我國燃料電池技術：材料層面完成國產化突破

由中國產業發展促進會氫能分會（簡稱“氫能促進會”）聯合30余家氫能產業龍頭企業和科研院校共同編寫的《中國氫能技術發展研究報告2024》（簡稱《報告》）近日在京發布。

《報告》著眼于我國氫能全產業鏈技術發展現狀與趨勢，圍繞氫能“制儲輸用”各關鍵環節，從技術發展現狀、不同技術路線對比、核心技術與關鍵裝備水平、國內外技術水平比較等方面進行了全面梳理，并立足全球氫能技術前沿發展方向與我國氫能產業發展實際需要，分析并提出了我國氫能全產業鏈各環節關鍵技術發展方向的科學建議。

《報告》指出，氫能技術的規模化應用是推進交通領域深度脫碳的關鍵途徑之一。目前氫能在交通領域應用的主要形式為氫燃料電池技術和氫內燃機技術，兩種技術的能量轉化方式不同。氫燃料電池技術無須經歷熱機過程，因此不受卡諾循環限制，能量轉化效率較高。氫內燃機技術與傳統內燃機技術類似，其能量轉化過程受卡諾循環限制，能源轉化效率低于燃料電池技術。

《報告》顯示，燃料電池作為氫能產業鏈中的重要應用裝備之一，其技術已經相對成熟，產業鏈和供應鏈也較為完備。目前，我國燃料電池技術已邁入產業化階段，東部地區燃料電池產業鏈布局較完整，北京、上海、江蘇、浙江、廣東等地是燃料電池產業鏈主要聚集區。隨著競爭者的不斷增多和市場的日漸成熟，我國燃料電池技術正處于商業化應用階段，市場格局也正在重塑。

《報告》顯示，在燃料電池系統層面，我國燃料電池單堆系統額定功率已達到國際領先水平。

金屬雙極板燃料電池單堆和石墨雙極板燃料電池單堆的額定功率均已邁上300kW級別，并開發出了額定功率為400kW的石墨金屬復合燃料電池電堆。截至2024年9月，國產石墨板燃料電池電堆最高體積功率密度（不含端板）為4.5kW/L，金屬板燃料電池電堆最高體積功率密度（不含端板）為5.2kW/L。加拿大巴拉德石墨板燃料電池電堆最高體積功率密度（不含端板）為4.3kW/L，豐田金屬板燃料電池電堆最高體積功率密度（不含端板）為5.4kW/L。石墨板燃料電池電堆性能基本達到國際一流水平，金屬板燃料電池電堆性能與國際先進水平差距快速縮小。

在設計壽命方面，國內燃料電池系統設計壽命普遍為30000h，與國外先進水平一致，但由于國內燃料電池技術發展時間短、技術迭代速度快，設計壽命和實際使用壽命間的一致性有待進一步驗證。在燃料電池輔助系統方面，空壓機、循環泵、增濕器、系統控制器、熱交換器以及水泵等主要設備國產化率普遍達到較高水平。

《報告》指出，在關鍵材料與核心零部件方面，當前我國采取石墨雙極板和金屬雙極板并行的發展路線，且已具備較高國產化程度，產業化進程和技術發展勢頭迅猛。部分企業已開始復合雙極板的研發試制工作。

第二代催化劑覆膜（CCM）催化劑電極是目使用最為廣泛的膜電極制造工藝，我國已經掌握了較為成熟的膜電極制造技術，膜電極產品性能接近國際先進水平，部分指標達到國際先進水平，有序膜電極成為下一代膜電極制備技術的主攻方向。

燃料電池催化劑的技術壁壘與制造成本較高，產業化流程相對較長，我國已初步實現了商業化生產，但國產催化劑在鉑擔載量、催化劑活性、耐久性方面仍有提升空間。

在質子交換膜方面，國產質子交換膜產品已實現量產，部分性能指標與國際領先企業產品持平，并逐步實現國產產品的規模化替代。

燃料電池膜電極的氣體擴散層是目前燃料電池“八大件”當中“卡脖子”問題較為突出的一種關鍵材料，雖然國產化碳紙已取得一定突破，部分性能參數已接近日本東麗等國際龍頭品牌水平，但國產碳紙受限于碳纖維分散、連續化生產技術以及產品一致性等方面的制約，尚未實現商業化應用，進口產品目前在國內市場中仍占據優勢地位。

總體來看，我國已具備較為成熟的燃料電池電堆及系統集成技術，性能指標已與國際先進水平接近，電堆與系統的國產化程度逐步提升，催化劑、質子交換膜、氣體擴散層等核心材料在性能和市場占有率等方面仍有較大提升空間。