燃料電池是一種把燃料所具有的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的化學(xué)裝置，又稱電化學(xué)發(fā)電器。它是繼水力發(fā)電、熱能發(fā)電和原子能發(fā)電之后的第四種發(fā)電技術(shù)。由于燃料電池是通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)把燃料的化學(xué)能中的吉布斯自由能部分轉(zhuǎn)換成電能，不受卡諾循環(huán)效應(yīng)的限制，因此效率高; 另外，燃料電池用燃料和氧氣作為原料，同時(shí)沒(méi)有機(jī)械傳動(dòng)部件，故排放出的有害氣體極少，使用壽命長(zhǎng)。由此可見(jiàn)，從節(jié)約能源和保護(hù)生態(tài)環(huán)境的角度來(lái)看，燃料電池是最有發(fā)展前途的發(fā)電技術(shù)。

將燃料與氧化劑的化學(xué)能通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電裝置。燃料電池理論上可在接近100%的熱效率下運(yùn)行，具有很高的經(jīng)濟(jì)性。目前實(shí)際運(yùn)行的各種燃料電池，由于種種技術(shù)因素的限制，再考慮整個(gè)裝置系統(tǒng)的耗能，總的轉(zhuǎn)換效率多在45%～60%范圍內(nèi)，如考慮排熱利用可達(dá)80%以上。此外，燃料電池裝置不含或含有很少的運(yùn)動(dòng)部件，工作可靠，較少需要維修，且比傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組安靜。另外電化學(xué)反應(yīng)清潔、完全，很少產(chǎn)生有害物質(zhì)。所有這一切都使得燃料電池被視作是一種很有發(fā)展前途的能源動(dòng)力裝置。 [2] 燃料電池是一種電化學(xué)的發(fā)電裝置,等溫的按電化學(xué)方式,直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能而不必經(jīng)過(guò)熱機(jī)過(guò)程,不受卡諾循環(huán)限制,因而能量轉(zhuǎn)化效率高,且無(wú)污染,正在成為理想的能源利用方式。同時(shí),隨著燃料電池技術(shù)不斷成熟,以及西氣東輸工程提供了充足天然氣源,燃料電池的商業(yè)化應(yīng)用存在著廣闊的發(fā)展前景。

燃料電池是一種能量轉(zhuǎn)化裝置,它是按電化學(xué)原理,即原電池工作原理,等溫的把貯存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能,因而實(shí)際過(guò)程是氧化還原反應(yīng)。燃料電池主要由四部分組成,即陽(yáng)極、陰極、電解質(zhì)和外部電路。燃料氣和氧化氣分別由燃料電池的陽(yáng)極和陰極通入。燃料氣在陽(yáng)極上放出電子,電子經(jīng)外電路傳導(dǎo)到陰極并與氧化氣結(jié)合生成離子。離子在電場(chǎng)作用下,通過(guò)電解質(zhì)遷移到陽(yáng)極上,與燃料氣反應(yīng),構(gòu)成回路,產(chǎn)生電流。同時(shí),由于本身的電化學(xué)反應(yīng)以及電池的內(nèi)阻,燃料電池還會(huì)產(chǎn)生一定的熱量。電池的陰、陽(yáng)兩極除傳導(dǎo)電子外,也作為氧化還原反應(yīng)的催化劑。當(dāng)燃料為碳?xì)浠衔飼r(shí),陽(yáng)極要求有更高的催化活性。陰、陽(yáng)兩極通常為多孔結(jié)構(gòu),以便于反應(yīng)氣體的通入和產(chǎn)物排出。電解質(zhì)起傳遞離子和分離燃料氣、氧化氣的作用。為阻擋兩種氣體混合導(dǎo)致電池內(nèi)短路,電解質(zhì)通常為致密結(jié)構(gòu)。

9月五部委正式公布燃料電池國(guó)補(bǔ)政策，采取以獎(jiǎng)代補(bǔ)、地區(qū)申報(bào)模式在未來(lái)4年推動(dòng)FCV產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，氫能產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為國(guó)家重點(diǎn)扶持的能源戰(zhàn)略要地。而近幾年的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程中，形成了如國(guó)鴻氫能等具備國(guó)產(chǎn)自主化研產(chǎn)實(shí)力的領(lǐng)軍企業(yè)，逐步構(gòu)建起自主化供應(yīng)鏈，在千輛級(jí)產(chǎn)銷規(guī)模下實(shí)現(xiàn)了燃料電池成本的大幅下降，為補(bǔ)貼后FCV成本對(duì)標(biāo)油車做足了鋪墊。

當(dāng)前，政策形勢(shì)明朗，產(chǎn)業(yè)進(jìn)步扎實(shí)，氫燃料電池正在以實(shí)際進(jìn)展回應(yīng)質(zhì)疑，我們有理由相信4年后的FCV產(chǎn)業(yè)將是另一番模樣，氫能的平價(jià)時(shí)代正漸行漸近。

近日，我國(guó)燃料電池電堆龍頭企業(yè)上海氫晨新能源科技有限公司(以下稱“氫晨科技”)宣布通過(guò)換股方式全資收購(gòu)專業(yè)催化劑和膜電極供應(yīng)商蘇州擎動(dòng)動(dòng)力科技有限公司(以下稱“擎動(dòng)科技”)，國(guó)產(chǎn)大功率電堆植入“中國(guó)芯”，助力我國(guó)自主技術(shù)產(chǎn)權(quán)的氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展和產(chǎn)品的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)展。

發(fā)展氫能與燃料電池汽車已成為全球共識(shí)，是我國(guó)實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”和“碳中和”的重大戰(zhàn)略舉措。2022年3月，國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局聯(lián)合印發(fā)《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃(2021-2035年)》，明確氫能定位與燃料電池汽車推廣計(jì)劃。電堆是燃料電池的“發(fā)動(dòng)機(jī)”，決定整車動(dòng)力特性;膜電極是電堆的“芯片”，是氫能轉(zhuǎn)化成電能的反應(yīng)場(chǎng)所。

近年來(lái)，隨著產(chǎn)業(yè)鏈的成熟及國(guó)內(nèi)自主燃料電池電堆技術(shù)、關(guān)鍵零部件技術(shù)逐漸取得突破，我國(guó)開(kāi)始進(jìn)入燃料電池電堆全面國(guó)產(chǎn)化加速，產(chǎn)業(yè)放量增長(zhǎng)的新階段。同時(shí)，氫能產(chǎn)業(yè)中的可再生能源電解水制氫業(yè)務(wù)，隨著能源戰(zhàn)略中對(duì)氫能的重視程度提升，也將迎來(lái)重大發(fā)展機(jī)遇，PEM制氫電解槽等產(chǎn)品的和需求快速爆發(fā)。

國(guó)資牽頭戰(zhàn)略整合，打通燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈，上海擁有氫能制-儲(chǔ)-運(yùn)-加、燃料電池及零部件全產(chǎn)業(yè)鏈，正在培育“一環(huán)”“六帶”的氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新生態(tài)。在臨港新片區(qū)，氫能產(chǎn)業(yè)被納入“4+2+2”產(chǎn)業(yè)體系，臨港還將建設(shè)“國(guó)際氫能谷”，打造氫能發(fā)展引領(lǐng)區(qū)。近期，臨港集團(tuán)專門(mén)設(shè)立了臨港氫能公司，打造集原創(chuàng)技術(shù)、場(chǎng)景應(yīng)用、產(chǎn)業(yè)孵化和運(yùn)營(yíng)服務(wù)于一體的氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展平臺(tái)，形成在氫能產(chǎn)業(yè)鏈的核心競(jìng)爭(zhēng)力。通過(guò)申能能創(chuàng)、臨港科創(chuàng)投、上海自貿(mào)區(qū)基金的前期投資，上海國(guó)資均成為兩家高科技企業(yè)的第一大股東，此次并購(gòu)也是國(guó)資牽頭的戰(zhàn)略整合。據(jù)悉，兩家公司將共同建立起從催化劑、膜電極到電堆的一體化協(xié)同開(kāi)發(fā)體系。氫晨科技在電堆前瞻性研發(fā)方面的技術(shù)能力，與擎動(dòng)科技對(duì)高性能、長(zhǎng)壽命催化劑和膜電極產(chǎn)品的關(guān)鍵材料開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)能力，實(shí)現(xiàn)核心材料和部件的自主配套和迭代開(kāi)發(fā)能力，從而提高新型電堆產(chǎn)品的整體開(kāi)發(fā)效率和技術(shù)指標(biāo)水平，建立兩家公司在產(chǎn)業(yè)鏈上的“護(hù)城河”。

中國(guó)燃料電池產(chǎn)業(yè)開(kāi)始加速發(fā)展。政府補(bǔ)貼為初始動(dòng)力、物流車和客車為突破點(diǎn)，中國(guó)燃料電池產(chǎn)業(yè)走了一條適合中國(guó)國(guó)情，與日本不同的路。2017年完成1000臺(tái)左右客車和物流車，2018年預(yù)計(jì)突破3000-5000臺(tái)規(guī)模。電堆成為中國(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成本下降從而與傳統(tǒng)汽車競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵。

二、電堆是燃料電池最關(guān)鍵部件，性能滿足商業(yè)化需求

1. 電堆是最關(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，電堆是處于中游核心環(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、轎車、車、固定式電源和便攜式電源等。

2. 電堆性能達(dá)到商業(yè)化，鉑金不是瓶頸

目前燃料電池汽車在速度、加速時(shí)間和續(xù)航均滿足日常使用，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)力轎車用電堆壽命超5000h，BallardFCvelocity-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)滿足日常乘用車和商用車使用需求。

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

近年來(lái)，電子產(chǎn)品因電池爆炸引發(fā)火災(zāi)的新聞屢見(jiàn)不鮮。電池的高安全性正成為科研人員研究的重點(diǎn)。最近，中國(guó)科學(xué)院某研究所在柔性燃料電池的關(guān)鍵材料和技術(shù)方面取得突破，研制出一種安全、耐用、適應(yīng)性強(qiáng)且具有出色柔性的自呼吸式直接甲醇燃料電池。該款電池采用了一種凝膠/海綿復(fù)合材料，可以有效避免電池出現(xiàn)爆炸、著火等安全問(wèn)題。燃料電池已經(jīng)融入人們生活，廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車、電腦、家用電器等多個(gè)領(lǐng)域。其中，直接甲醇燃料電池因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、燃料清潔環(huán)保、可低溫快速啟動(dòng)，成了科研人員和廣大消費(fèi)者青睞的對(duì)象。然而，甲醇天性“爆”脾氣，普通材料的直接甲醇燃料電池如果使用不當(dāng)，有可能造成爆炸、著火等安全事故。針對(duì)這一問(wèn)題，該款新型電池采用了全新的材料。

瓊脂凝膠鎖水能力超強(qiáng)，海綿吸水性出色，二者復(fù)合而成的新材料具有獨(dú)特的成分和結(jié)構(gòu)，使得這種自呼吸式直接甲醇燃料電池對(duì)甲醇溶液具有很強(qiáng)的保留能力，吸收速度快、吸收率高、循環(huán)性能好、含能高。同時(shí)，這種材料還具有很好的柔性，已通過(guò)包括長(zhǎng)針刺穿、切割、彎曲和壓縮等一系列破壞性試驗(yàn)，且試驗(yàn)過(guò)程中未發(fā)生燃料泄漏事故。這就決定了這款新型電池不僅具有前所未有的高安全性，而且還具備較好的適應(yīng)性?？蒲腥藛T指出，該款電池的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，可用于便攜式可穿戴電子設(shè)備，用作野外作業(yè)便攜式移動(dòng)電源，充當(dāng)未來(lái)電動(dòng)汽車的動(dòng)力源，甚至成為固定式發(fā)電設(shè)備等。