1、綜述：材料工藝進步+規(guī)?；?yīng)驅(qū)動燃料電池車降本，規(guī)模量產(chǎn)后將降60%

關(guān)鍵材料和部件的成本和耐久性是燃料電池實現(xiàn)商業(yè)化的基礎(chǔ)。綜合分析燃料電池車（FCV）各個環(huán)節(jié)，我們認為：

（1）整體來看，現(xiàn)階段（FCV規(guī)模＜1萬輛）降本空間最大的是空氣供應(yīng)系統(tǒng)，成本降幅可達到50%；長期來看（FCV規(guī)模＞1萬輛），主要結(jié)合材料、工藝進步以及技術(shù)路線的選擇來降低電堆系統(tǒng)的成本，降幅可達到70%以上，從而降低燃料電池整車成本。

（2）具體到各個環(huán)節(jié)來看，氣體擴散層、空壓機、儲氫瓶、電機電控系統(tǒng)和其他常用零部件（管路、連接部件等）降本主要由規(guī)?；?yīng)驅(qū)動；而質(zhì)子交換膜、催化劑、雙極板和其他較為關(guān)鍵的零部件（氫氣電池閥等）降本則需技術(shù)和材料工藝的進步加以推進。

2、關(guān)鍵材料和部件的成本和耐久性是燃料電池實現(xiàn)商業(yè)化的基礎(chǔ)

一質(zhì)子交換膜燃料電池具有多種性能優(yōu)勢，占據(jù)市場主導(dǎo)地位

燃料電池是把燃料中的化學(xué)能通過電化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)換為電能的高效發(fā)電裝置。常用的燃料電池按其電解質(zhì)不同，可以分為質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、磷酸燃料電池（PAFC）和堿性燃料電池（AFC）等。其中質(zhì)子交換膜燃料電池操作溫度低、啟動速度快，是一種環(huán)保、高效與高功率密度的發(fā)電方式，特別是在零排放交通動力應(yīng)用方面具有及其誘人的前景。

從件數(shù)角度來分析各類燃料電池的出貨量，質(zhì)子交換膜電池（PEMFC）仍占據(jù)統(tǒng)治性地位，從這一點上可以看出，質(zhì)子交換膜技術(shù)廣泛適用于各個領(lǐng)域，包括交通、備電和移動領(lǐng)域；相對而言，其他種類的燃料電池技術(shù)更傾向于專注于單一領(lǐng)域的使用，例如：MCFC和PAFC適用于固定式燃料電池電站、家用熱電聯(lián)產(chǎn)；SOFC使用于固定式和便攜式電源；甲醇重整燃料電池（DMFC）多用于移動設(shè)備、小型交通工具和小型備用電源設(shè)施。

以瓦數(shù)統(tǒng)計各類燃料電池的出貨量，我們發(fā)現(xiàn)PEMFC電池出貨量從2014年的60-70MW上升到了2015年的180MW，且超過了其他幾種燃料電池的總和。

2015年以來PEMFC出貨量（以瓦數(shù)計）的暴增一方面得益于豐田（功率114kw）和現(xiàn)代（功率110kw）等燃料電池車的產(chǎn)量增長；另一方面是因為日本和歐洲等地的小型熱電聯(lián)產(chǎn)項目持續(xù)增加，在這方面，日本和加拿大的企業(yè)占據(jù)主要市場。

4、結(jié)合各方面來看，質(zhì)子交換膜燃料電池在市場中占據(jù)主導(dǎo)地位。因此，我們后文對于成本方面的分析也主要基于質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）進行展開：

二新一輪FCV商業(yè)化浪潮正在迫近，關(guān)鍵在于其成本和耐久性

車用燃料電池在世界各國的不斷研發(fā)下，在能量效率、功率密度與比功率、低溫啟動等功能特性方面取得了突破性的進展，新一輪的燃料電池車產(chǎn)業(yè)化浪潮正在迫近。

商業(yè)化方面：

（1）歐美的燃料電池汽車研究和產(chǎn)業(yè)化都是在各大汽車公司的主導(dǎo)下進行的：GM新一代Hydrogen4預(yù)計將于今年年末上市；VW現(xiàn)階段的戰(zhàn)略重點是PHEV，注重技術(shù)儲備，已經(jīng)有數(shù)款PHEV車型問世，未來將會分別推出奧迪A7、帕薩特和高爾夫三款FC車型；福特和奔馳都計劃2017年實現(xiàn)商業(yè)化。

（2）日韓政府及產(chǎn)業(yè)界對燃料電池未來期望較高，企業(yè)掌握領(lǐng)先技術(shù)：TOYOTA是當(dāng)之無愧的電動汽車領(lǐng)頭羊，計劃2020年燃料電池車達到700臺/年的銷量；HONDA在今年上市，開始實現(xiàn)商業(yè)化，燃料電池技術(shù)與GM共同研發(fā)；尼桑新一代燃料電池汽車在2015年底上市。

能量效率方面：Hyundai-Kia開發(fā)的燃料電池發(fā)動機能量效率在25%額定功率（DC輸出電能與輸入氫燃料LHV的比值）；

功率密度與比功率方面：PEMFC模塊的功率密度大幅提升，日本豐田Sedan燃料電池汽車用PEMF模塊的功率密度達到3kw/L；英國IntelligentEnergy的新一代EC200-192模塊的功率密度達到5kw/L；日產(chǎn)2011modelPEMFC模塊比功率達到2kw/kg；

低溫啟動方面：豐田燃料電池汽車和本田燃料電池汽車分別實現(xiàn)了-37℃和-30℃啟動。

然而，無論是車用燃料電池，還是備用電源燃料電池，關(guān)鍵材料和部件的成本和耐久性都是目前存在的瓶頸，也是燃料電池實現(xiàn)商業(yè)化的基礎(chǔ)。根據(jù)美國能源部（DOE）2016年發(fā)布的《Multi-YearResearch,Development,andDemonstrationPlan》，為了實現(xiàn)商業(yè)化目標(biāo)，燃料電池系統(tǒng)需滿足以下要求：

（1）功率密度：2020年達到650W/L，長期達到850W/L；

（2）耐久性：2020年達到5000h，長期目標(biāo)8000h；

（3）規(guī)模生產(chǎn)成本：2020年達到40USD/kW，長期達到30USD/kW；

燃料電池車的商業(yè)化最終取決于購置成本和使用成本；其中，購置成本的降低主要有幾條途徑：1）開發(fā)新材料；2）制備工藝的集成創(chuàng)新；3）推進關(guān)鍵零部件和材料國產(chǎn)化進程；4）加速商業(yè)化進程實現(xiàn)規(guī)模效應(yīng)等；降低使用成本的途徑主要包括：1）降低燃料成本（制氫、氫氣儲運）；2）加氫站的布局和運營的合理化；3）提高燃料電池耐久性（即使用壽命）等。

使用成本中涉及到氫氣上游產(chǎn)業(yè)鏈的部分，我們在之前的燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈系列報告1~3中曾對于制氫成本、儲運成本和加氫站建設(shè)運營進行過系統(tǒng)的分析和研究，我們認為：氣氫拖車+氯堿副產(chǎn)氫是目前的最優(yōu)選擇，成本和環(huán)保方面都已經(jīng)成熟；未來液氫罐車+大規(guī)模工業(yè)制氫將是解決燃料電池普及之后的能源需求。相對于產(chǎn)業(yè)鏈的其他環(huán)節(jié)，加氫站投資規(guī)模不算大，對應(yīng)單車基礎(chǔ)投資約為5萬元/車（考慮加氫站補貼的情況）。

在對目前氫氣上游產(chǎn)業(yè)鏈進行分析和研究后，我們認為氫氣來源和加氫站的建設(shè)運營的商業(yè)化進程正在逐步提速、成本經(jīng)濟性也逐漸合理化，因此，本篇報告將聚焦于燃料電池車的購置成本降低路線和燃料電池的耐久性問題（以PEMFCV質(zhì)子交換膜燃料電池汽車為例）。

燃料電池車的購置成本主要取決于燃料電池系統(tǒng)成本，包括燃料電堆成本和系統(tǒng)主要部件成本。燃料電池系統(tǒng)成本約占燃料電池車成本的64%，其中，燃料電堆的成本約占整個燃料電池系統(tǒng)成本的47%。

美國能源部（DOE）氫和燃料電池項目對每年氫燃料電池系統(tǒng)的成本進行了測算，以80kw的質(zhì)子交換膜電池為樣本，以大規(guī)模生產(chǎn)（50萬個/年）為測算條件。結(jié)果表明，氫燃料電池系統(tǒng)成本已經(jīng)從2006年的124美元/kw降至2015年的53美元/kw（下降近60%）。

DOE認為質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)成本有望于2020年降至40美元/kw，最終目標(biāo)是實現(xiàn)30美元/kw。

燃料電池動力系統(tǒng)中，包括燃料電池電堆、氫氣系統(tǒng)和其他零部件。其中燃料電池電堆中的核心材料又分為膜電極（MEA）、雙極板及其他部件。膜電極是電化學(xué)反應(yīng)的核心部件，由電催化劑、質(zhì)子交換膜、氣體擴散層組成。

電催化劑(catalyst)的作用是降低反應(yīng)的活化能，促進氫、氧在電極上的氧化還原過程、提高反應(yīng)速率。目前主要研究方向包括Pt-M催化劑、Pt核-殼催化劑、Pt單原子層催化劑和非貴金屬催化劑。

質(zhì)子交換膜（protonexchangemembrane,PEM）是一種固態(tài)電解質(zhì)膜，其作用是隔離燃料與氧化劑、傳遞質(zhì)子（H+）。

氣體擴散層（GDL）位于流場和催化層之間，其作用是支撐催化層、穩(wěn)定電機結(jié)構(gòu)，并具有質(zhì)/熱/電的傳遞功能。

雙極板(bipolarplate,BP)的作用是傳導(dǎo)電子、分配反應(yīng)氣并帶走生成水，從功能上要求雙極板材料是電與熱的良導(dǎo)體、具有一定的強度以及氣體致密性等。

燃料電池工作方式與內(nèi)燃機相類似，除了燃料電池電堆之外，還包括燃料供應(yīng)子系統(tǒng)、氧化劑供應(yīng)子系統(tǒng)、水熱管理子系統(tǒng)及監(jiān)控子系統(tǒng)等。

車載空壓機是車用燃料電池重要部件之一，其作用是提供燃料電池發(fā)電所需要的氧化劑（空氣中的氧氣），要求空壓機能夠提供最高功率所需要的空氣。如果按照空氣化學(xué)計量比2.0計算，100kw的燃料電池系統(tǒng)大約需要300Nm3/h的空氣。

增濕器是燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的另一重要部件，這是因為質(zhì)子交換膜傳導(dǎo)質(zhì)子需要有水的環(huán)境，反應(yīng)氣通過增濕器把燃料電池反應(yīng)所需的水帶入燃料電池內(nèi)。

氫氣回流泵的作用是是燃料電池發(fā)電系統(tǒng)氫氣回路上把未反應(yīng)氫氣從燃料電池出口直接泵回燃料電池入口，與入口反應(yīng)氣匯合后進入燃料電池。

氫瓶在燃料電池汽車上相當(dāng)于傳統(tǒng)汽車的油箱。為了達到一定的續(xù)駛里程，目前國內(nèi)外開發(fā)的燃料電池汽車大多采用70Mpa高壓氣態(tài)儲氫技術(shù)，其中高壓氫瓶是關(guān)鍵技術(shù)。

另一方面，燃料電池的耐久性問題涉及面廣，挑戰(zhàn)大，是目前燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)化的棘手問題。通過研究燃料電池汽車的示范運營情況，業(yè)內(nèi)普遍認為燃料電池汽車的關(guān)鍵材料和部件的劣化模式主要有四種：（1）頻繁的啟停引起的高電位造成催化劑碳載體的腐蝕；（2）反復(fù)加減速引起的電位循環(huán)造成的催化劑鉑顆粒粗大化；（3）低負荷運行導(dǎo)致質(zhì)子交換膜分解；（4）低溫循環(huán)所伴隨的脹縮造成膜電極機械損傷。

《中國制造2025》目標(biāo)：2020年達到DOE的以上性能要求，2025年開始量產(chǎn)。原文中提到，“2020年，燃料電池堆壽命達到5000小時，功率密度超過2.5千瓦/升，整車耐久性到達15萬公里，續(xù)駛里程500公里，加氫時間3分鐘，冷啟動溫度低于-30℃；2025年，燃料電池堆系統(tǒng)可靠性和經(jīng)濟性大幅提高，和傳統(tǒng)汽車、電動汽車相比具有一定的市場競爭力，實現(xiàn)批量生產(chǎn)和市場化推廣。”

3、膜電極組件是燃料電池的核心部件，降本需結(jié)合技術(shù)進步

膜電極組件(MembraneElectrodeAssembly，MEA)是電化學(xué)反應(yīng)的核心部件，主要由質(zhì)子交換膜、催化劑層和氣體擴散層組成。電解質(zhì)隔膜兩側(cè)分別發(fā)生氫氧化反應(yīng)與氧還原反應(yīng)，電子通過外電路做功，反應(yīng)產(chǎn)物為水。膜電極組件直接影響到燃料電池的成本，燃料電池大量使用貴金屬鉑作為催化劑的活性成分，成為燃料電池成本居高不下的重要因素。根據(jù)DOE的測算，在大規(guī)模生產(chǎn)（50萬臺/年）的情況下，MEA占質(zhì)子交換膜電池（PEMFC）成本的60%。

技術(shù)方面，膜電極技術(shù)經(jīng)歷了幾代革新，大體上可以分為熱壓法、CCM（catalystcoatingmembrane）法和有序化膜電極三種類型。膜電極的材料、結(jié)構(gòu)及操作條件等決定著其電化學(xué)性能。膜電極結(jié)構(gòu)的有序化使得電子、質(zhì)子氣體傳質(zhì)高效通暢，對提高發(fā)電性能和降低PGM的載量提供了新的解決方案。有序化膜電極是下一代膜電極制備技術(shù)的主攻方向。

3M公司基于Pt基于薄膜的有序化膜電極是目前唯一可以量產(chǎn)的有序化膜電極，目前，該膜電極在質(zhì)子交換膜和氣體擴散層的匹配上、Pt基合金的配方上都有了新進展。

3M的膜電極性能達到了861mW/cm2@0.692V，PGV載量為0.118mg/c┫，成本降至5美元/kw。目前，該膜電極的鉑載量、成本及Q/△T值方面已經(jīng)達到美國DOE2020年目標(biāo)。

一催化劑：資源限制使得研究熱度高漲，未來降本主要依靠改性和非鉑催化劑研究

電催化劑是燃料電池的關(guān)鍵材料之一，目前燃料電池中常用的商用催化劑是Pt/C，由Pt的納米顆粒分散到碳粉（如XC-72）載體上的擔(dān)載型催化劑。

受到資源和成本方面的限制，目前Pt的用量已經(jīng)由10年前的0.8~1g/kw降低到目前的0.3~0.5g/kw。

（1）根據(jù)DOE統(tǒng)計，如果以現(xiàn)有技術(shù)進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1160噸，遠超過全球Pt的年產(chǎn)量（2015年178噸）。

（2）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)是催化劑用量達到傳統(tǒng)內(nèi)燃機尾氣凈化器貴金屬用量水平（＜0.05g/kw）

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（OxygenReductiveReaction,ORR）催化劑的穩(wěn)定性、利用率、改進電極結(jié)構(gòu)以降低Pt負載量，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。

燃料電池催化劑的主要生產(chǎn)商為美國的3M公司、Gore；英國的JohnsonMatthery；德國的BASF；日本的Tanaka；比利時的Umicore等。國內(nèi)的大連化物所也具備小規(guī)模的生產(chǎn)能力。

二質(zhì)子交換膜：全氟磺酸膜為主流，成本下降空間巨大，國產(chǎn)化進程提速

質(zhì)子交換膜（MEA）是燃料電池電解質(zhì)和電極活性物質(zhì)（催化劑）的基地，厚度僅為50~180um，其主要功能是在一定的溫度和濕度條件下，具有選擇透過性，即只容許H離子（質(zhì)子）透過，而不容許H2分子及其它離子透過。同時具有適度的含水率，對氧化、還原和水解反應(yīng)具有穩(wěn)定性，質(zhì)子交換膜具有足夠高的機械強度和結(jié)構(gòu)強度，以及膜表面適合與催化劑結(jié)合等性能；

質(zhì)子交換膜作為PEMFC的核心元件，從材料的角度來說，對其基本要求包括：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的能力)；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；6）水的電滲系數(shù)小；7）作為反應(yīng)介質(zhì)要有利于電極反應(yīng)；8）價格低廉。

目前常用的商業(yè)化質(zhì)子交換膜是全氟磺酸膜。生產(chǎn)全氟磺酸膜的主要國家包括美國、日本、加拿大和中國，美國杜邦（Dupont）的Nafion膜、陶氏化學(xué)（DowChemical）的Xus-B204膜、3M的膜；日本的旭硝子Flemion、旭化成Aciplex膜；加拿大Ballard公司BAM膜；國內(nèi)東岳集團DF988、DF2801質(zhì)子交換膜和新源動力、武漢理工的復(fù)合膜等。

山東東岳集團長期致力于全氟離子交換樹脂和含氟功能材料的研發(fā)，建成了年產(chǎn)50噸的全氟磺酸樹脂生產(chǎn)裝置、年產(chǎn)10萬m2的氯堿離子膜工程裝置和燃料電池質(zhì)子交換膜連續(xù)化十堰裝置，批量生產(chǎn)線還有待于進一步建設(shè)。

質(zhì)子交換膜的逐漸趨于薄型化，由幾十微米降低到十幾微米，降低質(zhì)子傳遞的歐姆極化，以達到更高的性能；為了提高耐久性，目前研發(fā)了一系列強復(fù)合膜。復(fù)合膜是由均質(zhì)膜改性而來的，利用均質(zhì)膜的樹脂與有機或無機物復(fù)合使其比均質(zhì)膜在某些功能方面得到強化，典型的包括：1）提高機械性能的復(fù)合膜；2）提高化學(xué)穩(wěn)定性的復(fù)合膜；3）具有增濕功能的復(fù)合膜

如美國Gore公司的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。

隨著燃料電池批量化生產(chǎn)及技術(shù)工藝的不斷優(yōu)化，質(zhì)子交換膜存在較大的降本空間。根據(jù)DOE數(shù)據(jù)顯示，80kw的燃料電池需要11.8平米的質(zhì)子交換膜，目前國內(nèi)企業(yè)主要向美國杜邦公司采購，每平米質(zhì)子交換膜成本約為400美金以上，對應(yīng)質(zhì)子交換膜總成本為4720美元（單位成本59美元/kw）。按照Mirai燃料電池車折合美元售價5.75萬美元來計算，目前質(zhì)子交換膜成本占整車成本為8.2%。要達到DOE對大規(guī)模生產(chǎn)（50萬臺/年）的成本要求，質(zhì)子交換膜成本將占整車成本3%，對應(yīng)成本為1.9美元/kw，說明質(zhì)子交換膜在大規(guī)模生產(chǎn)后，將由于規(guī)模效應(yīng)使得成本較快下降。

國產(chǎn)化進程加速：電子科大教授何偉東及其團隊在實驗室中研發(fā)出的質(zhì)子交換膜能夠與杜邦公司的產(chǎn)品抗衡（質(zhì)子傳導(dǎo)率是Nafion-117的1.78倍），且成本僅僅是后者的十分之一（約達到6美元/kw）。

三氣體擴散層：是關(guān)鍵材料中降本較簡單的環(huán)節(jié)，已踏出國產(chǎn)化第一步

氣體擴散層(GDL,gasdiffusionlayer)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。GDL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。

燃料電池生產(chǎn)商多采用日本東麗、加拿大Ballard、德國SGL等國際大生產(chǎn)商的炭紙產(chǎn)品。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)模化生產(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。

國產(chǎn)化碳紙與進口商品化碳紙比較，電阻率降低、透氣性增大，有利于燃料電池性能的提高，下一步需要建立批量生產(chǎn)設(shè)備，真正實現(xiàn)碳紙的國產(chǎn)化供給。

中南大學(xué)提出了化學(xué)氣相沉積（CVD）熱解炭改性碳紙的新技術(shù)。根據(jù)燃料電池服役環(huán)境中碳紙的受力變形機制，發(fā)明了與變形機制高度適應(yīng)的異型結(jié)構(gòu)碳紙，采用干法成型、CVD、催化炭化和石墨化相結(jié)合的連續(xù)化生產(chǎn)工藝，其產(chǎn)品的耐久性和穩(wěn)定性有所提升。

炭紙是燃料電池關(guān)鍵材料中，目前來看最容易做到成本下降的部分。我們預(yù)計，F(xiàn)CV規(guī)模達到1萬輛以上的情況下，炭紙的成本可以下降50%以上；FCV規(guī)模達到10萬輛以上時，炭紙成本將為目前的10%以下。

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。

4、雙極板：廣泛采用無孔石墨板，材料的不斷優(yōu)化提供降本可能性

雙極板,又叫流場板,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,一般采用在石墨板上雕刻流道的方式設(shè)計。作為質(zhì)子交換膜燃料電池的關(guān)鍵組件之一，雙極板占整個燃料電池重量的60%,成本的13%。其性能優(yōu)劣直接影響電池的輸出功率和使用壽命。

目前廣泛采用的雙極板材料為無孔石墨板,金屬板和復(fù)合材料雙極板的應(yīng)用也在逐步出現(xiàn)。

石墨是較早開發(fā)和用以制作雙極板的材料。目前石墨基雙極板的主流供應(yīng)商有美國POCO、美國SHF、美國Graftech、日本FujikuraRubberLTD、日本KyushuRefractories、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。

金屬板開始在部分領(lǐng)域替代石墨雙極板。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。目前金屬雙極板主要供應(yīng)商有瑞典Cellimpact、德國Dana、德國Grabener、美國treadstone等，國內(nèi)還處于研發(fā)試制階段。

復(fù)合材料雙極板近年來也開始有應(yīng)用,如石墨/樹脂復(fù)合材料、碳/碳復(fù)合材料等。

國內(nèi)還處于研發(fā)試制階段。上海治臻新能源裝備有限公司依托上海交大，研制出車用燃料電池金屬雙極板，并嘗試在電堆和整車中實際應(yīng)用。

未來成本降低來源于材料的優(yōu)化。目前,石墨雙極板是最成熟的已商業(yè)化的雙極板，具有良好的導(dǎo)電性能和耐腐蝕性能，但其成本高、易碎、質(zhì)重、強度和加工性較差。經(jīng)測算，F(xiàn)CV規(guī)模達到1萬輛以上，雙極板成本可降低20%以上；規(guī)模達到10萬輛以上，雙極板成本可下降30%以上。

（1）采用的加工方法是精密的機械加工，加工費用相當(dāng)高(每塊500cm2雙極板加工費大于100美元)，占雙極板費用的80%以上。石墨本身的易碎性決定了其加工時間較長，不容易大批量生產(chǎn)，故成本居高不下。若要降低成本，必須對雙極板材料本身進行優(yōu)化。

（2）未來，高性能、低成本、模壓成型的碳基復(fù)合材料、樹脂基復(fù)合材料，和具有優(yōu)異性能的金屬板是雙極板的發(fā)展趨勢。

金屬雙極板是替代石墨雙極板的最佳選擇。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。此外，石墨/樹脂復(fù)合材料等復(fù)合材料在導(dǎo)電性、力學(xué)性能等方面仍有待提高，距離商業(yè)化仍有一定距離。

國外已開始采用金屬雙極板，國內(nèi)電堆采用碳板電雙極板，國外金屬雙極板在絕對成本上僅為國內(nèi)的1/20。DOE提供了一項燃料電池電堆成本測算，基于的UTC電堆采用美國TreadStoneSS316L金屬雙極板；而國內(nèi)電堆采用碳板，基于這兩種碳板，我們得到如下成本對比分析：

成本組成占比對比：采用金屬雙極板電堆成本組成中，雙極板占比僅為10%；而國內(nèi)采用碳板電雙極板，成本組成占比高達40%；

絕對成本對比：國內(nèi)金屬雙極板成本僅為國內(nèi)碳板成本的1/10。2013年上海市新能源汽車推進辦公室舉辦的“高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化展”上展出的一種高效、低成本的質(zhì)子交換膜燃料電池用金屬雙極板，其成本約20元/片，僅為石墨雙極板的1/10。

5、空氣供應(yīng)系統(tǒng)：現(xiàn)階段降本突破口，長期看成本有60%的下降空間

空氣供應(yīng)系統(tǒng)為燃料電池提供空氣，為其中的化學(xué)反應(yīng)提供條件，是總系統(tǒng)的一個重要組成部分。

一方面，為了保證質(zhì)子交換膜具有良好的工作特性，要求供氣系統(tǒng)供給燃料電池堆的壓縮空氣絕對干凈；

另一方面，為了保證PEMFC具有較好的綜合性能，要求該子系統(tǒng)能夠根據(jù)燃料電池輸出功率的大小及時調(diào)整供氣量與供氣壓力，并具有結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，噪聲低，可靠性高，能量可回收等特點。

空氣供應(yīng)系統(tǒng)主要包括車載空壓機、車載儲氫瓶和其他零部件（氫氣循環(huán)泵、空濾器、氫氣電池閥等）。整體來看，空氣供應(yīng)系統(tǒng)是現(xiàn)階段降本的一個突破口，在FCV規(guī)模大于1萬輛后，空氣供應(yīng)系統(tǒng)成本將降低50%；未來（FCV規(guī)模＞10萬）在國產(chǎn)化加速和規(guī)?；?yīng)的雙重作用下，其總成本可以降低60%左右。

一車載空壓機：降本主要來自于批量生產(chǎn)和國產(chǎn)化加速

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（活塞式壓縮機、螺桿壓縮機）、速度型（離心式壓縮機、鼓風(fēng)機）、熱力型壓縮機（如噴射器）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。

螺桿式空壓機的優(yōu)點是壓力/流量可以靈活調(diào)整、啟停方便、安裝簡單；但其缺點是噪聲大、體積大、質(zhì)量重和價格高。目前美國GM、PlugPower、德國Xcellsis、加拿大Ballard等公司的燃料電池中都采用了螺桿壓縮機壓縮機/膨脹機供氣系統(tǒng)。

渦旋式空壓機也屬于容積式機械，在容積式流體機械中容積效率較高，且壓力與氣量連續(xù)可調(diào)，在寬的工況下都能達到較高的效率。渦旋機械可設(shè)計成壓縮機--電機--膨脹機共軸的一體化結(jié)構(gòu)型式。但與離心式相比尺寸和重量較大。日本豐田（TOYOTA）、美國UTC等公司的燃料電池系統(tǒng)也都采用了渦旋機械作為其供氣系統(tǒng)的核心部件。

離心式空壓機的價格相對便宜,質(zhì)量和體積功率密度高,是目前燃料電池用空壓機的開發(fā)方向。但是離心式空壓在偏離設(shè)計工況情況下性能下降嚴重。

美國能源部（DOE）從1998年起就一直在資助燃料電池供氣系統(tǒng)的研究和開發(fā)；我國以中科院大連化物所為代表的科研機構(gòu)等在空氣壓縮機方面也取得了一些進展；市場方面，雪人股份通過收購切入空壓機市場。

在美國能源部資助下，Honeywell公司設(shè)計開發(fā)了電機驅(qū)動的透平壓縮膨脹機，和容積式壓縮機相比，效率較高、成本較低。

DOE委托ArthurD.Little公司進行50Kw燃料電池用渦旋壓縮機/膨脹機供氣系統(tǒng)的開發(fā)研究。ArthurD.Little開發(fā)渦旋壓縮機能夠提供連續(xù)無脈動氣流。但由于泄露，高壓比3比較難以達到。其第二代渦旋機滿足DOE性能要求，連續(xù)運行500小時，3450rpm，76g/s流量，適合50kW燃料電池，但重量體積較大。

除主要的研究進展外，市場方面，我國雪人股份收購國際空壓機龍頭切入空壓機市場。公司持有空壓機龍頭瑞典OPCONAB公司17.01%的股權(quán),通過并購基金收購了OPCON業(yè)務(wù)核心兩大子公司SRM和OES100%股權(quán)。

空壓機未來成本降低主要來自于批量化生產(chǎn)和技術(shù)突破，經(jīng)測算，到量產(chǎn)1萬輛FCV規(guī)模的情況下，成本將下降70%以上，量產(chǎn)10萬輛FCV的情況下，成本僅為現(xiàn)階段成本的10%。

空壓機成本對產(chǎn)量敏感：不同于膜電機等成本主要來自于昂貴的原材料，空壓機成本更多來自加工與制造，所以成本對產(chǎn)量十分敏感，批量生產(chǎn)可以顯著降低空壓機成本。根據(jù)DOE測算，當(dāng)年產(chǎn)量達到50萬臺時，成本可從目前約2000美元每臺降低至約750美元每臺。

技術(shù)進步進一步推動降本：技術(shù)進步主要表現(xiàn)在系統(tǒng)集成度的提高和系統(tǒng)整體設(shè)計。在不同的負載區(qū)選擇合適的操作壓力，可以使得系統(tǒng)效率和輸出功率達到最優(yōu)，同時提高質(zhì)子交換膜的自增濕能力，從而有利于燃料電池動力系統(tǒng)的集成度提高和成本降低。

二車載儲氫瓶：儲氫技術(shù)是氫能應(yīng)用走向規(guī)模化的關(guān)鍵，批量化生產(chǎn)凸顯儲氫系統(tǒng)降本空間

儲氫的幾種主要方式主要包括物理儲氫（高壓氣態(tài)和低溫液態(tài)）、氫化物儲氫和吸附儲氫，其中氫化物儲氫和吸附儲氫都主要依賴于不同儲氫材料的性質(zhì)特點。高壓儲氫裝置體積密度低，但是技術(shù)成熟可靠，是目前最常見的儲氫方式；低溫液氫儲存成本較高，但加速性能、儲氫密度、最高車速和續(xù)駛里程等汽車性能方面,液氫存儲方案更具有優(yōu)勢;儲氫材料儲氫，儲氫密度最高，但目前仍處于研究階段。

儲氫瓶是儲氫系統(tǒng)的核心，成本占儲氫系統(tǒng)成本的1/3左右，車用氫氣鋼瓶主要向著高壓化、輕量化、低成本、質(zhì)量穩(wěn)定的方向發(fā)展。目前70MPa儲氫罐已經(jīng)處于大規(guī)模示范應(yīng)用階段，其性能已經(jīng)能滿足家用汽車使用需求，且80MPa儲氫罐的研發(fā)已經(jīng)陸續(xù)開始。

對于儲氫系統(tǒng)，美國能源部提出燃料電池汽車車載儲氫目標(biāo)是:儲氫體積密度為60kg/m3、儲氫質(zhì)量密度為6%。這就需要較高的內(nèi)部壓力以達到儲氫密度的要求，即需要高耐壓鋼瓶。

70MPa儲氫罐由碳纖維復(fù)合材料組成。耐壓容器是由碳纖維、玻璃、陶瓷等組成的薄壁容器,其儲氫方法簡單,成本低,儲氫質(zhì)量分數(shù)可達5%～10%,而且復(fù)合儲氫容器不需要內(nèi)部熱交換裝置。

目前我國采用材料-工藝-結(jié)構(gòu)一體化的優(yōu)化設(shè)計方法制造的70Mpa車用高壓纏繞氫氣瓶，多項技術(shù)指標(biāo)也達到了國際先進水平。

目前車載儲氫罐技術(shù)主要掌握在日本和美國企業(yè)手中。

美國Quantum公司的與美國國防部合作，成功開發(fā)了移動加氫系統(tǒng)HyHauler系列，美國國防部已經(jīng)前瞻性地將HyHauler系統(tǒng)應(yīng)用到部分車輛上進行檢測。

豐田在2015年5月舉行的日本汽車技術(shù)協(xié)會春季大會（日本汽車技術(shù)協(xié)會主辦）上發(fā)布，MIRAI的儲氫罐的輕量化瞄準的是中層，中層采用的是對含浸了樹脂的碳纖施加張力使之卷起層疊的纖維纏繞(Filamentwinding)工藝。纏繞方法有強化筒部的環(huán)向纏繞、強化邊緣的高角度螺旋纏繞和強化底部的低角度螺旋纏繞三種，三種方式均減少了纏繞圈數(shù)。通過將CFRP用量減少40％，使重量效率比原來提高了20％，達到了全球最高水平的5.7wt.％。

我國有部分企業(yè)已在儲氫技術(shù)方面取得突破：

京城股份：公司已于2014年完成70MPa高壓氫燃料車用儲氣瓶的開發(fā),性能達到了設(shè)計指標(biāo)和性能要求，打破了國內(nèi)70MPa儲氫瓶的技術(shù)瓶頸,目前正處于送樣階段。

富瑞特裝：2016年上半年，公司成立了氫能裝備有限公司，開展燃料電池汽車用高壓車載供氫系統(tǒng)、氫燃料電池汽車用加氫站及加氫站用撬裝化設(shè)備的研發(fā)工作，現(xiàn)已完成了車載供氫系統(tǒng)和加氫站的技術(shù)設(shè)計，為氫燃料電池物流車樣車提供了兩臺供氫系統(tǒng)。

上海清能：已經(jīng)開發(fā)和大規(guī)模生產(chǎn)安全性高，經(jīng)歐盟認證的金屬氫化物儲氫瓶，儲氫合金瓶批量化銷售。

武漢眾宇：專注于開發(fā)無人機用超輕量氫氣瓶（1L~20L）

儲氫瓶的成本主要來自儲氫瓶原材料與儲氫系統(tǒng)裝配，將通過原材料降本、集成度提高和規(guī)?；a(chǎn)的方式達到降低成本的目的。目前70Mpa鋼瓶成本較高，主要是因為（1）所使用的碳纖維等材料價格昂貴；（2）箱體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制作技術(shù)難度高。短期來看，我們認為，F(xiàn)CV數(shù)量如超過1萬輛，氫瓶成本即可下降50%以上，對應(yīng)地，F(xiàn)CV的整體成本可下降約3%。

降本主要來自于原材料成本降低：使用到碳纖維的內(nèi)襯、外殼、絕緣層等部分占儲氫罐成本的48%，占整個儲氫系統(tǒng)的16%。美國橡樹嶺國家實驗室采用高密度前驅(qū)體路線制備高強度碳纖維，顯著降低了碳纖維制備成本，同時使儲氫系統(tǒng)成本降低了11%。

其次來自合理設(shè)計系統(tǒng)集成：儲氫系統(tǒng)組成復(fù)雜，包括溫度調(diào)節(jié)裝置、氣體通道等部件。合理設(shè)計系統(tǒng)的集成方式可以優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)果，提高系統(tǒng)效率。

氣瓶成本對產(chǎn)量敏感：氣瓶結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裝配工藝繁瑣，批量化生產(chǎn)能夠顯著體現(xiàn)規(guī)模效應(yīng)，降低成本。產(chǎn)量達到50萬臺每年時，儲氫系統(tǒng)成本可降低至目前的45%。

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