中國氫燃料電池技術發展現狀及趨勢

王家恒，韓震

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

引言

由于全球能源危機和環境變暖形勢日趨嚴重，對傳統汽車的節能減排要求和新能源汽車的技術要求越來越高。包括德國、法國、荷蘭、挪威、印度、英國等國家宣布逐步停止出售燃油車規劃，我國也已啟動傳統燃油車退出時間表，抓緊布局整車電氣化領域。

發展新能源汽車是國家長期戰略方針，燃料電池汽車與純電動汽車、插電式混合動力汽車并為新能源汽車三大路線。但隨著新能源汽車領域純電動汽車補貼的退坡，以及政府對燃料電池汽車行業的扶持與推動，市場對燃料電池汽車的關注和需求也越來越高。

燃料電池作為燃料電池汽車最關鍵且最具代表性的部件，其一，能量轉換效率高、環境友好；其二，我國作為世界第一產氫大國，年產氫占世界氫產量的三分之一，發展氫能是能源轉型的重要途徑，本文通過介紹燃料電池原理、關鍵部件、技術及市場動態，總結燃料電池技術和產業現狀和發展趨勢。

1 質子交換膜燃料電池

1.1 原理

燃料電池是一種將燃料（氫氣）和氧化劑（空氣）中的化學能通過電化學反應直接轉化為電能、熱能和反應產物（水）的發電裝置。

質子交換膜燃料電池(Proton exchange membrane fuel cells，PEMFC)屬于燃料電池的一種，和其他燃料電池相比，其工作溫度低、響應速度快和體積小等特點完全適用于電動汽車的動力源[1][2]，被認為是未來新能源汽車最重要的發展方向之一。其工作原理見圖1：進入燃料電池的氫分子，在陽極催化劑作用下分解成氫離子，并釋放出電子；氫離子穿過質子交換膜到達陰極；電子通過外部電路輸出電能；進入燃料電池的氧分子在陰極催化劑作用下，與氫離子和通過外部電路到達的電子反應生成水和熱。

圖1 PEMFC 原理圖

1.2 結構與組成

見下圖2，燃料電池組成主要分兩部分：膜電極組件(MEA)和雙極板，除此外其他結構件包括：密封件、端板和集流板等。而電堆是由多片單電池組成的結構；電堆及其監測單元(CVM)、外部封裝、流體岐管總成叫燃料電池模塊。

圖2 燃料電池結構圖

1.3 核心部件

膜電極組件由氣體擴散層、催化劑層、質子交換膜三部分組成。它對燃料電池的輸出功率、工作壽命有著決定性的影響。

1.3.1 質子交換膜

質子交換膜是一種固態電解質膜，主要用來隔離燃料和氧化劑以及傳遞質子(H+)的作用。在實際應用中，要求質子交換膜要有良好的質子傳導率和化學、機械的穩定性。目前常見膜有Nafion 系列以及國內新源動力、武漢理工的復合膜[3]，以及市場應用最多的Gore 復合膜。豐田Mirai、本田Clarity、現代NEXO 和國內新源均采用戈爾機械增強復合膜，主要成分為ePTFE(增強膨脹聚四氟乙烯)+新型氟化離子聚合物，在機械強度和抗腐蝕性能方面有極大優勢。

當前燃料電池最關鍵零部件膜產品基本由國外壟斷和控制，國內企業或研究單位目前也未形成量產規模或達到量產水平。

1.3.2 催化劑

催化劑是發生電化學反應的場所，目的降低活化能，提高反應速率。質子交換膜燃料電池最常用的催化劑是Pt/C，或者由過渡金屬元素和鉑的合金物組成的催化劑Pt/M，以此增強催化劑穩定性、耐腐性，比如Pt-Co/C、Pt-Fe/C、Pt-Ni/C。受催化劑材料技術和工藝等諸多因素的影響，當前國內產品的鉑載量需求是國外先進水平的3-4 倍，國內一家燃料電池電堆Pt 載量約為0.6mg/cm2，1.07g/kw，而Mirai Pt 載量僅為0.30g/kw。這也是當前國產電堆成本較高的重要原因之一。

由于受到成本和壽命限制，催化劑重點方向朝著低鉑、無鉑化和鉑合金催化劑發展。

1.3.3 氣體擴散層

擴散層作用在于支撐催化劑層、收集電流，并為電化學提供電子通道、氣體通道和排水通道，一般由多孔基層和微孔層組成。

支撐層大多是經過憎水處理過的多孔碳紙或碳布[4]，微孔層由導電炭黑和憎水劑組成。支撐層比較成熟的產品有日本的Toray、德國的SGL、加拿大的AVCard，國內中南大學在進行碳紙的研究工作，但缺少量產條件[3]。

1.3.4 雙極板

雙極板燃料電池中屬于體積最大、質量最重的部件，決定了燃料電池體積和質量密度，也是影響制造成本的重要因素。

雙極板通常采用金屬和石墨以及它們的復合材料。豐田、本田燃料電池均采用了鈦金屬雙極板技術，同時優化流體通道，通過提高氣體擴散性減小濃度過電壓[5]，功率密度達到3.1kw/L。國內不少燃料電池公司，大連新源、北京氫璞、上海神力、明天氫能已經開發出金屬板燃料電池，燃料電池模塊功率密度超過2.0kw/L，除去端板，堆棧功率可達到3kw/L。

2 氫燃料電池技術和應用

2.1 氫燃料電池汽車

燃料電池汽車工作原理是將燃料電池發出的電能，經DC/DC 升壓，利用電機轉化為機械能，驅動車輛行駛。同時為了彌補燃料電池動力輸出缺陷，配備了儲能電池，采用“電電混合”工作模式。

圖3 燃料電池汽車結構原理圖

下表1 列舉了2019 上海車展部分FCEV 部分參展車型，同國外成熟車型對比分析：燃料電池乘用車朝著高動力、長續航和系統高度集成化目標發展，續航500+km，儲氫壓力70Mpa，燃料電池功率50+kw 級別，同時配備高功率電池，燃料電池發動機高度集成，但整體技術不完善且處于樣品狀態。

燃料電池商用車技術指標低于乘用車。其一考慮到整車成本，其二高性能零部件產品不成熟。特點：35mpa 儲氫壓力配套高能量動力電池，續航達400km，整車布置空間優越系統集成度不高；技術方向：長續航+高可靠性。

表1 燃料電池汽車參數

2.2 燃料電池系統

燃料電池系統又稱燃料電池發動機，包括電堆和輔助系統(氫氣、空氣系統、熱管理系統、控制系統)，其性能大小不僅和電堆輸出能力有直接關系，且需要匹配相應高性能輔助部件[6]，氫氣循環裝置、空壓機和加濕器等，見下圖4。

圖4 燃料電池系統簡易結構原理圖

燃料電池輔助系統關鍵零部件包含空氣壓縮機、空氣增濕器、氫氣循環裝置等，當前由于資金與市場的局限，國內幾乎空白，僅有壓縮機一項能夠在國內找到生產商，其余的均處于研究階段或者需要進口。由于缺少部件模型定向開發需求，忽略零部件集成匹配，在集成度方面同樣處于劣勢。統計部分燃料電池系統參數，見下表2。

表2 燃料電池系統產品

2.3 燃料電池電堆

燃料電池的性能指標主要包括功率密度、壽命、成本等，國內燃料電堆成熟產品在技術指標上與國外頂端產品相差數倍以上。如下表3，國外燃料電池模塊功率密度普遍達到3kw/L 水平，國內指標小于1kw/L。目前國內正開發或少量已開發的大功率金屬電堆產品，技術指標逐漸趕上但產品成熟度還有一定差距。

表3 燃料電池產品

3 行業動態

3.1 政策動態

2014 年以來，國家、地方層面密集頒布了一系列產業政策，在發展規劃、技術研發、財政補貼等方面給予引導及扶持。繼十三五戰略與中國制造2025 后，在2019 年全國人大二次會議《政府工作報告》中，再次強調將在燃料電池汽車領域“推動充電、加氫等設施建設”；各地政府相繼推出各項燃料電池汽車產業發展規劃或實施建議，其中廣東、上海、江蘇、浙江尤為密集。

3.2 市場動態

2016-2018 年間，燃料電池汽車整車共計銷售3520 輛，其中2016 年度629 輛，2017 年度1272 輛，2018 年度1619輛。2019 年6 月份銷售484 輛，1-6 月份總計1029 輛。

2018.1 月至2019.6 月，累計公告目錄111 款，車型囊括客車、城市客車、廂式運輸車、冷藏車共4 類，包括上汽大通、福田、東風、蘇州金龍等整車企業。

2019 世界新能源汽車大會上衣寶廉院士稱國內約3000輛燃料電池汽車在進行相關示范運營。主要車型為燃料電池城市公交及物流，地區集中在佛山、云浮、上海、張家口、鄭州、大同、遼寧等地。

3.3 基礎建設

根據相關信息統計，國內近3 年已建成加氫站29 座，主要集中在廣東、江蘇、上海等地；規劃中在建或者擬建的共計32 座左右。從圖上看，當前加氫站加氫能力大都在35Mpa，僅大連加氫站可達到70Mpa 加氫能力。

根據中科院院士歐陽明高報告，我國運營的16 座加氫站每天供氫能力8 噸，張家口1.5 噸加氫站可服務50 輛客車。當前運營加氫站能力每天最多提供260 多輛客車使用，按照行業規劃2020 年達到5000 輛示范規模，至少需要100 座1.5噸供氫能力加氫站。

圖5 國內加氫站建設概況圖

4 結論

伴隨著能源環境問題凸顯和鋰電池技術瓶頸到來，燃料電池行業的呈現蓬勃發展趨勢。國家、行業以及地方積極的引導扶持，推行補貼激勵政策，各地加氫站建設、關鍵部件生產商、燃料電池整車銷售和運營數量也在不斷增加，行業 快速增長期已經到來，但由于以下問題，離商品化還有很長一段路要走。

4.1 國內技術的成熟度還較低

結合當前市場示范運行的表現來看，燃料電池電堆和系統的性能技術成熟度與國際一流水平還有差距，仍面臨核心部件集成化程度整體不高、可靠性及穩定性有待驗證等難題，整車企業暫時還處于一個通過示范運行來發現問題和解決問題的過程。

4.2 產業鏈薄弱

由于技術成熟度低帶來一系列產業鏈問題。萬鋼也曾在報告中指出國內燃料電池核心部件的關鍵材料大都處于實驗室階段，其他輔助部件仍也未達到規模開發狀態，車企暫時沒有形成穩定零部件供應體系。

4.3 氫源及加氫限制

根據當前燃料電池整車的總量，加氫站數量較低，加氫能力不足以提供市場燃料電池車輛運營。且受地方安管影響，大部分地區還缺乏制氫、加氫等基礎設施，反過來又導致燃料電池汽車整車示范運行實施的困難，需要政府層面的統一調度與規劃。