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燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，又称电化学发电器。

燃料电池具备运行中零排放、高效率等优异特性，是我国在交通运输领域实现低碳排放的重要技术路线之一。

燃料电池按导电离子类别可分为质子交换膜燃料电池（PEMFC）、碱性燃料电池（AFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、直接醇类燃料电池（DMFC）。

PEMFC具有功率密度大、重量轻、体积小、寿命长、工艺成熟、可低温下快速启动和工作等突出优点，被认为是将来车用燃料电池最理想技术方案。

全球燃料电池行业发展历程

燃料电池并不是一个新产物，最早的燃料电池可以追溯到1839年，是由威尔士科学家威廉·格罗夫（WilliamGrove）发明出的原型。

从2014年开始至今，中国、美国、日本及欧洲的一些国家开始着力于推动氢燃料电池技术的发展。

通过政府政策鼓励、技术进步及产业参与度提升等多方面的投入，燃料电池的应用已经进入了一个黄金时代。

目前在PEMFC向商业化迈进的过程中，氢能问题异常突出，氢供应设施建设投资巨大，氢的贮存与运输技术以及氢的制备技术等还远落后于PEMFC自身的发展。

20世纪末，以醇类直接为燃料的燃料电池成为了研究与开发的热点，受到了世界各国的广泛重视，并取得了长足的进展。

燃料电池行业核心技术

燃料电池结构单元主要由膜电极组件和双极板构成，其中膜电极组件是由质子交换膜、催化剂与气体扩散层组合而成的，为反应发生场所；双极板是带流道的金属或石墨薄板，其主要作用是通过流场给膜电极组件输送反应气体，同时收集和传导电流并排出反应产生的水和热。

燃料电池系统使用供氢系统提供的氢气进行电化学反应，经过DC/DC转换输出，以输出满足下游应用场景中不同电机工作电压要求的电流。燃料电池的电化学反应，消耗氢气与氧气，将氢气中蕴含的化学能转化为电能，反应过程不涉及燃烧，反应产物为电、热和水。

燃料电池系统主要由燃料电池电堆、空气/氢气供给系统、水热管理系统、DC/DC这五大系统构成。

燃料电池电堆可以通过电化学反应输出电流；空气/氢气供给系统是为电堆供应合适压力、纯度、湿度的氢气与空气；水热管理系统用于传递电化学反应产生的热量，保持燃料电池内部水平衡和热平衡；DC/DC变换器用于实现燃料电池与整车高压之间解耦。

燃料电池行业关键部件—电堆是燃料电池系统核心

燃料电池电堆是发动机系统的核心部件，是阳极的氢气和阴极的氧气发生电化学反应及产生电能的场所。

燃料电池电堆由膜电极组件堆叠而成，为燃料电池系统的核心部件。膜电极主要由双极板、扩散层、质子交换膜和催化剂构成。

因此，电堆被称之为燃料电池发动机系统的心脏，是燃料电池发动机的动力来源。电堆是由双极板与膜电极交替叠合，各单体之间嵌入密封件，经前、后端板压紧后用螺杆拴牢，构成的复合组件。

燃料电池电堆：双极板

双极板（BP）是将质子交换膜燃料电池串联起来组装成电堆的关键部件，双极板两侧分别与阳极和阴极的膜电极接触，起到均匀分配气体、排水、导热、导电的作用，其性能优劣直接影响电池的输出功率和使用寿命。

按材料可分为石墨双极板、金属双极板及复合材料双极板三种。石墨双极板是目前燃料电池中应用最广泛的材料，具有较好的导电导热性，耐腐蚀性等，常用于商用车领域。

金属双极板相对来说易受腐蚀，但其体积小、生产周期短，易于大批量快速生产，可用于乘用车领域。复合材料双极板兼具了石墨的耐腐蚀性与金属的高强度，效果最好，但其加工繁琐，成本较高，尚未实现大规模应用。

燃料电池电堆：质子交换膜

质子交换膜（PEM）是一种固态电解质膜，其作用是隔离燃料与氧化剂、传递质子（H+）。

质子交换膜根据含氟情况进行分类主要包括全氟磺酸膜、部分氟化聚合物质子交换膜和复合质子交换膜。

全氟磺酸膜力学性能、化学稳定性、热稳定性佳，使用寿命远好于其他膜材料的使用寿命，同时由于分子支链上存在亲水性磺酸基团，具有优秀的离子传导特性，因此成为目前主流质子交换膜方案。

燃料电池电堆：催化剂

催化剂是膜电极的关键材料之一，其作用是降低反应的活化能，促进氢、氧在电极上的氧化还原过程、提高反应速率。

燃料电池催化剂能降低电极反应的活化能，提高反应速率，使燃料电池商业化成为可能。

目前铂系催化剂的电流密度、催化活性和稳定性突出，是燃料电池主流催化剂。

燃料电池电堆：气体扩散层

气体扩散层（GDL）

气体扩散层将膜电极组合体夹在中间，主要作用包括支撑催化层、收集电流、传导气体和排出反应产物水。

支撑层材料主要为多孔的碳纤维纸、碳纤维织布、碳纤维无纺布及碳黑纸，微孔层通常是由导电炭黑和憎水剂构成。其中碳纤维纸具备制造工艺成熟、性能稳定、成本相对较低等优点，成为支撑层的首选。

燃料电池行业关键部件——燃料电池电堆：膜电极

膜电极（MEA）

膜电极生产技术经历了三代发展，大体上可以分为热压法、CCM法和有序化膜电极三种类型。

目前大部分厂商选择第二代CCM三合一膜电极技术，制备方法由喷涂走向涂布。

有序化膜电极能兼顾超薄电极和结构控制，拥有巨大单位体积的反应活性面积及孔隙结构相互贯通的新奇特性，可以达到高效三相传输、高Pt利用率、高耐久性。

燃料电池行业关键部件——空气供给系统：空气压缩机

空气压缩机向系统供应压缩空气，是燃料电池系统关键零部件之一，其性能直接影响燃料电池系统的效率、紧凑性和水平衡特性。燃料电池空压机根据工作原理可以分为容积式和动力式两种类型。

燃料电池的化学反应对空气的温度、湿度、压力和流量等参数有着严格的要求，普通的工业压缩机无法满足燃料电池的工作要求，因此性能优越且与燃料电池系统匹配良好的空压机，对于燃料电池系统至关重要。

车用氢燃料电池空气压缩机主要有离心式、螺杆式、罗茨式、涡旋式等。离心式空压机转速高、尺寸小、质量轻。螺杆式属于机械增压，在工况变化的情况下，其性能几乎不变，效率高、可靠性高，但噪声较大、质量较重。

罗茨式因压力值达不到氢燃料电池工作的最佳效率点，且振动噪声大、效率低。

涡旋式受限于自身结构原因，空间占用较大;同时，因无油涡旋空压机的密封方式为PTFE密封条结构，在工作运转过程中，密封条磨损大、寿命短;在车用变工况使用的情况下，可靠性差。

氢气供给系统和储氢瓶

氢气供给系统

氢气供给系统的基本要求有密封设计好、耐水性强、流量大、压力输出稳定、无油。

目前国内氢供给系统有氢气循环泵和氢气引射器两种产品，氢气循环泵可根据工况条件实时控制氢气流量，提高氢气利用效率，但在涉水的环境下易发生“氢脆”现象，在低温下的结冰现象会导致系统无法正常工作。

因此，氢气循环泵需要具有耐水性强、输出压强稳定、无油的性能，制备难度较大，制造成本昂贵。而氢气引射器是来实现气体吹扫、氢气重复利用、加湿氢气等功能。

高压气态储氢

高压气态储氢是目前广泛应用的储氢方式，在国内外已经实现一定规模商用。这种技术路线主要通过高压储气瓶来实现氢气的储存和释放。根据材质的不同，高压储氢瓶分为纯钢制金属瓶（I型）、钢制内胆纤维缠绕瓶（II型）、金属内胆纤维缠绕瓶（III型）和塑料内胆纤维缠绕瓶（IV型）4种。

本文节选自行行查报告库《2021年中国燃料电池行业研究报告》

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