中国氢燃料电池技术发展现状及趋势

王家恒，韩震

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

引言

由于全球能源危机和环境变暖形势日趋严重，对传统汽车的节能减排要求和新能源汽车的技术要求越来越高。包括德国、法国、荷兰、挪威、印度、英国等国家宣布逐步停止出售燃油车规划，我国也已启动传统燃油车退出时间表，抓紧布局整车电气化领域。

发展新能源汽车是国家长期战略方针，燃料电池汽车与纯电动汽车、插电式混合动力汽车并为新能源汽车三大路线。但随着新能源汽车领域纯电动汽车补贴的退坡，以及政府对燃料电池汽车行业的扶持与推动，市场对燃料电池汽车的关注和需求也越来越高。

燃料电池作为燃料电池汽车最关键且最具代表性的部件，其一，能量转换效率高、环境友好；其二，我国作为世界第一产氢大国，年产氢占世界氢产量的三分之一，发展氢能是能源转型的重要途径，本文通过介绍燃料电池原理、关键部件、技术及市场动态，总结燃料电池技术和产业现状和发展趋势。

1 质子交换膜燃料电池

1.1 原理

燃料电池是一种将燃料（氢气）和氧化剂（空气）中的化学能通过电化学反应直接转化为电能、热能和反应产物（水）的发电装置。

质子交换膜燃料电池(Proton exchange membrane fuel cells，PEMFC)属于燃料电池的一种，和其他燃料电池相比，其工作温度低、响应速度快和体积小等特点完全适用于电动汽车的动力源[1][2]，被认为是未来新能源汽车最重要的发展方向之一。其工作原理见图1：进入燃料电池的氢分子，在阳极催化剂作用下分解成氢离子，并释放出电子；氢离子穿过质子交换膜到达阴极；电子通过外部电路输出电能；进入燃料电池的氧分子在阴极催化剂作用下，与氢离子和通过外部电路到达的电子反应生成水和热。

图1 PEMFC 原理图

1.2 结构与组成

见下图2，燃料电池组成主要分两部分：膜电极组件(MEA)和双极板，除此外其他结构件包括：密封件、端板和集流板等。而电堆是由多片单电池组成的结构；电堆及其监测单元(CVM)、外部封装、流体岐管总成叫燃料电池模块。

图2 燃料电池结构图

1.3 核心部件

膜电极组件由气体扩散层、催化剂层、质子交换膜三部分组成。它对燃料电池的输出功率、工作寿命有着决定性的影响。

1.3.1 质子交换膜

质子交换膜是一种固态电解质膜，主要用来隔离燃料和氧化剂以及传递质子(H+)的作用。在实际应用中，要求质子交换膜要有良好的质子传导率和化学、机械的稳定性。目前常见膜有Nafion 系列以及国内新源动力、武汉理工的复合膜[3]，以及市场应用最多的Gore 复合膜。丰田Mirai、本田Clarity、现代NEXO 和国内新源均采用戈尔机械增强复合膜，主要成分为ePTFE(增强膨胀聚四氟乙烯)+新型氟化离子聚合物，在机械强度和抗腐蚀性能方面有极大优势。

当前燃料电池最关键零部件膜产品基本由国外垄断和控制，国内企业或研究单位目前也未形成量产规模或达到量产水平。

1.3.2 催化剂

催化剂是发生电化学反应的场所，目的降低活化能，提高反应速率。质子交换膜燃料电池最常用的催化剂是Pt/C，或者由过渡金属元素和铂的合金物组成的催化剂Pt/M，以此增强催化剂稳定性、耐腐性，比如Pt-Co/C、Pt-Fe/C、Pt-Ni/C。受催化剂材料技术和工艺等诸多因素的影响，当前国内产品的铂载量需求是国外先进水平的3-4 倍，国内一家燃料电池电堆Pt 载量约为0.6mg/cm2，1.07g/kw，而Mirai Pt 载量仅为0.30g/kw。这也是当前国产电堆成本较高的重要原因之一。

由于受到成本和寿命限制，催化剂重点方向朝着低铂、无铂化和铂合金催化剂发展。

1.3.3 气体扩散层

扩散层作用在于支撑催化剂层、收集电流，并为电化学提供电子通道、气体通道和排水通道，一般由多孔基层和微孔层组成。

支撑层大多是经过憎水处理过的多孔碳纸或碳布[4]，微孔层由导电炭黑和憎水剂组成。支撑层比较成熟的产品有日本的Toray、德国的SGL、加拿大的AVCard，国内中南大学在进行碳纸的研究工作，但缺少量产条件[3]。

1.3.4 双极板

双极板燃料电池中属于体积最大、质量最重的部件，决定了燃料电池体积和质量密度，也是影响制造成本的重要因素。

双极板通常采用金属和石墨以及它们的复合材料。丰田、本田燃料电池均采用了钛金属双极板技术，同时优化流体通道，通过提高气体扩散性减小浓度过电压[5]，功率密度达到3.1kw/L。国内不少燃料电池公司，大连新源、北京氢璞、上海神力、明天氢能已经开发出金属板燃料电池，燃料电池模块功率密度超过2.0kw/L，除去端板，堆栈功率可达到3kw/L。

2 氢燃料电池技术和应用

2.1 氢燃料电池汽车

燃料电池汽车工作原理是将燃料电池发出的电能，经DC/DC 升压，利用电机转化为机械能，驱动车辆行驶。同时为了弥补燃料电池动力输出缺陷，配备了储能电池，采用“电电混合”工作模式。

图3 燃料电池汽车结构原理图

下表1 列举了2019 上海车展部分FCEV 部分参展车型，同国外成熟车型对比分析：燃料电池乘用车朝着高动力、长续航和系统高度集成化目标发展，续航500+km，储氢压力70Mpa，燃料电池功率50+kw 级别，同时配备高功率电池，燃料电池发动机高度集成，但整体技术不完善且处于样品状态。

燃料电池商用车技术指标低于乘用车。其一考虑到整车成本，其二高性能零部件产品不成熟。特点：35mpa 储氢压力配套高能量动力电池，续航达400km，整车布置空间优越系统集成度不高；技术方向：长续航+高可靠性。

表1 燃料电池汽车参数

2.2 燃料电池系统

燃料电池系统又称燃料电池发动机，包括电堆和辅助系统(氢气、空气系统、热管理系统、控制系统)，其性能大小不仅和电堆输出能力有直接关系，且需要匹配相应高性能辅助部件[6]，氢气循环装置、空压机和加湿器等，见下图4。

图4 燃料电池系统简易结构原理图

燃料电池辅助系统关键零部件包含空气压缩机、空气增湿器、氢气循环装置等，当前由于资金与市场的局限，国内几乎空白，仅有压缩机一项能够在国内找到生产商，其余的均处于研究阶段或者需要进口。由于缺少部件模型定向开发需求，忽略零部件集成匹配，在集成度方面同样处于劣势。统计部分燃料电池系统参数，见下表2。

表2 燃料电池系统产品

2.3 燃料电池电堆

燃料电池的性能指标主要包括功率密度、寿命、成本等，国内燃料电堆成熟产品在技术指标上与国外顶端产品相差数倍以上。如下表3，国外燃料电池模块功率密度普遍达到3kw/L 水平，国内指标小于1kw/L。目前国内正开发或少量已开发的大功率金属电堆产品，技术指标逐渐赶上但产品成熟度还有一定差距。

表3 燃料电池产品

3 行业动态

3.1 政策动态

2014 年以来，国家、地方层面密集颁布了一系列产业政策，在发展规划、技术研发、财政补贴等方面给予引导及扶持。继十三五战略与中国制造2025 后，在2019 年全国人大二次会议《政府工作报告》中，再次强调将在燃料电池汽车领域“推动充电、加氢等设施建设”；各地政府相继推出各项燃料电池汽车产业发展规划或实施建议，其中广东、上海、江苏、浙江尤为密集。

3.2 市场动态

2016-2018 年间，燃料电池汽车整车共计销售3520 辆，其中2016 年度629 辆，2017 年度1272 辆，2018 年度1619辆。2019 年6 月份销售484 辆，1-6 月份总计1029 辆。

2018.1 月至2019.6 月，累计公告目录111 款，车型囊括客车、城市客车、厢式运输车、冷藏车共4 类，包括上汽大通、福田、东风、苏州金龙等整车企业。

2019 世界新能源汽车大会上衣宝廉院士称国内约3000辆燃料电池汽车在进行相关示范运营。主要车型为燃料电池城市公交及物流，地区集中在佛山、云浮、上海、张家口、郑州、大同、辽宁等地。

3.3 基础建设

根据相关信息统计，国内近3 年已建成加氢站29 座，主要集中在广东、江苏、上海等地；规划中在建或者拟建的共计32 座左右。从图上看，当前加氢站加氢能力大都在35Mpa，仅大连加氢站可达到70Mpa 加氢能力。

根据中科院院士欧阳明高报告，我国运营的16 座加氢站每天供氢能力8 吨，张家口1.5 吨加氢站可服务50 辆客车。当前运营加氢站能力每天最多提供260 多辆客车使用，按照行业规划2020 年达到5000 辆示范规模，至少需要100 座1.5吨供氢能力加氢站。

图5 国内加氢站建设概况图

4 结论

伴随着能源环境问题凸显和锂电池技术瓶颈到来，燃料电池行业的呈现蓬勃发展趋势。国家、行业以及地方积极的引导扶持，推行补贴激励政策，各地加氢站建设、关键部件生产商、燃料电池整车销售和运营数量也在不断增加，行业 快速增长期已经到来，但由于以下问题，离商品化还有很长一段路要走。

4.1 国内技术的成熟度还较低

结合当前市场示范运行的表现来看，燃料电池电堆和系统的性能技术成熟度与国际一流水平还有差距，仍面临核心部件集成化程度整体不高、可靠性及稳定性有待验证等难题，整车企业暂时还处于一个通过示范运行来发现问题和解决问题的过程。

4.2 产业链薄弱

由于技术成熟度低带来一系列产业链问题。万钢也曾在报告中指出国内燃料电池核心部件的关键材料大都处于实验室阶段，其他辅助部件仍也未达到规模开发状态，车企暂时没有形成稳定零部件供应体系。

4.3 氢源及加氢限制

根据当前燃料电池整车的总量，加氢站数量较低，加氢能力不足以提供市场燃料电池车辆运营。且受地方安管影响，大部分地区还缺乏制氢、加氢等基础设施，反过来又导致燃料电池汽车整车示范运行实施的困难，需要政府层面的统一调度与规划。