电堆将植入“中国芯”：电池的高安全性正成为科研人员研究的重点

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。它是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术。由于燃料电池是通过电化学反应把燃料的化学能中的吉布斯自由能部分转换成电能，不受卡诺循环效应的限制，因此效率高; 另外，燃料电池用燃料和氧气作为原料，同时没有机械传动部件，故排放出的有害气体极少，使用寿命长。由此可见，从节约能源和保护生态环境的角度来看，燃料电池是最有发展前途的发电技术。

将燃料与氧化剂的化学能通过电化学反应直接转换成电能的发电装置。燃料电池理论上可在接近100%的热效率下运行，具有很高的经济性。目前实际运行的各种燃料电池，由于种种技术因素的限制，再考虑整个装置系统的耗能，总的转换效率多在45%～60%范围内，如考虑排热利用可达80%以上。此外，燃料电池装置不含或含有很少的运动部件，工作可靠，较少需要维修，且比传统发电机组安静。另外电化学反应清洁、完全，很少产生有害物质。所有这一切都使得燃料电池被视作是一种很有发展前途的能源动力装置。 [2] 燃料电池是一种电化学的发电装置,等温的按电化学方式,直接将化学能转化为电能而不必经过热机过程,不受卡诺循环限制,因而能量转化效率高,且无污染,正在成为理想的能源利用方式。同时,随着燃料电池技术不断成熟,以及西气东输工程提供了充足天然气源,燃料电池的商业化应用存在着广阔的发展前景。

燃料电池是一种能量转化装置,它是按电化学原理,即原电池工作原理,等温的把贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能,因而实际过程是氧化还原反应。燃料电池主要由四部分组成,即阳极、阴极、电解质和外部电路。燃料气和氧化气分别由燃料电池的阳极和阴极通入。燃料气在阳极上放出电子,电子经外电路传导到阴极并与氧化气结合生成离子。离子在电场作用下,通过电解质迁移到阳极上,与燃料气反应,构成回路,产生电流。同时,由于本身的电化学反应以及电池的内阻,燃料电池还会产生一定的热量。电池的阴、阳两极除传导电子外,也作为氧化还原反应的催化剂。当燃料为碳氢化合物时,阳极要求有更高的催化活性。阴、阳两极通常为多孔结构,以便于反应气体的通入和产物排出。电解质起传递离子和分离燃料气、氧化气的作用。为阻挡两种气体混合导致电池内短路,电解质通常为致密结构。

9月五部委正式公布燃料电池国补政策，采取以奖代补、地区申报模式在未来4年推动FCV产业化进程，氢能产业已经成为国家重点扶持的能源战略要地。而近几年的国产化进程中，形成了如国鸿氢能等具备国产自主化研产实力的领军企业，逐步构建起自主化供应链，在千辆级产销规模下实现了燃料电池成本的大幅下降，为补贴后FCV成本对标油车做足了铺垫。

当前，政策形势明朗，产业进步扎实，氢燃料电池正在以实际进展回应质疑，我们有理由相信4年后的FCV产业将是另一番模样，氢能的平价时代正渐行渐近。

近日，我国燃料电池电堆龙头企业上海氢晨新能源科技有限公司(以下称“氢晨科技”)宣布通过换股方式全资收购专业催化剂和膜电极供应商苏州擎动动力科技有限公司(以下称“擎动科技”)，国产大功率电堆植入“中国芯”，助力我国自主技术产权的氢能产业发展和产品的国产化进展。

发展氢能与燃料电池汽车已成为全球共识，是我国实现“碳达峰”和“碳中和”的重大战略举措。2022年3月，国家发展改革委、国家能源局联合印发《氢能产业发展中长期规划(2021-2035年)》，明确氢能定位与燃料电池汽车推广计划。电堆是燃料电池的“发动机”，决定整车动力特性;膜电极是电堆的“芯片”，是氢能转化成电能的反应场所。

近年来，随着产业链的成熟及国内自主燃料电池电堆技术、关键零部件技术逐渐取得突破，我国开始进入燃料电池电堆全面国产化加速，产业放量增长的新阶段。同时，氢能产业中的可再生能源电解水制氢业务，随着能源战略中对氢能的重视程度提升，也将迎来重大发展机遇，PEM制氢电解槽等产品的和需求快速爆发。

国资牵头战略整合，打通燃料电池产业链，上海拥有氢能制-储-运-加、燃料电池及零部件全产业链，正在培育“一环”“六带”的氢燃料电池汽车产业创新生态。在临港新片区，氢能产业被纳入“4+2+2”产业体系，临港还将建设“国际氢能谷”，打造氢能发展引领区。近期，临港集团专门设立了临港氢能公司，打造集原创技术、场景应用、产业孵化和运营服务于一体的氢能产业发展平台，形成在氢能产业链的核心竞争力。通过申能能创、临港科创投、上海自贸区基金的前期投资，上海国资均成为两家高科技企业的第一大股东，此次并购也是国资牵头的战略整合。据悉，两家公司将共同建立起从催化剂、膜电极到电堆的一体化协同开发体系。氢晨科技在电堆前瞻性研发方面的技术能力，与擎动科技对高性能、长寿命催化剂和膜电极产品的关键材料开发和生产能力，实现核心材料和部件的自主配套和迭代开发能力，从而提高新型电堆产品的整体开发效率和技术指标水平，建立两家公司在产业链上的“护城河”。

中国燃料电池产业开始加速发展。政府补贴为初始动力、物流车和客车为突破点，中国燃料电池产业走了一条适合中国国情，与日本不同的路。2017年完成1000台左右客车和物流车，2018年预计突破3000-5000台规模。电堆成为中国燃料电池产业发展的关键因素之一，低成本、高性能、批量供应的国产电堆是燃料电池汽车成本下降从而与传统汽车竞争的关键。

二、电堆是燃料电池最关键部件，性能满足商业化需求

1. 电堆是最关键部件

电堆由多个单体电池以串联方式层叠组合构成。将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紧固拴牢，即构成燃料电池电堆。

电堆是发生电化学反应场所，燃料电池动力系统核心部分。电堆工作时，氢气和氧气分别由进口引入，经电堆气体主通道分配至各单电池的双极板，经双极板导流均匀分配至电极，通过电极支撑体与催化剂接触进行电化学反应。

在燃料电池产业链中，电堆是处于中游核心环节。催化剂、质子交换膜、气体扩散层组成膜电极和双极板构成电堆的上游，电堆与空压机、储氢瓶系统、氢气循环泵等其它组件构成燃料电池动力系统，下游应用对应交通领域和备用电源领域，主要是客车、轿车、车、固定式电源和便携式电源等。

2. 电堆性能达到商业化，铂金不是瓶颈

目前燃料电池汽车在速度、加速时间和续航均满足日常使用，商业化瓶颈主要是在耐久性、低温启动和铂金需求方面，目前电堆性能达到商业化需求。

在耐久性方面，丰田和新源动力轿车用电堆寿命超5000h，BallardFCvelocity-HD6燃料电池已经达到超过25000小时时间的耐久性记录，已经满足日常乘用车和商用车使用需求。

轿车用电堆耐久性达到5000h，普通乘用车用户日均行驶2h，轿车可使用7年;商用车电堆耐久性达到25000h，一辆商用车日均行驶8h，使用时间可达到8年。

近年来，电子产品因电池爆炸引发火灾的新闻屡见不鲜。电池的高安全性正成为科研人员研究的重点。最近，中国科学院某研究所在柔性燃料电池的关键材料和技术方面取得突破，研制出一种安全、耐用、适应性强且具有出色柔性的自呼吸式直接甲醇燃料电池。该款电池采用了一种凝胶/海绵复合材料，可以有效避免电池出现爆炸、着火等安全问题。燃料电池已经融入人们生活，广泛应用于电动汽车、电脑、家用电器等多个领域。其中，直接甲醇燃料电池因其结构简单、燃料清洁环保、可低温快速启动，成了科研人员和广大消费者青睐的对象。然而，甲醇天性“爆”脾气，普通材料的直接甲醇燃料电池如果使用不当，有可能造成爆炸、着火等安全事故。针对这一问题，该款新型电池采用了全新的材料。

琼脂凝胶锁水能力超强，海绵吸水性出色，二者复合而成的新材料具有独特的成分和结构，使得这种自呼吸式直接甲醇燃料电池对甲醇溶液具有很强的保留能力，吸收速度快、吸收率高、循环性能好、含能高。同时，这种材料还具有很好的柔性，已通过包括长针刺穿、切割、弯曲和压缩等一系列破坏性试验，且试验过程中未发生燃料泄漏事故。这就决定了这款新型电池不仅具有前所未有的高安全性，而且还具备较好的适应性。科研人员指出，该款电池的应用领域非常广泛，可用于便携式可穿戴电子设备，用作野外作业便携式移动电源，充当未来电动汽车的动力源，甚至成为固定式发电设备等。