瞻觀前沿
應對環境挑戰的一種新方法是開發強大的氫燃料電池並將其商業化。 這些電池包含聚合物電解質膜，充當電極(使電流能夠流過物質的導體)之間的屏障。當車輛加速或減速時，燃料電池的執行不一致，導致產水量變化並導致膜膨脹和收縮。隨著時間的推移，重復變形會導致裂紋的形成，加速氫透過膜的意外傳輸，最終導致執行故障。 用於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膜。 然而，雖然這些方法提供了一些防禦，但它們不能完全阻止這些裂紋的形成和傳播。
現在，在【先進材料】雜誌上發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 教授領導的 研究小組開發出了一種耐疲勞的聚合物電解質膜。 Kim博士表示，為了確保燃料電池長期穩定執行， 有必要開發一種具有高抗重復疲勞失效能力的電解質膜，以反映燃料電池的實際執行環境和退化過程。 在我們的研究中，我們利用互穿網路來有意分散重復性壓力。
在這項研究中， 研究人員建立了一類抗疲勞電解質膜，由 Nafion 和全氟聚醚 (PFPE) 的互穿網路組成。 Nafion 是一種常用的塑膠電解質，具有質子傳導特性，而 PFPE 則形成耐用的橡膠狀聚合物網路。 橡膠的加入會略微降低電化學效能，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%，並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。這些結果共同表明，加入橡膠網路會適度降低電化學效能，但會顯著提高抗疲勞性和整體壽命。
這項研究在不同的套用中具有相當大的意義。 引入具有穩定性、耐用性和效能的燃料電池系統有可能為各行業的創新鋪平道路。 除了燃料電池汽車領域之外，它還可以影響無人機、個人飛行器、備用電源、叉車、自由車、踏板車等先進技術的發展。
圖片來源：攝圖網
技術價值觀察
燃料電池產業鏈主要由上遊氫氣供應及零部件、中遊整合以及下遊套用端組成，產業鏈較長，參與方眾多。具體來看， 上遊主要是氫氣的制備、儲運、加註以及膜電極、雙極板、燃料電池BOP等零部件生產制造行業 ;中遊為燃料電池系統整合行業;下遊各大套用領域包含交通運輸中的乘用車、商用車，固定發電中的家用或者電站用發電機及人員攜行式電源等。
研究發出了一種耐疲勞的聚合物電解質膜，會顯著提高燃料電池的疲勞閾值和使用壽命。因此從燃料電池產業鏈上看，該技術處於產業鏈的上遊環節。
宏觀市場觀察
——全球燃料電池裝機規模持續上漲
21世紀以來，全球暖化和環境汙染問題受到了國際的重視，各國家和地區都提出了減排目標。燃料電池產業迎來匯入期階段，即將進入高速發展期。
根據E4tech釋出的數據，2012-2021年全球燃料電池裝機量持續上升，從2012年的167MW增長到2021年的2313.1MW，年復合增長率為33.92%。初步統計，2022年全球燃料電池裝機量超3000 MW。
——日本燃料電池技術實力較強
根據Incopat披露的數據，截止2023年11月，中日韓美專利數量均位列全球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，專利數量均超50000項。
——燃料電池技術分析 電堆技術是核心
為實作燃料電池長壽命、低成本、可靠性和高效能的目標，燃料電池系統需要一系列核心技術支撐，燃料電池技術體系包括了電堆技術、系統設計及整合、批次制造以及系統測試等多方面。其中，電堆技術是燃料電池的技術核心，電堆的主要組成部份是膜電極和雙極板，膜電極主要由催化層、質子交換膜和瓦斯擴散層組成。
——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GGII披露的數據，2022年，中國燃料電池裝機量為506.9MW，同比上漲162.8%。
——2022年市場規模超24億元
根據E4tech與GGII披露的中國燃料電池裝機量數據和Frost&Sullivan披露的中國燃料電池系統價格數據測算中國燃料電池行業市場規模，可得到2022年中國燃料電池市場規模約為24.3億元，2017-2022年中國燃料電池市場規模的年復合增長率約為27%。
——燃料電池技術發展目標分析：降本是關鍵點
根據【節能與新能源技術路線圖2.0】，2035年前中國車用燃料電池要分階段突破的技術難點主要集中在燃料電池電堆、催化劑、質子交換膜、膜電極、雙極板等關鍵零部件上，其中燃料電池電堆降本是中國燃料電池技術發展的關鍵目標之一。
——2029年市場規模或超150億元
2017-2022年，中國燃料電池市場規模復合年增長率約為28%，其間還有疫情的影響。綜合中國未來燃料電池行業的發展規劃，預計中國燃料電池行業市場規模將不斷攀升。2024-2029年，預計中國燃料電池行業保持30%的復合年增長率，到2028年市場規模或超150億元。
中國燃料電池技術賽道熱力圖
根據前瞻產業熱力圖顯示， 目前燃料電池關鍵技術強相關的城市集群主要集中在粵港澳大灣區，尤其是深圳市成為重點發展區域。 這些城市群已投入大量政策、資金、環境和人才資源用於燃料電池，成為潛在的燃料電池技術開發中心。根據熱力圖的分布， 廣東省深圳市有極大的可能性成為燃料電池技術的先導區域。重點關註廣東省深圳市福田區、龍華區、寶安區以及坪山區等地的相關企業 ，以及這些地方對燃料電池產業發展的投資環境和潛力市場。
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