一文讀懂，燃料電池電堆是什么，中國(guó)燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展到哪了

【導(dǎo)讀】：政府的補(bǔ)貼為燃料電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來(lái)了動(dòng)力，電堆作為燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素，一直被關(guān)注，可是燃料電池電堆到底是什么呢？

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年預(yù)計(jì)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。

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。

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。

目前電堆國(guó)產(chǎn)化取得長(zhǎng)足的進(jìn)步，關(guān)鍵零部件能實(shí)現(xiàn)不同程度的國(guó)產(chǎn)化，雖然與國(guó)際先進(jìn)水平仍有差距，但隨著不斷投入，我們認(rèn)為差距會(huì)迅速縮短：

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

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。

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。

電堆是燃料電池最關(guān)鍵部件

電堆由多個(gè)單體電池以串聯(lián)方式層疊組合構(gòu)成。將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緊固拴牢，即構(gòu)成燃料電池電堆。

電堆是發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)場(chǎng)所，燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)核心部分。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)。

在燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈中，電堆處于中游核心環(huán)節(jié)。催化劑、質(zhì)子交換膜、氣體擴(kuò)散層組成膜電極和雙極板構(gòu)成電堆的上游，電堆與空壓機(jī)、儲(chǔ)氫瓶系統(tǒng)、氫氣循環(huán)泵等其它組件構(gòu)成燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)，下游應(yīng)用對(duì)應(yīng)交通領(lǐng)域和備用電源領(lǐng)域，主要是客車(chē)、轎車(chē)、叉車(chē)、固定式電源和便攜式電源等。

電堆性能達(dá)到商業(yè)化，鉑金不是瓶頸

目前燃料電池汽車(chē)在速度、加速時(shí)間和續(xù)航均滿(mǎn)足日常使用，商業(yè)化瓶頸主要是在耐久性、低溫啟動(dòng)和鉑金需求方面，目前電堆性能達(dá)到商業(yè)化需求。

在耐久性方面，豐田和新源動(dòng)力轎車(chē)用電堆壽命超5000h ， Ballard FCvelocity-HD6 燃料電池已經(jīng)達(dá)到超過(guò) 25000 小時(shí)時(shí)間的耐久性記錄，已經(jīng)滿(mǎn)足日常乘用車(chē)和商用車(chē)使用需求。

轎車(chē)用電堆耐久性達(dá)到5000h，普通乘用車(chē)用戶(hù)日均行駛 2h，轎車(chē)可使用 7 年；商用車(chē)電堆耐久性達(dá)到25000h，一輛商用車(chē)日均行駛 8h，使用時(shí)間可達(dá)到 8 年。

低溫性能方面，目前電堆可以應(yīng)對(duì)全球絕大部分地區(qū)和氣候，豐田燃料電池汽車(chē)和本田燃料電池汽車(chē)分別實(shí)現(xiàn)了-37℃和-30℃啟動(dòng)；即使在冬天， 燃料電池汽車(chē)依然可以滿(mǎn)足日常使用。

鉑金需求方面，目前本田電堆鉑金載量已經(jīng)低至 0.12g/kg，鉑載量還處于持續(xù)下降過(guò)程中，鉑金不會(huì)成為燃料電池發(fā)展瓶頸。

以本田 Clarity 為例， 單輛燃料電池車(chē)催化劑耗鉑已經(jīng)降至 10g 左右，而單輛柴油車(chē)需要5g 做鉑金作為尾氣凈化催化劑，目前燃料電池催化劑鉑金用量已經(jīng)降至產(chǎn)業(yè)化水平，而且處于持續(xù)下降中，不會(huì)引起鉑金需求短缺。

假設(shè)到 2025年單車(chē)鉑載量5g 計(jì)算，燃料電池汽車(chē) 100 萬(wàn)輛計(jì)算，鉑金需求量 5 噸，相對(duì) 2017年鉑金用量 244 噸，邊際增量只有2 ；考慮燃料電池鉑載量持續(xù)下降和非貴金屬催化劑的發(fā)展，燃料電池汽車(chē)規(guī)模化的資源瓶頸并不存在。

膜電極

1）膜電極（membrane electrodeassembly，MEA）是質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的場(chǎng)所，是傳遞電子和質(zhì)子的介質(zhì)，為反應(yīng)氣體、尾氣和液態(tài)水的進(jìn)出提供通道，膜電極是質(zhì)子交換膜燃料電池的心臟。

膜電極通常由 5部分組成，即中間的質(zhì)子交換膜、兩側(cè)的陽(yáng)極催化層和陰極催化層， 最外側(cè)的陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層和陰極氣體擴(kuò)散層。

2）當(dāng)前膜電極在性能和產(chǎn)能方面可以初步滿(mǎn)足商業(yè)化需求。現(xiàn)階段性能初步滿(mǎn)足產(chǎn)業(yè)使用，2015年 MEA，在工況條件下壽命達(dá)到 2500小時(shí)，性能方面也達(dá)到 810mW/cm2。

膜電極廠商具備萬(wàn)平米級(jí)產(chǎn)能，目前做膜電極的廠商分為兩類(lèi)，一種是具備膜電極產(chǎn)業(yè)化能力，能夠自給自足的燃料電池廠商，以豐田和 Ballard為代表。

另外一種是專(zhuān)業(yè)的膜電極供應(yīng)商，包括 Gore、JM、3M、Toray（Greenerity），都已經(jīng)具備了不同程度的自動(dòng)化生產(chǎn)線，年產(chǎn)能在數(shù)千平米到萬(wàn)平米級(jí)。

MEA生產(chǎn)工藝瞄準(zhǔn)低鉑和高功率密度，有序化膜電極工藝是未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

膜電極技術(shù)經(jīng)歷了三代發(fā)展，大體上可以分為熱壓法、CCM（catalyst coating membrane）法和有序化膜電極三種類(lèi)型。

目前大部分廠商選擇第二代 CCM三合一膜電極技術(shù)，有序化膜電極是當(dāng)下工藝發(fā)展趨勢(shì)。

有序化膜電極能兼顧超薄電極和結(jié)構(gòu)控制，擁有巨大的單位體積的反應(yīng)活性面積及孔隙結(jié)構(gòu)相互貫通的新奇特性，可以達(dá)到高效三相傳輸、高Pt利用率、高耐久性，使其成為了 PEMFC領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，也是下一代膜電極制備技術(shù)的主攻方向。

質(zhì)子交換膜

質(zhì)子交換膜是作為 PEM 燃料電池的核心組件，主要功能是充當(dāng)質(zhì)子通道實(shí)現(xiàn)質(zhì)子快速傳導(dǎo)，同時(shí)還起阻隔陽(yáng)極燃料和陰極氧化物的作用，防止燃料（氫氣、甲醇等）和氧化物（氧氣）在兩個(gè)電極見(jiàn)發(fā)生互串，此外還需要對(duì)催化劑層起到支撐作用。

質(zhì)子交換膜性能好壞直接決定著 PEM 燃料電池的性能和使用壽命，作為 PEM 材料，應(yīng)具有以下性質(zhì)：

全氟磺酸膜是主流質(zhì)子交換膜。質(zhì)子交換膜根據(jù)含氟情況進(jìn)行分類(lèi)主要包括全氟磺酸膜、非全氟化質(zhì)子交換膜、無(wú)氟化質(zhì)子交換膜和復(fù)合膜。

目前世界上主流質(zhì)子交換膜是全氟磺酸膜，全氟磺酸聚合物具有聚四氟乙烯結(jié)構(gòu)，其碳-氟鍵的鍵能高，使其力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性?xún)?yōu)異，其聚合物膜的使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于其他膜材料的使用壽命，其次分子鏈上的親水性磺酸基團(tuán)具有優(yōu)良的氫離子傳導(dǎo)特性。

全氟磺酸膜也是目前在 PEMFC中唯一得到廣泛應(yīng)用的質(zhì)子交換膜，如美國(guó)杜邦的 Nafion膜、陶氏公司的 Dow 系列質(zhì)子交換膜、日本旭化成公司的 Aciplex膜和日本旭哨子公司的 Flemion 膜，其中 Nafion膜應(yīng)用最廣泛。

用于PEMFC 質(zhì)子交換膜主要要求

1、高的質(zhì)子傳導(dǎo)性能，可以降低電池內(nèi)阻，提高電流密度。

2、較好的水穩(wěn)定性、氧化穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，能夠阻止聚合物鏈在活性物質(zhì)作用下的降解。

3、較低的尺寸變化率，防止膜吸水和脫水過(guò)程中的膨脹和收縮引起的局部應(yīng)力增長(zhǎng)而造成膜與電極剝離， 使電池壽命降低。

4、較高的機(jī)械強(qiáng)度，可加工性好，滿(mǎn)足大規(guī)模生產(chǎn)要求。

5、較低的氣體（尤其是氫氣和氧氣）滲透率，以免氫氣和氧氣在電極表面發(fā)生反應(yīng)，造成電極局部過(guò)熱， 影響電池的電流效率。

6、適當(dāng)?shù)男阅?價(jià)格比。

各類(lèi)質(zhì)子交換膜對(duì)比

催化劑

催化劑是燃料電池的關(guān)鍵材料之一，其作用促進(jìn)氫、氧在電極上的氧化還原過(guò)程。目前最好的催化劑仍是 Pt和 Pt基催化劑。

陽(yáng)極反應(yīng)：陽(yáng)極電催化劑表面的氫氣氧化反應(yīng)（HOR），整體氧化反應(yīng)可以表示為：

陰極反應(yīng)：陰極電催化劑表面的氧還原反應(yīng)（ORR），整體反應(yīng)可表示為：

目前最好的催化劑仍是 Pt和 Pt 基催化劑，當(dāng)前鉑金用量已經(jīng)降至可接受水平，根據(jù) DOE數(shù)據(jù)，2015年 Pt含量達(dá)到 0.16g/kw，質(zhì)量比活性大于0.5A/mg。

本田 FCV 燃料電池催化劑 Pt 含量降至0.12g/kw，豐田 Mirai燃料電池催化劑 Pt含量達(dá)0.175g/kw。

Pt質(zhì)量比活性可以通過(guò)提高表面 Pt的面積比活性來(lái)改善，改變表面Pt面積比活性的重要理論指導(dǎo)是 Pt與其他金屬發(fā)生相互間作用后，Pt原子的幾何結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。

主要研究方向有 Pt合金催化劑、Pt 單層催化劑、Pt 納米管和 Pt 核殼等：研究非 Pt催化劑替代，包括鈀基催化劑和非貴金屬催化劑。

氣體擴(kuò)散層

多孔氣體擴(kuò)散層將膜電極組合體夾在中間，主要起氣體擴(kuò)散的作用。

多孔擴(kuò)散層的主要功能包括：

①實(shí)現(xiàn)氣體在催化層表面的擴(kuò)散；

②提供機(jī)械支撐；

③導(dǎo)通電流；

④排除反應(yīng)生成水。

擴(kuò)散層的材質(zhì)是經(jīng)疏水材料處理的碳基材料（碳紙或碳布）。疏水材料的作用是防止水在擴(kuò)散層孔中積聚，影響氣體擴(kuò)散。

不同擴(kuò)散層材料性能指標(biāo)

氣體擴(kuò)散層通常由基底層和微孔層組成，基底層通常使用多孔的碳纖維紙、碳纖維織布、 碳纖維非紡材料及碳黑紙，也有的利用泡沫金屬、金屬網(wǎng)等來(lái)制備，主要起到支撐微孔層的催化層的作用，微孔層主要是改善基底層孔隙結(jié)構(gòu)的一層碳粉，目的是降低催化層和基底層之間的接觸電阻，使得 流道氣體以及產(chǎn)生水均勻分配。

工藝方面，氣體擴(kuò)散層所用炭紙初坯的制備方法可分為兩種：濕法和干法。

濕法造紙技術(shù)制備的擴(kuò)散層用炭紙具有良好且均勻的大量孔隙，能夠通過(guò)調(diào)節(jié)酚醛樹(shù)脂的量來(lái)控制孔隙率的大小，有利于加工成滿(mǎn)足實(shí)際需求的炭紙。

濕法制碳紙工藝

雙極板

雙極板也叫做流場(chǎng)板，是構(gòu)成質(zhì)子交換膜燃料電池重量和體積的主要部分。

它的主要作用有：

1）把反應(yīng)物通過(guò)機(jī)加工的通道送到膜電極組，

2）將反應(yīng)物擴(kuò)散到電極表面，

3）收集電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的電流。雙極板需要有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，良好的力學(xué)強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性。

現(xiàn)在也有大量開(kāi)發(fā)新材料的研究，其目的是減輕雙極板的重量，從而提高燃料電池的功率密度，但均有一定的缺點(diǎn)。

雙極板上的流道對(duì)于雙極板的性能非常重要，不同幾何形狀的流道在反應(yīng)物的導(dǎo)流上具有重要影響。

雙極板是電堆中的“骨架”，與膜電極層疊裝配成電堆，在燃料電池中起到支撐、收集電流、為冷卻液提供通道、分隔氧化劑和還原劑等作用。雙極板材料主要包括石墨、金屬以及復(fù)合材料三類(lèi)。

石墨基雙極板在燃料電池的環(huán)境中具有非常良好的化學(xué)穩(wěn)定性，同時(shí)具有很高的導(dǎo)電率，是目前質(zhì)子交換膜燃料電池研究和應(yīng)用中最為廣泛的材料。

金屬材料相比石墨材料具有更好的導(dǎo)電和熱傳導(dǎo)性能，同時(shí)金屬材料良好的機(jī)加工性能會(huì)大大降低雙極板的加工難度。

復(fù)合材料雙極板能較好地結(jié)合石墨板與金屬板的優(yōu)點(diǎn)，使電堆裝配后達(dá)到更好的效果。

三種常用雙極板性能比較

乘用車(chē)燃料電池具有高能量密度需求，金屬雙極板相較于石墨及復(fù)合雙極板具有明顯優(yōu)勢(shì)。

如日本豐田 Mirai燃料電池汽車(chē)用金屬雙極板 PEMFC 模塊的功率密度達(dá)到 3kW/L，英國(guó) IntelligentEnergy的新一代 EC200-192金屬雙極板燃料電池模塊的功率密度達(dá)到5kW/L 。

金屬雙極板使PEMFC 模塊的功率密度大幅提升，金屬雙極板已成為乘用車(chē)燃料電池的主流雙極板。目前金屬雙極板主要供應(yīng)商有瑞典 Cellimpact、德國(guó) Dana、德國(guó)Grabener、美國(guó)treadstone 等。

雙極板上的流道

為了增大反應(yīng)面積，可以將燃料電池內(nèi)部設(shè)計(jì)成多種不同的“流道”，使得在體積一定的情況下，反應(yīng)接觸的面積更大，相應(yīng)的效率也更高。“流道”的設(shè)計(jì)如下圖所示。

雖然單體燃料電池結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，但燃料電池堆的運(yùn)作實(shí)際上非常復(fù)雜。燃料電池系統(tǒng)中還具有發(fā)揮水管理、熱管理和功率調(diào)節(jié)等作用的組件，各組件構(gòu)精密配合方能完成燃料電池的能量轉(zhuǎn)換，并且事先還需要反復(fù)和精準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)模擬。

例如，如果沒(méi)有良好的水管理，燃料電池水產(chǎn)生和水除去將失去平衡。質(zhì)子交換膜在濕度為 30時(shí)氫離子導(dǎo)電率嚴(yán)重下降，15時(shí)成為絕緣體。

而反應(yīng)產(chǎn)生的熱量很可能加劇水的蒸發(fā)，因此需要加濕器來(lái)進(jìn)行加濕。而同時(shí)，陰極產(chǎn)生的水則容易淹沒(méi)電池，導(dǎo)致氧氣（空氣）無(wú)法擴(kuò)散到電極，降低工作性能。