我国氢燃料电池要攻关哪些核心材料和技术？

本文环绕氢燃料电池技能体系，剖析了质子交流膜、电催化剂、气体涣散层等膜电极组件，双极板，体系部件，操控战略等方面的研讨开展与开展态势；结合我国氢燃料电池技能范畴国产化率、体系寿数、功率密度、制作本钱等方面的开展现状剖析，证明提出面向2035年我国氢燃料电池技能体系开展方向。

氢能作为可存储废弃动力并推进由传统化石动力向绿色动力改变的清洁动力，其能量密度是石油的3倍、煤炭的4.5倍，被视为未来动力改造的颠覆性技能方向。氢燃料电池是完成氢能转化为电能运用的要害载体，在碳中和、碳达峰方针提出后，取得了根底研讨与工业运用层面新的高度重视。

我国工程院欧阳晓平院士科研团队在我国工程院院刊《我国工程科学》2021年第4期宣布《氢燃料电池技能开展现状及未来展望》，剖析了国内外氢燃料电池技能要害资料、中心组件的研制与运用现状，凝练了我国开展氢燃料电池技能面对的问题，整理了未来相关技能开展方向并提出保障办法主张，以期为职业技能开展供给根底性参考。文章环绕氢燃料电池技能体系，剖析了质子交流膜、电催化剂、气体涣散层等膜电极组件，双极板，体系部件，操控战略等方面的研讨开展与开展态势；结合我国氢燃料电池技能范畴国产化率、体系寿数、功率密度、制作本钱等方面的开展现状剖析，证明提出了面向2035年我国氢燃料电池技能体系开展方向。文章指出，为加速氢能及氢燃料电池技能运用，应加强制氢技能攻关，下降氢气燃料运用本钱；加速要害资料和中心组件的技能攻关和转化运用；拟定工业规划并添加投入，构建完备的方针支撑体系。

一、前言

当时人类树立在以耗费煤炭、石油、天然气为主的不可再生动力根底之上的经济开展模式，导致了日益突出的环境污染和温室效应问题。为完成人类社会可继续开展，树立人与自然的和谐关系，开展风能、水能、太阳能、生物质能、地热能、海洋能等绿色动力，成为国际各国高度重视的课题。多数可再生动力所固有的间隙性、随机与波动性，导致了严重的弃风、弃光、弃水等现象。氢能作为可存储废弃动力并推进由传统化石动力向绿色动力改变的清洁动力，其能量密度（140MJ/kg）是石油的3倍、煤炭的4.5倍，被视为未来动力改造的颠覆性技能方向。

氢燃料电池是以氢气为燃料，经过电化学反响将燃猜中的化学能直接改变为电能的发电装置，具有能量转化功率高、零排放、无噪声等长处，相应技能进步可推进氢气制备、贮藏、运送等技能体系的开展晋级。在新一轮动力改造驱动下，国际各国高度重视氢燃料电池技能，以支撑完成低碳、清洁开展模式。发达国家或区域活跃开展“氢能经济”，拟定了《全面动力战略》（美国）、《欧盟氢能战略》（欧盟）、《氢能/燃料电池战略开展道路图》（日本）等开展规划，推进燃料电池技能的研制、演示和商业化运用。我国也活跃跟进氢能相关开展战略，2001年确立了863计划中包含燃料电池在内的“三纵三横”战略；《动力技能改造立异行动计划（2016—2030）》《轿车工业中长期开展规划》（2017年）等国家方针文件均明确提出支撑燃料电池轿车开展。2020年，科技部发动了国家要点研制计划“可再生动力与氢能技能”要点专项，将要点打破质子交流膜、气体涣散层碳纸、车用燃料电池催化剂批量制备技能、空压机耐久性、高可靠性电堆等共性要害技能。国家动力局将氢能及燃料电池技能列为“十四五”时期动力技能装备要点任务。

研讨标明，氢能及氢燃料电池技能有望大规模运用在轿车、便携式发电和固定发电站等范畴，也是航空航天飞行器、船舶推进体系的重要技能备选方案，但面对低出产本钱（电解质、催化剂等根底资料）、结构紧凑性、耐久性及寿数三大挑战。美国动力部燃料电池技能项目研讨认为，燃料电池电动轿车是削减温室气体排放、下降石油运用量的最有用路径之一，跟着技能进步，全进程出产本钱和氢燃料本钱将与其他类型车辆及燃料相当。优化体系操控战略、开发催化剂及其抗腐蚀载体等新式根底资料，是进步体系耐久性和寿数、然后促成氢燃料电池技能大规模商业化运用的有用路径。近期的总述性研讨作业，报导了氢燃料电池体系在双极板、气体涣散层、催化剂、膜电极、流场规划与剖析等资料或组件方面的新开展。

我国提出了将于2030年完成碳达峰、2060年完成碳中和的开展愿景。活跃开展氢能，引导高碳排放制氢工艺向绿色制氢工艺改变，是动力改造开展，完成碳达峰、碳中和的重要举措。氢能将是我国动力范畴的战略性新兴工业，氢燃料电池技能是完成氢能运用的先决条件。

为了促进我国氢燃料电池技能工业链的全面开展，本文依托我国工程院咨询项目的支撑，剖析国内外氢燃料电池技能要害资料、中心组件的研制与运用现状，凝练我国开展氢燃料电池技能面对的问题，整理未来相关技能开展方向并提出保障办法主张，以期为职业技能开展供给根底性参考。

二、氢燃料电池技能体系及开展现状

氢燃料电池与常见的锂电池不同，体系更为复杂，首要由电堆和体系部件（空压机、增湿器、氢循环泵、氢瓶）组成。电堆是整个电池体系的中心，包含由膜电极、双极板构成的各电池单元以及集流板、端板、密封圈等。膜电极的要害资料是质子交流膜、催化剂、气体涣散层，这些部件及资料的耐久性（与其他功能）决议了电堆的运用寿数和工况适应性。近年来，氢燃料电池技能研讨会集在电堆、双极板、操控技能等方面，氢燃料电池技能体系及部分相关前沿研讨如图1所示。

图1氢燃料电池技能体系

01|膜电极组件

膜电极（MEA）是氢燃料电池体系的中心组件，一般由阴极涣散层、阴极催化剂层、电解质膜、阳极催化剂层和阳极气涣散层组成，直接决议了氢燃料电池的功率密度、耐久性和运用寿数。

依据MEA内电解质的不同，常用的氢燃料电池分为碱性燃料电池（AFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）、质子交流膜燃料电池（PEMFC）等。各类型燃料电池具有相应的燃料品种、质量比功率和面积比功率功能，其间质子交流膜燃料电池以发动时间短（~1min）、操作温度低（<100℃）、结构紧凑、功率密度高级成为研讨热门和氢燃料电池轿车迈入商业化进程的首选。MEA装配工艺有热压法（PTFE法）、梯度法、CCM（catalystcoated-membrane）和有序化办法等。热压法是第一代技能；现在广泛运用的是第二代的CCM办法，包含转印、喷涂、电化学堆积、干粉喷发等，具有高铂运用率和耐久性的长处；有序化办法可使MEA具有最大反响活性面积及孔隙连通性，以此完成更高的催化剂运用率，是新一代MEA制备技能的前沿方向。

1.1、质子交流膜（PEM）

全氟磺酸膜是常用的商业化PEM，归于固体聚合物电解质；运用碳氟主链的疏水性和侧链磺酸端基的亲水性，完成PEM在潮湿状况下的微相分离，具有质子传导率高、耐强酸强碱等优异特性。代表性产品有美国杜邦公司的Nafion系列膜、科慕化学有限公司的NC700膜、陶氏集团的Dow膜、3M公司的PAIF膜，日本旭化成株式会社的Aciplex膜、旭硝子株式会社的Flemion膜，加拿大巴拉德动力体系公司的BAM膜，这些膜的差异在于全氟烷基醚侧链的长短、磺酸基的含量有所不同。我国武汉理工新动力有限公司、新源动力有限公司、上海神力科技有限公司、东岳集团公司已具备全氟磺酸PEM工业化的才能。

轻薄化薄膜制备是下降PEM欧姆极化的首要技能道路，膜的厚度现已从数十微米下降到数微米，但一起也带来膜的机械损伤、化学降解问题。当时的处理思路，一是采用氟化物来部分或悉数代替全氟磺酸树脂，与无机或其他非氟化物进行共混（如加拿巴拉德动力体系公司的BAM3G膜，具有十分低的磺酸基含量，作业功率高、化学安稳性和机械强度较好，价格明显低于全氟类型膜）；二是采用工艺改性全氟磺酸树脂均质膜，以多孔薄膜或纤维为增强骨架，浸渍全氟磺酸树脂得到高强度、耐高温的复合膜（如美国科慕化学有限公司的NafionXL-100、戈尔公司的Gore-select膜、我国科学院大连化学物理研讨所的Nafion/PTFE复合膜与碳纳米管复合增强膜等）。值得一提的是，戈尔公司把握了5.0μm超薄质子交流膜的制备技能，2019年投产国际首条氢燃料电池车用PEM专用出产线，在日本丰田轿车公司的Mirai轿车上取得运用。此外，为了耐高温、抗无水并具有较高的高质子传导率，高温PEM、高选择性PEM、石墨烯改性膜、热安稳PEM、碱性阴离子交流膜、自增湿功能复合膜等成为近年来的研讨热门。

1.2、电催化剂

在氢燃料电池的电堆中，电极上氢的氧化反响和氧的复原反响进程首要受催化剂操控。催化剂是影响氢燃料电池活化极化的首要因素，被视为氢燃料电池的要害资料，决议着氢燃料电池轿车的整车功能和运用经济性。催化剂选用需求考虑作业条件下的耐高温和抗腐蚀问题，常用的是担载型催化剂Pt/C（Pt纳米颗粒涣散到碳粉载体上），可是Pt/C跟着运用时间的延长存在Pt颗粒溶解、搬迁、团聚现象，活性比外表积下降，难以满意碳载体的负载强度要求。Pt是贵金属，从商业化的视点看不宜继续作为常用催化剂成分，为了进步功能、削减用量，一般采纳小粒径的Pt纳米化涣散制备技能。但是，纳米Pt颗粒外表自由能高，碳载体与Pt纳米粒子之间是弱的物理相互效果；小粒径Pt颗粒会摆脱载体的束缚，搬迁到较大的颗粒上被兼并而消失，大颗粒得以生存并继续添加；小粒径Pt颗粒更易发生氧化反响，以铂离子的形式涣散到大粒径铂颗粒外表而堆积，然后导致团聚。为此，人们研制出了Pt与过渡金属合金催化剂、Pt核壳催化剂、Pt单原子层催化剂，这些催化剂最明显的改变是运用了Pt纳米颗粒在几何空间分布上的调整来削减Pt用量、进步Pt运用率，进步了质量比活性、面积比活性，增强了抗Pt溶解才能。经过碳载体掺杂氮、氧、硼等杂质原子，增强Pt颗粒与多种过渡金属（如Co、Ni、Mn、Fe、Cu等）的外表附着力，在进步耐久性的一起也利于增强含Pt催化剂的抗搬迁及团聚才能。

为了进一步削减Pt用量，无Pt的单/多层过渡金属氧化物催化剂、纳米单/双金属催化剂、碳基可控掺杂原子催化剂、M-N-C纳米催化剂、石墨烯负载多相催化剂、纳米金属多孔框架催化剂等成为范畴研讨热门；但这些新式催化剂在氢燃料电池实践工况下的归纳功能，如安稳性、耐腐蚀性、氧复原反响催化活性、质量比活性、面积比活性等，还需求继续验证。美国3M公司依据超薄层薄膜催化技能研制的Pt/Ir(Ta)催化剂，已完成在阴极、阳极平均低至0.09mg/cm2的铂用量，催化功率密度到达9.4kW/g（150kPa反响气压）、11.6kW/g（250kPa反响气压）。德国大众轿车集团牵头研制的PtCo/高外表积碳（HSC）也取得重要开展，催化功率密度、散热才能均超越了美国动力部拟定的规划方针值（2016—2020年）。后续，削减铂基催化剂用量、进步功率密度（催化活性）及依据此方针的MEA优化制备，仍是下降氢燃料电池体系商用本钱的重要途径。

1.3、气体涣散层

在氢燃料电池的电堆中，空气与氢气通入到阴、阳极上的催化剂层还需求穿越气体涣散层（GDL）。GDL由微孔层、支撑层组成，起到电流传导、散热、水办理、反响物供给的效果，因而需求杰出的导电性、高化学安稳性、热安稳性，还应有合适的孔结构、柔韧性、外表平坦性、高机械强度；这些功能对催化剂层的电催化活性、电堆能量转化至关重要，是GDL结构和资料功能的表现。微孔层一般由碳黑、憎水剂构成，厚度为10~100μm，用于改进基底孔隙结构、下降基底与催化层之间的接触电阻、引导反响气体快速经过涣散层并均匀分布到催化剂层外表、排走反响生成的水以防止“水淹”发生。因编织碳布、无纺布碳纸具有很高的孔隙率、满意的导电性，在酸性环境中也有杰出的安稳性，故支撑层资料首要是多孔的碳纤维纸、碳纤维织布、碳纤维无纺布、碳黑纸。碳纤维纸的平均孔径约为10.0μm，孔隙率为0.7~0.8，制作工艺老练、功能安稳、本钱相对较低，是支撑层资料的首选；在运用前需进行疏水处理，保证GDL具有适当的水传输特性，一般是将其浸入到疏水剂（如PTFE）的水涣散溶液中，当内部结构被彻底浸透后转移至高温环境中进行枯燥处理，然后构成耐用的疏水涂层。为进一步进步碳纤维纸的导电性，可能还会进行额外的碳化、石墨化进程。

在功能视点看，GDL均匀地将反响气体从流场引导至催化剂层，保证组件的机械完整性，并以必定的速度扫除阴极上的反响产品（水），防止阴极催化剂层发生“水淹”，也避免因失水过多导致阴极组件枯燥而下降各离子的传导率。因而，发生在GDL上的进程有：热转移进程、气态输运进程、两相流进程、电子输运进程、外表液滴动力学进程等。

GDL是燃料电池的水办理“中心”，经过对水的有用办理，进步燃料电池的安稳性、经济性；燃料电池对水的操控可以经过水办理体系的增湿器或自增湿PEM来部分完成，但首要还靠GDL的效果。GDL的厚度、外表预处理会影响传热和传质阻力，是整个氢燃料电池体系浓差极化、欧姆极化的首要源头之一；一般以减小GDL厚度的方式来下降浓差极化、欧姆极化，但也可能导致GDL机械强度不足。因而，研制亲疏水性合理、外表平坦、孔隙率均匀且高强度的GDL资料，是氢燃料电池要害技能。

对GDL的研讨，除了资料制备，还有关于紧缩、冻融、气流、水溶形成的机械降解以及燃料电池发动、关闭及“氢气饥饿”时的碳腐蚀形成的化学降解等的功能退化研讨。此外，为促进GDL资料规划与开发，研讨者运用中子照相技能、X-ray电子计算机断层描绘技能、光学可视化技能、荧光显微术等手法来可视化GDL资料结构和外表水的流动状况，并运用随机模型法、两相流模型数字化重构GDL宏观形貌（孔隙）结构；为研讨GDL气–液两相流行为，较多运用双流体模型、多相混合模型、格点Boltzmann办法、孔隙网络模型、流体体积（VOF）法等。

GDL技能状况老练，但面对挑战是大电流密度下水气通畅传质的技能问题和大批量出产问题，出产本钱依然居高不下；商业安稳供应的企业首要有加拿大巴拉德动力体系公司、德国SGL集团、日本东丽株式会社和美国E-TEK公司。日本东丽株式会社早在1971年开始进行碳纤维产品出产，是全球碳纤维产品的最大供应商，其他公司首要以该公司的碳产品为根底资料。

02|双极板

氢燃料电池中的双极板（BPs）又称流场板，起到分隔反响气体、除热、排出化学反响产品（水）的效果；需满意电导率高、导热性和气体致密性好、机械和耐腐蚀功能优良等要求。依据当时出产才能，BPs占整个氢燃料电池电堆近60%的质量、超越10%的本钱。依据基体资料品种的不同，BPs可分为石墨BPs、金属BPs、复合资料BPs。石墨BPs具有优异的导电性和抗腐蚀才能，技能最为老练，是BPs商业运用最为广泛的碳质资料，但机械强度差、厚度难以缩小，在紧凑型、抗冲击场景下的运用较为困难。因而，更具功能和本钱优势的金属BPs成为了开展热门，如干流的金属BPs厚度不大于0.2mm，体积和质量明显削减，电堆功率密度明显添加，兼具延展性杰出、导电和导热特性优、断裂韧性高级特色；当时，干流的氢燃料电池轿车公司（如本田、丰田、通用等品牌）都采用了金属BPs产品。

也要注意到，金属BPs耐腐蚀性较差，在酸性环境中金属易溶解，浸出的离子可能会毒化膜电极组件；跟着金属离子溶解度的添加，欧姆电阻添加，氢燃料电池输出功率下降。为处理耐腐蚀问题，一方面可在金属BPs外表涂覆耐腐蚀的涂层资料，如贵金属、金属化合物、碳类膜（类金刚石、石墨、聚苯胺）等；另一方面是研制复合资料BPs。复合资料BPs由耐腐蚀的热固性树脂、热塑性树脂聚合物资料、导电填料组成，导电填料颗粒可细分为金属基复合资料、碳基复合资料（如石墨、碳纤维、炭黑、碳纳米管等）。新式聚合物/碳复合资料BPs本钱低、耐腐蚀性好、质量轻，是金属BPs、纯石墨PBs的替代品。为了下降BPs的出产本钱以满意实践需求，开展和运用了液压成形、压印、蚀刻、高速绝热、模制、机械加工等制作办法。BPs供应商首要有美国Graftech国际有限公司、步高石墨有限公司，日本藤仓工业株式会社，德国Dana公司，瑞典Cellimpact公司，英国Bac2公司，加拿大巴拉德动力体系公司等。

03|氢燃料电池体系部件

为了保持电堆的正常作业，氢燃料电池体系还需求氢气供应体系、水办理体系、空气体系等外部辅佐子体系的协同合作，对应的体系部件有氢循环泵、氢瓶、增湿器、空气紧缩机。燃料电池在作业状况下会发生很多的水，过低的水含量会发生“干膜”现象，阻止质子传输；过高的水含量会发生“水淹”现象，阻止多孔介质中气体的涣散，导致电堆输出电压偏低。从阴极侧穿透到阳极的杂质气体（N2）不断堆集，阻止氢气与催化剂层的接触，形成局部“氢气饥饿”而引起化学腐蚀。因而，水的平衡对PEM氢燃料电池的电堆寿数具有重要意义，处理途径是在电堆中引进氢气循环设备（循环泵、喷发器）来完成气体吹扫、氢气重复运用、加湿氢气等功能。

氢气循环泵可依据工况条件实时操控氢气流量，进步氢气运用功率，但在涉氢、涉水的环境下易发生“氢脆”现象，在低温下的结冰现象可能导致体系无法正常作业；因而，氢循环泵需求具有耐水性强、输出压强安稳、无油的功能，制备难度较大，制作本钱昂贵。为此开展出了单引射器、双引射器方案，前者在高/低负载、体系启停、体系变载等工况下不易保持作业流的安稳性，后者能适应不同工况但结构复杂、操控难度大。还有一些引射器与氢循环泵并联、引射器加旁通氢循环泵方案，也有着鲜明的优缺点。2010年，美国技能咨询公司提出了一种氢循环体系规划方案，运用回流的尾气对注入氢气加湿（无需阳极增湿器），这代表了未来氢循环设备的开展方向。

氢燃料电池体系中的空气紧缩机，可供给与电堆功率密度相匹配的氧化剂（空气），压比高、体积小、噪声低、功率大、无油、结构紧凑，常见的车载燃料电池空压机有离心式、螺杆式、涡旋式等类型。现在运用较多的是螺杆式空气紧缩机，但离心式空气紧缩机因密闭性好、结构紧凑、振荡小、能量转化功率高级特色，较具运用远景。在空气紧缩机的要害部件中，轴承、电机是瓶颈技能，低本钱、耐摩擦的涂层资料也是开发要点。美国通用电气公司、联合技能公司、普拉格动力公司，德国Xcellsis公司，加拿大巴拉德动力体系公司，日本丰田轿车公司等都拥有商业化的空气紧缩机产品系列。

04|体系操控战略

氢燃料电池体系的寿数或耐久性，与体系操控战略密切相关。氢燃料电池轿车在发动时需求实时开发动力电源以取得满意的压力和反响气体；而在怠速或中止工作时，为了吹扫电堆内未反响彻底的气体和发生的水，也需求开发动力电源，躲避“水淹”“氢脆”、化学腐蚀等状况的呈现。因而，在氢燃料电池轿车的发动/中止、怠速、高/低负载等随机性改变的工况条件下，应依据现有体系结构、燃料电池衰减机理，优化操控战略来保证负载正常作业，然后保持氢燃料电池体系燃料（氢气、空气）供应流的均匀性、安稳性、热能与水平衡。近年来，在氢燃料电池体系（如PEMFC）操控方面开展或运用了诸如含糊逻辑操控、神经网络操控、含糊逻辑–比例积分微分操控（FLC-PID）等办法，操作简略、低本钱、不添加计算担负，是优化操控战略的前瞻方向。

三、我国氢燃料电池技能研制开展及要点开展方向

01|要害资料及组件研制开展

近年来，我国的氢燃料电池技能根底研讨较为活跃，在一些技能方向具备了与发达国家“比肩”的条件；但整体来看，所把握的中心技能水平、归纳技能体系尚不及具有领先地位的国家，如我国在1998年才呈现首个氢燃料电池发明专利，现在相关中心专利数仅占国际的1%左右。先发国家在氢燃料电池体系、组件、操控技能、电极等方面开展相对均衡，一些国际性企业在燃料电池体系、电池组件与加工、操控技能等方面居于国际领先地位（见图2、图3）。

图2首要国家在氢燃料电池方面的研制重心分布

图3氢燃料电池代表性企业的研制重心布局

在储氢方面，高压气态储氢技能在国内外取得普遍运用，低温液态储氢在国外有较大开展，而国内暂限于民用航空范畴的小范围运用。液氨、甲醇、氢化物、液体有机氢载体（LOHC）储氢在国外已有老练产品和项目运用，而国内仍处于小规模试验阶段。催化剂、GDL等要害零部件或资料处在研讨与小规模出产阶段，批量化产品的可靠性、耐久性还需求长期验证，首要技能为国外公司所把握。中山大洋电机股份有限公司、思科涡旋科技（杭州）有限公司、上海汉钟精机股份有限公司等国内企业，均处于氢气循环泵的产品研制验证阶段，部分公司已完成小批量产品供货。碳纸、碳布是制备GDL的要害资料，根底资料是碳纤维；我国碳纤维研制从20世纪80年代中期才开始，现在尚处于小规模出产阶段，出产的碳纤维很难一起满意电堆对于低电阻、高渗透性、机械强度大等的要求，与国外高功能碳纤维资料比较仍有较大差距。上海河森电气公司、上海济平新动力科技公司均有小批量的碳纸出产才能。我国已将碳纤维列为要点支撑的战略性新兴工业，相关技能在工业方针扶持下有望加速开展。

石墨BPs已完成国产化，金属BPs完成小批量供货，但耐久性、可靠性有待继续查验；相关研讨单位或企业有我国科学院大连化学物理研讨所、武汉理工大学、新源动力股份有限公司、国鸿氢能科技有限公司、上海弘枫实业有限公司等。上海重塑动力科技有限公司、上海捷氢科技有限公司、新源动力股份有限公司等氢燃料电池电堆供应商，产品功率到达国际先进水平，建成了自动化出产线；金属BPs电堆功率密度到达3.8kW/L，可在–30℃低温条件下自发动，完成6000h实车工况耐久性测验。安徽明日氢能科技股份有限公司、雄韬电源科技有限公司现已建成电堆自动化出产线。贵研铂业股份有限公司、我国科学院大连化学物理研讨所、上海交通大学、清华大学等从事催化剂研讨，其间我国科学院大连化学物理所制备的Pt3Pd/C合金催化剂已运用于燃料电池发动机。PEM已具有国产化才能，年产能可达数万平方米，但高端产品还依赖进口。空气紧缩机技能起步晚，2018年完成国产化并有小批量出产，但短少低功耗、高速、无油的空气紧缩机产品。

在工业开展方面，珠江三角洲、长江三角洲、京津翼区域出现出了数百家氢燃料电池公司；氢燃料电池商用车（客车、叉车）已完成批量出产，燃料电池乘用车尚处在运用演示阶段。国产乘用车、商用车的电堆功率与国外产品大致相当，但体系可靠性、耐久性、比功率、归纳寿数方面还需工况验证。国内一些企业把握了氢燃料电池体系研制技能，相关产品的冷发动、功率密度等功能明显进步，具有年产万台的批量化出产才能。但是与国际先进水平比较，国产电池体系中心零部件及体系的耐久性与可靠性仍存在必定差距。

02|要点开展方向

2.1、要害资料与中心组件的功能及产能进步

膜电极、BPs、氢气循环泵、空气紧缩机、GDL等中心组件，PEM、催化剂等要害资料，均已完成小规模自主出产，为未来大规模商业化出产储备了技能根底条件。氢燃料电池体系的国产化程度已从2017年的30%进步到2020年的60%。估计到2025年，金属BPs可彻底国产化，低功耗、高速、无油的空气紧缩机进入小规模自主出产阶段；机械强度高、孔隙率均匀、抗碳腐蚀的碳纤维制备技能有望取得打破，大电流密度条件下的GDL水气通畅传质问题有望得到处理。

在技能运用方面，从现阶段要点开展氢燃料电池客车、货车等商用车，逐步推广到乘用车、有轨电车、船舶、工业建筑、分布式发电等范畴。跟着要害资料的物理功能改进，各组件热学、力学、电化学安稳性进步，氢燃料电池体系的安稳性、归纳寿数将有明显改进。估计到2035年，燃料电池体系功率密度将由当时约3.1kW/L全面进步到约4.5kW/L，乘用车、商用车电堆寿数将由当时的5000h、15000h别离添加到6000h、20000h。

2.2、出产本钱的明显下降

氢燃料电池体系的本钱必定跟着技能进步、出产规模的扩展而下降，估计未来10年出产本钱将下降至现在的50%。燃料电池体系各部件的本钱构成，若依照年产量为5×105套、净功率为80kW/套计算，可树立剖析模型：膜电极本钱占比为27%，BPs本钱占比为12.4%，空气循环子体系（含空气紧缩机、质量监控传感器、温度传感器、过滤器等）本钱占比为25.8%，冷却回路（含高低温回路、空气预冷器、电子组件等）本钱占11.2%，其他本钱占23.6%。双极板和催化剂别离占整个电池电堆本钱的28%和41%，而气体涣散层、电解质膜、膜电极骨架三者本钱大体相当，约占电堆本钱的6%~8%；各部件在体系本钱中的占有比例跟着出产规模和各自的技能水平而改变。该剖析成果虽具有模型依赖性并树立在丰田Mirai车型数据及一些条件假设根底上，但揭示了未来进步氢燃料电池电堆功率密度、下降氢燃料电池体系制作本钱的途径。应要点开展低本钱、低Pt或无Pt的电催化剂，低本钱、轻薄型、高功能复合资料BPs，尽快发布工业方针和技能规范，在条件老练区域扩展燃料电池体系出产规模。

美国动力部计划在2025年完成氢燃料电池体系（功率为80kW）本钱方针40美元/kW，为远期的30美元/kW方针奠定根底，然后到达与内燃机轿车的出产本钱可比性。依照我国现有的技能储备条件，依据我国氢能联盟《我国氢动力及燃料电池工业白皮书》（2019年、2020年）预测，2035年我国氢燃料电池体系的出产本钱将降至当时的1/5（约800元/kW）；到2050年下降至300元/kW；到时燃料电池轿车拥有量将超越3×107辆，加氢站数量到达1×104座，氢能耗费占终端总动力耗费的10%。虽然不扫除因我国研讨机构与企业之间的深度协作而带来技能快速进步，到2035年氢燃料电池轿车本钱将具有与内燃机轿车平等的竞争力并根本挨近国外先进水平，但就现在的技能状况而言，需着力进步氢燃料电池电堆资料制备和部件制作技能，大幅度下降相关体系的出产本钱。

四、对策主张

01|强化制氢技能攻关，下降氢气燃料运用本钱

下降氢燃料本钱有利于氢燃料电池技能的推广运用，而大规模的氢燃料电池技能运用将进一步下降相关体系的本钱。主张切实推进与氢燃料电池技能工业链配套的制氢、储运氢、加氢站的开展，稳步下降氢气燃料运用本钱；要点开展并运用碳捕获与封存技能，经过风能、水能、太阳能、生物质能等可再生动力，传统谷电能施行大规模绿色制氢；对标当时国际先进水平的2~3mg/cm2催化剂Pt载量、3.7美元/kg产氢本钱的目标，要点采用PEM电解槽制氢技能道路，活跃开展高温固体氧化物电解水制氢技能。

02|加速要害资料和中心组件的技能攻关与转化运用

为进一步下降氢能的出产和运用本钱，无论是氢燃料电池仍是电解水制氢，需求大力开展碳纤维/布、PEM、催化剂、GDL、BPs等要害资料或中心组件的制备技能研讨与转化运用。主张构建“研讨机构/试验室–企业–工业园”的协同立异机制，鼓舞原创的打破性研讨成果进入企业开展“先行先试”，及早接受商场检测；在有条件的区域建造氢能工业园区，注重工业集群建造以构成规模化效应，然后促进氢燃料电池体系及氢气本钱的技能性下降；支撑自主研制企业的产品进驻氢能工业园区进行培育演示，国家级试验平台应侧重支撑企业进行产品证明和工况测验。多渠道、全方位引进社会资本参与加氢站、储运氢根底设施建造，经过项目试点和演示运营，助推氢燃料电池全工业链的稳健开展。

03|科学拟定工业规划，构建方针保障体系

主张研讨拟定有关氢能、氢燃料电池技能的中长期开展规划，做好体系的顶层规划。要害技能的打破与立异，安稳的专业人才队伍是要害，主张在2021—2035年周期内继续建立氢燃料电池国家级专项课题，供给安稳的经费支撑，鼓舞氢能及氢燃料电池研讨队伍倾力投入研讨。合理保持对氢燃料电池工业链的投入，从土地、税收、技能规范等诸多方面给予活跃支撑，鼓舞和引导氢燃料电池企业从事研制与工业化运用活动。有关技能规范体系的构建，是引导企业安全有序开展研制和商场活动的重要条件，主张体系研讨拟定加氢站等根底设施的安全规范建造文件，车辆、船舶、发电站等运用场景下氢燃料电池体系的技能和检测规范，出台法规文件缩短加氢站及氢燃料电池项目从审批、建造到运营的时间历程。