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，同時沒有機械傳動部件，故排放出的有害氣體極少，使用壽命長。由此可見，從節(jié)約能源和保護(hù)生態(tài)環(huán)境的角度來看，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%的熱效率下運行，具有很高的經(jīng)濟(jì)性。目前實際運行的各種燃料電池，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動部件，工作可靠，較少需要維修，且比傳統(tǒng)發(fā)電機組安靜。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)過熱機過程,不受卡諾循環(huán)限制,因而能量轉(zhuǎn)化效率高,且無污染,正在成為理想的能源利用方式。同時,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,因而實際過程是氧化還原反應(yīng)。燃料電池主要由四部分組成,即陽極、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極和陰極通入。燃料氣在陽極上放出電子,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。離子在電場作用下,通過電解質(zhì)遷移到陽極上,與燃料氣反應(yīng),構(gòu)成回路,產(chǎn)生電流。同時,由于本身的電化學(xué)反應(yīng)以及電池的內(nèi)阻,燃料電池還會產(chǎn)生一定的熱量。電池的陰、陽兩極除傳導(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,陽極要求有更高的催化活性。陰、陽兩極通常為多孔結(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補政策，采取以獎代補、地區(qū)申報模式在未來4年推動FCV產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，氫能產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為國家重點扶持的能源戰(zhàn)略要地。而近幾年的國產(chǎn)化進(jìn)程中，形成了如國鴻氫能等具備國產(chǎn)自主化研產(chǎn)實力的領(lǐng)軍企業(yè)，逐步構(gòu)建起自主化供應(yīng)鏈，在千輛級產(chǎn)銷規(guī)模下實現(xiàn)了燃料電池成本的大幅下降，為補貼后FCV成本對標(biāo)油車做足了鋪墊。

當(dāng)前，政策形勢明朗，產(chǎn)業(yè)進(jìn)步扎實，氫燃料電池正在以實際進(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，氫能的平價時代正漸行漸近。

近日，我國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”)宣布通過換股方式全資收購專業(yè)催化劑和膜電極供應(yīng)商蘇州擎動動力科技有限公司(以下稱“擎動科技”)，國產(chǎn)大功率電堆植入“中國芯”，助力我國自主技術(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，是我國實現(xiàn)“碳達(dá)峰”和“碳中和”的重大戰(zhàn)略舉措。2022年3月，國家發(fā)展改革委、國家能源局聯(lián)合印發(fā)《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃(2021-2035年)》，明確氫能定位與燃料電池汽車推廣計劃。電堆是燃料電池的“發(fā)動機”，決定整車動力特性;膜電極是電堆的“芯片”，是氫能轉(zhuǎn)化成電能的反應(yīng)場所。

近年來，隨著產(chǎn)業(yè)鏈的成熟及國內(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，我國開始進(jìn)入燃料電池電堆全面國產(chǎn)化加速，產(chǎn)業(yè)放量增長的新階段。同時，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)略中對氫能的重視程度提升，也將迎來重大發(fā)展機遇，PEM制氫電解槽等產(chǎn)品的和需求快速爆發(fā)。

國資牽頭戰(zhàn)略整合，打通燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈，上海擁有氫能制-儲-運-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)專門設(shè)立了臨港氫能公司，打造集原創(chuàng)技術(shù)、場景應(yīng)用、產(chǎn)業(yè)孵化和運營服務(wù)于一體的氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展平臺，形成在氫能產(chǎn)業(yè)鏈的核心競爭力。通過申能能創(chuàng)、臨港科創(chuàng)投、上海自貿(mào)區(qū)基金的前期投資，上海國資均成為兩家高科技企業(yè)的第一大股東，此次并購也是國資牽頭的戰(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，與擎動科技對高性能、長壽命催化劑和膜電極產(chǎn)品的關(guān)鍵材料開發(fā)和生產(chǎn)能力，實現(xiàn)核心材料和部件的自主配套和迭代開發(fā)能力，從而提高新型電堆產(chǎn)品的整體開發(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”。

中國燃料電池產(chǎn)業(yè)開始加速發(fā)展。政府補貼為初始動力、物流車和客車為突破點，中國燃料電池產(chǎn)業(yè)走了一條適合中國國情，與日本不同的路。2017年完成1000臺左右客車和物流車，2018年預(yù)計突破3000-5000臺規(guī)模。電堆成為中國燃料電池產(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)的國產(chǎn)電堆是燃料電池汽車成本下降從而與傳統(tǒng)汽車競爭的關(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)場所，燃料電池動力系統(tǒng)核心部分。電堆工作時，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、儲氫瓶系統(tǒng)、氫氣循環(huán)泵等其它組件構(gòu)成燃料電池動力系統(tǒng)，下游應(yīng)用對應(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，豐田和新源動力轎車用電堆壽命超5000h，BallardFCvelocity-HD6燃料電池已經(jīng)達(dá)到超過25000小時時間的耐久性記錄，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，使用時間可達(dá)到8年。

近年來，電子產(chǎn)品因電池爆炸引發(fā)火災(zāi)的新聞屢見不鮮。電池的高安全性正成為科研人員研究的重點。最近，中國科學(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、著火等安全問題。燃料電池已經(jīng)融入人們生活，廣泛應(yīng)用于電動汽車、電腦、家用電器等多個領(lǐng)域。其中，直接甲醇燃料電池因其結(jié)構(gòu)簡單、燃料清潔環(huán)保、可低溫快速啟動，成了科研人員和廣大消費者青睞的對象。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。針對這一問題，該款新型電池采用了全新的材料。

瓊脂凝膠鎖水能力超強，海綿吸水性出色，二者復(fù)合而成的新材料具有獨特的成分和結(jié)構(gòu)，使得這種自呼吸式直接甲醇燃料電池對甲醇溶液具有很強的保留能力，吸收速度快、吸收率高、循環(huán)性能好、含能高。同時，這種材料還具有很好的柔性，已通過包括長針刺穿、切割、彎曲和壓縮等一系列破壞性試驗，且試驗過程中未發(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)便攜式移動電源，充當(dāng)未來電動汽車的動力源，甚至成為固定式發(fā)電設(shè)備等。