MEMS微型燃料电池堆结构设计与系统集成技术研究结题摘要

文章来源：张帅、彭聪 VehicleTrend车势

中国燃料电池产业开始加速发展，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。目前电堆国产化取得长足的进步，关键零部件能实现不同程度的国产化，与国际先进水平差距会迅速缩短。

国内电堆企业可分为自主研发和技术引进两大类,自主研发企业优势是技术和供应链自主，但可靠性、规模生产和供应链管理需要更大努力。技术引进企业好处是研发风险低、形成产能快，缺点是技术授权成本高。

旭日始旦，燃料电池景气高峰起点

1、2017产业元年，中国燃料电池汽产量达到千辆

2017年是中国燃料电池产业化的元年，部分地区开展小规模的燃料电池汽车运营，截止目前中国燃料电池汽车数量达到1000辆左右，佛山和北京已有燃料电池公交大巴运行，京东、申通等物流公司开始试用燃料电池物流车。2018年国内燃料电池汽车有望突破3000-5000台规模，中国燃料电池开始令人振奋的高速发展阶段。

2、路径明确：商用车带动加氢站建设，降低氢气与燃料电池成本

中国燃料电池汽车发展路径明确：通过商用车发展，规模化降低燃料电池和氢气成本，同时带动加氢站配套设施建设，后续拓展到私人用车领域。优先发展商用车的原因在于：一方面公共交通的平均成本低，而且能够起到良好的社会推广效果，形成规模后带动燃料电池成本和氢气成本下降；另一方面商用车行驶在固定的线路上且车辆集中，建设配套的加氢站比较容易。当加氢站数量增加、氢气和燃料电池成本降低时，又会支撑更多燃料电池汽车。

3、燃料电池多地开花，20省市推动产业发展

全国以富氢优势、弃电较多或者产业领先为代表的地区重视燃料电池发展，多地市兴建氢能产业园区，氢能小镇和产业集群等，推动燃料电池公交、物流车示范运营，截至目前超过20省市明确推动氢燃料电池产业发展。目前仅上海、盐城、武汉、佛山和苏州四城规划显示，到2020年燃料电池汽车数量近1万辆。

电堆是最关键部件，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、叉车、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，Ballard FCvelocity-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。

低温性能方面，目前电堆可以应对全球绝大部分地区和气候，丰田燃料电池汽车和本田燃料电池汽车分别实现了-37℃和-30℃启动；即使在冬天，燃料电池汽车依然可以满足日常使用。

铂金需求方面，目前本田电堆铂金载量已经低至0.12g/kg，铂载量还处于持续下降过程中，铂金不会成为燃料电池发展瓶颈。以本田Clarity为例，单辆燃料电池车催化剂耗铂已经降至10g左右，而单辆柴油车需要5g做铂金作为尾气净化催化剂，目前燃料电池催化剂铂金用量已经降至产业化水平，而且处于持续下降中，不会引起铂金需求短缺。假设到2025年单车铂载量5g计算，燃料电池汽车100万辆计算，铂金需求量5吨，相对2017年铂金用量244吨，边际增量只有2%；考虑燃料电池铂载量持续下降和非贵金属催化剂的发展，燃料电池汽车规模化的资源瓶颈并不存在。

国内电堆实现量产，成本下行通道

1、我国掌握燃料电池关键材料、部件及电堆的关键技术

经过863计划，我国初步掌握了燃料电池关键材料、部件及电堆的关键技术，基本建立了具有自主知识产权的车用燃料电池技术平台，燃料电池在国内外开展了多次示范运行。2015年，我国燃料电池电堆性能达到：-20℃启动及-40℃存储；寿命3000h；功率密度2kW/L、比功率1.5kW/kg；能量效率55%。

2016年11月，国家重点研发计划“新能源汽车”重点专项“燃料电池基础材料与过程机理研究”项目在大连启动。项目由中国科学院大连化学物理研究所牵头，21家单位共同参与，在催化剂、质子交换膜、金属双极板、膜电极等方面开展基础性研究，同时对燃料电池低温环境适应性、流场结构、水管理过程等方面进行优化设计，掌握批量制备燃料电池所需电化学材料关键技术，项目指标达到DOE2020年目标。

2、国内电堆实现量产：自主研发和引进技术路线并举

目前国内燃料电池电堆正在逐渐起步，电堆及产业链企业数量逐渐增长，产能量级提升，到2018年国内电堆产能超过40万kW。目前国内电堆厂商主要有两类：（1）自主研发，以新源动力和神力科技为代表；（2）引进国外成熟电堆技术，以广东国鸿为代表，其余企业有南通百应、嘉兴爱德曼等。

新源动力长期致力于燃料电池研发生产，公司现有产能1.5万kW/年。其开发的HYMOD® -300型车用燃料电池电堆模块，采用高稳定性、高性能的“膜基催化层膜电极设计”和高可靠性的“复合双极板结构”，达到车用燃料电池5000小时的耐久性，实现电堆-10℃低温启动，-40℃储存。

广东国鸿于2016年5月引进加拿大巴拉德签署引进9SSL电堆生产线技术，并在国内建设年生产2万台电堆（30万kW）和5000套系统的生产线，生产线于2017年7月1日正式投产。 9SSL系列燃料电池电堆是为交通领域设计的液冷式电堆产品，能够满足车用车载动态特性要求。它具有良好的单电池均一性，工作寿命超过2万h，最长寿命超过2.5万h。巴拉德9ssl电堆的9SSL系列电堆产品自2009年生产至今已累计生产电堆超过10,000台，部署量达到320MW，产品的成熟性已经过充分的市场验证。

3、电堆成本进入下行通道

电堆成本在燃料电池汽车中占比最高。目前燃料电池电堆实现小规模放量和初步国产化，电堆成本已经实现有力下降。随着规模放大以及电堆产业国产化，电堆成本预计可降60%。

具体到各个环节来看，气体扩散层降本主要由规模化效应驱动；而质子交换膜、催化剂和双极板降本则需国内工艺进步和规模化加以推进。

电堆产业链国产化进行时

1、国内电堆产业链雏形初具

国内燃料电池电堆产业链初成雏形，上游厂商齐全，膜电极、质子交换膜和双极板具备国产化能力，气体扩散层有小批量供应，催化剂具备研发能力。

2、国内膜电极具备产业化能力，有序化膜电极是工艺发展趋势

膜电极（membrane electrode assembly，MEA）是质子交换膜燃料电池发生电化学反应的场所，是传递电子和质子的介质，为反应气体、尾气和液态水的进出提供通道，膜电极是质子交换膜燃料电池的心脏。膜电极通常由5部分组成，即中间的质子交换膜、两侧的阳极催化层和阴极催化层，最外侧的阳极气体扩散层和阴极气体扩散层。

当前膜电极在性能和产能方面可以初步满足商业化需求。现阶段性能初步满足产业使用，2015年MEA，在工况条件下寿命达到2500小时，性能方面也达到810mW/cm2。膜电极厂商具备万平米级产能，目前做膜电极的厂商分为两类，一种是具备膜电极产业化能力，能够自给自足的燃料电池厂商，以丰田和Ballard为代表。另外一种是专业的膜电极供应商，包括Gore、JM、3M、Toray（Greenerity）和国内的武汉理工新能源等，都已经具备了不同程度的自动化生产线，年产能在数千平米到万平米级。

国内武汉理工新能源生产的是燃料电池的核心零部件膜电极，年产量达到12万片，建成自动生产线产能5000平米/年。武汉理工新能源膜电极产品功率密度，最高可达1W/cm²；Pt用量低至0.3mg Pt/ cm²。

MEA生产工艺瞄准低铂和高功率密度，有序化膜电极工艺是未来发展趋势。膜电极技术经历了三代发展，大体上可以分为热压法、CCM（catalyst coating membrane）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，有序化膜电极是当下工艺发展趋势。有序化膜电极能兼顾超薄电极和结构控制，拥有巨大的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，使其成为了PEMFC领域的研究热点，也是下一代膜电极制备技术的主攻方向。

3、质子交换膜：全氟磺酸膜是主流，国内具备量产能力

质子交换膜是作为PEM燃料电池的核心组件，主要功能是充当质子通道实现质子快速传导，同时还起阻隔阳极燃料和阴极氧化物的作用，防止燃料（氢气、甲醇等）和氧化物（氧气）在两个电极见发生互串，此外还需要对催化剂层起到支撑作用。质子交换膜性能好坏直接决定着PEM燃料电池的性能和使用寿命，作为PEM材料，应具有以下性质：

全氟磺酸膜是主流质子交换膜。质子交换膜根据含氟情况进行分类主要包括全氟磺酸膜、非全氟化质子交换膜、无氟化质子交换膜和复合膜。目前世界上主流质子交换膜是全氟磺酸膜，全氟磺酸聚合物具有聚四氟乙烯结构，其碳-氟键的键能高，使其力学性能和化学稳定性优异，其聚合物膜的使用寿命远远好于其他膜材料的使用寿命，其次分子链上的亲水性磺酸基团具有优良的氢离子传导特性。全氟磺酸膜也是目前在PEMFC中唯一得到广泛应用的质子交换膜，如美国杜邦的Nafion膜、陶氏公司的Dow系列质子交换膜、日本旭化成公司的Aciplex膜和日本旭哨子公司的Flemion膜，其中Nafion膜应用最广泛。

全氟磺酸膜成型工艺可分为三类：PESIM挤出成型工艺、溶液浇铸成型工艺和复合成型工艺。

PFSIEM 挤出成型工艺可分为熔融挤出成型和凝胶挤出成型，熔融挤出成型又分为熔融挤出流延成型和熔融挤出压延成型。熔融挤出成型工艺，具有厚度均匀，生产效率高，树脂熔融时破坏性小，产品质量稳定等优点。PFSIEM的挤出工艺过程中主要有3 部分组成 ：全氟磺酰氟树脂 (perfluorosulfonyl fluoride resin简称PFSR )挤出造粒、全氟磺酰氟薄膜制造和全氟磺酰氟薄膜的转型。

溶液浇铸成型是指在常压下将树脂溶液注入固有模具，经溶液挥发后加热成膜的工艺。浇铸成膜方法成本较低和操作简单可控，目前国内研究机构大多采用此法，不过实验室厚度均匀性不足。全氟磺酸钠盐树脂溶液钢带流延成型的工艺过程主要有4个部分：全氟磺酸钠盐树脂溶液配制 、钢带流延成型 、溶剂挥发和质子膜转型干燥。

全氟磺酸复合膜中采用其他材料改善全氟磺酸质子膜性能，比如采用 PTFE的多孔材料，以减少全氟磺酸树脂的用量，提升力学性能，降低成本。制备复合膜工艺有溶液复合成型工艺；溶液与其他材料的复合通常有浸没、涂布、喷涂等工艺，产品复合后再进行干燥成膜，溶液复合成型工艺如下图：

根据DOE，目前质子交换膜性能在某些方面已经达到或超过DOE2020年目标，机械耐久性达到23000次，化学耐久性742h，成本17$/平米。

质子交换膜国产化能力具备，国内东岳集团可量产DF260系列膜。目前市场上主要生产全氟磺酸膜的企业主要来自于美国、日本、加拿大以及中国，其中戈尔的Select复合膜广泛应用于燃料电池，丰田Mirai、本田Clarity和现代ix35均采用戈尔Select系列膜。除此以外，质子交换膜还有杜邦的Nafion系列膜、陶氏化学（Dow Chemical）的Xus-B204 膜、3M的全氟磺酸膜、日本旭化成的Alciplex系列膜、旭硝子的Flemion系列膜、加拿大Ballard的BAM膜和比利时Solvay的系列膜。

在国内，山东东岳集团质子交换膜性能出色，具备规模化生产能力。2004年，东岳集团联合上海交通大学研发出质子交换膜，经日本丰田公司和德国Fuma.Tch公司分别检测，东岳公司生产的质子交换膜性能出色不逊于同类产品。目前，东岳DF260膜厚度做到15um，在OCV情况下耐久性大于600小时；膜运行时间达到6000小时；在干湿循环和机械稳定性方面，循环次数都超过2万次。东岳DF260膜技术已经成熟并已定型量产，二代规划产能20万平米，而且东岳集团已建成年产50吨燃料电池离子膜所需要的全氟磺酸树脂生产装置，可满足2.5万辆电动汽车的离子膜所需。

4、催化剂：铂用量降至可接受水平，国内具备研发能力

催化剂是燃料电池的关键材料之一，其作用促进氢、氧在电极上的氧化还原过程。目前最好的催化剂仍是Pt和Pt基催化剂。

阳极反应：阳极电催化剂表面的氢气氧化反应（HOR），整体氧化反应可以表示为：

阴极反应：阴极电催化剂表面的氧还原反应（ORR），整体反应可表示为：

目前最好的催化剂仍是Pt和Pt基催化剂，当前铂金用量已经降至可接受水平，根据DOE数据，2015年Pt含量达到0.16g/kw，质量比活性大于0.5A/mg。本田FCV燃料电池催化剂Pt含量降至0.12g/kw，丰田Mirai燃料电池催化剂Pt含量达到0.175g/kw。

考虑到铂金昂贵和稀有，降低Pt用量一直是催化剂研究主要方向。对于质子交换膜燃料电池Pt用量的降低，一方面通过提高催化剂的催化活性来实现Pt用量降低，一方面寻找替代Pt的催化剂：

Pt质量比活性可以通过提高表面Pt的面积比活性来改善，改变表面Pt面积比活性的重要理论指导是Pt与其他金属发生相互间作用后，Pt原子的几何结构和电子结构发生改变。主要研究方向有Pt合金催化剂、Pt单层催化剂、Pt纳米管和Pt核壳等：

研究非Pt催化剂替代，包括钯基催化剂和非贵金属催化剂。

催化剂海外企业领先，国内正起步。在燃料电池催化剂领域， 海外企业处于领先地位，已经能够实现批量化生产，而且性能稳定，其中英国 Johnson Matthey和日本田中（本田燃料电池车Clarity催化剂供应商）是全球铂催化剂的巨头。国内企业尚处于研究阶段，有两类结构：（1）贵研铂业；主营汽车尾气铂催化剂，和上汽共同研发燃料电池催化剂；（2）研究机构，大连化物所、新源动力等，中国科学院大连化学物理研究所制备的Pd@Pt/C核壳催化剂，其氧还原活性与稳定性表现优异。

5、气体扩散层：技术成熟，国内达到小规模生产

多孔气体扩散层将膜电极组合体夹在中间，主要起气体扩散的作用。多孔扩散层的主要功能包括：①实现气体在催化层表面的扩散；②提供机械支撑；③导通电流；④排除反应生成水。扩散层的材质是经疏水材料处理的碳基材料（碳纸或碳布）。疏水材料的作用是防止水在扩散层孔中积聚，影响气体扩散。

气体扩散层通常由基底层和微孔层组成，基底层通常使用多孔的碳纤维纸、碳纤维织布、 碳纤维非纺材料及碳黑纸，也有的利用泡沫金属、金属网等来制备，主要起到支撑微孔层的催化层的作用，微孔层主要是改善基底层孔隙结构的一层碳粉，目的是降低催化层和基底层之间的接触电阻，使得流道气体以及产生水均匀分配。

技术条件最成熟，需提高规模化生产能力。气体扩散层是目前燃料电池堆各部件中技术条件最成熟，商业化利用潜力最好的产品。目前，气体扩散层面临的主要挑战除了大电流密度下水气通畅传质的技术难点外，还存在缺乏大量生产的问题，这使得其成本在燃料电池堆的总成本中仍占相当一部分。DOE基于巴拉德（Ballard）动力系统公司生产的GDL进行成本估算，如大量生产（每年批量生产50万个电堆），其价格可下降到4.45美元/m2 。因此，在研究提高扩散层的性能的同时，开发扩散层大规模生产工艺同样是研究重点。

目前碳纸产品主要由几个国际大生产商垄断，包括日本东丽（Toray）和德国SGL等。东丽目前占据较大的市场份额，且拥有的碳纸相关专利较多，生产的炭纸具有高导电性、高强度、高气体通过率、表面平滑等优点。

国内产品尚处于小规模生产。上海河森公司有小批量碳纸产品，燃料电池专用高性能气体扩散层具备1000平方米/月生产能力。台湾碳能科技公司的碳纸产品价格较低，获得了一定市场认可。同时中南大学、武汉理工大学以及北京化工大学等研究机构也都有研究，其中中南大学提出了化学气相沉积（CVD）热解炭改性碳纸的新技术，发明了与变形机制高度适应的异型结构碳纸，采用干法成型、CVD、催化炭化和石墨化相结合的连续化生产工艺，其产品的耐久性和稳定性有所提升。

6、双极板：石墨板应用广泛，金属板能量密度高，国内具备小规模生产能力

双极板是电堆中的“骨架”，与膜电极层叠装配成电堆，在燃料电池中起到支撑、收集电流、为冷却液提供通道、分隔氧化剂和还原剂等作用。

双极板材料主要包括石墨、金属以及复合材料三类。石墨基双极板在燃料电池的环境中具有非常良好的化学稳定性，同时具有很高的导电率，是目前质子交换膜燃料电池研究和应用中最为广泛的材料。金属材料相比石墨材料具有更好的导电和热传导性能，同时金属材料良好的机加工性能会大大降低双极板的加工难度。复合材料双极板能较好地结合石墨板与金属板的优点，使电堆装配后达到更好的效果。

乘用车燃料电池具有高能量密度需求，金属双极板相较于石墨及复合双极板具有明显优势。如日本丰田Mirai燃料电池汽车用金属双极板PEMFC模块的功率密度达到3kW/L，英国Intelligent Energy的新一代EC200-192金属双极板燃料电池模块的功率密度达到5kW/L。金属双极板使PEMFC模块的功率密度大幅提升，金属双极板已成为乘用车燃料电池的主流双极板。目前金属双极板主要供应商有瑞典Cellimpact、德国Dana、德国Grabener、美国treadstone 等。国内上海治臻新能源装备有限公司已经开发了包括氢空/氢氧、空冷/水冷等适用于各种环境的多款量产金属双极板。上海交大、新源动力、上汽集团和上海治臻联合开发的汽车燃料电池大面积超薄金属双极板设计与精密制造技术获得2017年度“中国汽车工业科学技术奖”一等奖。

石墨双极板因为耐久性长，广泛应用于商用车。石墨基双极板的主流供应商有美国POCO、美国SHF、美国 Graftech、日本FujikuraRubber LTD、日本Kyushu Refractories、英国 Bac2等。石墨双极板目前已实现国产化， 国产厂商主要有上海弘枫、杭州鑫能石墨等。

复合材料双极板近年来也开始有应用,如石墨/树脂复合材料、碳/碳复合材料等，国内具备研制能力。

文章来源：张帅、彭聪 VehicleTrend车势