电催化剂是燃料电池的关键材料之一吗？
来源：宝鄂实业
2019-05-11 09:46
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其作用是降低反应的活化能，促进氢、氧在电 极上的氧化还原过程、提高反应速率。
气体扩散层(GDL):在质子交换膜燃料电池中，气体扩散层位于流场和催化层之间，其作用是 支撑催化层、稳定电极结构，并具有质/热/电的传递功能。因此 GDL 必须具备良好的机械强度、 合适的孔结构、良好的导电性、高稳定性。
膜电极组件(MEA):膜电极组件(membrane electrode assembly，MEA)是集膜、催化层、 扩散层于一体的组合件，是燃料电池的核心部件之一，其结构如图 10。目前，国际上已经发展了3 代 MEA 技术路线:一是把催化层制备到扩散层上(GDE)，通常采用丝网印刷方法，其技术已 经基本成熟;
二是把催化层制备到膜上(CCM)，与第 1 种方法比较，在一定程度上提高了催化 剂的利用率与耐久性;三是有序化的 MEA，把催化剂如 Pt 制备到有序化的纳米结构上，使电极呈 有序化结构，有利于降低大电流密度下的传质阻力，进一步提高燃料电池性能，降低催化剂用量。
双极板(BP):燃料电池双极板(bipolar plate，BP)的作用是传导电子、分配反应气并带走生 成水，从功能上要求双极板材料是电与热的良导体、具有一定的强度以及气体致密性等;稳定性方 面要求双极板在燃料电池酸性(pH=2~3)、电位(E=~1.1 V)、湿热(气水两相流，~80°C)环境 下具有耐腐蚀性且对燃料电池其他部件与材料的相容无污染性;产品化方面要求双极板材料要易于 加工、成本低廉。
燃料电池电堆是燃料电池发电系统的核心，通常为了满足一定的功率及电压要求，电堆通常由数百 节单电池串联而成，而反应气、生成水、冷剂等流体通常是并联或按特殊设计的方式(如串并联) 流过每节单电池。
燃料电池电堆的均一性是制约燃料电池电堆性能的重要因素。燃料电池电堆的均 一性与材料的均一性、部件制造过程的均一性有关，特别是流体分配的均一性，不仅与材料、部件、 结构有关，还与电堆组装过程、操作过程密切相关。
常见的均一性问题包括由于操作过程生成水累 积引起的不均一、电堆边缘效应引起的不均一等。电堆中一节或少数几节电堆的不均一会导致局部 单节电压过低，限制了电流的加载幅度，从而影响电堆性能。从设计、制造、组装、操作过程控制 不均一性的产生，如电堆设计过程的几何尺寸会影响电堆流体的阻力降，而流体阻力降会影响电堆 对制造误差的敏感度。
燃料电池下游运用:未来最看好在新能源汽车领域的应用
燃料电池早在 20 世纪 60 年代就因其体积小、容量大的特点而成功应用于航天领域。进入 70 年 代后，随着技术的不断进步，氢燃料电池也逐步被运用于发电和汽车。
现如今，伴随各类电子智能 设备的崛起以及新能源汽车的风靡，氢燃料电池主要应用于三大领域:固定领域、运输领域、便携 式领域。
从市场的观点来看，燃料电池因其稳定性和无污染的特质，既适宜用于集中发电，建造大、 中型电站和区域性分散电站，也可用作各种规格的分散电源、电动车、不依赖空气推进的潜艇动力 源和各种可移动电源，同时也可作为手机、笔记本电脑等供电的优选小型便携式电源。
固定式领域:目前燃料电池下游应用最大的一块领域，产业相对成熟，固定式燃料电池系统的主要 应用领域为固定电源、大型热电联产、居民住宅热电联产及备用能源等。
2014 年初统计结果表明， 固定式燃料电池市场占有率达 70%，并将继续引领未来全球燃料电池市场的发展。根据 Navigant的一份报告显示，目前固定式燃料电池系统的年出货量大约为 4 万套，预计在 2022 年的年出货量 将达到 125 万套，其复合年平均增长率达 51.7%。
固定式燃料电池行业正处于一个非常活跃的阶 段，许多公司计划开发或安装固定式燃料电池系统，由于现代社会对电力系统的稳定性及在自然灾 害情况下电力的持续供应要求的增加，固定式燃料电池系统作为小型发电及备用电源系统得以迅速 的发展。
便携式领域:应用前景广阔，面向未来市场。便携式电源市场包括非固定安装的或者移动设备中使 用的燃料电池，适用于军事、通讯、计算机等领域，以满足应急供电和高可靠性、高稳定性供电的 需要，实际应用的产品包括高端手机电池、笔记本电脑等便携电子设备、军用背负式通讯电源、卫 星通讯车载电源等;
另一方面用作自行车、摩托车、汽车等交通工具的动力电源，以满足环保对车 辆排放的要求。预期是运用在手机，无人机，数码相机等领域。
目前相比锂电池从价格和性能两个 方面来看优势并不明显，因此现在对于便携式燃料电池的需求相当少。
交通运输领域:各国大力布局，蓄力静待爆发。
交通运输市场包括为乘用车、巴士/客车、叉车以 及其他以燃料电池作为动力的车辆提供的燃料电池，例如特种车辆、物料搬运设备和越野车辆的辅 助供电装置等。
汽车用燃料电池作为动力系统是目前关注度最高的应用领域。这是目前是爆发最 迅猛，也是关注度最高的应用领域。
从当前的数据来看，燃料电池技术有望在汽车领域率先爆发。大型车企的燃料电池汽车研发如火如 荼，在全球范围内各大汽车生产厂商纷纷进入氢能源汽车领域,从 2013 年开始陆续有燃料电池汽车 推出和展出。
从全球市场来看，日韩车企最早推出产品，其中 Mirai 和 Clarity 当属燃料电池汽车 领域的试水产品，从 Mirai 的订单规模来看，日本市场的订单量达到了 3000 辆，达到了预期销量 的 750%，海外订单达到预期销量的 7 倍。
从市场表现来看，市场对燃料汽车的接受程度较好，在 政府大力补助的条件下，随着燃料电池产量的提升。欧美车企更多选择和日本车企合作。车企在解 决自身产能问题后，燃料电池汽车市场将会是一片蓝海。
物流车领域是交通运输商业化的另一主要领域，物流运输市场非常巨大，国内以一汽和中车为代表 的企业正在燃料电池物流车领域发力。
目前，国内厂商正通过合作研发的方式，首先在国际市场上 研发推广燃料电池物流车。中车株洲时代电动汽车股份有限公司与加拿大 Loop En-ergy 燃料电池 公司在美国签署了电驱动系统产品开发协议。开启了中国向欧美出口燃料电池系统产品的新篇章。
此次合作由三方共同完成。加拿大 Loop Energy 燃料电池公司将自身燃料电池运用于中车电动核 心系统产品，再将中车电动系统产品运用于美国 OEM 整车厂开发的纯电动内场物流拖车。
这将成 为全球第一台燃料电池大型物流车。一汽解放与新源动力达成燃料电池合作协议,计划 2016-2017年完成 100 辆以上燃料电池物流车的推广应用,从而实现燃料电池车商业化应用。结合中国的国情， 在互联网时代下，考虑到物流市场的巨大规模，综合优势明显的物流车将会是燃料电池的又一蓝海 市场。
十三五”期间燃料电池汽车有望进入商业化阶段
新能源汽车:短期锂电池占主导;长期燃料电池有望实现后来者居上
短期:新能源锂电池车占主导
燃料电池成本降低和加氢站的建设是一个逐步推进的过程，短期来看锂电池仍占主导:从过去到现 在，全球燃料电池汽车走了几个阶段。
第一阶段，设想的很乐观，但燃料电池应用于汽车上之后， 受汽车工况影响，性能衰减很快。
第二阶段，主要解决燃料电池的可靠性、耐久性问题。因为工况 比较复杂，这一阶段经历了七八年时间，基本上解决了这些问题，燃料电池寿命也达到了要求。
现在进入了第三阶段，即商业化的导入期，主要是进一步降低成本和铂(Pt)用量，同时加快加氢站 的建设，目前来看，
1)加氢站的短缺阻碍燃料电池汽车的发展:加氢站建设成本是加油站的 5 倍， 价格高昂使得加氢站数量短缺。即便燃料电池的续航里程可以达到 700 公里左右，但是 700 公里 内不一定会有一个加氢站。
2)燃料电池车的成本仍要远高于锂电池车，国外的燃料电池大巴车售 价在 100 万美元上下，而特斯拉的“贵族”电动车 ModelS 售价也才为 73 万人民币，相比之下燃 料电池车价格目前来说高很多。
长期:燃料电池有望实现后来者居上
燃料电池优势明显:氢是世界上最多的元素，氢气来源极其广泛并且是可再生资源，所以用氢气作 为“燃料”似乎最合适不过。
由于燃料电池是化学能直接转换为电能，相比内燃机的燃烧作用不会 产生大量废气与废热，转化效率更可超过 50%(内燃机转化效率为 10%)，排放物也只有水，也 不会对环境温度造成影响。
使用寿命长于电化学电池并且电池维护工作量很小。相比于纯电动车的 充电时间来说，燃料电池加注氢气的时间很短，几乎与内燃机汽车添加燃油时间相当，大约在 3-5分钟左右。
高能量密度是燃料电池能够有望实现后来者居上的基础:如果新能源要想颠覆传统能源长期发展建 立起来的产业链条和基础网络，高能量密度是基础。
在世界范围内，新能源锂电汽车之所以目前占比仍然较低，主要是由于其低能量密度。而氢能源能量密度是汽油及天然气的 3 倍以上，具有快速发展的基础。
随着技术进步、规模化生产，燃料电池车成本将逐渐降低，经济型逐渐体现:美国能源部数据显示，2012 年，交通运输用燃料电池系统的成本为 47 美元/千瓦，与 2002 年相比，下降了 82.9%，与2008 年相比，下降了 35.6%，这一数字已经逐步接近美国能源部设定的 2017 年成本目标:30 美 元/千瓦。
Platinum 集团的金属铂(Pt)(用来做催化剂)含量已经降低了 1/5，目前每千瓦的含量 少于 0.2 克，接近美国能源部的目标 0.125 克/千瓦。
此外，燃料电池的耐用性也增加了一倍多， 并自 2007 年以来电解槽的成本减少了 60%。根据英国碳信托咨询公司的报告，若燃料电池汽车需 要规模化生产，其成本需达到 36 美元/千瓦才能与内燃机汽车竞争。而根据目前 PEMFC 成本的下 降趋势以及目前的技术进步，该目标价位即有可能在 2017 年之前达成，届时燃料电池汽车就可以 批量化生产。
长期来看，燃料电池车有望实现后来者居上:不论是从能源安全角度，还是从节能环保角度考虑， 新能源汽车都将成为未来的长期发展趋势。氢燃料电池技术作为目前排放标准最高，环保性最强的 新一代新能源动力汽车技术，在新能源汽车产业化发展之路中无疑具有里程碑意义。
相比于现阶段锂动力电池技术，氢燃料电池汽车启航加速快，充氢时间短，续航里程大，能量密度及功率密度均 具有最优异性能，我们认为在未来具有极高的应用价值和商业化前景。
政策将开启燃料电池及燃料电池汽车行业发展的大潮
随着世界能源危机的日益突出, 汽车工业面临者严峻的挑战。各能源大国对石油的需求量正快速增 长，汽车保有量的增长使车用原油消耗占原油总消耗量的比例逐年加大。车用石油消耗所产生的空 气污染成为越来越严重的问题。
发展新能源汽车是解决当前交通能源和环境问题的一项重要手段。发达国家尤其是汽车强国近年来 加大了在节能与新能源汽车领域的投入,美国、日本、欧洲等国依据自己的资源条件和产业技术基 础, 制定了交通能源战略和技术发展路线图。
中国政府也高度重视能源的可持续性发展。氢是世界上最简单、储量最丰富、分布最广的元素。它可以从水、化石燃料、生物质等化合物中制取。以氢 为原料的燃料电池汽车近几年成为各大汽车公司的研发热点, 各国政府纷纷制定出一系列配套政 策和法规, 积极鼓励和推动其产业化和商业化进程。
加氢站建设只是个时间积累的问题，为了推动燃料电池车基础设施建设，汽车制造商正在同大型能 源公司、初创企业等合作伙伴在氢燃料供给方面展开合作。例如，在日本，丰田、本田、日产 3家车企，与科斯莫石油公司、岩谷产业公司、东京燃气公司等 10 家能源公司宣布共同促进加氢站 建设。
