燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈（三）| 電堆篇：PEMFC

　　1、綜述：材料工藝進(jìn)步+規(guī)?；?yīng)驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)商業(yè)化的基礎(chǔ)。綜合分析燃料電池車（FCV）各個(gè)環(huán)節(jié)，我們認(rèn)為：

　?。?）整體來(lái)看，現(xiàn)階段（FCV規(guī)模＜1萬(wàn)輛）降本空間最大的是空氣供應(yīng)系統(tǒng)，成本降幅可達(dá)到50%；長(zhǎng)期來(lái)看（FCV規(guī)模＞1萬(wàn)輛），主要結(jié)合材料、工藝進(jìn)步以及技術(shù)路線的選擇來(lái)降低電堆系統(tǒng)的成本，降幅可達(dá)到70%以上，從而降低燃料電池整車成本。

　　（2）具體到各個(gè)環(huán)節(jié)來(lái)看，氣體擴(kuò)散層、空壓機(jī)、儲(chǔ)氫瓶、電機(jī)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(dòng)；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(jìn)步加以推進(jìn)。

　　2、關(guān)鍵材料和部件的成本和耐久性是燃料電池實(shí)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(shì)，占據(jù)市場(chǎng)主導(dǎo)地位

　　燃料電池是把燃料中的化學(xué)能通過(guò)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(dòng)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(dòng)力應(yīng)用方面具有及其誘人的前景。

　　從件數(shù)角度來(lái)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(diǎn)上可以看出，質(zhì)子交換膜技術(shù)廣泛適用于各個(gè)領(lǐng)域，包括交通、備電和移動(dòng)領(lǐng)域；相對(duì)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(dòng)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(jì)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(guò)了其他幾種燃料電池的總和。

　　2015年以來(lái)PEMFC出貨量（以瓦數(shù)計(jì)）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(zhǎng)；另一方面是因?yàn)槿毡竞蜌W洲等地的小型熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)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(chǎng)。

　　4、結(jié)合各方面來(lái)看，質(zhì)子交換膜燃料電池在市場(chǎng)中占據(jù)主導(dǎo)地位。因此，我們后文對(duì)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(jìn)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(guó)的不斷研發(fā)下，在能量效率、功率密度與比功率、低溫啟動(dòng)等功能特性方面取得了突破性的進(jìn)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：

　?。?）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(jìn)行的：GM新一代Hydrogen 4預(yù)計(jì)將于今年年末上市；VW現(xiàn)階段的戰(zhàn)略重點(diǎn)是PHEV，注重技術(shù)儲(chǔ)備，已經(jīng)有數(shù)款PHEV車型問(wèn)世，未來(lái)將會(huì)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(jì)劃2017年實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

　　（2）日韓政府及產(chǎn)業(yè)界對(duì)燃料電池未來(lái)期望較高，企業(yè)掌握領(lǐng)先技術(shù)：TOYOTA是當(dāng)之無(wú)愧的電動(dòng)汽車領(lǐng)頭羊，計(jì)劃2020年燃料電池車達(dá)到700臺(tái)/年的銷量；HONDA在今年上市，開始實(shí)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(dòng)機(jī)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(dá)到3kw/L；英國(guó)Intelligent Energy的新一代EC200-192模塊的功率密度達(dá)到5kw/L；日產(chǎn)2011modelPEMFC模塊比功率達(dá)到2kw/kg；

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

　　然而，無(wú)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(shí)現(xiàn)商業(yè)化的基礎(chǔ)。根據(jù)美國(guó)能源部（DOE）2016年發(fā)布的《Multi-Year Research, Development, and Demonstration Plan》，為了實(shí)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(dá)到650W/L，長(zhǎng)期達(dá)到850W/L；

　?。?）耐久性：2020年達(dá)到5000h，長(zhǎng)期目標(biāo)8000h；

　?。?）規(guī)模生產(chǎn)成本：2020年達(dá)到40 USD/kW，長(zhǎng)期達(dá)到30 USD/kW；

　　燃料電池車的商業(yè)化最終取決于購(gòu)置成本和使用成本；其中，購(gòu)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(jìn)關(guān)鍵零部件和材料國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程；4）加速商業(yè)化進(jìn)程實(shí)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(chǔ)運(yùn)）；2）加氫站的布局和運(yùn)營(yíng)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?cè)谥暗娜剂想姵禺a(chǎn)業(yè)鏈系列報(bào)告1~3中曾對(duì)于制氫成本、儲(chǔ)運(yùn)成本和加氫站建設(shè)運(yùn)營(yíng)進(jìn)行過(guò)系統(tǒng)的分析和研究，我們認(rèn)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(lái)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(duì)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(duì)應(yīng)單車基礎(chǔ)投資約為5萬(wàn)元/車（考慮加氫站補(bǔ)貼的情況）。

　　在對(duì)目前氫氣上游產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)行分析和研究后，我們認(rèn)為氫氣來(lái)源和加氫站的建設(shè)運(yùn)營(yíng)的商業(yè)化進(jìn)程正在逐步提速、成本經(jīng)濟(jì)性也逐漸合理化，因此，本篇報(bào)告將聚焦于燃料電池車的購(gòu)置成本降低路線和燃料電池的耐久性問(wèn)題（以PEMFCV質(zhì)子交換膜燃料電池汽車為例）。

　　燃料電池車的購(gòu)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(gè)燃料電池系統(tǒng)成本的47%。

　　美國(guó)能源部（DOE）氫和燃料電池項(xiàng)目對(duì)每年氫燃料電池 系統(tǒng)的成本進(jìn)行了測(cè)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(wàn)個(gè)/年）為測(cè)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(rèn)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(shí)現(xiàn)30美元/kw。

　　燃料電池動(dòng)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(kuò)散層組成。

　　電催化劑(catalyst)的作用是降低反應(yīng)的活化能，促進(jìn)氫、氧在電極上的氧化還原過(guò)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（proton exchange membrane,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(kuò)散層（GDL）位于流場(chǎng)和催化層之間，其作用是支撐催化層、穩(wěn)定電機(jī)結(jié)構(gòu)，并具有質(zhì)/熱/電的傳遞功能。

　　雙極板(bipolar plate, 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(qiáng)度以及氣體致密性等。

　　燃料電池工作方式與內(nèi)燃機(jī)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(jī)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(jī)能夠提供最高功率所需要的空氣。如果按照空氣化學(xué)計(jì)量比2.0計(jì)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?yàn)橘|(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(guò)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(jìn)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(dá)到一定的續(xù)駛里程，目前國(guó)內(nèi)外開發(fā)的燃料電池汽車大多采用70Mpa高壓氣態(tài)儲(chǔ)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(wèn)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(wèn)題。通過(guò)研究燃料電池汽車的示范運(yùn)營(yíng)情況，業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)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(fù)荷運(yùn)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(jī)械損傷。

　　《中國(guó)制造2025》目標(biāo)：2020年達(dá)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(dá)到5000小時(shí)，功率密度超過(guò)2.5千瓦/升，整車耐久性到達(dá)15萬(wàn)公里，續(xù)駛里程500公里，加氫時(shí)間3分鐘，冷啟動(dòng)溫度低于-30℃；2025年，燃料電池堆系統(tǒng)可靠性和經(jīng)濟(jì)性大幅提高，和傳統(tǒng)汽車、電動(dòng)汽車相比具有一定的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)和市場(chǎng)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(jìn)步

　　膜電極組件( Membrane Electrode Assembly，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(kuò)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(guò)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(cè)算，在大規(guī)模生產(chǎn)（50萬(wàn)臺(tái)/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（catalyst coating membrane）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(duì)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(kuò)散層的匹配上、Pt基合金的配方上都有了新進(jìn)展。

　　3M的膜電極性能達(dá)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(dá)到美國(guó)DOE2020年目標(biāo)。

　　一 催化劑：資源限制使得研究熱度高漲，未來(lái)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。

　?。?）根據(jù)DOE統(tǒng)計(jì)，如果以現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行燃料電池汽車商業(yè)化，每年車用燃料電池對(duì)Pt資源的需求高達(dá)1160噸，遠(yuǎn)超過(guò)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(zhǎng)期目標(biāo)是催化劑用量達(dá)到傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)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(wèn)題（主要體現(xiàn)在穩(wěn)定性上）。通過(guò)燃料電池衰減機(jī)制分析可知，燃料電池在車輛運(yùn)行工況下，催化劑會(huì)發(fā)生衰減，如在動(dòng)電位作用下會(huì)發(fā)生Pt納米顆粒的團(tuán)聚、遷移、流失等。針對(duì)這些成本和耐久性問(wèn)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(diǎn)。

　　許多研究著眼于提高Pt基陰極氧還原（Oxygen Reductive Reaction, ORR）催化劑的穩(wěn)定性、利用率、改進(jìn)電極結(jié)構(gòu)以降低Pt負(fù)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(guó)的3M公司、Gore；英國(guó)的Johnson Matthery；德國(guó)的BASF；日本的Tanaka；比利時(shí)的Umicore等。國(guó)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(guó)產(chǎn)化進(jìn)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(guò)性，即只容許H 離子（質(zhì)子）透過(guò)，而不容許H2 分子及其它離子透過(guò)。同時(shí)具有適度的含水率，對(duì)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(jī)械強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(lái)說(shuō)，對(duì)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(jī)械性能（如強(qiáng)度和柔韌性）；5）反應(yīng)氣體的透氣率低；6）水的電滲系數(shù)??；7）作為反應(yīng)介質(zhì)要有利于電極反應(yīng)；8）價(jià)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(guó)家包括美國(guó)、日本、加拿大和中國(guó)，美國(guó)杜邦（Dupont）的Nafion膜、陶氏化學(xué)（Dow Chemical）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(guó)內(nèi)東岳集團(tuán)DF988、DF2801質(zhì)子交換膜和新源動(dòng)力、武漢理工的復(fù)合膜等。

　　山東東岳集團(tuán)長(zhǎng)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(wàn)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(jìn)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(dá)到更高的性能；為了提高耐久性，目前研發(fā)了一系列強(qiáng)復(fù)合膜。復(fù)合膜是由均質(zhì)膜改性而來(lái)的，利用均質(zhì)膜的樹脂與有機(jī)或無(wú)機(jī)物復(fù)合使其比均質(zhì)膜在某些功能方面得到強(qiáng)化，典型的包括：1）提高機(jī)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(guó)Gore公司的Gore-select復(fù)合膜、大連化物所的Nafion/PTFE復(fù)合增強(qiáng)膜和碳納米管增強(qiáng)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(guó)內(nèi)企業(yè)主要向美國(guó)杜邦公司采購(gòu)，每平米質(zhì)子交換膜成本約為400美金以上，對(duì)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(jià)5.75萬(wàn)美元來(lái)計(jì)算，目前質(zhì)子交換膜成本占整車成本為8.2%。要達(dá)到DOE對(duì)大規(guī)模生產(chǎn)（50萬(wàn)臺(tái)/年）的成本要求，質(zhì)子交換膜成本將占整車成本3%，對(duì)應(yīng)成本為1.9美元/kw，說(shuō)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(guó)產(chǎn)化進(jìn)程加速：電子科大教授何偉東及其團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)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(dá)到6美元/kw）。

　　三 氣體擴(kuò)散層：是關(guān)鍵材料中降本較簡(jiǎn)單的環(huán)節(jié)，已踏出國(guó)產(chǎn)化第一步

　　氣體擴(kuò)散層(GDL, gas diffusion layer)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(kuò)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(jī)械強(qiáng)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(kuò)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(guò)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(chǎng)和催化層之間實(shí)現(xiàn)均勻再分配，有利于增強(qiáng)導(dǎo)電性，提高電極性能。

　　選擇性能優(yōu)良的氣體擴(kuò)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(kuò)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(jī)械強(qiáng)度；4）良好的化學(xué)穩(wěn)定性和導(dǎo)熱性能；5）較高的性價(jià)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(kuò)散層，主要有炭紙、炭纖維布、無(wú)紡布和炭黑紙，此外，也有的利用泡沫金屬、金屬網(wǎng)等來(lái)制備。

　　燃料電池生產(chǎn)商多采用日本東麗、加拿大Ballard、德國(guó)SGL等國(guó)際大生產(chǎn)商的炭紙產(chǎn)品。東麗目前占據(jù)較大的市場(chǎng)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(qiáng)度、高氣體通過(guò)率、表面平滑等優(yōu)點(diǎn)；但Toray炭紙由于其脆性大而不能連續(xù)生產(chǎn)的特點(diǎn)導(dǎo)致其難以實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，極大地限制了供應(yīng)量的增長(zhǎng)。我國(guó)對(duì)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(guó)產(chǎn)化碳紙與進(jìn)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(shí)現(xiàn)碳紙的國(guó)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(jī)制，發(fā)明了與變形機(jī)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(lái)看最容易做到成本下降的部分。我們預(yù)計(jì)，F(xiàn)CV規(guī)模達(dá)到1萬(wàn)輛以上的情況下，炭紙的成本可以下降50%以上；FCV規(guī)模達(dá)到10萬(wàn)輛以上時(shí)，炭紙成本將為目前的10%以下。

　　工藝方面，氣體擴(kuò)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(kuò)散層用炭紙具有良好且均勻的大量孔隙，能夠通過(guò)調(diào)節(jié)酚醛樹脂的量來(lái)控制孔隙率的大小，有利于加工成滿足實(shí)際需求的炭紙。

　　4、雙極板：廣泛采用無(wú)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(chǎng)板,主要起到起輸送和分配燃料、在電堆中隔離陽(yáng)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(jì)。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(gè)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(wú)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(guó) POCO、美國(guó)SHF、美國(guó)Graftech、日本 Fujikura Rubber LTD、日本 Kyushu Refractories、英國(guó)Bac2等。

　　石墨雙極板目前已實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，國(guó)產(chǎn)廠商主要有杭州鑫能石墨、江陰滬江科技、淄博聯(lián)強(qiáng)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(guó) Dana、德國(guó) Grabener、美國(guó) treadstone 等，國(guó)內(nèi)還處于研發(fā)試制階段。

　　復(fù)合材料雙極板近年來(lái)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(guó)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(shí)際應(yīng)用。

　　未來(lái)成本降低來(lái)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(qiáng)度和加工性較差。經(jīng)測(cè)算，F(xiàn)CV規(guī)模達(dá)到1萬(wàn)輛以上，雙極板成本可降低20%以上；規(guī)模達(dá)到10萬(wàn)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(jī)械加工，加工費(fèi)用相當(dāng)高(每塊500cm2雙極板加工費(fèi)大于100美元)，占雙極板費(fèi)用的80%以上。石墨本身的易碎性決定了其加工時(shí)間較長(zhǎng)，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(duì)雙極板材料本身進(jìn)行優(yōu)化。

　?。?）未來(lái)，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(shì)。

　　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(jī)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(guó)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(guó)外已開始采用金屬雙極板，國(guó)內(nèi)電堆采用碳板電雙極板，國(guó)外金屬雙極板在絕對(duì)成本上僅為國(guó)內(nèi)的1/20。DOE 提供了一項(xiàng)燃料電池電堆成本測(cè)算，基于的UTC電堆采用美國(guó)TreadStone SS 316L金屬雙極板；而國(guó)內(nèi)電堆采用碳板，基于這兩種碳板，我們得到如下成本對(duì)比分析：

　　成本組成占比對(duì)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(guó)內(nèi)采用碳板電雙極板，成本組成占比高達(dá)40%；

　　絕對(duì)成本對(duì)比：國(guó)內(nèi)金屬雙極板成本僅為國(guó)內(nèi)碳板成本的1/10。2013年上海市新能源汽車推進(jìn)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(zhǎng)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(gè)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(duì)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(shí)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(diǎn)。

　　空氣供應(yīng)系統(tǒng)主要包括車載空壓機(jī)、車載儲(chǔ)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(lái)看，空氣供應(yīng)系統(tǒng)是現(xiàn)階段降本的一個(gè)突破口，在FCV規(guī)模大于1萬(wàn)輛后，空氣供應(yīng)系統(tǒng)成本將降低50%；未來(lái)（FCV規(guī)模＞10萬(wàn)）在國(guó)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(jī)：降本主要來(lái)自于批量生產(chǎn)和國(guó)產(chǎn)化加速

　　空壓機(jī)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(jī)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(jī)、螺桿壓縮機(jī)）、速度型（離心式壓縮機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)）、熱力型壓縮機(jī)（如噴射器）等。目前，車用燃料電池使用的空壓機(jī)主要是容積型空壓機(jī)和速度型空壓機(jī)。

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

　　渦旋式空壓機(jī)也屬于容積式機(jī)械，在容積式流體機(jī)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(dá)到較高的效率。渦旋機(jī)械可設(shè)計(jì)成壓縮機(jī)--電機(jī)--膨脹機(jī)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(guó)UTC等公司的燃料電池系統(tǒng)也都采用了渦旋機(jī)械作為其供氣系統(tǒng)的核心部件。

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

　　美國(guó)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(guó)以中科院大連化物所為代表的科研機(jī)構(gòu)等在空氣壓縮機(jī)方面也取得了一些進(jìn)展；市場(chǎng)方面，雪人股份通過(guò)收購(gòu)切入空壓機(jī)市場(chǎng)。

　　在美國(guó)能源部資助下，Honeywell公司設(shè)計(jì)開發(fā)了電機(jī)驅(qū)動(dòng)的透平壓縮膨脹機(jī)，和容積式壓縮機(jī)相比，效率較高、成本較低。

　　DOE委托Arthur D.Little公司進(jìn)行50Kw燃料電池用渦旋壓縮機(jī)/膨脹機(jī)供氣系統(tǒng)的開發(fā)研究。Arthur D.Little開發(fā)渦旋壓縮機(jī)能夠提供連續(xù)無(wú)脈動(dòng)氣流。但由于泄露，高壓比3比較難以達(dá)到。其第二代渦旋機(jī)滿足DOE性能要求，連續(xù)運(yùn)行500小時(shí)，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(jìn)展外，市場(chǎng)方面，我國(guó)雪人股份收購(gòu)國(guó)際空壓機(jī)龍頭切入空壓機(jī)市場(chǎng)。公司持有空壓機(jī)龍頭瑞典OPConAB 公司 17.01%的股權(quán),通過(guò)并購(gòu)基金收購(gòu)了 OPCON 業(yè)務(wù)核心兩大子公司 SRM 和 OES 100%股權(quán)。

　　空壓機(jī)未來(lái)成本降低主要來(lái)自于批量化生產(chǎn)和技術(shù)突破，經(jīng)測(cè)算，到量產(chǎn)1萬(wàn)輛FCV規(guī)模的情況下，成本將下降70%以上，量產(chǎn)10萬(wàn)輛FCV的情況下，成本僅為現(xiàn)階段成本的10%。

　　空壓機(jī)成本對(duì)產(chǎn)量敏感：不同于膜電機(jī)等成本主要來(lái)自于昂貴的原材料，空壓機(jī)成本更多來(lái)自加工與制造，所以成本對(duì)產(chǎn)量十分敏感，批量生產(chǎn)可以顯著降低空壓機(jī)成本。根據(jù)DOE測(cè)算，當(dāng)年產(chǎn)量達(dá)到50萬(wàn)臺(tái)時(shí)，成本可從目前約2000美元每臺(tái)降低至約750美元每臺(tái)。

　　技術(shù)進(jìn)步進(jìn)一步推動(dòng)降本：技術(shù)進(jìn)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(jì)。在不同的負(fù)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(dá)到最優(yōu)，同時(shí)提高質(zhì)子交換膜的自增濕能力，從而有利于燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)的集成度提高和成本降低。

　　二 車載儲(chǔ)氫瓶：儲(chǔ)氫技術(shù)是氫能應(yīng)用走向規(guī)?；年P(guān)鍵，批量化生產(chǎn)凸顯儲(chǔ)氫系統(tǒng)降本空間

　　儲(chǔ)氫的幾種主要方式主要包括物理儲(chǔ)氫（高壓氣態(tài)和低溫液態(tài)）、氫化物儲(chǔ)氫和吸附儲(chǔ)氫，其中氫化物儲(chǔ)氫和吸附儲(chǔ)氫都主要依賴于不同儲(chǔ)氫材料的性質(zhì)特點(diǎn)。高壓儲(chǔ)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(chǔ)氫方式；低溫液氫儲(chǔ)存成本較高，但加速性能、儲(chǔ)氫密度、最高車速和續(xù)駛里程等汽車性能方面,液氫存儲(chǔ)方案更具有優(yōu)勢(shì); 儲(chǔ)氫材料儲(chǔ)氫，儲(chǔ)氫密度最高，但目前仍處于研究階段。

　　儲(chǔ)氫瓶是儲(chǔ)氫系統(tǒng)的核心，成本占儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)氫罐的研發(fā)已經(jīng)陸續(xù)開始。

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

　　70MPa儲(chǔ)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(chǔ)氫方法簡(jiǎn)單, 成本低, 儲(chǔ)氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)5%～10% , 而且復(fù)合儲(chǔ)氫容器不需要內(nèi)部熱交換裝置。

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

　　目前車載儲(chǔ)氫罐技術(shù)主要掌握在日本和美國(guó)企業(yè)手中。

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

　　豐田在2015年5月舉行的日本汽車技術(shù)協(xié)會(huì)春季大會(huì)（日本汽車技術(shù)協(xié)會(huì)主辦）上發(fā)布，MIRAI的儲(chǔ)氫罐的輕量化瞄準(zhǔn)的是中層，中層采用的是對(duì)含浸了樹脂的碳纖施加張力使之卷起層疊的纖維纏繞(Filament winding)工藝。纏繞方法有強(qiáng)化筒部的環(huán)向纏繞、強(qiáng)化邊緣的高角度螺旋纏繞和強(qiáng)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(guò)將CFRP用量減少40％，使重量效率比原來(lái)提高了20％，達(dá)到了全球最高水平的5.7wt.％。

　　我國(guó)有部分企業(yè)已在儲(chǔ)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(chǔ)氣瓶的開發(fā), 性能達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)和性能要求，打破了國(guó)內(nèi) 70MPa 儲(chǔ)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(jì)，為氫燃料電池物流車樣車提供了兩臺(tái)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(rèn)證的金屬氫化物儲(chǔ)氫瓶，儲(chǔ)氫合金瓶批量化銷售。

　　武漢眾宇：專注于開發(fā)無(wú)人機(jī)用超輕量氫氣瓶（1L~20L）

　　儲(chǔ)氫瓶的成本主要來(lái)自儲(chǔ)氫瓶原材料與儲(chǔ)氫系統(tǒng)裝配，將通過(guò)原材料降本、集成度提高和規(guī)?；a(chǎn)的方式達(dá)到降低成本的目的。目前70Mpa鋼瓶成本較高，主要是因?yàn)椋?）所使用的碳纖維等材料價(jià)格昂貴；（2）箱體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制作技術(shù)難度高。短期來(lái)看，我們認(rèn)為，F(xiàn)CV數(shù)量如超過(guò)1萬(wàn)輛，氫瓶成本即可下降50%以上，對(duì)應(yīng)地，F(xiàn)CV的整體成本可下降約3%。

　　降本主要來(lái)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(chǔ)氫罐成本的48%，占整個(gè)儲(chǔ)氫系統(tǒng)的16%。美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室采用高密度前驅(qū)體路線制備高強(qiáng)度碳纖維，顯著降低了碳纖維制備成本，同時(shí)使儲(chǔ)氫系統(tǒng)成本降低了11%。

　　其次來(lái)自合理設(shè)計(jì)系統(tǒng)集成：儲(chǔ)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(jì)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(duì)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(dá)到50萬(wàn)臺(tái)每年時(shí)，儲(chǔ)氫系統(tǒng)成本可降低至目前的45%。