氫能技術(shù)可行性如何？

氫能上下游鏈條長，橫跨能源、交通、工業(yè)等領(lǐng)域，關(guān)鍵環(huán)節(jié)的技術(shù)可行性是貫通產(chǎn)業(yè)鏈的前提。一項(xiàng)技術(shù)是否可行，不僅要看實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)，更要看是否能轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用。站在投資的角度，判斷技術(shù)可行性最直接的角度是分析其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展。

在關(guān)鍵環(huán)節(jié)上，氫能相關(guān)技術(shù)均已實(shí)現(xiàn)突破，產(chǎn)業(yè)化的基礎(chǔ)奠定，未來進(jìn)入逐步調(diào)優(yōu)的階段。氫燃料電池汽車應(yīng)用是氫能產(chǎn)業(yè)的突破口，目前處在示范導(dǎo)入期，氫燃料電池是其中關(guān)鍵因素；氫能供給的成熟是大規(guī)模市場(chǎng)化的前提，尚處早期但發(fā)展路徑明確。

1、氫燃料電池已跨過從0到1的階段

氫燃料電池效率極高，目前可達(dá)到50％，若實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)供理論效率可達(dá)90％。對(duì)比之下，內(nèi)燃機(jī)熱效率最高的豐田發(fā)動(dòng)機(jī)能達(dá)到41％（理想條件下），過去60年頂級(jí)內(nèi)燃機(jī)效率僅增加了10％。

質(zhì)子交換膜燃料電池是當(dāng)前技術(shù)成熟度最高的技術(shù)路線，具有啟動(dòng)快、工作溫度低、功率密度高等優(yōu)勢(shì)，尤其適合交通和固定式電源場(chǎng)景。根據(jù)E4Tech統(tǒng)計(jì)，質(zhì)子交換膜燃料電池裝機(jī)量全球占比近幾年保持在 75％左右水平。本節(jié)主要圍繞質(zhì)子交換膜燃料電池分析。

氫燃料電池及其零部件均已量產(chǎn)應(yīng)用，但部分關(guān)鍵零部件技術(shù)路線尚未成熟，國內(nèi)外產(chǎn)業(yè)化情況存在較大差距。氫燃料電池由電堆和系統(tǒng)輔助部件組成，此外系統(tǒng)控制策略對(duì)其壽命和可靠性有著重要影響。氫燃料電池八大關(guān)鍵零部件為催化劑、氣體擴(kuò)散層、質(zhì)子交換膜、膜電極、雙極板、電堆、空氣壓縮機(jī)、氫循環(huán)泵。

（1）電堆

電堆是整個(gè)電池系統(tǒng)的核心，包括由膜電極、雙極板構(gòu)成的各電池單元以及集流板、端板、密封圈等。國內(nèi)電堆功率與國外產(chǎn)品大致相當(dāng)，但系統(tǒng)可靠性、綜合壽命方面還需工況驗(yàn)證。

①膜電極（MEA）

膜電極是電堆的核心，提供發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的場(chǎng)所，直接影響電池輸出性能和反應(yīng)效率。CCM（catalyst coated－membrane，催化劑／質(zhì)子交換膜組件）是第二代膜電極裝配工藝，目前被廣泛使用，具有高鉑利用率和耐久性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

質(zhì)子交換膜、催化劑、氣體擴(kuò)散層是膜電極的關(guān)鍵材料，直接決定了氫燃料電池的功率密度和使用壽命。

A．質(zhì)子交換膜（PEM）

全氟磺酸膜是常用的商業(yè)化 PEM，屬于固體聚合物電解質(zhì)，具有質(zhì)子傳導(dǎo)率高、耐強(qiáng)酸強(qiáng)堿等優(yōu)異特性。目前質(zhì)子交換膜市場(chǎng)被國外壟斷，戈?duì)柟�司的增�?qiáng)復(fù)合膜占據(jù)了90％以上的份額，8微米產(chǎn)品成熟。國內(nèi)技術(shù)尚處于產(chǎn)業(yè)化初期，產(chǎn)品性能、可靠性尚有差距，處于送樣測(cè)試、小規(guī)模驗(yàn)證階段，但價(jià)格低30％－40％。

B．催化劑

催化劑是影響氫燃料電池活化極化的主要因素，是氫燃料電池的關(guān)鍵材料。催化劑選用需要考慮工作條件下的耐高溫和抗腐蝕問題，常用的是擔(dān)載型催化劑 Pt／C（Pt 納米顆粒分散到碳粉載體上）。Pt是貴金屬，業(yè)內(nèi)一般采取小粒徑的 Pt 納米化分散制備技術(shù)，而且正在向低Pt載量、無Pt化方向研究。日本田中貴金屬、英國莊信萬豐是催化劑的老牌廠商，根據(jù) GGII 統(tǒng)計(jì)，占據(jù)了國內(nèi)80％份額。國內(nèi)催化劑廠商處于送樣測(cè)試、小批量生產(chǎn)階段。

C．氣體擴(kuò)散層

空氣與氫氣通入到陰、陽極上的催化劑層，需要穿越氣體擴(kuò)散層（GDL），其性能對(duì)催化劑的電催化活性、電堆能量轉(zhuǎn)換至關(guān)重要。氣體擴(kuò)散層還是燃料電池的“水管理中心”，通過對(duì)水的有效管理，可提高燃料電池的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性。研制親疏水性合理、表面平整、孔隙率均勻且高強(qiáng)度的氣體擴(kuò)散層材料，是氫燃料電池關(guān)鍵技術(shù)之一。

氣體擴(kuò)散層技術(shù)狀態(tài)成熟，但面臨挑戰(zhàn)是大電流密度下水氣通暢傳質(zhì)的技術(shù)問題和大批量生產(chǎn)問題，生產(chǎn)成本依然居高不下。具備穩(wěn)定供應(yīng)能力的企業(yè)主要有日本東麗、德國 SGL 集團(tuán)、加拿大巴拉德和美國 E－TEK 。國內(nèi)氣體擴(kuò)散層產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展較慢，處于送樣測(cè)試階段。

②雙極板（BPs）

雙極板又稱流場(chǎng)板，起到分隔反應(yīng)氣體、除熱、排出化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物（水）的作用，需滿足電導(dǎo)率高、導(dǎo)熱性和氣體致密性好、機(jī)械和耐腐蝕性能優(yōu)良等要求。根據(jù)基體材料種類的不同，雙極板可分為石墨板、金屬板。此外還有采用復(fù)合材料的復(fù)合板，目前市場(chǎng)應(yīng)用較少。

金屬板相比石墨板各有優(yōu)劣。從應(yīng)用場(chǎng)景來看，石墨板更適合對(duì)體積質(zhì)量要求低、工況友好的場(chǎng)景；金屬板則適用場(chǎng)景更加多元化，尤其適合交通運(yùn)輸場(chǎng)景。相對(duì)而言，金屬板的工藝提升和降成本空間更大。兩條技術(shù)路線很可能會(huì)演繹出三元鋰和磷酸鐵鋰的格局。

石墨板生產(chǎn)已較為成熟，金屬板以豐田為代表最早實(shí)現(xiàn)突破，國內(nèi)以愛德曼氫能為代表的廠商近年來實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，后來出現(xiàn)的廠商大多采用金屬板技術(shù)路線。