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氫燃料電池組是整個燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈的核心。燃料電池的性能和成本直接決定了燃料電池的工業(yè)化進程。氫燃料電池反應(yīng)器的性能評價指標(biāo)主要包括耐久性、啟動溫度和比功率，其中比功率是近兩年國內(nèi)外研究機構(gòu)和企業(yè)關(guān)注的重點之一。目前，國內(nèi)反應(yīng)器企業(yè)正在迅速崛起，無論是從膜電極、雙極板等核心部件技術(shù)上的突破，還是從整個反應(yīng)器的功率水平、功率密度上都取得了很大的進步。
大眾需求帶動產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，氫燃料電池汽車的大規(guī)模應(yīng)用推動了氫燃料電池全產(chǎn)業(yè)鏈的崛起。氫燃料電池的成本正在迅速下降，技術(shù)也在不斷更新。
商業(yè)化正在加速
燃料電池堆由若干個燃料電池串聯(lián)堆疊而成。雙板與膜電極MEA交替重疊，單體之間嵌封，前后板壓緊用螺絲緊固，即構(gòu)成燃料電池棧。燃料電池堆是電化學(xué)反應(yīng)的場所，是燃料電池系統(tǒng)(或燃料電池發(fā)動機)的核心部件。
反應(yīng)堆工作時,氫氣和氧氣分布的雙極板每一個細胞通過反應(yīng)器的主要氣體通道,和雙相的導(dǎo)電率板塊是均勻分布的電極、電化學(xué)反應(yīng)是由接觸電極支持身體的催化劑。
目前，氫燃料電池汽車已進入市場啟動階段。以日本豐田Mirai、韓國現(xiàn)代Nexo、廣汽AION LX為代表的氫燃料電池汽車已經(jīng)實現(xiàn)商用化，其性能和行駛里程與傳統(tǒng)燃料汽車不相上下。乘用車燃料電池堆功率水平一般在100kw左右，而商用車燃料電池堆功率水平一般在30 - 200kw之間。
近年來，我國燃料電池商用車取得了快速發(fā)展，明顯快于燃料電池乘用車。經(jīng)過十幾年的研發(fā)投入，我國的燃料電池技術(shù)趨于成熟，以福田歐輝、鄭州宇通、佛山飛世等為代表的燃料電池客車正逐步開始市場化進程，燃料電池物流車輛也已做好商業(yè)化發(fā)展的準(zhǔn)備。據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計，截至2018年12月，中國燃料電池汽車銷量已達1527輛。
今年，國內(nèi)氫燃料電池反應(yīng)堆開發(fā)企業(yè)紛紛公布了好消息，并正在努力改善國內(nèi)氫燃料電池反應(yīng)堆的性能。
HCHEN科技與上下游企業(yè)共同開發(fā)的H3技術(shù)，在現(xiàn)有H2技術(shù)的基礎(chǔ)上，大大提高了性能、壽命和可靠性。230kW單堆大功率堆性能試驗已完成，即將投入行業(yè)使用?；贖2技術(shù)開發(fā)的80kW、100kW、120kW、150kW四種大功率堆，目前已裝機100臺，運行良好。
新華能自主研發(fā)的110kW水冷堆模塊已完成一系列性能測試。目前是新華網(wǎng)單堆功率最大的模塊。反應(yīng)器與雙反應(yīng)器模塊結(jié)構(gòu)兼容，雙反應(yīng)器模塊功率為200kW。
鑫源動力研發(fā)的第三代汽車質(zhì)子交換膜燃料電池模塊技術(shù)性能更加優(yōu)異。結(jié)構(gòu)緊湊，功率密度高，環(huán)境適應(yīng)性強，易于系統(tǒng)集成。額定功率可達130kW，防護等級IP67，低溫冷啟動可達- 40℃。采用金屬雙極板組裝的電抗器性能更高，體積更小，適用于乘用車和商用車的組裝。
燃料電池堆的重要組成部分有膜電極、雙極板和質(zhì)子交換膜等。目前，國內(nèi)已經(jīng)從多個方面進行了研究，試圖降低燃料電池堆的成本，提高燃料電池堆的整體性能。
氫燃料電池堆芯-雙極板
雙極板是燃料電池堆中的關(guān)鍵部件，它可以使活性氣體均勻分布在有源區(qū)域，導(dǎo)電并支撐膜電極，以保持堆結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，并去除燃料電池產(chǎn)生的熱量和水分。
雙極極板占燃料電池重量的60%，成本的20%，其性能直接影響到輸出功率的大小和電池使用壽命的長短。雙極材料主要有石墨雙極、石墨復(fù)合雙極和金屬雙極，豐田Mirai、本田Clarity和現(xiàn)代NEXO乘用車均采用金屬雙極，而商用車普遍采用石墨雙極。
金屬雙極板因其優(yōu)異的力學(xué)性能和電學(xué)性能而成為燃料電池行業(yè)的研究熱點之一。最近，沖氫在金屬雙極板鍍膜技術(shù)上取得了突破。在第四代涂裝的基礎(chǔ)上，徹底解決了金屬板材耐蝕性、導(dǎo)電性和低成本的行業(yè)瓶頸，通過工藝和設(shè)備升級，將高潛在耐蝕性提高了10倍。
與第三代碳基涂層相比，第四代涂層在高電位(1.6 vs.she)下的腐蝕電流從200μA/cm2下降到50μA/cm2?；诘谒拇毩⑦B續(xù)生產(chǎn)設(shè)備，結(jié)合工藝升級，腐蝕電流進一步降低至5μA/cm2。
膜電極是氫燃料電池堆的第二核心
膜電極作為燃料電池的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計和制備工藝十分復(fù)雜，整個研發(fā)周期長，技術(shù)壁壘高，實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)十分困難。膜電極決定了反應(yīng)器性能、壽命和成本的上限。膜電極組件由質(zhì)子交換膜、催化劑和氣體擴散層(氣體擴散層)組成。
國內(nèi)膜電極的性能接近國際水平，但專業(yè)特性(如鉑負(fù)載、啟停、冷啟動、反極性等)仍落后于國際水平。但隨著國內(nèi)市場的快速增長，國內(nèi)工程與質(zhì)量控制之間的差距有望進一步縮小。
近年來，長城能源克服了燃料電池行業(yè)的“瓶頸”問題，實現(xiàn)了完全自主研發(fā)的新型高性能膜電極的規(guī)?；a(chǎn)，加速了膜電極國產(chǎn)化進程。長城創(chuàng)新了“梯度技術(shù)”，極大地提高了膜電極產(chǎn)品單位面積發(fā)電量、使用壽命等關(guān)鍵性能指標(biāo)。膜電極的功率密度為1.30W/cm2，耐久性為> 10000 h，鉑負(fù)載為0.35mg/cm2。
質(zhì)子交換膜是氫燃料電池反應(yīng)堆的第三核心質(zhì)子交換膜是燃料電池(PEMFC)的核心部件。主要成分為全氟磺酸膜，目前主要為進口。目前質(zhì)子交換膜的主要發(fā)展方向是全氟磺酸增強的復(fù)合膜。質(zhì)子交換膜逐漸趨于薄，從幾十微米降到幾十微米，降低了質(zhì)子轉(zhuǎn)移的歐姆極化，從而達到更高的性能。
目前，國內(nèi)質(zhì)子交換膜生產(chǎn)企業(yè)主要有東岳集團旗下的Future Hydrogen Co.， LTD.，主營燃料電池用質(zhì)子交換膜，上游原料為全氟磺酸樹脂和全氟羧酸樹脂。其生產(chǎn)能力、技術(shù)處于國內(nèi)領(lǐng)先地位。
11月，東岳150萬平方米質(zhì)子交換膜生產(chǎn)線一期項目正式投產(chǎn)。這標(biāo)志著東岳集團經(jīng)過16年的艱苦科研，與奔馳、福特等公司務(wù)實的技術(shù)合作，成為全球兩家可提供質(zhì)子交換膜用于量產(chǎn)氫燃料電池汽車的企業(yè)之一。
目前，東越集團擁有全氟質(zhì)子膜燃料電池最完整的產(chǎn)業(yè)鏈，擁有氟功能膜材料國家重點實驗室，形成涵蓋原料、關(guān)鍵中間體、樹脂和質(zhì)子交換膜等全系列完整的知識產(chǎn)權(quán)體系，其中，質(zhì)子膜燃料電池成膜聚合物，榮獲2019年中國專利金獎。
燃料電池堆的成本約占整個氫燃料電池系統(tǒng)的50%。燃料電池堆成本的迅速降低和技術(shù)性能的顯著提高，有利于氫燃料電池汽車在中國的推廣和示范。從雙極板、膜電極到質(zhì)子交換膜，國產(chǎn)化進程不斷加快，國內(nèi)企業(yè)在科技創(chuàng)新道路上也在不斷探索和攻關(guān)關(guān)鍵問題。氫燃料電池組和燃料電池系統(tǒng)的商業(yè)化和規(guī)?；谥鸩綄崿F(xiàn)，并有望在近幾年打破進口壟斷。
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