（三）氫燃料電池中的電解質(zhì)膜、電極、催化劑等核心部件分析

燃料電池堆主要是由單燃料電池構(gòu)成。單電池又包括雙極板、密封圈、膜電極（MEA），其中膜電極包括質(zhì)子交換膜、催化劑層和氣體擴散層。

1、膜電極組件（MEA）是保證電化學(xué)反應(yīng)的核心

膜電極組件（MEA）是將質(zhì)子交換膜、催化層電極、擴散層在浸潤Nafion液后，在一定溫度和壓力下，熱壓而成的三合一組件，是保證電化學(xué)反應(yīng)能高效進行的核心，其制備技術(shù)不但直接影響電池性能，而且對降低電池成本、提高電池比功率與比能量至關(guān)重要。

國外的主流供應(yīng)商有美國3M、美國杜邦、WLGore & Associates、日本旭硝子、英國JM、德國Solvicore等；國內(nèi)主要是部分研究機構(gòu)如武漢理工新能源、大連化學(xué)物理所等在從事電極和MEA的研究。

（1）MEA組件核心之一：質(zhì)子交換膜PEM

電解質(zhì)膜的作用是允許質(zhì)子通過而阻止未電解的燃料和氧化劑滲透到對方。氫燃料電池的電解質(zhì)膜主要用質(zhì)子交換膜。質(zhì)子交換膜（Proton Exchange Membrane Fuel，PEM）是氫燃料電池的最核心部件，是燃料電池電解質(zhì)和催化劑進行電化學(xué)反應(yīng)的基地。它與一般化學(xué)電源中使用的隔膜有區(qū)別。

最早用于燃料電池的質(zhì)子交換膜是美國杜邦公司于60 年代末開發(fā)的全氟磺酸質(zhì)子交換膜（Nafion膜），此后，又出現(xiàn)了其它幾種類似的全氟磺酸結(jié)構(gòu)質(zhì)子交換膜，包括美國Dow化學(xué)公司的Dow膜、日本Asahi Chemical公司的Aciplex膜和Asahi Glass公司的Flemion膜。目前主流供應(yīng)商依然以美國杜邦為主。

質(zhì)子交換膜性能要求非常高，目前在氫燃料電池中使用的質(zhì)子交換膜均采用全氟化聚合物材料合成，該材料穩(wěn)定性好、使用壽命長，相對來說可以保證良好的化學(xué)和電化學(xué)穩(wěn)定性、高質(zhì)子導(dǎo)電性、良好的阻氣性能、高機械強度、與電極較好的親和性。因此，它的開發(fā)和生產(chǎn)難度很大。制造成本過高，售價昂貴。為了獲得穩(wěn)定而廉價的燃料電池，質(zhì)子交換膜是最大的瓶頸和未來必須突破的領(lǐng)域。

國內(nèi)研究機構(gòu)如天津大學(xué)、武漢理工大學(xué)、大連化學(xué)物理所等在質(zhì)子交換膜領(lǐng)域研究較久。

國內(nèi)的商業(yè)化生產(chǎn)商，主要是大連新源動力和上海神力科技和同濟科技旗下的中科同力。

同濟科技，公司與中科院上海有機化學(xué)研究所、上海神力科技共同組建了中科同力化工材料有限公司，同濟科技目前持股36.23%。中科同力主要致力于質(zhì)子交換膜燃料電池關(guān)鍵材料與部件研發(fā)。

（2）MEA組件核心之二：催化劑

電催化是使電極與電解質(zhì)界面上的電荷轉(zhuǎn)移反應(yīng)得以加速的催化作用，電催化反應(yīng)速度不僅由電催化劑的活性決定，而且與雙電層內(nèi)電場及電解質(zhì)溶液的本性有關(guān)。催化層是發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的場所，是電極的核心部分。

迄今為止，質(zhì)子交換膜燃料電池的陰極和陽極有效催化劑仍以鉑和鉑碳顆粒為主，鉑貴金屬催化劑用量大和質(zhì)子交換膜成本高是燃料電池成本居高不下的重要原因。為了降低鉑的使用量，各大公司進行了持續(xù)研究，近幾十年來，膜電極上催化劑鉑的負載量從10mg/cm2降到了0.02mg/cm2，降低了近200倍。以豐田為例，公司力求通過改進鉑金材料的鍍層技術(shù)來降低鉑金催化劑的使用量。

如果未來貴金屬催化劑負載量能夠大幅降低，或者能被其他成本更低的催化劑取代，那么燃料電池系統(tǒng)放量的機會也將大幅提升。

目前鉑催化劑的國外主流供應(yīng)商有英國JM、日本TKK、美國E-TEK、德國BASF、比利時Umicore等，暫時國內(nèi)廠商突破還不明顯。

國內(nèi)研究機構(gòu)如長春應(yīng)用化學(xué)所、大連化物所、天津大學(xué)、中山大學(xué)等在燃料電池催化劑領(lǐng)域研究有一定突破。

（3）MEA組件核心之三：擴散層

上面的催化層和擴散層構(gòu)成了燃料電池的電極。

擴散層是支撐催化層、收集電流、并為電化學(xué)反應(yīng)提供電子通道、氣體通道和排水通道的隔層，由碳紙和防水劑聚四氟乙烯（PTEE）組成。其材料和制備技術(shù)對MEA的性能和電池的性能至關(guān)重要。

目前擴散層主要技術(shù)仍掌握在日本東麗、加拿大Ballard、德國SGL等少數(shù)廠商手中。

2、雙極板也是決定性能和成本的關(guān)鍵組件之一

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。常用的流道有平行流道、回旋型流道、蛇行流道，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Fujikura Rubber LTD、日本Kyushu Refractories CO.LTD、英國Bac2、加拿大Ballard等。

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。

（3）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。

五、成本高、配套少、集群少、投入大等制約因素開始發(fā)生變化

按照我們了解到的數(shù)據(jù)，2015年全球燃料電池銷量可能不足2000輛，其中占比最大的是豐田和現(xiàn)代途勝，市場總體規(guī)模依然較小。日本調(diào)查公司富士經(jīng)濟預(yù)測，2030年度燃料電池汽車全球市場規(guī)模將超過198萬-199萬輛，總金額將達4.75萬億日元，而2014年度全球市場規(guī)模約為11億日元，潛力增長空間巨大。那么，現(xiàn)在制約行業(yè)發(fā)展的主要因素有哪些？解決哪些問題后，燃料電池汽車將大幅放量？

我們調(diào)研后認為，燃料電池系統(tǒng)價格高、氫氣儲存運輸難、加氫站等基礎(chǔ)設(shè)施配套不完善、燃料電池企業(yè)研發(fā)投入大、產(chǎn)業(yè)化周期長都是阻礙行業(yè)發(fā)展的不利因素，但這些不利因素都在逐步發(fā)生好的變化。

（一）成本較高一直是制約燃料電池汽車發(fā)展的最重要原因

影響燃料電池汽車發(fā)展最大的因素是居高不下的成本問題，使用昂貴的質(zhì)子交換膜、貴金屬鉑作為催化劑、石墨雙極板高昂的加工成本等，導(dǎo)致質(zhì)子交換膜燃料電池成本約為汽油、柴油發(fā)動機成本10-20倍。因此，在所有商業(yè)化量產(chǎn)的燃料電池汽車中，最便宜的是豐田的Mirai，在日本售價是700萬日元，疊加日本政府補貼后相當于500萬日元，對應(yīng)人民幣約30萬元。與傳統(tǒng)燃油乘用車相比，依然屬于價格較高的水平。

從氫燃料電池汽車動力系統(tǒng)成本構(gòu)成來看，占比最大的是燃料電池系統(tǒng)，其造價約占總成本的三分之二，還有氫氣儲存系統(tǒng)和其他配件。要降低燃料電池系統(tǒng)成本，首要問題就是降低燃料組電池成本。現(xiàn)在燃料電池組的成本是1000-2000美元/kW，如果未來要取得商業(yè)化，并與內(nèi)燃機汽車競爭，燃料電池的成本必須降到50美元/kW。而降低燃料電池系統(tǒng)核心組件成本，迅速擴大銷售規(guī)模都是大幅降低燃料電池汽車總成本的主要途徑。

燃料電池組中最重要、成本占比最大的是質(zhì)子交換膜、電極（催化劑和擴散膜）、雙極板。

1、質(zhì)子交換膜是燃料電池的核心，也是成本占比最大的組件

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，一般每輛氫燃料電池汽車需要20平米以上，整車光質(zhì)子交換膜成本就需要5萬元，按照豐田最新Mirai燃料電池汽車售價30萬元來算，光質(zhì)子交換膜就占到整車成本15%以上。

2、鉑金催化劑成本較高，降低使用量或?qū)で筇娲烦蔀楫斍暗闹匾芯恐黝}

催化劑是發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的關(guān)鍵成分，目前質(zhì)子交換膜燃料電池的陰極和陽極有效催化劑仍以鉑和鉑碳顆粒為主，鉑貴金屬催化劑用量大和質(zhì)子交換膜成本高是燃料電池成本居高不下的重要原因。

2014年豐田氫燃料SUV車型每輛車使用的鉑金為100克，預(yù)計未來將減少到30克左右，按照GFMS預(yù)計，2016年鉑金平均價格達到每盎司1,005美元，相當于每輛車的燃料電池系統(tǒng)僅鉑金催化劑成本就有2萬多元，占目前燃料電池汽車整車成本的6%以上。如果整車的催化劑用量真的能夠降低到豐田預(yù)期的30克，其對應(yīng)的成本就能降低到6000多元。

為了降低鉑的使用量，各大公司進行了持續(xù)研究，近幾十年來，膜電極上催化劑鉑的負載量從10mg/cm2降到了0.02mg/cm2，降低了近200倍。比如美國能源部燃料電池技術(shù)辦公室FCTO用新的d-PtNi催化劑替代了NSTFPtCoMn催化劑，使得燃料電池系統(tǒng)的價格下降了1.85美元/kW；豐田公司力求通過改進鉑金材料的鍍層技術(shù)來降低鉑金催化劑的使用量。如果未來貴金屬催化劑負載量能夠大幅降低，或者能被其他成本更低的催化劑取代，那么燃料電池系統(tǒng)放量的機會也將大幅提升。