国产化加速进行时——氢燃料电池电堆

氢燃料电池组是整个燃料电池产业链的核心。燃料电池的性能和成本直接决定了燃料电池的工业化进程。氢燃料电池反应器的性能评价指标主要包括耐久性、启动温度和比功率，其中比功率是近两年国内外研究机构和企业关注的重点之一。目前，国内反应器企业正在迅速崛起，无论是从膜电极、双极板等核心部件技术上的突破，还是从整个反应器的功率水平、功率密度上都取得了很大的进步。

大众需求带动产业转型，氢燃料电池汽车的大规模应用推动了氢燃料电池全产业链的崛起。氢燃料电池的成本正在迅速下降，技术也在不断更新。

商业化正在加速

燃料电池堆由若干个燃料电池串联堆叠而成。双板与膜电极MEA交替重叠，单体之间嵌封，前后板压紧用螺丝紧固，即构成燃料电池栈。燃料电池堆是电化学反应的场所，是燃料电池系统(或燃料电池发动机)的核心部件。

反应堆工作时,氢气和氧气分布的双极板每一个细胞通过反应器的主要气体通道,和双相的导电率板块是均匀分布的电极、电化学反应是由接触电极支持身体的催化剂。

目前，氢燃料电池汽车已进入市场启动阶段。以日本丰田Mirai、韩国现代Nexo、广汽AION LX为代表的氢燃料电池汽车已经实现商用化，其性能和行驶里程与传统燃料汽车不相上下。乘用车燃料电池堆功率水平一般在100kw左右，而商用车燃料电池堆功率水平一般在30 - 200kw之间。

近年来，我国燃料电池商用车取得了快速发展，明显快于燃料电池乘用车。经过十几年的研发投入，我国的燃料电池技术趋于成熟，以福田欧辉、郑州宇通、佛山飞世等为代表的燃料电池客车正逐步开始市场化进程，燃料电池物流车辆也已做好商业化发展的准备。据中国汽车工业协会统计，截至2018年12月，中国燃料电池汽车销量已达1527辆。

今年，国内氢燃料电池反应堆开发企业纷纷公布了好消息，并正在努力改善国内氢燃料电池反应堆的性能。

HCHEN科技与上下游企业共同开发的H3技术，在现有H2技术的基础上，大大提高了性能、寿命和可靠性。230kW单堆大功率堆性能试验已完成，即将投入行业使用。基于H2技术开发的80kW、100kW、120kW、150kW四种大功率堆，目前已装机100台，运行良好。

新华能自主研发的110kW水冷堆模块已完成一系列性能测试。目前是新华网单堆功率最大的模块。反应器与双反应器模块结构兼容，双反应器模块功率为200kW。

鑫源动力研发的第三代汽车质子交换膜燃料电池模块技术性能更加优异。结构紧凑，功率密度高，环境适应性强，易于系统集成。额定功率可达130kW，防护等级IP67，低温冷启动可达- 40℃。采用金属双极板组装的电抗器性能更高，体积更小，适用于乘用车和商用车的组装。

燃料电池堆的重要组成部分有膜电极、双极板和质子交换膜等。目前，国内已经从多个方面进行了研究，试图降低燃料电池堆的成本，提高燃料电池堆的整体性能。

氢燃料电池堆芯-双极板

双极板是燃料电池堆中的关键部件，它可以使活性气体均匀分布在有源区域，导电并支撑膜电极，以保持堆结构的稳定性，并去除燃料电池产生的热量和水分。

双极极板占燃料电池重量的60%，成本的20%，其性能直接影响到输出功率的大小和电池使用寿命的长短。双极材料主要有石墨双极、石墨复合双极和金属双极，丰田Mirai、本田Clarity和现代NEXO乘用车均采用金属双极，而商用车普遍采用石墨双极。

金属双极板因其优异的力学性能和电学性能而成为燃料电池行业的研究热点之一。最近，冲氢在金属双极板镀膜技术上取得了突破。在第四代涂装的基础上，彻底解决了金属板材耐蚀性、导电性和低成本的行业瓶颈，通过工艺和设备升级，将高潜在耐蚀性提高了10倍。

与第三代碳基涂层相比，第四代涂层在高电位(1.6 vs.she)下的腐蚀电流从200μA/cm2下降到50μA/cm2。基于第四代独立连续生产设备，结合工艺升级，腐蚀电流进一步降低至5μA/cm2。

膜电极是氢燃料电池堆的第二核心

膜电极作为燃料电池的关键部件，其结构设计和制备工艺十分复杂，整个研发周期长，技术壁垒高，实现规模化生产十分困难。膜电极决定了反应器性能、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。

国内膜电极的性能接近国际水平，但专业特性(如铂负载、启停、冷启动、反极性等)仍落后于国际水平。但随着国内市场的快速增长，国内工程与质量控制之间的差距有望进一步缩小。

近年来，长城能源克服了燃料电池行业的“瓶颈”问题，实现了完全自主研发的新型高性能膜电极的规模化生产，加速了膜电极国产化进程。长城创新了“梯度技术”，极大地提高了膜电极产品单位面积发电量、使用寿命等关键性能指标。膜电极的功率密度为1.30W/cm2，耐久性为> 10000 h，铂负载为0.35mg/cm2。

质子交换膜是氢燃料电池反应堆的第三核心质子交换膜是燃料电池(PEMFC)的核心部件。主要成分为全氟磺酸膜，目前主要为进口。目前质子交换膜的主要发展方向是全氟磺酸增强的复合膜。质子交换膜逐渐趋于薄，从几十微米降到几十微米，降低了质子转移的欧姆极化，从而达到更高的性能。

目前，国内质子交换膜生产企业主要有东岳集团旗下的Future Hydrogen Co.， LTD.，主营燃料电池用质子交换膜，上游原料为全氟磺酸树脂和全氟羧酸树脂。其生产能力、技术处于国内领先地位。

11月，东岳150万平方米质子交换膜生产线一期项目正式投产。这标志着东岳集团经过16年的艰苦科研，与奔驰、福特等公司务实的技术合作，成为全球两家可提供质子交换膜用于量产氢燃料电池汽车的企业之一。

目前，东越集团拥有全氟质子膜燃料电池最完整的产业链，拥有氟功能膜材料国家重点实验室，形成涵盖原料、关键中间体、树脂和质子交换膜等全系列完整的知识产权体系，其中，质子膜燃料电池成膜聚合物，荣获2019年中国专利金奖。

燃料电池堆的成本约占整个氢燃料电池系统的50%。燃料电池堆成本的迅速降低和技术性能的显著提高，有利于氢燃料电池汽车在中国的推广和示范。从双极板、膜电极到质子交换膜，国产化进程不断加快，国内企业在科技创新道路上也在不断探索和攻关关键问题。氢燃料电池组和燃料电池系统的商业化和规模化正在逐步实现，并有望在近几年打破进口垄断。https://www.h2weilai.com/cms/index/shows/catid/28/id/3821.html