燃料電池堆與關(guān)鍵材料：國(guó)內(nèi)電堆技術(shù)水平存在差距

對(duì)比國(guó)內(nèi)外燃料電池電堆，國(guó)內(nèi)電堆在核心材料與關(guān)鍵技術(shù)方面仍存在短板，也 是造成燃料電池電堆成本居高不下的主要原因，其中膜電極層三大關(guān)鍵材料 P/t 催 化 劑、質(zhì)子交換膜、碳紙主要依賴進(jìn)口，國(guó)產(chǎn)材料尚無法滿足高性能燃料電池電堆使用 需求；集流體雙極板方面，石墨雙極板經(jīng)過多年開發(fā)已以國(guó)外技術(shù)水平相當(dāng)，但低成 本、輕薄的金屬雙板開發(fā)仍為空白。

1）催化劑（catalyst）

催 化 劑是膜電極的關(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程、提高反應(yīng)速率。目前，燃料電池中常用的商用催 化劑是 Pt/C 催 化劑，由 Pt 的納米顆粒分散到碳粉（如 XC-72）載體上的擔(dān)載型催 化劑。

在降低催 化劑成本的方面，目前有兩條路徑，一條是降低鉑的使用量，另一條 則是研發(fā)非鉑催 化劑，兩者都已有所進(jìn)展。鉑使用量的降低現(xiàn)在已有所成效，縱觀 燃料電池發(fā)展史，每平方厘米需要的鉑已經(jīng)從最初的 50mg 降低到了現(xiàn)在的不足 0.2mg。而非鉑催 化劑也在研究中，雖然無鉑催 化劑尚未進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用的階段，但 很可能是未來大幅降低燃料電池成本的關(guān)鍵。

在工業(yè)化生產(chǎn)方面，日本、英國(guó)、比利時(shí)等國(guó)外供應(yīng)商的催 化劑制備技術(shù)處于 絕對(duì)的領(lǐng)先地位，已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)批量化生產(chǎn)（＞10 公斤/批次），而且性能穩(wěn)定，可 靠性高。國(guó)內(nèi)目前幾乎沒有產(chǎn)業(yè)化催 化劑制造企業(yè)，催 化劑產(chǎn)品也比較單一。

2）質(zhì)子交換膜（Proton Exchange Membrane，PEM）

質(zhì)子交換膜是一種固態(tài)電解質(zhì)膜，其作用是隔離燃料與氧化劑、傳遞質(zhì)子（H+）。 目前常用的商業(yè)化質(zhì)子交換膜是全氟磺酸膜，其碳氟主鏈?zhǔn)鞘杷缘?，而?cè)鏈部分的 磺酸端基（-SO3H）是親水性的，膜內(nèi)會(huì)產(chǎn)生微相分離，當(dāng)膜在潤(rùn)濕狀態(tài)下，親水相 相互聚集構(gòu)成離子簇網(wǎng)絡(luò)，傳導(dǎo)質(zhì)子。

3）氣體擴(kuò)散層（Gas Diffusion Layer，GDL）

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)，具有 質(zhì)/熱/電的傳導(dǎo)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。通常 GDL 由支撐層和微孔層組成，支撐層材料大多是憎水處理 過的多孔碳紙或碳布，微孔層通常是由導(dǎo)電炭黑和憎水劑構(gòu)成，作用是降低催化層和 支撐層之間的接觸電阻，使反應(yīng)氣體和產(chǎn)物水在流場(chǎng)和催化層之間實(shí)現(xiàn)均勻再分配， 有利于增強(qiáng)導(dǎo)電性，提高電極性能。

國(guó)外大多數(shù)制造廠商都已實(shí)現(xiàn)氣體擴(kuò)散層的規(guī)?；a(chǎn)，且都有多款適應(yīng)不同應(yīng) 用場(chǎng)景的產(chǎn)品銷售，包括日本東麗、德國(guó) SGL 和加拿大 AVCarb 等。國(guó)內(nèi)氣體擴(kuò)散 層還處于初級(jí)碳微孔層的制備階段，性能均一性和穩(wěn)定性尚未得到實(shí)際驗(yàn)證。

4）雙極板（Bipolar Plate，BP）

雙極板是燃料電池的陰極板和陽(yáng)極板，其作用是傳導(dǎo)電子、分配反應(yīng)氣并帶走生 成水。功能上，雙極板材料應(yīng)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=1.1V）、濕熱（氣 水兩相流，約 80℃）環(huán)境下具有耐腐蝕性且對(duì)燃料電池其他部件不材料的相容無污 染性；商業(yè)化方面要求雙極板材料要易于加工、成本低。燃料電池常采用的雙極板材 料包括石墨碳板、復(fù)合雙極板、金屬雙極板三大類，由于車輛空間限制（尤其是乘用 車），要求燃料電池具有較高的功率密度。因此相對(duì)較薄的金屬雙極板有更好的應(yīng)用 前景。

國(guó)內(nèi)石墨雙極板技術(shù)近年來發(fā)展迅速，技術(shù)水平與國(guó)外相當(dāng)，但厚度通常在 2mm 以上。復(fù)合膜壓碳板在國(guó)外已突破 0.8mm 薄板技術(shù)，具備與金屬板同樣的體積功率 密度。目前國(guó)內(nèi)薄碳板開發(fā)方面，國(guó)鴻有來自于加拿大巴拉德公司的授權(quán)技術(shù)。純國(guó) 產(chǎn)復(fù)合膜壓碳板處于研制開發(fā)階段，預(yù)計(jì) 2021 年 1mm 薄板開始批量生產(chǎn)。

在金屬雙極板基材方面，目前是以不銹鋼和鈦合金板為主。不銹鋼基材開發(fā)鋼鐵 企業(yè)為代表，而國(guó)內(nèi)金屬極板專用基材的發(fā)開方面仍為空白。

燃料電池系統(tǒng)：基本性能滿足商業(yè)化需求，降本是重點(diǎn)

對(duì)比《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖（2016 年）》提出的技術(shù)目標(biāo)，截止到今年， 我國(guó)乘用車、商用車用燃料電池系統(tǒng)的性能研發(fā)，系統(tǒng)性能已滿足使用需求，但成本 在現(xiàn)有規(guī)模下距離目標(biāo)要求依然還有很大差距，成本仍然是制約燃料電池汽車大規(guī)模 商業(yè)化的主要因素。

規(guī)模效應(yīng)下，燃料電池系統(tǒng)成本有望下降至 40 美元/kW

美國(guó)能源部（DOE）對(duì)燃料電池汽車的成本進(jìn)行了預(yù)估，規(guī)模效應(yīng)將對(duì)燃料電 池及燃料電池汽車的成本形成重要影響。隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大化，燃料電池系統(tǒng)的成 本將大幅下降?；?2020 年的技術(shù)水平，在年產(chǎn) 50 萬(wàn)套 80kW 電堆的規(guī)模下，質(zhì) 子交換膜燃料電池系統(tǒng)成本可降低到 40 美元/kW，即 80kW 燃料電池汽車的電池系 統(tǒng)總價(jià)約 3200 美元（約 2 萬(wàn)人民幣）。

未來燃料電池車成本有望比動(dòng)力電池汽車更低

燃料電池成本下降速率將明顯高于鋰離子電池：鋰離子電池產(chǎn)業(yè)成本下降速率 已趨于穩(wěn)定，而燃料電池產(chǎn)業(yè)仍處在發(fā)展初期，成本具有巨大下降潛力；燃料電池 電堆中除鉑催 化劑外，其他材料包括石墨、聚合物膜、鋼等，幾乎不存在類似于鋰、 鈷、鎳等稀缺材料對(duì)鋰電池成本的剛性限制。同時(shí)，單位功率鉑用量大幅下降，豐田 Mirai 燃料電池鉑含量?jī)H約 0.2g/kW，未來有望降低至 0.1g/kW 以下，且鉑可以回收 利用，可以有效降低電堆成本。