燃料電池之“心”——?dú)淙剂想姵仉姸?/span>

氫燃料電池電堆是燃料電池中氫燃料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的場(chǎng)所，是燃料電池的核心。燃料電池電堆包括催化劑、質(zhì)子交換膜、氣體擴(kuò)散層、雙極板，以及其他結(jié)構(gòu)件如集流板、密封件、端板等各種部件。據(jù)沙利文數(shù)據(jù)，2021年電堆成本約占燃料電池系統(tǒng)成本65%，所以降低電堆成本是燃料電池汽車商業(yè)化的關(guān)鍵。

從出貨量情況來(lái)看，據(jù)華經(jīng)情報(bào)網(wǎng)數(shù)據(jù)，2021年我國(guó)燃料電池電堆出貨量為757MW，同比增長(zhǎng)128%，行業(yè)增速趨快，新增市場(chǎng)規(guī)模約為6.2億元，預(yù)計(jì)2021-2025年燃料電池電堆新增市場(chǎng)需求的CAGR為87%，預(yù)計(jì)到2025年和2030年，燃料電池電堆新增市場(chǎng)分別為75、238億元。

2018年-2021年我國(guó)燃料電池電堆出貨量及增速情況

我國(guó)氫燃料電池電堆年新增市場(chǎng)需求

膜電極是燃料電池電堆核心

膜電極主要包括催化劑、質(zhì)子交換膜以及氣體擴(kuò)散層。作為核心部件，膜電極的質(zhì)量直接決定了氫燃料電池的功率密度、壽命以及耐久性等重要指標(biāo)。

常見的膜電極根據(jù)其中電解質(zhì)的不同，可分為堿性燃料電池（AFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、磷酸燃料電池（PAFC）、固態(tài)氧化物燃料電池（SOFC）、質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）幾種。

其中，質(zhì)子交換膜PEM目前是處于商業(yè)化最前沿的燃料電池，具有多種優(yōu)點(diǎn)，包括功率密度高、啟動(dòng)時(shí)間短（1min左右）、操作溫度低（<100℃）、對(duì)氧化劑要求較低（空氣就可以作為其氧化劑來(lái)源）等，使得PEM成為研究熱點(diǎn)并得到了快速發(fā)展。

幾種主要燃料電池特點(diǎn)

國(guó)內(nèi)部分膜電極企業(yè)生產(chǎn)情況

我國(guó)膜電極的起步雖然較晚，但發(fā)展非常迅速。自21年后，國(guó)內(nèi)多家企業(yè)紛紛布局膜電極產(chǎn)業(yè)。

在生產(chǎn)技術(shù)方面，雙面直接涂布技術(shù)和膜電極一體成型技術(shù)為當(dāng)前主流。19年以后以擎動(dòng)科技、武漢理工氫電及泰及動(dòng)力等企業(yè)的國(guó)產(chǎn)膜電極生產(chǎn)線先后落成，國(guó)產(chǎn)膜電極正逐步向批量生產(chǎn)階段邁進(jìn)。

在技術(shù)參數(shù)方面，國(guó)內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)的膜電極的技術(shù)參數(shù)已經(jīng)接近國(guó)際先進(jìn)水平，部分指標(biāo)已經(jīng)優(yōu)于國(guó)際領(lǐng)先水平。例如：國(guó)內(nèi)在膜電極方向處于領(lǐng)先地位的企業(yè)武漢理工新能源、擎動(dòng)科技以及鴻基創(chuàng)能的產(chǎn)品的功率密度均已超過1W/cm2，鴻基創(chuàng)能的產(chǎn)品的膜電極功率已經(jīng)達(dá)到1.4W/cm2，測(cè)試使用壽命達(dá)到1至2萬(wàn)小時(shí)，基本滿足商業(yè)化要求。

國(guó)內(nèi)外膜電極產(chǎn)品主要參數(shù)情況

國(guó)內(nèi)膜電極在成本方面具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，并且在未來(lái)有持續(xù)下降的可能。這是由于：

（1）國(guó)產(chǎn)燃料電池膜電極將開始規(guī)?；瘧?yīng)用，這將顯著增強(qiáng)供應(yīng)商的議價(jià)能力，在大批量采購(gòu)的情況下原材料成本存在大幅下降的空間；

（2）在生產(chǎn)規(guī)模增大帶來(lái)規(guī)模效應(yīng)的情況下，高昂的設(shè)備成本將得到進(jìn)一步攤薄，這將進(jìn)一步帶動(dòng)膜電極成本的下降。

圖片來(lái)源：德邦證券

據(jù)統(tǒng)計(jì)2020年度我國(guó)氫燃料電池膜電極出貨量已由2018年的0.76萬(wàn)平方米上升至3.68萬(wàn)平方米。由于氫能在我國(guó)的整體關(guān)注度持續(xù)提升，預(yù)計(jì)膜電極產(chǎn)品的出貨量將進(jìn)一步增加。

2020年中國(guó)膜電極新增市場(chǎng)需求為1.8億元，預(yù)計(jì)2021-2025年我國(guó)氫燃料電池車用膜電極的年新增市場(chǎng)需求的CAGR為83%，我國(guó)膜電極新增市場(chǎng)2025年和2030年將分別達(dá)到37、173億元。

圖片來(lái)源：德邦證券

質(zhì)子交換膜為燃料電池電堆的重要組成部分之一，按照含氟情況分類，可分為全氟磺酸膜、部分氟化聚合物質(zhì)子交換膜、復(fù)合質(zhì)子交換膜以及非氟化物質(zhì)子交換膜幾種。

目前，常用的商業(yè)化離子交換膜為全氟磺酸膜。這種膜的原理為利用碳氟主鏈的疏水性以及側(cè)鏈的親水性來(lái)達(dá)到高效工作的目的。這種質(zhì)子交換膜具有質(zhì)子傳導(dǎo)率高、耐強(qiáng)酸以及耐強(qiáng)堿等優(yōu)良特性。

目前國(guó)際上代表性的質(zhì)子交換膜產(chǎn)品包括日本旭化成株式會(huì)社的Aciplex膜、旭硝子株式會(huì)社的Flemion膜，加拿大巴拉德動(dòng)力系統(tǒng)公司的BAM膜，美國(guó)杜邦公司的Nafion膜，3M公司的PAIF膜，科慕公司的NC700膜，以及陶氏公司的產(chǎn)品等。根據(jù)劉應(yīng)都等《氫燃料電池技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及未來(lái)展望》，這些質(zhì)子交換膜的主要差異在于全氟烷基醚側(cè)鏈的短、磺酸基的含量有所不同。

在質(zhì)子交換膜制備工藝方面，目前的制備工藝可分為熔融成膜法以及溶液成膜法兩大類。

其中，溶液成膜法是目前科研領(lǐng)域以及商業(yè)化領(lǐng)域采取的主流制備方法。根據(jù)后段工藝的不同，溶液成膜法可進(jìn)一步分為溶液澆鑄法、溶液流延法以及溶膠-凝膠法等幾種方法。根據(jù)劉應(yīng)都等《氫燃料電池技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及未來(lái)展望》，現(xiàn)在商業(yè)化制備膜電極的工藝以溶液流延法為主。

在質(zhì)子交換膜市場(chǎng)方面，常用的商業(yè)化膜即全氟磺酸膜產(chǎn)能基本被外國(guó)壟斷。主要的生產(chǎn)商有美國(guó)科慕公司、陶氏公司、3M公司以及戈?duì)柟?、比利時(shí)索爾維公司、日本旭硝子公司和旭化成公司等。

國(guó)內(nèi)質(zhì)子交換膜發(fā)展雖與國(guó)際發(fā)展存在一定差距，但相對(duì)于整體壟斷的格局來(lái)說(shuō)，我國(guó)相關(guān)產(chǎn)業(yè)已邁出關(guān)鍵一步。目前國(guó)內(nèi)企業(yè)需要解決的問題分布于產(chǎn)品價(jià)格、產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力等方面。

隨著我國(guó)氫能行業(yè)迅速發(fā)展，質(zhì)子交換膜的需求量將大幅提升。由于質(zhì)子交換膜是膜電極的重要組成部分，因此膜電極需求的快速增長(zhǎng)將帶動(dòng)質(zhì)子交換膜需求量的大幅增加。

催化劑與雙極板為重要輔助部件

除了膜電極以及質(zhì)子交換膜等重要部件外，燃料電池中催化劑與雙極板等部件均在燃料電池的正常運(yùn)行中發(fā)揮著重要作用。提升催化劑與雙極板的性能有利于提高燃料電池電堆整體發(fā)展水平。

綜合考慮燃料電池汽車的性能，以及催化劑本身的經(jīng)濟(jì)性等因素，催化劑需要考慮燃料電池工作時(shí)的耐高溫與抗腐蝕等問題。鑒于這種問題，目前常用的催化劑為擔(dān)載型催化劑Pt/C，即將納米級(jí)Pt顆粒分散到碳粉載體上。但這種催化劑存在使用時(shí)間延長(zhǎng)后Pt顆粒溶解等問題。

另外，納米Pt顆粒也存在容易發(fā)生氧化反應(yīng)等問題。因此開發(fā)新型的燃料電池催化劑成為燃料電池領(lǐng)域重要的研究方向。

目前，無(wú)Pt的單/多層過渡金屬氧化物催化劑、納米單、雙金屬催化劑、碳基可控?fù)诫s原子催化劑、石墨烯負(fù)載多向催化劑、納米金屬多空框架催化劑等多種新型催化劑成為研究熱點(diǎn)。

根據(jù)劉應(yīng)都等《氫燃料電池技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及未來(lái)展望》，這些新型催化劑在燃料電池的實(shí)際工作場(chǎng)景下的包括穩(wěn)定性、耐腐蝕性、氧化還原反應(yīng)催化活性質(zhì)量比活性等多種性能需要進(jìn)行進(jìn)一步考察。

在新興催化劑開發(fā)領(lǐng)域，美國(guó)3M公司已實(shí)現(xiàn)在陰極、陽(yáng)極平均低至0.09mg/cm2的鉑用量，催化功率密度已經(jīng)達(dá)到9.4Kw/g（150Kpa 反應(yīng)氣壓）、11.6kW/g（250kPa反應(yīng)氣壓）。德國(guó)大眾汽車集團(tuán)引領(lǐng)研究的PtCo/高表面積碳（HSC）也取得重要進(jìn)展，催化功率密度、散熱能力均超過了美國(guó)能源部制定的規(guī)劃目標(biāo)值（2016—2020年）。但減少鉑基催化劑用量、提高功率密度等仍是推進(jìn)氫燃料電池進(jìn)一步商業(yè)化的重要課題。

目前，日本田中貴金屬、英國(guó)莊信萬(wàn)豐和比利時(shí)優(yōu)美科是全球較大的氫燃料電池催化劑供應(yīng)商，催化劑制備技術(shù)處于絕對(duì)領(lǐng)先地位，并且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)每批10kg以上的批量化生產(chǎn)。

在國(guó)內(nèi)，貴研鉑業(yè)、武漢喜馬拉雅、中科科創(chuàng)、蘇州擎動(dòng)、武漢理工新能源等是催化劑開發(fā)的代表性企業(yè)。其中，貴研鉑業(yè)在氫燃料電池賽道布局較早，并且貴研鉑業(yè)與上汽集團(tuán)合作開發(fā)出了鉑基催化劑。另外，蘇州擎動(dòng)科技開發(fā)的鉑合金催化劑可降低7%的鉑消耗量，是國(guó)內(nèi)首個(gè)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的燃料電池用鉑合金催化產(chǎn)品。