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  氫燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈上游技術(shù)中，除制氫、儲氫、運輸和加氫外，還包括了電解質(zhì)膜、催化劑、雙極板、氣體擴散層、空壓機、水泵、氫泵等燃料電池的關(guān)鍵材料和部件。1 質(zhì)子交換膜--全氟磺酸型膜為目前主流，復(fù)合膜、高溫膜、堿性膜是未來發(fā)展方向質(zhì)子交換膜是燃料電池關(guān)鍵材料，其作用是在反應(yīng)時，只讓陽極失去電子的氫離子（質(zhì)子）透過到達(dá)陰極，但阻止電子、氫分子、水分子等通過，因而需要其具有以下幾個特性：（1）電導(dǎo)率高（高選擇性地離子導(dǎo)電而非電子導(dǎo)電）；（2）化學(xué)穩(wěn)定性好(耐酸堿和抗氧化還原能力)；（3）熱穩(wěn)定性好；（4）良好的機械性能（如強度和柔韌性）；（5）反應(yīng)氣體的透氣率低、水的電滲系數(shù)小；（6）可加工性好、價格適當(dāng)。目前常用的商業(yè)化質(zhì)子交換膜是全氟磺酸膜，全氟磺酸型膜是目前燃料電池主要采用的膜材料，全球全氟磺酸型膜的供應(yīng)商集中于日本和歐美國家，其中應(yīng)用最廣泛的是美國杜邦公司的Nafion系列膜。全氟磺酸膜有機械強度高、化學(xué)穩(wěn)定性好、濕度大條件下導(dǎo)電率高等優(yōu)點，但是同時也存在缺點：溫度升高時會引起質(zhì)子傳導(dǎo)性變差、高溫時易發(fā)生化學(xué)降解、單體合成困難、成本高等。因此各機構(gòu)也在研究其他類型的膜，包括復(fù)合膜、高溫膜、堿性膜等。復(fù)合膜是通過復(fù)合的方法來改性全氟型磺酸膜從而提升其耐高溫性和阻醇性，如美國Gore公司研制的Gore-select復(fù)合膜、大連化物所的Nafion/PTFE復(fù)合增強膜和碳納米管增強復(fù)合膜等。堿性膜對應(yīng)的燃料電池系統(tǒng)的工作環(huán)境為堿性，在這種狀態(tài)下催化劑選擇的范圍可以更寬泛，不僅限于鉑，還可以使用鎳和銀等；美國3M公司開發(fā)的一種新型PAIF高溫質(zhì)子交換膜，其某些特性參數(shù)已經(jīng)達(dá)到甚至超過DOE 2020年目標(biāo)。表1 全球主要質(zhì)子交換膜供應(yīng)商國家公司產(chǎn)品美國杜邦Nafion系列膜陶氏化學(xué)XUS-B204膜3MPAIF高溫膜日本旭化成Aciplex系列膜旭硝子Flemion系列膜氯工程C膜加拿大巴拉德BAM型膜比利時SolvayHyflon Ion膜中國東岳集團DF988、DF2801膜武漢理工復(fù)合膜國內(nèi)的武漢理工新能源公司、山東東岳集團、上海神力科技、大連新源動力和三愛富都有均質(zhì)膜的生產(chǎn)能力，武漢理工的產(chǎn)品還出口國外；在復(fù)合膜方面，武漢理工已向國內(nèi)外數(shù)家研究單位提供測試樣品；大連化物所、上海交大也在質(zhì)子交換膜的研究領(lǐng)域有所突破。2 催化劑--Pt/C是目前主流，超低鉑、無鉑是未來方向催化劑是燃料電池的關(guān)鍵材料之一，催化劑作用于氫氣，使電子離開氫原子。目前燃料電池中常用的商用催化劑是Pt/C，由納米級的Pt顆粒（3~5nm）和支撐這些Pt顆粒的大比表面積活性炭構(gòu)成。質(zhì)子交換膜燃料電池商業(yè)化進(jìn)程中的主要阻礙之一是價格高昂的貴金屬催化劑，鉑載量已大幅下降，超低鉑或無鉑是未來研究重點。燃料電池零部件的成本主要來源于原材料與加工費用，美國Strategic Analysis公司發(fā)布的報告顯示，在目前技術(shù)水平下，加工成本主導(dǎo)的部件(如質(zhì)子交換膜、氣體擴散層)的成本可通過規(guī)模化生產(chǎn)來降低，但材料成本占主導(dǎo)的催化劑難以通過量產(chǎn)來降低成本。因此，減少鉑的使用量才是降低催化劑成本的有效途徑。根據(jù)DOE統(tǒng)計，如果以現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行燃料電池汽車商業(yè)化，每年車用燃料電池對Pt資源的需求高達(dá)1160噸，遠(yuǎn)超過全球Pt的年產(chǎn)量（2015年178噸）。降低Pt用量的近期目標(biāo)是到2020年，燃料電池電堆的Pt用量下降到0.1g/kw左右；長期目標(biāo)是催化劑用量達(dá)到＜0.05g/kw。目前3M公司已經(jīng)開發(fā)出可量產(chǎn)的有序化膜電極，鉑載量僅為0.118 mg/cm2。但由于鉑資源具有稀缺、昂貴的屬性，大量的研究工作仍集中于降低鉑載量、增強催化劑的耐久性、或是開發(fā)新的催化劑來替代鉑的使用。Pt催化劑除了受成本與資源制約外，也存在耐久性問題（主要體現(xiàn)在穩(wěn)定性上）。通過燃料電池衰減機制分析可知，燃料電池在車輛運行工況下，催化劑會發(fā)生衰減，如在動電位作用下會發(fā)生Pt 納米顆粒的團聚、遷移、流失等。針對這些成本和耐久性問題，研究新型高穩(wěn)定、高活性的低Pt或非Pt催化劑是目前熱點。許多研究著眼于提高Pt基陰極氧還原（ORR）催化劑的穩(wěn)定性、利用率、改進(jìn)電極結(jié)構(gòu)以降低Pt 負(fù)載量，降低燃料電池成本。另一些研究專注于開發(fā)尋找完全可以替代鉑的、低成本的、資源豐富的非鉑ORR催化劑。表2 催化劑主要研究方向催化劑定義優(yōu)點Pt-M催化劑Pt與過渡金屬合金催化劑通過過渡金屬催化劑對Pt的電子與幾何效應(yīng)，在提高穩(wěn)定性的同時，質(zhì)量比活性也有所提高。同時降低了貴金屬的用量，使催化劑的成本大幅降低Pt核殼催化劑利用非Pt材料為支撐核、表面貴金屬為殼的結(jié)構(gòu)可降低Pt 用量，提高質(zhì)量比活性，是下一代催化劑的發(fā)展方向之一Pt單原子層催化劑Pt單原子層的核殼結(jié)構(gòu)催化劑是一種有效降低Pt用量、提高Pt利用率，同時改善催化劑的ORR性能的方式非貴金屬催化劑主要包括過渡金屬原子簇合物、過渡金屬螯合物、過渡金屬氮化物與碳化物降低成本燃料電池催化劑主要生產(chǎn)商為美國的3M、Gore，英國的Johnson Matthery，德國的BASF，日本的Tanaka，比利時的Umicore 等，國內(nèi)大連化物所具備小規(guī)模生產(chǎn)的能力。3 氣體擴散層--容易實現(xiàn)降低成本，規(guī)?；a(chǎn)是發(fā)展重點氣體擴散層位于流暢和催化層之間，主要作用是為參與反應(yīng)的氣體和生成的水提供傳輸通道，并支撐催化劑。因此，擴散層基底材料的性能將直接影響燃料電池的電池性能。氣體擴散層必須具備良好的機械強度、合適的孔結(jié)構(gòu)、良好的導(dǎo)電性、高穩(wěn)定性。通常氣體擴散層由支撐層和微孔層組成，支撐層材料大多是憎水處理過的多孔碳紙或碳布，微孔層通常是由導(dǎo)電炭黑和憎水劑構(gòu)成，作用是降低催化層和支撐層之間的接觸電阻，使反應(yīng)氣體和產(chǎn)物水在流場和催化層之間實現(xiàn)均勻再分配，有利于增強導(dǎo)電性，提高電極性能。選擇性能優(yōu)良的氣體擴散層基材能直接改善燃料電池的工作性能。性能優(yōu)異的擴散層基材應(yīng)滿足以下要求：（1）低電阻率；（2）高孔隙度和一定范圍內(nèi)的孔徑分布；（3）一定的機械強度；（4）良好的化學(xué)穩(wěn)定性和導(dǎo)熱性能；（5）較高的性價比。由于炭材料的孔隙度較高，孔徑可調(diào)，常常被用作制備氣體擴散層，主要有炭紙、炭纖維布、無紡布和炭黑紙，此外，也有的利用泡沫金屬、金屬網(wǎng)等來制備。工藝方面，氣體擴散層所用炭紙初坯的制備方法可分為兩種：濕法和干法。濕法造紙技術(shù)制備的擴散層用炭紙具有良好且均勻的大量孔隙，能夠通過調(diào)節(jié)酚醛樹脂的量來控制孔隙率的大小，有利于加工成滿足實際需求的炭紙。表3 不同種類擴散層的性能指標(biāo)碳纖維紙碳纖維編織布炭黑紙厚度（mm）0.2-0.30.1-1.0<0.5密度（g/cm3）0.4-0.45N/A0.35強度（MPa）16-183000N/A電阻率（Ω·cm）0.02-0.10N/A0.5透氣性（%）70-8060-9070目前商業(yè)化碳纖維紙/布等材料從性能上已能夠很好地滿足要求，而氣體擴散層是加工費用主導(dǎo)成本的部件，規(guī)?；a(chǎn)將會帶來大幅的成本削減，根據(jù)Strategic Analysis 2014 年發(fā)布的數(shù)據(jù)，當(dāng)生產(chǎn)規(guī)模從1000套提升到50萬套時，成本會從$2,661/套降到$102/套，因此開發(fā)擴散層大規(guī)模生產(chǎn)工藝是未來研究重點。產(chǎn)品生產(chǎn)商方面，由幾個國際大廠所壟斷，如日本東麗、加拿大Ballard、德國SGL等。東麗目前占據(jù)較大的市場份額，且擁有的炭紙相關(guān)的專利較多，生產(chǎn)的炭紙具有高導(dǎo)電性、高強度、高氣體通過率、表面平滑等優(yōu)點；但Toray炭紙由于其脆性大而不能連續(xù)生產(chǎn)的特點導(dǎo)致其難以實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，極大地限制了供應(yīng)量的增長。我國對炭紙的研發(fā)主要集中于中南大學(xué)、武漢理工大學(xué)以及北京化工大學(xué)等，上海和森公司已有小批量碳紙產(chǎn)品。4 雙極板--石墨雙極板最為成熟，金屬雙極板是未來方向雙極板，又叫流場板，是燃料電池的關(guān)鍵組件之一，主要起到起輸送和分配燃料、在電堆中隔離陽極陰極氣體的作用。雙極板占整個燃料電池重量的60%，成本的13%。主要功能有：連接單體模塊、分隔反應(yīng)氣體、收集電流、散熱和排水等。其基體材料需具有強度高、致密性好、導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能好等特點，材料的選擇將直接影響燃料電池的電性能和使用壽命。表4 不同雙極板的特點對比類型優(yōu)勢劣勢供應(yīng)商/研究機構(gòu)石墨雙極板導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、耐腐蝕性好，重量輕，技術(shù)成熟體積大，強度和加工性能較差美國POCO、SHF、Graftech、加拿大Ballard、日本Fujikura Rubber LTD、Kyushu Refractories、英國Bac2、杭州鑫能石墨、江陰滬江科技、上海喜麗碳素金屬雙極板強度高，導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性好，成本低密度較大、耐腐蝕性差Treadstone、Cellimpact、DANA、Grabener、Simens、大連物化所復(fù)合材料雙極板兼具石墨材料的耐蝕性能和金屬材料的高強度的特點，阻氣性好質(zhì)量大，加工繁瑣，成本高Porvair，美國橡樹嶺國家實驗室、華南理工大學(xué)等石墨雙極板目前最成熟，金屬與復(fù)合材料雙極板有較大發(fā)展空間。根據(jù)基體材料的不同，雙極板可以分為石墨雙極板、金屬雙極板和復(fù)合材料雙極板，其中石墨雙極板最早被開發(fā)使用，目前技術(shù)已經(jīng)成熟，并已實現(xiàn)商業(yè)化大規(guī)模應(yīng)用了。目前主流供應(yīng)商有美國POCO、SHF、Graftech、日本Fujikura Rubber LTD、Kyushu Refractories、英國Bac2等。石墨雙極板目前已實現(xiàn)國產(chǎn)化，國產(chǎn)廠商主要有杭州鑫能石墨、江陰滬江科技、淄博聯(lián)強碳素材料、上海喜麗碳素、南通黑匣、上海弘楓等。金屬雙極板是替代石墨雙極板的最佳選擇，表面改性的多涂層結(jié)構(gòu)金屬雙極板具備較大的發(fā)展空間。金屬雙極板的機械性能、加工性能、導(dǎo)電性等都十分優(yōu)異，易于批量化生產(chǎn)降低成本，國外一些廠商如UTC等已開始采用金屬雙極板。目前金屬雙極板主要供應(yīng)商有瑞典Cellimpact、德國Dana、Grabener、美國treadstone等，國內(nèi)還處于研發(fā)試制階段，研究機構(gòu)包括新源動力、大連化物所等。5 空壓機--渦旋和雙螺桿空壓機是目前主流技術(shù)路線空壓機的作用是將常壓的空氣壓縮到燃料電池期望的壓力,并根據(jù)電力需求提供相應(yīng)的空氣流量?？諌簷C的種類很多，按工作原理可分為3大類：容積型（活塞式、螺桿式、渦旋式）、速度型（離心式、鼓風(fēng)機）、熱力型壓縮機（噴射器）等。目前，車用燃料電池使用的空壓機主要是容積型空壓機和速度型空壓機。表5 空氣壓縮機種類及對比壓縮機種類優(yōu)勢劣勢公司滑片式空氣壓縮機無需潤滑劑機械摩擦大，效率較低美國Mechanology LLC、vairex、日本松下電氣、英國MIEEDriver科技公司渦旋式空氣壓縮機噪聲小體積大、質(zhì)量大；隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高，壓縮機的振動也會隨之增大美國TIAX、日本日立、瑞典Atlas Copco、西安交大渦輪式空氣壓縮機效率高，在高速電機的支持下，小體積下可以提供相當(dāng)?shù)牧髁?div style="height:15px;">