從現(xiàn)有的技術(shù)與市場(chǎng)出發(fā)，，未來(lái)燃料電池成本的降低可以從三個(gè)方面入手：一是優(yōu)化材料和創(chuàng)新制造工藝，二是利用規(guī)?；?yīng)降低量產(chǎn)成本，三是建立標(biāo)準(zhǔn)化平臺(tái)化的體系。

燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈：電堆是核心

燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈

燃料電池上游主要是氫氣和氧氣，是燃料電池的動(dòng)力來(lái)源。氧氣較容易獲得，主要通過(guò)直接吸取空氣作為氧氣的來(lái)源。

目前氫氣的來(lái)源主要分為三類，一類是燒堿、鋼鐵及石油制煉產(chǎn)生的副產(chǎn)物，一類是通過(guò)化石燃料改制及電解水產(chǎn)生氫氣，而第三類目前使用較少，主要通過(guò)碘硫反應(yīng)及光觸媒等技術(shù)制備制取。

燃料電池儲(chǔ)氫方式主要包括高壓儲(chǔ)氫、液態(tài)儲(chǔ)氫以及儲(chǔ)氫材料儲(chǔ)氫，目前燃料電池汽車儲(chǔ)氫的主流技術(shù)是高壓儲(chǔ)氫，儲(chǔ)存的氣體氫通過(guò)氫泵進(jìn)入電堆，同時(shí)氫泵也可以調(diào)節(jié)氫氣壓力實(shí)現(xiàn)與空氣壓力的協(xié)調(diào)以保障電化學(xué)反應(yīng)的穩(wěn)定。

中游產(chǎn)業(yè)主要包括燃料電池電堆、空壓機(jī)、水泵、氫泵、儲(chǔ)氫器、加濕器以及部分裝配件，最終根據(jù)不同需求裝堆組成燃料電池。

下游主要是市場(chǎng)運(yùn)用，包括汽車、電子設(shè)備等。

燃料電池堆是產(chǎn)業(yè)鏈核心

電堆是燃料電池的電能來(lái)源，也是燃料電池中最為關(guān)鍵的部分，成本占比高達(dá)62%。國(guó)內(nèi)外在電堆性能方面差異較大，以豐田為例電堆中的單電池?cái)?shù)量可達(dá)300-400片，而輸出功率可達(dá)114KW，而國(guó)內(nèi)水平通常在30-60KW。

燃料電池電堆產(chǎn)業(yè)鏈及主要供應(yīng)商

電堆產(chǎn)業(yè)鏈分析

燃料電池電堆由端板、絕緣板、集流板以及多個(gè)單電池組成，其中催化劑和雙極板的成本占比較高，分別達(dá)到36%以及23%。

單電池主要由雙極板和膜電極組成，其中膜電極MEA由5層材料構(gòu)成，分別是最外層的兩層氣體擴(kuò)散層、兩層催化層以及一層質(zhì)子交換膜。

單電池需要由堆棧的方式構(gòu)成電池電堆，電堆的兩側(cè)需要端板、絕緣板以及集流板等結(jié)構(gòu)裝配，起固定、絕緣以及收集電流的作用。

質(zhì)子交換膜：電堆核心組件

質(zhì)子交換膜是電堆的核心組件，以聚合物膜作為電解質(zhì)，其性能直接影響燃料電池的性能。

質(zhì)子交換膜主要作用：一方面為電解質(zhì)提供氫離子通道，一方面作為隔膜隔離兩級(jí)反應(yīng)氣體，此外還需要對(duì)催化劑層起到支撐作用。

燃料電池工作時(shí)，負(fù)極供給燃料氫氣在鉑催化劑的質(zhì)子交換膜作用下分解成質(zhì)子氫離子和電子，氫離子可以通過(guò)質(zhì)子交換膜進(jìn)入正極和氧氣反應(yīng)生成水并釋放熱量，而電子則不能通過(guò)質(zhì)子交換膜，只能通過(guò)外電路形成電流為負(fù)載供電。

質(zhì)子交換膜類型主要包括全氟磺酸膜、非全氟化質(zhì)子交換膜、無(wú)氟化質(zhì)子交換膜、無(wú)氟化質(zhì)子交換膜、復(fù)合膜以及高溫膜。

目前商業(yè)應(yīng)用主要以全氟磺酸膜為主，但大多數(shù)種類膜在燃料電池高溫工況下化學(xué)性能不穩(wěn)定，成本較高。

采用多種材質(zhì)摻雜的復(fù)合膜可以大大改善機(jī)械性能，降低內(nèi)阻從而提升輸出功率，目前國(guó)內(nèi)外商業(yè)化均轉(zhuǎn)向復(fù)合膜領(lǐng)域。

目前市場(chǎng)上應(yīng)用較多的質(zhì)子交換膜產(chǎn)品主要來(lái)源于美國(guó)、日本以及加拿大等國(guó)家的企業(yè)，其中美國(guó)DuPont研制的全氟酸質(zhì)子交換膜應(yīng)用最為廣泛，主體材料是氟磺酸型離子交換樹(shù)脂。

催化層：低鉑用量是趨勢(shì)

催化層：鉑催化劑兼?zhèn)漭^高的利用率和催化活性，同時(shí)催化性能穩(wěn)定。

據(jù)哥本哈根研究團(tuán)隊(duì)研究表明，一般每毫克傳統(tǒng)催化劑能夠產(chǎn)生1安培電流，而1毫克鉑金屬能生成8安培電流。

鉑金屬屬于稀有的金屬，且全球分布不均勻，主要分布在南非、俄羅斯、津巴布韋等地區(qū)，三個(gè)地區(qū)鉑產(chǎn)量約占全球產(chǎn)量的90%。

燃料電池中出貨量較高的PEM、PA、DM均使用鉑族金屬作為催化劑的主要材料。

鉑價(jià)格大約在250元/克，高昂的鉑成本是燃料電池汽車降本的關(guān)鍵，低鉑用量是趨勢(shì)。催化劑主要來(lái)源于日本、德國(guó)等的公司，如日本的田中貴金屬等公司。

擴(kuò)散層：有望降低生產(chǎn)成本

氣體擴(kuò)散層通常由基底層和微孔層組成，基底層通常使用多孔的碳纖維紙、碳纖維織布、碳纖維非紡材料及碳黑紙，主要起到支撐微孔層的催化層的作用，微孔層主要是改善基底層孔隙結(jié)構(gòu)的一層碳粉，目的是降低催化層和基底層之間的接觸電阻，使得流道氣體以及產(chǎn)生水均布分配。

氣體擴(kuò)散層主要由導(dǎo)電的多孔材料組成，可以支撐催化層、收集電流，同時(shí)實(shí)現(xiàn)氣體和水在流場(chǎng)區(qū)域和催化劑之間的再分配。

擴(kuò)散層現(xiàn)階段主要供應(yīng)商是日本的東麗、德國(guó)SGL等公司，若國(guó)產(chǎn)化后，可降低開(kāi)發(fā)生產(chǎn)成本，可降低燃料電池制造成本。

雙極板：材料有待優(yōu)化

雙極板是將質(zhì)子交換膜燃料電池串聯(lián)起來(lái)組裝成電堆的關(guān)鍵部件，雙極板兩側(cè)分別與陽(yáng)極和陰極的膜電極接觸。

雙極板原材料主要包括：石墨、金屬材料、復(fù)合材料。

目前使用較多的是石墨，石墨擁有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和導(dǎo)電性，但石墨氣密性欠佳。

不銹鋼、鈦合金等金屬具有良好的導(dǎo)電性和散熱性，也可作為雙極板原材料，但由于金屬本身的耐腐蝕性能較弱，需要在金屬表面通過(guò)鍍膜的方式改變金屬表面特性以增加其耐腐蝕性，鍍層材料一般為鎳、鉻、鈦等涂層金屬以及這些金屬的碳化物或氮化物。

復(fù)合材料雙極板因其質(zhì)量較輕，較易加工也是雙極板的常用材料。雙極板供應(yīng)商國(guó)外主要是德國(guó)Dana公司提供金屬雙極板。

燃料電池電堆成本下降的路徑選擇

燃料電池成本下降是必然趨勢(shì)

根據(jù)美國(guó)能源部（DOE）的測(cè)算，以80kW質(zhì)子交換膜燃料電池為例，在大規(guī)模生產(chǎn)條件假設(shè)下，燃料電池的生產(chǎn)成本從在2010年以前大幅下降，從2011年開(kāi)始較為穩(wěn)定地維持在50美元/kW以上的水平，同時(shí)美國(guó)目標(biāo)在2020年將燃料電池成本降低到40美元/kW，并最終達(dá)到35美元/kW。

目前質(zhì)子交換膜燃料電池實(shí)際成本在1,000-2,000美元/kW左右，根據(jù)LuxResearch估計(jì)，汽車廠商制造燃料電池堆的價(jià)格約在50,000到100,000美元之間，而2016年12月豐田推出的新一代Mirai(參數(shù)|圖片)燃料電池汽車整車價(jià)格已經(jīng)低至5萬(wàn)美元。

燃料電池電堆成本下降路徑

從現(xiàn)有的技術(shù)與市場(chǎng)出發(fā)，我們認(rèn)為，未來(lái)燃料電池成本的降低可以從三個(gè)方面入手：一是優(yōu)化材料和創(chuàng)新制造工藝，二是利用規(guī)?；?yīng)降低量產(chǎn)成本，三是建立標(biāo)準(zhǔn)化平臺(tái)化的體系。

原材料價(jià)格昂貴或工藝不完善的部件，例如催化劑、質(zhì)子交換膜、雙極板等可以通過(guò)優(yōu)化制造材料改進(jìn)制備工藝的方式降低成本，現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)較完善的部件可通過(guò)建立標(biāo)準(zhǔn)化平臺(tái)化的產(chǎn)品體系并利用規(guī)模化生產(chǎn)的效應(yīng)有效建立成本優(yōu)勢(shì)。

優(yōu)化膜電極制備工藝。

膜電極是燃料電池發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能的關(guān)鍵部件，膜電極技術(shù)從最初的熱壓法到CCM法一直到最新的有序化膜電極技術(shù)，其生產(chǎn)成本持續(xù)下降，3M推出的有序化膜電極已經(jīng)把成本降到5美元/kW，預(yù)計(jì)未來(lái)可通過(guò)材料優(yōu)化，開(kāi)發(fā)低成本量產(chǎn)工藝，進(jìn)一步降低制造成本。

降低Pt用量，開(kāi)發(fā)低成本催化劑。

催化劑成本是制約膜電極成本的最大因素，現(xiàn)在最常用的催化劑是將納米Pt顆粒搭載在碳粉載體上使用。

鉑金屬因其儲(chǔ)量稀有，價(jià)格高昂，催化劑的材料成本很難通過(guò)量產(chǎn)規(guī)?；瘉?lái)降低，而只能通過(guò)技術(shù)革新來(lái)實(shí)現(xiàn)。

未來(lái)技術(shù)將著重于進(jìn)一步降低Pt用量、增強(qiáng)耐久性以及開(kāi)發(fā)非Pt催化劑，通過(guò)降低對(duì)貴金屬的依賴，大幅度降低成本。

創(chuàng)新成膜工藝，靜待規(guī)模量產(chǎn)。

質(zhì)子交換膜主要功能是分隔氫氣與氧氣傳遞質(zhì)子，是電化學(xué)反應(yīng)的關(guān)鍵部分。

全氟磺酸膜具有高溫分解、合成成本高等缺點(diǎn)，仍然需要開(kāi)發(fā)性能更好的復(fù)合膜。

目前國(guó)內(nèi)雖然已有部分企業(yè)能生產(chǎn)全氟磺酸膜，但市場(chǎng)仍然被進(jìn)口產(chǎn)品牢牢掌握，目前主流的供應(yīng)商是最早開(kāi)發(fā)應(yīng)用全氟磺酸膜的美國(guó)杜邦公司。

杜邦膜價(jià)格按乘用車用量計(jì)算相當(dāng)于120美元/kW，按上汽榮威950FuelCell搭載的30kW燃料電池計(jì)算，其質(zhì)子交換膜成本在25000元人民幣以上。依靠國(guó)產(chǎn)化技術(shù)探索，開(kāi)發(fā)新型制備工藝是目前降低質(zhì)子交換膜成本的必由之路。

擴(kuò)散層國(guó)產(chǎn)化加速打破國(guó)際壟斷。

氣體擴(kuò)散層用于分布反應(yīng)氣體，在電極和雙板之間傳導(dǎo)子熱量。

碳紙是目前應(yīng)用最廣泛的擴(kuò)散層材料，其制備技術(shù)研究比較完善，但其市場(chǎng)份額主要壟斷在德國(guó)SGL、日本東麗、加拿大巴拉德等幾家國(guó)際生產(chǎn)商手中，國(guó)內(nèi)的生產(chǎn)開(kāi)發(fā)起步較晚，目前僅有小批量的生產(chǎn)。

氣體擴(kuò)散層是目前燃料電池堆各部件中技術(shù)條件最成熟，商業(yè)化利用潛力最好的產(chǎn)品，未來(lái)通過(guò)在國(guó)內(nèi)建立批量化的生產(chǎn)設(shè)備，開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化平臺(tái)化的產(chǎn)品，降低開(kāi)發(fā)生產(chǎn)成本，可以大幅降低燃料電池中擴(kuò)散層的制造成本。

優(yōu)化雙極板材料，降低加工成本。

雙極板用于分隔氫氣與氧氣并收集電流，通常使用的材料是無(wú)孔石墨板或碳板，加工費(fèi)用高，石墨板材機(jī)械加工的費(fèi)用占據(jù)了雙極板的絕大部分，限制了雙極板規(guī)?；a(chǎn)。

發(fā)展趨勢(shì)是開(kāi)發(fā)石墨-樹(shù)脂復(fù)合材料與金屬基材料，其中金屬基材料最被看好，但同時(shí)也面臨著材料腐蝕與毒化的問(wèn)題。

我國(guó)是世界最大的石墨儲(chǔ)量國(guó)和出口國(guó)，開(kāi)發(fā)潛力巨大，未來(lái)的研究可以嘗試優(yōu)化石墨的加工方式，充分利用資源優(yōu)勢(shì)，有利于未來(lái)產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化。