燃料电池电堆材料：亟待产业化提升，空间培育中

电堆作为电化学反应的场所，也是燃料电池系统最为核心的部分。在燃料电池的成本构成中，电堆成本最大，占比高达 60%。电堆维系着整个燃料电池系统的能量输出过程。

通常为了满足一定的功率及电压要求，燃料电池电堆由多片单电池组成，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。单电池则由双极板、膜电极（包含质子交换膜、催化层和气体扩散层等）和密封件等构成。

质子交换膜、催化剂和气体扩散层共同构成膜电极（MEA），系燃料电池的“心脏”。其中，膜电极是质子交换膜燃料电池发生电化学反应的场所，是传递电子和质子的介质，为反应气体、尾气和液态水的进出提供通道。氢气从一侧（阳极）进入，与催化剂反应后分离为质子和电子。质子穿过膜到达另一个电极（阴极）。在这里与氧气合成，并在催化剂的作用下生成水。无法穿过质子交换膜的电子会从燃料电池中流出，用于产生电能。

膜电极有三层结构，最内层的质子交换膜起到单向传输质子并且隔离阴阳极反应气体的作用；质子交换膜两侧的催化剂材料决定了氢燃料电池的放电性能和寿命；膜电极最外

层的气体扩散层将氢气和氧气均匀的分布至催化材料表面，并起到收集电流、支撑催化层和排除副产物水的作用。膜电极两侧的双极板起到了提供气体流道、保证机械强度、防止电池气室中的氢气与氧气串通，并在串联的阴阳两极之间建立电流通路的作用。

质子交换膜：全氟磺酸膜是主流，部分国内企业已具备生产能力

质子交换膜是 PEMFC 的核心部件。质子交换膜的主要作用是为电解质提供氢离子通道，隔离阴阳极反应气体，同时对催化剂层起支撑作用。具体包括：（1）分隔阳极和阴极，阻止燃料和空气直接混合发生化学反应；（2）传导质子，质子传导率越高，膜的内阻越小，燃料电池的效率越高；（3）电子绝缘体，阻止电子在膜内传导，从而使燃料氧化后释放出的电子只能由阳极通过外线路向阴极流动，产生外部电流以供使用。

从膜的结构来看，PEM 大致可分为三大类：磺化聚合物膜，复合膜，无机酸掺杂膜。目前研究的 PEM 材料主要是磺化聚合物电解质，按照聚合物的含氟量可分为全氟磺酸质子交换膜、部分氟化质子交换膜以及非氟质子交换膜等。

目前最常用的商业化的质子交换膜是全氟磺酸膜，以美国杜邦公司的 Nafion®系列膜为代表的全氟磺酸膜是由碳主链和带有磺酸基团的醚支链构成，主链具有聚四氟乙烯结构，使分子具有极高的化学稳定性、热稳定性和较高的力学性能，确保了聚合物膜的长使用寿命；支链上磺酸基团具有亲水性，能够吸附水分子，具有优良的离子传导性。但是，在高温条件下，膜的导电性变差，且成本高、价格昂贵，易发生甲醇渗透。

为克服全氟磺酸膜价格昂贵、工作温度低等缺陷，研究人员开展了大量新型非全氟磺酸膜的研究以及无氟化质子交换膜的研究。非全氟磺酸膜明显降低薄膜成本，但电化学性能都不如 Nafion® 膜。无氟化质子交换膜实质上是碳氢聚合物膜，是质子交换膜发展的趋势，它的主要特点是成本相对于前两者都低、环保安全，但是目前制备工艺有待完善。

图表：主要质子交换膜类性能对比

资料来源：公开资料整理

市场上主要生产全氟磺酸膜的企业主要来自于美国、日本、加拿大及中国。全氟磺酸膜主要有如下类型产品：美国杜邦公司的 Nafion®系列膜；美国陶氏化学公司的 XUS-B204膜；日本旭化成的 Aciplex 膜；日本旭硝子的 Flemion 膜；日本氯工程公司的 C 膜；加拿大 Ballard 公司的 BAM 型膜, 其中最具代表性的是由美国杜邦公司研制的 Nafion®系列全氟磺酸质子交换膜。

图表：质子交换膜主要生产厂商及特点

资料来源：公开资料整理