氢能产业用到的那些新材料

文摘 2024-07-08 21:56 河南

氢能产业用到的那些新材料

氢燃料电池作为将氢能转化为电能的关键技术，也是氢能应用于交通领域的重要技术路线，具有非常重要的地位。发展氢能燃料电池技术是世界各国未来能源技术的战略性选择，也是能源体系和新能源汽车战略的重要组成。多年以来，世界主要发达国家以及中国在战略、产业结构、科技、财政等方面相继发布了一系列政策，引导并鼓励包括氢能燃料电池和相关产业在内的氢能产业发展。

氢燃料电池产业链主要由上游原材料、中游集成以及下游应用组成。其中，氢燃料电池产业上游主要是膜电极、双极板、各类管阀件与传感器、车载高压储氢瓶等发动机零部件生产制造行业；中游为燃料电池发动机系统及电堆集成行业；下游各大应用领域包含新能源汽车领域、固定电站、工业电子及其他特殊领域等。

氢燃料电池产业链

上游-电堆关键材料

催化剂

在氢燃料电池的电堆中，电极上氢的氧化反应和氧的还原反应过程主要受催化剂控制。催化剂是影响氢燃料电池活化极化的主要因素，被视为氢燃料电池的关键材料，决定着氢燃料电池汽车的整车性能和使用经济性。膜电极成本约占电池总成本的50%，其中催化剂是成本的主要贡献者。

氢燃料电池催化剂分类

目前，铂基催化剂是质子交换膜燃料电池的重要组成部分，主要包括：铂碳催化剂、铂合金催化剂和核壳催化剂。

膜电极

膜电极（MEA）作为质子交换膜燃料电池发生电化学反应的场所，是传递电子和质子的介质，是反应气体、尾气和液态水紧密接触的场所。膜电极是质子交换膜燃料电池的“心脏”，类似电脑里的CPU，直接决定了电堆的性能、寿命和成本。膜电极通常由质子交换膜、阴阳极催化层、防水碳层涂敷的阴-阳极气体扩散层这5层组成。

氢燃料电池膜电极

目前，国产膜电极关键技术指标接近国际先进水平，但在专业技术特性、产品实现能力、批量化生产工艺还存在差距。国外膜电极供应商主要包括Johnson Matthey（英国庄信万丰）、Ballard（加拿大巴拉德）等具备大规模的流水线生产能力的供应商，丰田汽车、本田汽车等燃料电池车企自主开发了用于其自身乘用车产品的膜电极但并不对外销售。

双极板

双极板是电池结构的重要组件，是电堆质量的主要构成部分（80%质量分数）。在燃料电池运行中发挥着不可或缺的作用-导电、导气与导热，需要具备良好的导电性、耐腐蚀性强、高机械强度、质量轻等特点。

氢燃料电池双极板

双极板按材料可分为石墨双极板和金属双极板，石墨双极板电堆具有耐腐蚀性强等特点，主要应用于商用车领域，代表性企业为Ballard、Hydrogenics（加拿大氢能）；金属双极板电堆以其体积小、易于批量生产等特点，主要应用于乘用车领域，代表性企业为丰田汽车等。目前石墨双极板已实现国产化，金属双极板尚未实现国产批量供应。

质子交换膜

质子交换膜是聚合物基固体电解质，在燃料电池中用来传导质子、屏蔽电子和隔绝反应气体。质子交换膜性能直接决定了燃料电池性能。对于车用质子交换膜燃料电池（PEMFC）而言，质子交换膜厚度和稳定性是影响质子交换膜燃料电池、电堆寿命的关键因素。

氢燃料电池质子交换膜

按照膜材料的组成，质子交换膜可分为：全氟磺酸型质子交换膜、部分氟化型质子交换膜和非氟型质子交换膜。目前常用的商业化质子交换膜为全氟磺酸膜，属于固体聚合物电解质；利用碳氟主链的疏水性和侧链磺酸端基的亲水性，实现质子交换膜在润湿状态下的微相分离，具有质子传导率高、耐强酸强碱等优异特性。代表性产品有美国杜邦公司的Nafion系列膜、科慕化学有限公司的NC700膜、陶氏集团的Dow膜、3M公司的PAIF膜，日本旭化成株式会社的Aciplex膜、旭硝子株式会社的Flemion膜，加拿大巴拉德动力系统公司的BAM膜，这些膜的差异在于全氟烷基醚侧链的长短、磺酸基的含量有所不同。目前，我国武汉绿动氢能能源技术有限公司、东岳集团已实现了质子交换膜国产化技术突破，具备产业化能力，部分生产线已投产。

气体扩散层

气体扩散层（GDL）位于双极板和催化层之间，在燃料电池运行过程中，气体扩散层在控制物质输送、热传导和电子传输方面发挥着重要作用，同时它还在组装和操作过程中为脆弱的催化层和质子交换膜提供强大的机械支撑和保护。

氢燃料电池气体扩散层

气体扩散层通常由微孔层（MPL）和基底层（GDB）组成。MPL通常由碳粉和疏水剂（如聚四氟乙烯）组成，厚度为10~100um，影响气体扩散层的孔径分布、气体和水的渗透性、电导率。GDB主要是由多孔的碳纤维纸或碳纤维布构成。碳纤维纸的平均孔径约为10.0um，孔隙率为0.7~0.8，碳纤维纸和碳纤维布的多孔结构为反应物气体以及产物水提供了传输通道。

目前气体扩散层国际主要供应商有日本东丽（TORAY）、德国西格里（SGL）、德国科德宝（Freudenberg）、美国Avcarb、韩国JNTG等。国内企业有深圳通用氢能、江苏天鸟、武汉绿动氢能、上海嘉资、上海河森电气、上海济平及台湾碳能等。

中游-氢燃料电池系统

氢燃料电池系统按结构来拆分主要包括燃料电池电堆及辅助系统。电堆是氢燃料电池的主体部分,成本方面在系统中占比超过60%。为了维持电堆的正常工作，氢燃料电池系统还需要供氢系统、供气系统、水管理系统、热管理系统等外部辅助子系统的协同配合,对应的系统部件有空气循环系统、氢气循环系统、增湿器等。

电堆集成

电堆是发生电化学反应的场所，也是燃料电池动力系统的核心部分，维系着整个燃料电池系统的能量输出。电堆是由多个单体电池以串联方式层叠组合构成，所有单电池交替叠合密封后，用前、后端板（电流收集板）压紧再用螺杆紧固拴牢，即构成燃料电池电堆。

氢燃料电池电堆

单体电池是由双极板、膜电极组件和密封件组成。膜电极的关键材料是质子交换膜、催化剂、气体扩散层，这些部件及材料的耐久性（与其他性能）决定了电堆的使用寿命和工况适应性。

燃料电堆的研发和生产具备较高的技术壁垒，以丰田汽车为代表的国际知名车企大多自行开发或与合作伙伴共同开发燃料电池电堆，一般不对外开放。以Ballard、Hydrogenics为代表的国际知名电堆生产企业在燃料电池领域深耕多年，具有较强的技术积累和产业化能力，可以对外单独供应车用电堆。目前，国内能够独立自主开发电堆并经过多年实际应用的主要包括新源动力、神力科技等企业，一些新兴的燃料电池企业通过获得国外技术授权、成立合资公司等方式生产燃料电池电堆。

空气循环系统

空气循环系统的关键部件为空压机，也为燃料电池阴极供气系统重要部件，通过对进堆空气进行增压，为电堆提供适量适压的氧气。空气压缩机的性能对燃料电池系统的效率、紧凑性和水平衡特性等有着重要影响。燃料电池系统用空压机主要有离心式、罗茨式、螺杆式三种类型。由于离心式空压机在效率、噪音、体积、无油、功率密度等方面具有良好的综合效果，故随燃料电池系统功率的快速上升，离心式空压机已逐渐成为市场上的主流选择。在空气压缩机的关键部件中，轴承、电机是瓶颈技术，低成本、耐摩擦的涂层材料也是开发重点。

氢燃料电池空压机

从国产化率方面来说，空压机是燃料电池关键部件中国产化程度较高的一款。相对于其它产品而言，空压机已经较早的实现了全功率段国产化，目前国产化率接近100% 。国内主要供应商有势加透博、金士顿科技、东德实业、德燃动力、雪人股份、广顺新能源、稳力科技、汉钟精机等企业。

氢气循环系统

氢气循环系统的作用是将电堆未反应的氢气再次循环到电堆的氢气入口，从而提升氢气的利用率及涉氢安全，同时将电堆内部电化学反应生成的水也循环至燃料电池堆的入口，改善电堆湿润水平和提高水管理能力。氢气循环系统分为主动循环和被动循环两种形式，主动循环形式的关键部件是氢气循环泵，被动循环形式的关键部件是氢气引射器。氢循环泵在主动可调节、快响应速度和宽工作区间等方面占有一定优势，成为未来使用主流。

氢燃料电池氢气循环泵

按照技术路线的不同，国内企业涉足氢气循环泵的有东德实业、瑞驱电动、雪人股份、汉钟精机、南方德尔、济南思明特、浙江恒友等；而涉足引射器的公司则主要有鸾鸟电气、浙江宏昇、未势能源等企业。

增湿器

氢燃料电池电堆在反应过程中，质子交换膜需要处于水饱和状态来保持较高的反应效率和导电性，因此反应介质需要通过增湿器来携带一定量的水蒸气进入电堆。增湿器也被称为燃料电池的“肺泡”，由特种材料制成的膜管内外形成独立的干湿通道，通过回收电堆中的水分和热量，使其在膜管内外两侧进行湿热交换，达到电堆所需要的温度和湿度。

目前，市场上有三种类型的增湿器：气泡式增湿器、焓轮加湿器、膜增湿器；前两种增湿器较少应用，主流的燃料电池系统上基本都是膜增湿器。膜增湿器主要分为两类：膜管式加湿器和平板膜加湿器。

氢燃料电池增湿器

在燃料电池系统的构成中，增湿器只占整体成本的5%左右，但是作为燃料电池系统中进气加湿的关键零部件，实现增湿器国产化将是实现燃料电池的降本的重要一环。由于增湿器技术门槛高、市场容量相对小，截至目前国内能真正实现增湿器商业化的企业并不多。国内外的增湿器市场，长时间被韩国科隆（KOLON）、德国科德宝旗下的恩福、美国博纯等几家国际公司占据。经过国产增湿器厂家的努力，国产增湿器在核心材料和制作工艺上都有所突破。出于降本增效的考虑，增湿器产品的国产化替代需求上涨，部分企业已从测试研发向小规模的生产逐渐过渡，改变了国外产品垄断的市场格局。网络公开数据显示，2023年国产增湿器产品市场占比已经接近一半，并呈现出上升趋势。

下游-氢燃料电池的应用

氢燃料电池主要有三大类应用场景：交通运输、便携式电源和分布式发电。

交通运输

交通动力应用是目前关注度最高的燃料电池应用领域。交通运输市场包括为乘用车、巴士、客车、叉车及其他以燃料电池作为动力的车辆提供的燃料电池，例如特种车辆、物料搬运设备和越野车辆的辅助供电装置等。

氢燃料电池运输车

根据《中国氢能发展报告2020》测算，氢燃料电池商用车将率先实现产业化的应用与运行，除了政策的激励效应之外，氢燃料电池客车、物流车、重卡等车型将在2030年前取得与纯电动车型相当的全生命周期经济性。

便携式电源

目前小于5kW功率等级的氢燃料电池主要作为笔记本电脑、手机、收音机及其他需要电源的移动设备的移动备用电源，应急供电及便携式电源等，以碱性氢燃料电池、质子交换膜氢燃料电池为主。

分布式发电

氢燃料电池分布式能源发电站适用于储能容量大、供电时间长的新能源储能、电网侧调峰等领域，且适用于热电联供的场合。当前国际上大型固定式氢燃料电池发电站主要分布在北美、韩国和日本。

氢燃料电池具有清洁零碳、安全高效、用途多元等特点，可代替汽柴油在汽车、轮船、飞机等机动性强的现代交通工具中发挥重要作用。但是，在行业热度高涨的同时也应看到，我国氢燃料电池产业仍处于起步阶段，在燃料电池电极、电解质以及催化剂等主要核心部件及材料的研发方面较行业领先国家还有一定的差距。通过对行业领先国家的氢燃料电池产业的发展历程和共性问题进行研究，可以给中国氢燃料电池产业发展进程完善思路和提供创新想法，促进中国氢燃料电池更好、更快发展。

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