瞻觀前沿

應對環(huán)境挑戰(zhàn)的一種新方法是開發(fā)強大的氫燃料電池并將其商業(yè)化。這些電池包含聚合物電解質(zhì)膜，充當電極(使電流能夠流過物質(zhì)的導體)之間的屏障。當車輛加速或減速時，燃料電池的運行不一致，導致產(chǎn)水量變化并導致膜膨脹和收縮。隨著時間的推移，重復變形會導致裂紋的形成，加速氫通過膜的意外傳輸，最終導致運行故障。用于解決這些裂紋的一些方法包括自由基清除劑和碳氫化合物電解質(zhì)膜。然而，雖然這些方法提供了一些防御，但它們不能完全阻止這些裂紋的形成和傳播。

現(xiàn)在，在《先進材料》雜志上發(fā)表的一項最新研究中，由仁川國立大學的 Sang Moon Kim 副教授和哈佛大學的 Zhugang Suo 教授領(lǐng)導的研究小組開發(fā)出了一種耐疲勞的聚合物電解質(zhì)膜。Kim博士表示，為了確保燃料電池長期穩(wěn)定運行，有必要開發(fā)一種具有高抗重復疲勞失效能力的電解質(zhì)膜，以反映燃料電池的實際運行環(huán)境和退化過程。在我們的研究中，我們利用互穿網(wǎng)絡來有意分散重復性壓力。

在這項研究中，研究人員創(chuàng)建了一類抗疲勞電解質(zhì)膜，由 Nafion 和全氟聚醚 (PFP??E) 的互穿網(wǎng)絡組成。Nafion 是一種常用的塑料電解質(zhì)，具有質(zhì)子傳導特性，而 PFPE 則形成耐用的橡膠狀聚合物網(wǎng)絡。橡膠的加入會略微降低電化學性能，但會顯著提高疲勞閾值和使用壽命。與原來的Nafion相比，這種Nafion-PFPE膜將疲勞閾值提高了175%，并將燃料電池的壽命延長了1.7倍。此外，未改性的 Nafion 膜的使用壽命為 242 小時，而復合膜的使用壽命為410小時。這些結(jié)果共同表明，加入橡膠網(wǎng)絡會適度降低電化學性能，但會顯著提高抗疲勞性和整體壽命。

這項研究在不同的應用中具有相當大的意義。引入具有穩(wěn)定性、耐用性和性能的燃料電池系統(tǒng)有可能為各行業(yè)的創(chuàng)新鋪平道路。除了燃料電池汽車領(lǐng)域之外，它還可以影響無人機、個人飛行器、備用電源、叉車、自行車、踏板車等先進技術(shù)的發(fā)展。

圖片來源：攝圖網(wǎng)

技術(shù)價值觀察

燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈主要由上游氫氣供應及零部件、中游集成以及下游應用端組成，產(chǎn)業(yè)鏈較長，參與方眾多。具體來看，上游主要是氫氣的制備、儲運、加注以及膜電極、雙極板、燃料電池BOP等零部件生產(chǎn)制造行業(yè);中游為燃料電池系統(tǒng)集成行業(yè);下游各大應用領(lǐng)域包含交通運輸中的乘用車、商用車，固定發(fā)電中的家用或者電站用發(fā)電機及便攜式電源等。

研究發(fā)出了一種耐疲勞的聚合物電解質(zhì)膜，會顯著提高燃料電池的疲勞閾值和使用壽命。因此從燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈上看，該技術(shù)處于產(chǎn)業(yè)鏈的上游環(huán)節(jié)。

宏觀市場觀察

——全球燃料電池裝機規(guī)模持續(xù)上漲

21世紀以來，全球變暖和環(huán)境污染問題受到了國際的重視，各國家和地區(qū)都提出了減排目標。燃料電池產(chǎn)業(yè)迎來導入期階段，即將進入高速發(fā)展期。

根據(jù)E4tech發(fā)布的數(shù)據(jù)，2012-2021年全球燃料電池裝機量持續(xù)上升，從2012年的167MW增長到2021年的2313.1MW，年復合增長率為33.92%。初步統(tǒng)計，2022年全球燃料電池裝機量超3000 MW。

——日本燃料電池技術(shù)實力較強

根據(jù)Incopat披露的數(shù)據(jù)，截止2023年11月，中日韓美專利數(shù)量均位列全球TOP5;其中，日本以111847項位列全球第一，中國和美國分別位列第二、第三，專利數(shù)量均超50000項。

——燃料電池技術(shù)分析 電堆技術(shù)是核心

為實現(xiàn)燃料電池長壽命、低成本、可靠性和高性能的目標，燃料電池系統(tǒng)需要一系列核心技術(shù)支撐，燃料電池技術(shù)體系包括了電堆技術(shù)、系統(tǒng)設(shè)計及集成、批量制造以及系統(tǒng)測試等多方面。其中，電堆技術(shù)是燃料電池的技術(shù)核心，電堆的主要組成部分是膜電極和雙極板，膜電極主要由催化層、質(zhì)子交換膜和氣體擴散層組成。

——2022年中國燃料電池裝機量大幅上漲

2010-2022年，中國燃料電池裝機量總體呈上升趨勢。根據(jù)GGII披露的數(shù)據(jù)，2022年，中國燃料電池裝機量為506.9MW，同比上漲162.8%。

——2022年市場規(guī)模超24億元

根據(jù)E4tech與GGII披露的中國燃料電池裝機量數(shù)據(jù)和Frost&Sullivan披露的中國燃料電池系統(tǒng)價格數(shù)據(jù)測算中國燃料電池行業(yè)市場規(guī)模，可得到2022年中國燃料電池市場規(guī)模約為24.3億元，2017-2022年中國燃料電池市場規(guī)模的年復合增長率約為27%。

——燃料電池技術(shù)發(fā)展目標分析：降本是關(guān)鍵點

根據(jù)《節(jié)能與新能源技術(shù)路線圖2.0》，2035年前我國車用燃料電池要分階段突破的技術(shù)難點主要集中在燃料電池電堆、催化劑、質(zhì)子交換膜、膜電極、雙極板等關(guān)鍵零部件上，其中燃料電池電堆降本是我國燃料電池技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵目標之一。

——2029年市場規(guī)模或超150億元

2017-2022年，我國燃料電池市場規(guī)模復合年增長率約為28%，其間還有疫情的影響。綜合我國未來燃料電池行業(yè)的發(fā)展規(guī)劃，預計我國燃料電池行業(yè)市場規(guī)模將不斷攀升。2024-2029年，預計我國燃料電池行業(yè)保持30%的復合年增長率，到2028年市場規(guī)模或超150億元。

中國燃料電池技術(shù)賽道熱力圖

根據(jù)產(chǎn)業(yè)熱力圖顯示，目前燃料電池關(guān)鍵技術(shù)強相關(guān)的城市集群主要集中在粵港澳大灣區(qū)，尤其是深圳市成為重點發(fā)展區(qū)域。這些城市群已投入大量政策、資金、環(huán)境和人才資源用于燃料電池，成為潛在的燃料電池技術(shù)發(fā)展中心。根據(jù)熱力圖的分布，廣東省深圳市有極大的可能性成為燃料電池技術(shù)的先導區(qū)域。重點關(guān)注廣東省深圳市福田區(qū)、龍華區(qū)、寶安區(qū)以及坪山區(qū)等地的相關(guān)企業(yè)，以及這些地方對燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的投資環(huán)境和潛力市場。

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標簽： 燃料電池 電解質(zhì) 技術(shù) 隨筆