和物流車，2018年突破3000-5000臺規(guī)模，這是目前中國燃料電池汽車的發(fā)展現狀。

什么是燃料電池？

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

無污染

燃料電池對環(huán)境無污染。它是通過電化學反應，而不是采用燃燒(汽、柴油)或儲能(蓄電池)方式--最典型的傳統(tǒng)后備電源方案。燃燒會釋放象COx、NOx、SOx氣體和粉塵等污染物。如上所述，燃料電池只會產生水和熱。

無噪聲

燃料電池運行安靜，噪聲大約只有55dB，相當于人們正常交談的水平。

高效率

燃料電池的發(fā)電效率可以達到50%以上。

應用領域

20世紀60年代，氫燃料電池就已經成功地應用于航天領域。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。進入70年代以后，隨著人們不斷地掌握多種先進的制氫技術，很快，氫燃料電池就被運用于發(fā)電和汽車。

隨著制氫技術的發(fā)展，氫燃料電池離我們的生活越來越近。到那時，氫氣將像煤氣一樣通過管道被送入千家萬戶，每個用戶則采用金屬氫化物的貯罐將氫氣貯存起來，然后連接氫燃料電池，再接通各種用電設備。

電堆是制約燃料電池發(fā)展的關鍵之一

而電堆則成為中國燃料電池產業(yè)發(fā)展的關鍵因素之一，低成本、高性能、批量供應的國產電堆是燃料電池汽車成本下降從而與傳統(tǒng)汽車競爭的關鍵。

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里單一價格最高的部件，隨著產能擴張，未來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)乃至整車性能的決定因素；

3）從技術上看，電堆是整個系統(tǒng)里技術含量最高部分，無論從流道設計、催化劑制備、MEA合成都有相當門檻。

電堆是怎么工作的？

在原理上相當于水電解的“逆”裝置。陽極為氫燃料發(fā)生氧化的場所，陰極為氧化劑還原的場所，兩極都含有加速電極電化學反應的催化劑，質子交換膜作為傳遞H+的介質，只允許H+通過。工作時相當于一直流電源，陽極即電源負極，陰極即電源正極。

電堆工作時，氫氣和氧氣分別由進口引入，經電堆氣體主通道分配至各單電池的雙極板，經雙極板導流均勻分配至電極，通過電極支撐體與催化劑接觸進行電化學反應。

陽極(負極)：2H2→4H++4e-

陰極(正極)：O2+4H++4e-→2H2O

由于質子交換膜只能傳導質子，因此氫離子(即質子)可直接穿過質子交換膜到達陰極，而電子只能通過外電路才能到達陰極。當電子通過外電路流向陰極時就產生了直流電。

以陽極為參考時，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。接有負載時輸出電壓取決于輸出電流密度，通常在0.5～1V之間。將多個單電池層疊組合就能構成輸出電壓滿足實際負載需要的燃料電池堆(簡稱電堆)。

國產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、擴散層于一體的組合件，是燃料電池的核心部件之一。

目前，國際上已經發(fā)展了3代MEA技術路線：一是把催化層制備到擴散層上（GDE），通常采用絲網印刷方法，其技術已經基本成熟；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構上，使電極呈有序化結構，有利于降低大電流密度下的傳質阻力，進一步提高燃料電池性能，降低催化劑用量。目前進口產品與國產產品并存，隨著新的業(yè)者加入，國產比例將不斷提高。

質子交換膜

質子交換膜作為電解質，起到傳導質子，隔離反應氣體的作用。在燃料電池內部，質子交換膜為質子的遷移和輸送提供通道，使得質子經過膜從陽極到達陰極，與外電路的電子轉移構成回路，向外界提供電流。質子交換膜的性能對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。

國內產品從批次品質看達到要求，由于供應鏈的原因并未占據主流份額，隨著國內產業(yè)發(fā)展，國產質子交換膜的替代將加快。

極板

燃料電池雙極板（bipolar plate，BP）的作用是傳導電子、分配反應氣并帶走生成水，從功能上要求雙極板材料是電與熱的良導體、具有一定的強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燃料電池其他部件與材料的相容無污染性；產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。國內市場目前以商用車為主導，石墨極板也許是一段時間性價比合適的選擇。

催化劑

是燃料電池的關鍵材料之一，其作用是降低反應的活化能，促進氫、氧在電極上的氧化還原過程、提高反應速率。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。對材料要求導電性好，載體耐蝕，催化活性大。

目前催化劑來源以國際大廠為主，國內有企業(yè)開始進入。催化劑方面，之前擔心的鉑的供應問題隨著單耗的迅速下降也已不成問題。

氣體擴散層

在質子交換膜燃料電池中，氣體擴散層位于流場和催化層之間，其作用是支撐催化層、穩(wěn)定電極結構，并具有質/熱/電的傳遞功能。因此GDL必須具備良好的機械強度、合適的孔結構、良好的導電性、高穩(wěn)定性。氣體擴散層GDL通常由碳紙或者碳布組成，主要起到傳質，導電，傳熱，支持催化層，導水的作用。

審核編輯 ：李倩

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