國內燃料電池電堆技術進展綜述

許德超 趙子亮 趙洪輝 盛夏 金守一

（中國第一汽車股份有限公司 新能源開發院，長春 130011）

主題詞：燃料電池電堆 雙極板 催化劑 膜電極 燃料電池汽車

1 前言

質子交換膜燃料電池具有能量轉化效率高、功率密度高、噪音低以及零排放等優點，受到各國政府和研究機構的廣泛關注，未來預計可應用于汽車、飛機、列車等交通工具以及固定電站等諸多領域。當前，全球變暖和空氣污染等因素不斷壓縮化石能源的使用空間；另一方面，擺脫對石油等不可再生能源的依賴已成為未來可持續發展的重要命題。因此，對風能、太陽能、潮汐能等多種清潔能源的發展和利用能力越發關鍵。而氫能恰恰可以成為促進清潔能源利用的一種最佳媒介，其通過電能與化學能的轉變，可以實現分布式制取，儲運，利用等多種途徑。而燃料電池汽車不同于純電動汽車的是，它實現了上游發電和終端用電在時間上的“分離”，進而使得氫能相比于波動性較大的風能和太陽能（純電動車技術路線）的互補能力更強。因此，發展氫能和氫燃料電池具有巨大的能源戰略意義[1]。

當前，氫燃料電池汽車已經進入市場導入期，以日本豐田Mirai、本田Clarity和韓國現代Nexo為代表的燃料電池汽車已經實現商業化，其在車輛性能和續航里程等方面已經可以媲美傳統燃油車水平。乘用車用燃料電池電堆功率級別一般在100 kW左右，而商用車用燃料電池電堆功率級別則通常在30～200 kW范圍內[2]。

受技術儲備、基礎設施及綜合成本等多種因素的影響，近年來，我國燃料電池商用車實現了快速發展，發展速度明顯快于燃料電池乘用車。經過十幾年的研發投入，我國燃料電池技術趨于成熟，以福田歐輝、鄭州宇通、佛山飛馳等為代表的燃料電池客車正逐步開始市場化進程，燃料電池物流車目前也已具備商業化發展條件。根據中國汽車工業協會統計，截至2018年12月，我國燃料電池汽車銷售量已達到1 527輛[10]。

2019年9月26～28日，第4屆國際氫能與燃料電池汽車大會在江蘇如皋舉辦。國際氫能與燃料電池汽車大會是國際一流的年度行業盛會，由國際氫能燃料電池協會(籌)和中國汽車工程學會共同主辦，聚集全世界氫能與燃料電池技術的開發者、燃料電池汽車制造商、氫能燃料電池領域投資者和政府政策的制定者，攜手促進氫能及燃料電池汽車的商業化發展。

本次大會為期3天，1場全體大會、6場主題分會、5場邊會，100余場主題演講與分享，內容涵蓋國內外氫燃料電池汽車及氫能燃料電池的政策、標準及產業發展情況、最新氫氣規劃發展及制取/儲存/運輸技術、氫能基礎設施建設等熱門話題，定位于加強跨氫能與燃料電池整個產業鏈的全球合作，更好地為氫能燃料電池的發展提供對接全球的資本和市場平臺。筆者結合本次氫能與燃料電池汽車大會中涉及到電堆的技術報告和展覽與目前行業發展現狀，對國內燃料電池電堆、雙極板、膜電極等核心技術和產品的發展現狀與趨勢進行梳理。

2 國內電堆企業技術進展

氫燃料電池堆是整個燃料電池產業鏈的核心部分。其性能和成本直接決定了燃料電池產業化進程。評價氫燃料電池電堆性能的指標主要包括其耐久性、啟動溫度以及比功率，其中比功率是近兩年國內外研究機構和企業重點攻克的方向之一。目前，國內電堆企業正在迅速崛起，無論是從膜電極、雙極板等核心零部件技術突破方面還是從整堆功率等級，以及功率密度方面都有了長足的進步。下面筆者將對新源動力、捷氫科技、神力科技、國鴻氫能、中氫科技、明天氫能、江蘇清能、弗爾賽、南通百應、上海氫晨等國內主要車用電堆企業的技術進展進行梳理。

2.1 新源動力

新源動力股份有限公司成立于2001年，是中國第一家致力于燃料電池產業化的股份制企業。2018年通過IATF 16949質量管理體系認證，掌握了燃料電池電堆及零部件正向開發、批量制造工藝的核心技術。現有電堆產品型號有HYSTK-30、HYSTK-40和HYSTK-70，分別對應于額定功率為25 kW、35 kW和70 kW的燃料電池電堆產品。圖1中HYSTK-70為公司研發的第3代車用質子交換膜燃料電池電堆，采用金屬雙極板，峰值功率為85 kW，工作電壓范圍為230～370 V，其空氣側最高工作壓力為250 kPa，工作溫度范圍為-30～87℃，防護等級為IP67，抗震性能滿足SAEJ2380-2009標準要求，絕緣性能≥2 MΩ，可以實現-40℃儲存和低溫-30℃啟動。在陰極無外增濕的操作條件下,穩定輸出功率達70 kW,電堆功率密度達到3.4 kW/L[3]。

圖1 新源動力HYSTK-70電堆[3]

2.2 捷氫科技

上海捷氫科技有限公司成立于2018年6月，主要從事燃料電池電堆、系統及儲氫系統的研發，捷氫科技是上汽集團進一步完善新能源產業鏈的一個關鍵布局。公司目前已完成PROME P240、PROME P260和PROME P390三款燃料電池系統的研發，其中P240產品應用在大通FCV80輕客，系統功率為40 kW；P260產品應用于申沃燃料電池客車上，系統功率為66 kW；公司已掌握系統及對應的自主電堆核心技術。目前，圖2中P390系統已完成開發并交付整車，其電堆功率115 kW、功率密度3.1 kW/L、低溫冷啟動溫度-30℃，關鍵性能指標已達到國際先進水平，與豐田等國際一流燃料電池車企的技術指標接近[4]。

圖2 捷氫科技P390燃料電池電堆系統[4]

2.3 神力科技

神力科技成立于1998年6月，是我國第一家氫燃料電池電堆高新技術企業。2015年神力科技成為北京億華通科技股份有限公司的控股子公司。其研發生產的電堆產品主要應用于商用車，如圖3所示。體積功率密度達到2.2 kW/L。其中SFC-MD系列燃料電池模塊的額定功率可以達到47 kW，工作溫度范圍-30～75℃。而SFC-HD系列大功率燃料電池模塊的額定功率可以達到76 kW,工作溫度范圍-30～85℃，可實現-20℃低溫啟動[5]。

圖3 神力科技電堆產品[5]

2.4 國鴻氫能

廣東國鴻氫能科技有限公司成立于2015年6月。在2016年7月，與加拿大巴拉德公司簽訂了戰略合作協議，成立國鴻巴拉德合資公司，負責巴拉德FCvelocity-9SSL電堆的生產和組裝。其電堆產品使用巴拉德膜電極產品，額定功率最高為30 kW。具有良好的單電池一致性，工作壽命超過12 000 h。該公司的電堆產能為20 000臺/年[6]。

2.5 明天氫能

安徽明天氫能科技股份有限公司成立于2017年8月，依托中國科學院大連化學物理研究所數十年的技術積淀，成功開發出商業化的金屬雙極板燃料電池電堆。其體積功率密度達到3.0 kW/L，接近3.1 kW/L的國際先進水平，電堆功率范圍覆蓋20～100 kW。目前30 kW、40 kW、50 kW、60 kW電堆已通過國家認證，74 kW電堆已在2019世界制造業大會上公開亮相，如圖4所示。其工作溫度為-30～80℃，空氣側最高工作壓力為250 kPa[7]。

圖4 明天氫能電堆產品[7]

2.6 中氫科技

中氫科技，中國能源工程集團氫動力有限公司由中國能源工程集團有限公司聯合北京航天動力研究所、清華大學核能與新能源研究院于2018年注冊成立，業務板塊主要以氫燃料電池、系統集成方面的合作為基礎，推動氫燃料電池在車輛、無人機等各領域的應用。該公司現有50 kW/60 kW金屬板液冷電堆，體積功率密度可達4.0 kW/L,質量功率密度為3.0 kW/kg，工作溫度要求低于90℃[8]。

2.7 空間電源所

上海空間電源研究所隸屬于中國航天科技集團有限公司第八研究院，自2001年起開展燃料電池研究。現有電堆產品型號包括MFCS-18、MFCS-36、MF?CS-60、MFCS-90和MFCS-120，分別對應額定功率為18 kW、36 kW、60 kW、90 kW和120 kW。皆為金屬雙極板電堆，體積功率密度≥3.0 kW/L，額定效率≥55%，最大空氣側進氣壓力可達300 kPa，使用壽命≥5 000 h，防護等級為IP67，抗震性能好，通過150 000 km強化測試，滿足SAEJ2380-2009標準要求[8]。

2.8 南通百應

南通百應能源有限公司創立于2011年，是一家專業從事氫燃料電池的研發與生產企業，掌握了從膜電極生產、電堆組裝、系統集成到整車裝配的全產業鏈核心技術。南通百應現已研發出410 cm2的超大膜電極產品和對應的60 kW氫燃料電池電堆產品。該電堆產品使用石墨雙極板，效率大于55%，峰值功率為68 kW。此外，該公司還有活性面積為250 cm2的金屬雙極板電堆產品和活性面積為320 cm2的石墨雙極板電堆。其中金屬板電堆，空氣側最高工作進氣壓力為185 kPa，最大功率可以達到50 kW；而石墨雙極板電堆空氣側最高工作壓力為170 kPa，最大功率可以達到60 kW[8]。

2.9 弗爾賽

弗爾賽能源科技股份有限公司成立于2009年，目前公司已形成車用燃料電池和固定電源系統兩大產品開發平臺，燃料電池模塊、車用燃料電池發動機、固定式燃料電池電源三大產品系列，其電堆產品采用超薄石墨雙極板技術，體積功率密度可達2.5 kW/L。電堆產品覆蓋3～80 kW，其中80 kW電堆如圖5所示，其額定功率為82 kW，峰值功率86 kW，可實現-30℃低溫啟動[8]。

圖5 弗爾賽80k W燃料電池電堆模組[8]

2.10 江蘇清能

江蘇清能是一家質子交換膜燃料電池電堆及系統供應商，是國內唯一一家批量出口燃料電池產品的企業。母公司清能燃料電池集團已潛心從事燃料電池核心技術開發和商業化16年。今年成功開發出商用車用95 kW燃料電池系統，電堆功率達到120 kW，系統95%以上零部件均已實現國產化[8]。

2.11 上海氫晨

上海氫晨新能源科技有限公司，成立于2017年12月。公司核心團隊與核心技術源自上海交通大學，經過近10年的持續研發，已累計開發出50 kW、80 kW和100 kW級（圖6）3代具有自主知識產權的車用燃料電池電堆，體積功率密度達到3.3 kW/L[9]。

圖6 氫晨新能源100 kW級燃料電池電堆[9]

此外，國家電投集團氫能科技發展有限公司，東方電氣（成都）氫燃料電池有限公司等企業也都紛紛加大投入力度進行自主燃料電池電堆的研發和生產。

可以看出，我國燃料電池電堆行業正大踏步向前發展，新的技術突破和產品不斷涌現。這一方面，體現出我國電堆產業正處于一個加速飛躍期，技術水平和資本投入齊頭并進；另一方面，也引發了對膜電極、雙極板等零部件核心技術國產化水平進一步提升的迫切需求。

表1 國內部分電堆廠家技術水平對比

表1列出了國內部分電堆廠家現有電堆產品已經公開的主要技術參數，包括功率等級、功率密度、冷啟動溫度以及壽命。并與氫燃料電池汽車技術路線圖中規劃的2020年目標值進行了對比。可以看出，現階段國內電堆性能水平基本達成了路線圖的規劃值，美中不足的是對壽命的關注和測試尚不夠充分，僅新源動力一家完成測試并達成了5 000 h。

3 國內膜電極技術進展

燃料電池膜電極（MEA）是燃料電池電堆的核心零部件，是燃料電池發生電化學反應的場所，其性能直接決定著燃料電池的發電能力及壽命。MEA通常由質子交換膜、陰-陽極催化層、陰-陽極氣體擴散層等5層組成。為了便于膜電極在電堆中密封，有時也會在膜電極非活性區域加入2層保護層，稱為7層MEA。

近年來，我國質子交換膜技術近年來發展迅速。在技術研發方面，大連化學物理研究所和武漢理工大學都在積極研發復合膜技術。在產業化方面，亞洲最大的氟化工企業山東東岳聯合上海交通大學實現了復合膜的產業化。近年來開發的DF260膜性能出色，具備規模化生產能力，其采用的ePTFE增強復合膜結構，厚度達到15μm，在開路電壓（OCV）情況下耐久性大于600 h；膜運行時間達到6 000 h；在干濕循環和機械穩定性方面，循環次數超過20 000次。該膜技術已經成熟并已定型量產，第2代規劃產能200 000 m2。但總體而言，國內質子交換膜的開發大多還是處于實驗室階段，商業產品與美國戈爾有限公司為代表國際一流產品在綜合性能上還存在一定差距[10]。

在催化劑方面，國內目前依然處于實驗室研制及開發階段，還未形成有競爭力的產業化產品，大部分產品需求依賴進口。選擇合適的技術路線實現小批量試制向大規模工業化生產轉化是當前面臨的主要問題[11]。

在氣體擴散層方面，國內尚處于小規模生產階段。上海河森公司生產的質子交換膜燃料電池專用高性能氣體擴散層，具備1 000 m2/月的生產能力。目前國內開發的氣體擴散層，其原材料多為進口。國內雖有自主開發的材料，但整體的產品狀態并不能達到商業化要求。長遠來看，氣體擴散層作為膜電極關鍵組成材料之一，其國產化的突破與量產，對降低中國燃料電池成本與推廣應用具有重要意義。

過去數十年里，MEA技術已經取得巨大突破。貴金屬用量已從20世紀80年代的8 mg/cm2下降到如今的0.102 mg/cm2，同時，MEA性能和壽命還有了很大程度的提升[5]。目前，國際上MEA技術研究的重點仍然集中在性能、壽命以及成本上。近年來，國內燃料電池MEA的開發也取得了較大進展。中國科學院大連化學物理研究所、武漢理工大學等在國家“863”項目的支持下進行了低成本、高性能MEA研究，國內MEA技術可實現Pt載量0.3 mg/cm2，功率密度1 400 mW/cm2，單電池MEA壽命超過5 600 h，與國際先進水平相當[12]。

膜電極作為核心技術，國家長期支持該技術的研發并制訂了明確的研發目標。根據《國家重點研發計劃“可再生能源與氫能技術”等重點專項2019年度項目申報指南》，到2023年底，國家在膜電極領域的技術目標為：電流密度達到2 A/cm2@0.62 V，0.3 A/cm2@0.8 V，鉑載量要低于0.4 mg/cm2，抗反極時間大于100 min，200次反極試驗后性能衰減小于5%，壽命大于20 000 h，產能大于每年200 000 m2[13]。當前國內膜電極生產廠家總數已經超過15家，主要有大連新源動力股份有限公司、武漢理工氫電科技有限公司、蘇州擎動動力科技有限公司、東方電氣（成都）氫燃料電池科技有限公司、還有上海唐鋒、鴻基創能等，其中鴻基創能一家產能達到300 000 m2，總產能超過360 000 m2，已經能夠滿足當前的產業化需求，下一步重點應放在進一步提升性能、壽命和降低成本方面[12]。筆者整理了國內膜電極生產企業的產能布局與技術現狀，如表2所示。

表2 國內膜電極生產企業產能布局及技術水平對比

從表2中可以看出，目前國內膜電極技術功率密度可以達到1.2 W/cm2，鉑載量可降至0.3 g/kW以下。已經達到或超過了我國氫燃料電池汽車技術路線圖中規劃的2020年目標值：功率密度為1.0 W/cm2，鉑載量為0.3 g/kW。

4 國內雙極板技術進展

雙極板是燃料電池中的重要部件，一般具有復雜的微細流場結構，發揮分配水氣、支撐其他部件、收集電流等功能，其質量直接影響電堆的輸出功率和使用壽命。根據美國能源部2017年發布的燃料電池系統成本報告估計，在燃料電池系統年產量在1 000臺的情況下，雙極板成本占整個系統成本的18%;但是隨著系統年產量增至500 000臺，由于其他零部件的批量成本下降較多，金屬雙極板成本所占比例將激增至28%。因此，實現雙極板的大批量低成本制造對降低燃料電池汽車成本、推進燃料電池汽車商業化具有重要意義[10]。

然而，雙極板工作時所處的環境十分復雜，需要克服pH值2～3的強酸性和潮濕環境，另外較高的運行溫度(65～90℃)無疑會加速它的老化[14]。石墨具有優異的導電性和抗腐蝕能力，因而是制造雙極板的理想材料，但天然石墨疏松多孔，并且脆性較大，所以石墨通常被壓制成幾毫米的厚板來抵抗機械破壞和提高致密性，這必然會大幅提高制造成本和增加整個電池組件的質量[15]。

金屬基材雙極板相比石墨雙極板具有以下優勢：

（1）金屬具有良好的延展性，可采用高精度塑性成形工藝來制備具有復雜微流道特征的雙極板，具有高效、高一致性等優點。

（2）金屬強度一般比石墨高，因此極板厚度可以大大降低（目前主流極板大多采用0.05～0.2 mm厚金屬板），相比1～2 mm厚的石墨雙極板可大幅降低電堆的體積和重量，功率密度指標優勢突出。

（3）金屬的韌性較好、不易斷裂，因此金屬雙極板特別適于工作在高振動的復雜動態工況。

此外，金屬的高導電、高導熱特性也使其成為雙極板的優良材料。但是金屬雙極板也存在問題，比較突出的是其耐腐蝕性較差，因此需要對金屬雙極板表面進行改性處理，以保證其壽命。綜合來看，金屬雙極板已成為燃料電池汽車電堆材料的不二之選[10]。

近年來，國內金屬雙極板技術取得顯著性進展。在極板設計方面，在市場和政策的牽引下，上汽集團聯合新源動力、上海交大等開發了100 kW級300型電堆的金屬極板；新源動力聯合上海治臻開發了極板，電堆功率達80 kW以上，功率密度達2.85 kW/L(含端板);另外，武漢理工大學與上海治臻聯合開發的金屬極板，其電堆功率密度也達到2.7 kW/L。此外，大連化物所、航天811所等單位也開發了多型號金屬極板并進行了電堆試制，積累了大量實際經驗；但目前國內金屬極板的流道構型還主要以二維流場為主。在一致性精密制造方面，國內技術逐漸達到較高的水平，在高精度成形、焊接熱變形控制等方面達到甚至代表了國際上的一流水平，國內有代表性的單位有上海交大/上海治臻團隊、武漢理工大學、大連化物所等。在耐久性方面，近年來，上海交大、大連理工、常州翊邁等研究單位開發了石墨基、鈦鉻基等多種復合涂層，并在平衡涂層性能與成本方面做了許多努力，極板性能持續提升。目前上汽集團、新源動力與上海治臻聯合開發金屬極板量產涂層技術，按乘用車工況經過5 010 h的測試，滿足5 000 h的壽命要求，基本達到了國際一流水準。上海治臻還建立了國內首條金屬雙極板連續生產線，設計產能為500 000件/年。目前其量產金屬雙極板產品在精度、壽命、一致性上都達到上汽集團量產技術要求。但是極板成本距離美國能源部制定的3美元/kW的指標仍然有距離[8]。

表3 國內雙極板技術水平與目標對比

表3列出了我國目前金屬雙極板當前技術現狀與氫燃料電池汽車技術路線圖中規劃的2020年目標值和美國DOE目標值進行了對比。可以看出，國內部分廠家研發的金屬雙極板已經超過了美國DOE規定的目標。

5 結束語

近兩年來，我國燃料電池行業發展迅速，從質子交換膜、膜電極、雙極板等核心技術投入和研發到燃料電池整堆技術的開發與生產都有了長足的進步。本文詳細梳理了國內燃料電池相關團隊和企業最近技術進展。可以看出，當前國內燃料電池電堆行業呈現出以下發展趨勢：

（1）高功率密度、大功率車用電堆國產化加速，捷氫科技、新源動力、明天氫能等企業紛紛推出60 kW以上車用電堆產品并逐步投入應用；

（2）膜電極和金屬雙極板性能和可靠性大幅度提升；

（3）國內質子交換膜、氣體擴散層等基礎材料技術尚未形成有效突破，未來還需繼續發力。