燃料电池正式进入导入期

1、 政策不断加码，燃料电池市场开启元年

1.1、 燃料电池技术路线更为环保，发电系统具有复杂性

人类能源的发展史也是一部生产力发展史。从不发达社会使用收集的牲畜粪干、 秸秆茅草，到今天使用的石油、煤炭、天然气能源，人类社会的发展是随着能源的 进步而进步的。

从氢能生命周期的角度来看，只要有水，有太阳能、光能、核能、电能等一次 能源或者二次能源，就可以制成氢气。氢气的用途非常广泛，无论是发电、发热还 是用作交通燃料，最后氢气又会与氧化物反应生成水。氢就像个能源载体，跟电一 样的能源载体，将地球上的能量源源不断地应用到人类生活的方方面面。另外，只 要制氢的能量来源是可再生能源，那么整个氢能的生命周期也将是清洁环保可持续 的。

氢能源具备以下特点:(1)来源广，不受地域限制;(2)可储存，适应中大规 模的储能;(3)可再生能源桥梁，可以将其变成稳定能源;(4)零污染，零碳，是 控制地球温升的主要能源;(5)氢是全能的能源:可发电、可发热，也可用作交通 燃料。

燃料电池是一种不经过燃烧过程直接以电化学反应方式将燃料如氢气、天然气 等和氧化剂中的化学能直接转化为电能的高效发电装臵，是继水力发电、火力发电、 化学发电之后 第四种发电方式。燃料电池可以持续发电，且生成物主要是水，基 本上不排放有害气体，因此更加清洁环保。燃料电池的概念是最早由 W.Grove在 1839 年提出的，目前在特种航天、交通运输、消费电子产品及固定供电供热装臵 开始了运用。

与锂电池作为一种储能装臵不同，二者有着本质的差别。按其电解质不同，常 用的燃料电池包括质子交换膜燃料电池(PEMFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)、 熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、磷酸燃料电池(PAFC)和碱性燃料电池(AFC)等。其中质子交换膜燃料电池 PEMFC 操作温度低、启动速度快，是车用燃料电池 的首选。

燃料电池发电原理与原电池或二次电池相似，电解质隔膜两侧分别发生氢氧化 反应与氧还原反应，电子通过外电路作功，反应产物为水。燃料电池单电池包括膜 电极组件(MEA)、双极板及密封元件等。膜电极组件MEA是电化学反应的核心 部件，由阴阳极多孔气体扩散电极和电解质隔膜组成。额定工作条件下，一节单电 池工作电压仅为 0.7 V 左右，实际应用时，为了满足一定的功率需求，通常由数百节单电池组成燃料电池电堆或模块。因此，与其他化学电源一样，燃料电池电堆单 电池间的均一性非常重要。

与原电池和二次电池不同的是，燃料电池发电需要有一相对复杂的系统。典型 的燃料电池发电系统组成，除了燃料电池电堆外，还包括燃料供应子系统、氧化剂 供应子系统、水热管理子系统及电管理与控制子系统等，其主要系统部件包括空压 机、增湿器、氢气循环泵、高压氢瓶等，这些子系统与燃料电池电堆(或模块)组 成了燃料电池发电系统。燃料电池系统的复杂性给运行的可靠性带来了挑战。

燃料电池工作方式与内燃机类似的，其燃料是在电池外携带的，而原电池及二 次电池的活性物质是封装在电池内部，燃料电池所用的氢气可以像传统车汽油一样 充装速度快，只需要几分钟时间，显示出比纯电动汽车较大的优势;另外，70 MPa 的车载高压氢瓶，也保证了燃料电池汽车具有较长的续驶里程。因此，燃料电池汽 车在加氢、续驶里程等特性方面与传统车具有一定的相似性。

与目前在发电厂和乘用车广泛使用的以燃烧为基础的技术相比，燃料电池拥有 很多优势。 由于其没有传统热机卡诺循环的限制，具有远高于内燃机30%-35%的 能源转换效率，燃料电池最高能效转化率超过 60%，且具备污染低、无机械震动、噪音低、能适应不同功率要求、可连续性发电、可靠性高等优势性能。

燃料电池汽车的主流技术为燃料电池与二次电池“电-电”混合模式，平稳运 行时依靠燃料电池提供动力，需要高功率输出时，燃料电池与二次电池共同供电， 在低载或怠速工况燃料电池在提供驱动动力的同时，给二次电池充电。这种“电- 电”混合模式，可使燃料电池输出功率相对稳定，有利于燃料电池寿命的提升。另 外，燃料电池输出电压要通过 DC-DC变换器使之与电机匹配。燃料电池电堆可采 用底板布局(如 Mirai)，也有的采用前舱布局(如美国通用汽车公司的 FCV)。

燃料电池电动汽车动力性能高、充电快、续驶里程长、接近零排放，是未来新 能源汽车的有力竞争者。国际上特别是日本车用燃料电池技术链已逐渐趋于成熟， 我国需要加大产业链建设，鼓励企业进行投入，发展批量生产设备，在产业链的建 立过程中促进技术链的逐步完善。同时，在成本、寿命方面还要继续进行研发投入， 激励创新材料的研制，加大投入强化电堆可靠性与耐久性考核，为燃料电池汽车商 业化形成技术储备。

1.2、 电池成本仍然较高，期待复制锂电规模效应之路

对于燃料电池技术，目前最大的问题是需要从能源供给转换全局考虑，如果没 有实现从石油能源往氢气的整体转换，并在较大地域范围覆盖，就没办法进行大规 模化应用。对于整车企业而言，市场规模就比较有限，需要较大的量才能有效降低 成本。

据美国能源部最新数据显示，以 80kW 质子交换膜燃料电池系统为例，2017 年，每生产 1000 套燃料电池，燃料电池系统(包括燃料电池电堆、高压储氢罐、 升压变频器、电动机、动力控制单元等)的成本达到179美元/kW，其中电堆成本 为 118 美元/kW;每生产 1 万套燃料电池，燃料电池系统成本为 79 美元/kW，其中 电堆成本为 39美元/kW。

以丰田 Mirai 为例，2015 年该车产量已达到700辆，2016 年提升至 2000 辆， 到 2020年将达到 3 万辆，这是 2017 年的10倍。如果按照上述数字折算，丰田 Mirai 的续航超过 600 公里，燃料电池组最大功率为114kW，核算其电堆成本为 1.1~1.3 万美元，整套燃料电池系统超过 2 万美金。而同等的电池系统大约需要 70-80kWh， 电池系统成本为 1.4-1.6 万美金。

2017年 LDV 汽车燃料电池系统包括燃料电池堆和组件，包括空气回路、燃料 回路、高(HTL)和低温液体(LTL)冷却剂回路，储氢罐和阀门不包括在成本分 析中。研究小组发现，功率密度的提高和阴极催化剂的铂含量降低(设定为 0.125 g/cm2)促使成本降低。然而，催化剂和双极板在大规模生产堆栈成本中占比最高， 尤其是 Pt和不锈钢的含量。研究小组发现，压缩机膨胀机(CEM)单元仍然是组 件中成本最高的一项。

燃料电池寿命不需要解决充电问题，其持续寿命主要是发电和行驶工况，现阶 段核心的难点之一就是解决燃料电池寿命，这个目标是5000-10000小时。目前国 际先进水平的燃料电池寿命是 5000 小时，部分电堆的寿命可能更高一些，而国内 水平只有 2000-3000 小时。

氢燃料发电的过程中，需要用到含铂催化剂，但铂金是贵金属，价格高昂。丰 田的燃料电池车 Mirai 每辆车用铂 20g，约合 0.17g/kW。根据美国能源部的规划， 到 2020 年燃料电池汽车用铂量预计会下降到 0.125g/kW。在这个层面，持续的技术投入对于原料的依赖还有持续的工作要做。

1.3、 固定电源应用最为广泛，交通动力运用成长空间大

燃料电池有三大类主要市场:固定电源、交通运输和便携式电源。

固定电源应用是目前最大的市场。固定电源市场包括所有的在固定的位臵运行 的作为主电源、备用电源或者热电联产的燃料电池，比如分布式发电及余热供热等。 固定燃料电池被用于商业、工业及住宅主要和备份能发电，它还可以作为动力源可 以安装在片源远位臵，如航天器、远端气象站、大型公园及游乐园、通讯中心、农 村及偏远地带，对于一些科学研究站和某些特种应用非常重要。

固定电源应用在燃料电池主流应用中占比最大，其中美国市场目渗透率略高， 大型企业的数据中心使用量呈较明显的上升趋势。除用于发电之外，热电联产(CHP) 燃料电池系统还可以同时为工业或家庭供电和供热。

交通动力应用是目前关注度最高的燃料电池应用领域。交通运输市场包括为乘 用车、巴士/客车、叉车以及其他以燃料电池作为动力的车辆提供的燃料电池，例 如特种车辆、物料搬运设备和越野车辆的辅助供电装臵等。

汽车用燃料电池作为动力系统是目前关注度最高的应用领域。这是目前是爆发 最迅猛，也是关注度最高的应用领域。燃料电池为动力的叉车是燃料电池在工业应 用内最大的部门之一。用于材料搬运的大多数燃料电池是质子交换膜燃料电池提供 动力，但也有一些直接甲醇燃料叉车进入市场。目前正在运营的燃料电池车队有大 量的公司，包括联邦快递货运、西斯科食品、GENCO、H-E-B 杂货店等。

而便携式电源市场包括非固定安装的或者移动设备中使用的燃料电池，目前相比锂电池的优势并不明显，因此市场渗透不快。

1.4、 相关政策支持显现，补贴标准保持不变

从国际看，美国、欧盟、日本、韩国等国家投入巨资研究燃料电池技术、强力 推动燃料电池产业发展并制定补贴政策和中长期发展规划，抢占行业制高点。目前 来看，燃料电池已经在交通领域、固定式发电领域、通信基站备用电源领域和物料 搬运领域所有成绩，正在逐步迈向商业化的步伐。

从国内看，燃料电池研究始于 1958 年，70 年代呈现出第一次高潮。“九五” 和“十五”期间，燃料电池作为国家支持的重点领域之一，形成了以大学研究院所 为主的研发体系，积累了一定经验;到“十一五”期间，196 辆燃料电池汽车服务于 北京奥运和上海世博会，奥运会后燃料电池大客车继续进行公交车示范;随着政策 和项目支持力度放缓，“十二五”期间有 2 项燃料电池相关的863项目;“十三五” 期间国家日益重视其发展，将氢能和燃料电池作为“十三五”发展的重点之一。

从 2006 年开始，我国开始制定与燃料电池相关的政策;2014 年《能源发展战略行动计划(2014-2020年)》，明确将氢能与燃料电池列入能源科技 20 个重点创新方向之一;2014 年《关于新能源汽车充电设施建设奖励的通知》提出“对符合国家标 准且日加氢能力不少于 200公斤的新建燃料电池汽车加氢站每个站奖励 400 万元”; 到 2015 年《2016-2020年新能源汽车推广应用财政支持政策》提到“2016 年燃料 电池汽车补助 20 万元，2017年-2020 年除燃料电池汽车外其他车型补助标准将适 当退坡”。

节能与新能源汽车技术路线中明确到 2025 年燃料电池汽车达到 10 万辆规模， 到 2030 年达到百万辆规模。2017 年 7 月，中国汽车技术研究中心发布《中国燃料 电池汽车发展路线图》，明确了我国氢能产业的近、中、远期发展目标与任务:2020 年行业总产值达到 3000 亿元，2030年产业产值突破 1 万亿。

1.5、 燃料电池汽车销量提升需要政府扶持推动

根据日经 BP 清洁技术研究所的研究，到 2015 年世界氢气相关市场规模约为 7 万亿日元。之后，燃料电池车与定臵燃料电池将带动市场扩大，市场规模将在2020年超过 10 万亿日元，到 2030 年将达到约37万亿日元。到那时，各国的发电企业 都将积极投资氢气发电，投入运营。2050 年的市场规模预期高达 160 万亿日元。

据 Information Trends 的研究结果，自 2013 年氢燃料电池车商业化到2017年 底，全球总计售出 6475 辆氢燃料电池乘用车。2016 年之前一共销售 3000 辆，2017 年销售 3382 辆，其中丰田Mirai就卖出 3000 辆，占比为 75%，本田和现代汽车分 别占 13%和 11%。丰田在推动燃料电池车商业化方面不遗余力，主要在美国市场 和日本市场同步大力推动。

燃料电池汽车的加氢站分布，在美国比较集中，主要在加州旧金山湾区、洛杉 矶及奥兰治县，对应超过50%的氢燃料电池车也在加州售出。从全球范围来看，燃 料电池汽车商业化进程正在加快，不过推动力主要源自于日本和韩国两个相对地域 狭小的国家。

2018年 6 月，韩国政府同意在未来五年内投资约 20 亿欧元用于氢燃料电池以 及加氢站的补贴。目标到 2022 年为 15000 辆燃料电池汽车和1000辆燃料电池公交 车提供资金。最重要的是，资助计划包括 310 个新的加氢站。

日本则致力于氢气站网络的发展和完善。2020 年前，日本计划推广 4 万辆氢 燃料电池汽车上路，并在 2025 年和2030年之前分别达到 20 万辆和 80 万辆。另外， 加氢站也将在 2020年之前发展到 160 个，在 2025 年和2030年前分别发展到 320 个和 720 个。

根据 Ofweek 产业研究院统计，2018 年中国燃料电池汽车销量共计833辆，同 比减少 20.5%。对比产量数据，2018 年我国氢燃料电池汽车产量达 1619 辆，同比 增加 27%。其中 12 月份生产的车辆多达 1153 辆，预计这些车辆部分将在 2019 年 实现销售。

2018年中国燃料电池客车销量同比大增 262.9%。与新能源汽车类似，我国燃 料电池汽车产量“翘尾现象”明显。2018 年12月燃料电池汽车销量达到 665 辆， 占全年销售总量的 78.3%。2018 年我国销售的燃料电池汽车中，燃料电池客车 421 辆，占全年销量的 50.5%，同比增长 262.9%。燃料电池货车销量412辆，同比减 少 55.8%。

主要受燃料电池货车销售情况影响，2018 年我国燃料电池汽车销售情况整体 呈下降趋势。但在各地政府示范项目的带动下，2018 年燃料电池客车采购合同频 现，燃料电池客车销量较 2017 年大涨。

受政策及加氢站建设等因素影响，2018 年广东省深圳、佛山、广州、云浮四 地区销售的燃料电池汽车总量达到 503 辆，占到全国销量的 60%。其中深圳、佛 山两地区分别销售燃料电池汽车350、106 辆。此外，北京、张家口地区也是燃料 电池汽车主要销售区域，两地分别销售燃料电池汽车 90 和74辆。

2018年各省市燃料电池客车销售分布较为均衡。燃料电池货车则主要集中在 广东、北京等地区，其中深圳市销售的350辆燃料电池汽车车型全部为中型货车。

与 2018 年我国燃料电池汽车生产情况一致的是，销售排名前三的企业分别为 中通、飞驰和福田，三家车企销售总量为 606 辆，占全部车企销量的 72.7%。涉及 燃料电池货车生产的仅有中通、飞驰、福田和青年曼五个品牌。燃料电池客车以大 中型客车为主，燃料电池货车以中型货车为主。

根据《中国氢能产业基础设施发展蓝皮书》，到 2020 年和 2030 年燃料电池车 保有量分别达到 1万辆和 200 万辆，加氢站分别达到 100 座和 1000座。

总体来看，2018 年中国燃料电池汽车产销规模与 2017 年相比没有明显变化， 而销售车型更加均衡，燃料电池客车数量增加明显。

2、 电堆是核心部分，材料技术构建壁垒

2.1、 化石燃料制氢和高压气态储氢为成熟路线

燃料电池上游主要是氢气和氧气，是燃料电池的动力来源。氧气较容易获得， 主要通过直接吸取空气作为氧气的来源。

制氢方法是将存在于天然或合成的化合物中的氢元素，通过化学的过程转化为 氢气的方法。根据氢气的原料不同，氢气的制备方法可以分为非再生制氢和可再生 制氢，前者的原料是化石燃料，后者的原料是水或可再生物质。制备氢气的方法目 前较为成熟，从多种能源来源中都可以制备氢气，每种技术的成本及环保属性都不 相同。主要分为五种技术路线:工业尾气副产氢、电解水制氢、化工原料制氢、石 化资源制氢和新型制氢方法等。

电解水制氢，在由电极、电解质与隔膜组成的电解槽中，在电解质水溶液中通 入电流，水电解后，在阴极产生氢气，在阳极产生氧气。

化石原料制氢，化石原料目前主要指天然气、石油和煤，其他还有页岩气和可 燃冰等。天然气、页岩气和可燃冰的主要成分是甲烷。甲烷水蒸气重整制氢是目前 采用最多的制氢技术。煤气化制氢是以煤在蒸汽条件下气化产生含氢和一氧化碳的 合成气，合成气经变换和分离制得氢。由于石油量少，现在很少用石油重整制氢。

化合物高温热分解制氢，甲醇裂解制氢、氨分解制氢等都属于含氢化合物高温 热分解制氢含氢化合物由一次能源制得。

工业尾气制氢，合成氨生产尾气制氢、石油炼厂回收富氢气体制氢、氯碱厂回收副产氢制氢、焦炉煤气中氢的回收利用等。

新型制氢方法，包括生物质制氢、光化学制氢、热化学制氢等技术。生物质制 氢指生物质通过气化和微生物催化脱氢方法制氢，在生理代谢过程中产生分子氢过 程的统称。光化学制氢是将太阳辐射能转化为氢的化学自由能，通称太阳能制氢。 热化学制氢指在水系统中，不同温度下，经历一系列化学反应，将水分解成氢气和 氧气，不消耗制氢过沉重添加的元素或化合物，可与高温核反应堆或太阳能提供的 温度水平匹配。

从全球范围来看，当前主要的制氢方法主要采用的是石化资源制氢，其次是化 工原料制氢。具体来看，制氢原料来源最多的是天然气，比重达到48%，其次是醇 类，比重为 30%。两者对应的制氢方法分别是石化资源制氢和化工原料制氢占比。 而原料来源于电解水的比重只占 4%，目前采用电解水制氢的方法还很少。而新型 制氢法几乎没怎么应用于大规模的制氢。

全球主流的选择是化石原料制氢和化工原料制氢。之所以如此，主要原因在于 化石原料制氢和化工原料制氢的成本较低，具有盈利空间。

日本主要的制氢产能主要来自于电解水制氢，该方式的制氢产能占总制氢产能 的 63%，而化石原料制氢、化工原料制氢、工业尾气制氢的制氢产能占比都比较小。 而我国则可以学习日本的电解水制氢的发展经验，发展电解水制氢技术。

从当前技术、资源条件来看，我国主要采用化石原料制氢法。虽然在煤制氢工 艺过程中，二氧化碳的排放水平较高，但可以引入二氧化碳捕捉技术(CCS)，降低 碳排放。

电解水制氢是最清洁、最可持续的制氢方式，并且是未来制氢的发展的重要方 向。当前制氢技术比较发达的日本，主要采用的制氢方法就是电解水制氢。但是电 解水制氢的成本很高，因此要大规模发展电解水制氢，降成本将是首要任务。当前， 电解水制氢成本主要来源于固定资产投资、用电成本和固定生产运维成本，其中电 价占总成本的77%，电价高是造成电解水成本高的主要原因。要发展电解水制氢就 需要降低用电成本。除此之外，还需要提高电解水制氢的效率，降低规模化制氢的 成本。

虽然目前水电解制氢成本远高于石化燃料，而煤气化制氢和天然气重整制氢相 对于石油售价已经存在利润空间。但是用化石燃料制取氢气不可持续，不能解决能 源和环境的根本矛盾。并且碳排放量高，煤气化制氢二氧化碳排放量高达 193kg/GJ， 天然气重整制氢也有 69 kg/GJ，对环境不友好。而电解水制氢是可持续和低污染的， 这种方法的二氧化碳排放最高不超过 30 kg/GJ，远低于煤气化制氢和天然气重整制 氢。

从成本和原料的可得性分析出化石原料制氢是当前最具有可行性的制氢方法。 但是这种制氢方法不可持续，并且不符合环保的要求，因此未来还是要发展清洁、 环保、可持续的电解水制氢。 再利用电力方面，如果充分利用弃风弃水的电量， 则有利于电解水制氢产业的发展。

氢是所有元素中最轻的，在常温常压下为气态，密度仅为 0.0899 kg/m3 ，是 水的万分之一，因此其高密度储存一直是一个世界级难题。

燃料电池储氢方式主要包括高压储氢、液态储氢以及储氢材料储氢，目前燃料 电池汽车储氢的主流技术是高压储氢，储存的气体氢通过氢泵进入电堆，同时氢泵 也可以调节氢气压力实现与空气压力的协调以保障电化学反应的稳定。

按照氢在输运时所处状态的不同，可以分为气氢输送、液氢输送和固氢输送。 其中前两者是目前正在大规模使用的两种方式。根据氢的输送距离、用氢要求及用 户的分布情况，气氢可以用管道网络，或通过高压容器装在车、船等运输工具上进 行输送。管道输送一般适用于用量大的场合，而车、船运输则适合于量小、用户比 较分散的场合。液氢、固氢输运方法一般是采用车船输送。

2.2、 MEA 为电池关键部件

膜电极组件(membrane electrode assembly，MEA)是集膜、催化层、扩散层于一体的组合件，是燃料电池的核心部件之一。

膜位于中间，两侧分别为阴极、阳极的催化层和扩散层，通常采用热压方法粘 结使其成为一个整体。其性能除了与所组成的材料自身性质有关外，还与组分、结 构、界面等密切相关。

目前，国际上已经发展了 3 代 MEA 技术路线:一是把催化层制备到扩散层上(GDE)，通常采用丝网印刷方法，其技术已经基本成熟;二是把催化层制备到膜 上(CCM)，与第 1 种方法比较，在一定程度上提高了催化剂的利用率与耐久性; 三是有序化的MEA，把催化剂如 Pt 制备到有序化的纳米结构上，使电极呈有序化结构，有利于降低大电流密度下的传质阻力，进一步提高燃料电池性能，降低催化 剂用量。其中第 1代、第 2 代技术已基本成熟，新源动力股份有限公司、武汉新能 源汽车等公司均可以提供膜电极产品。

电催化剂(catalyst)是燃料电池的关键材料之一，其作用是降低反应的活化 能，促进氢、氧在电极上的氧化还原过程、提高反应速率。因为氧还原反应(ORR) 交换电流密度低，是燃料电池总反应的控制步骤。目前，燃料电池中常用的商用催 化剂是 Pt/C，由 Pt 的纳米颗粒分散到碳粉(如 XC-72)载体上的担载型催化剂。

使用 Pt 催化剂受资源与成本的限制，目前Pt用量已从 10 年前 0.8~1.0 gPt〃kW-1 降至现在的 0.3~0.5 gPt〃kW-1，希望进一步降低，使其催化剂用量达 到传统内燃机尾气净化器贵金属用量水平(<0.05 gPt〃kW-1)，近期目标是 2020 年燃料电池电堆的 Pt 用量降至0.1 gPt〃kW-1 左右。Pt 催化剂除了受成本与资源 制约外，也存在稳定性问题，通过燃料电池衰减机理分析可知，燃料电池在车辆运 行工况下，催化剂会发生衰减，如在动电位作用下会发生 Pt 纳米颗粒的团聚、迁 移、流失，在开路、怠速及启停过程产生氢空界面引起的高电位导致催化剂碳载体 的腐蚀，从而引起催化剂流失。因此，针对目前商用催化剂存在的成本与耐久性问 题，研究新型高稳定、高活性的低 Pt 或非 Pt 催化剂是目前的热点。

车用燃料电池中质子交换膜(proton exchange mem?brane，PEM)是一种固 态电解质膜，其作用是隔离燃料与氧化剂、传递质子(H+)。在实际应用中，要求 质子交换膜具有高质子传导率和良好的化学与机械稳定性，目前常用的商业化质子 交换膜是全氟磺酸膜，其碳氟主链是疏水性的，而侧链部分的磺酸端基(-SO3H) 是亲水性的，故膜内会产生微相分离，当膜在润湿状态下，亲水相相互聚集构成离 子簇网络，传导质子。目前常用的全氟磺酸膜有Na?fion?膜及与 Nafion 膜类似的Flemion、Aciplex 膜及国内新源动力、武汉理工的复合膜等。

山东东岳集团长期致力于全氟离子交换树脂和含氟功能材料的研发，建成了年 产 50 t 的全氟磺酸树脂生产装臵、年产 10 万 m2 的氯碱离子膜工程装臵和燃料 电池质子交换膜连续化实验装臵，产品的性能达到商品化水平，但批量生产线还有 待进一步建设。目前车用质子交换膜逐渐趋于薄型化，由几十微米降低到十几微米， 降低质子传递的欧姆极化，以达到较高的性能。但是薄膜的使用给耐久性带来了挑 战，尤其是均质膜在长时间运行会出现机械损伤与化学降解，在车辆工况下，操作压力、干湿度、温度等操作条件的动态变化会加剧这种衰减。于是，研究人员在保 证燃料电池性能同时，为了提高耐久性，研究了一系列增强复合膜。

在质子交换膜燃料电池中，气体扩散层(gas diffusion layer，GDL)位于流场 和催化层之间，其作用是支撑催化层、稳定电极结构，并具有质/热/电的传递功能。 因此 GDL 必须具备良好的机械强度、合适的孔结构、良好的导电性、高稳定性。

通常 GDL 由支撑层和微孔层组成，支撑层材料大多是憎水处理过的多孔碳纸 或碳布，微孔层通常是由导电炭黑和憎水剂构成，作用是降低催化层和支撑层之间 的接触电阻，使反应气体和产物水在流场和催化层之间实现均匀再分配，有利于增 强导电性，提高电极性能。支撑层比较成熟的产品有日本的Toray、德国的 SGL 和 加拿大的AVCarb等。

燃料电池双极板(bipolar plate，BP)的作用是传导电子、分配反应气并带走 生成水，从功能上要求双极板材料是电与热的良导体、具有一定的强度以及气体致 密性等;稳定性方面要求双极板在燃料电池酸性(pH=2~3)、电位(E=~1.1 V)、湿 热(气水两相流，~80°C)环境下具有耐腐蚀性且对燃料电池其他部件与材料的相 容无污染性;产品化方面要求双极板材料要易于加工、成本低廉。燃料电池常采用 的双极板材料包括石墨碳板、复合双极板、金属双极板 3 大类。

由于车辆空间限制(尤其是轿车)，要求燃料电池具有较高的功率密度，因此 薄金属双极板成为目前的热点技术，几乎各大汽车公司都采用金属双极板技术，如 丰田公司、通用公司、本田公司等

燃料电池电堆(fuel cell stack)是燃料电池发电系统的核心。通常为了满足一 定的功率及电压要求，电堆通常由数百节单电池串联而成，而反应气、生成水、冷 剂等流体通常是并联或按特殊设计的方式(如串并联)流过每节单电池。燃料电池 电堆的均一性是制约燃料电池电堆性能的重要因素。燃料电池电堆的均一性与材料 的均一性、部件制造过程的均一性有关，特别是流体分配的均一性，不仅与材料、 部件、结构有关，还与电堆组装过程、操作过程密切相关。

常见的均一性问题包括由于操作过程生成水累积引起的不均一、电堆边缘效应 引起的不均一等。电堆中一节或少数几节电堆的不均一会导致局部单节电压过低， 限制了电流的加载幅度，从而影响电堆性能。从设计、制造、组装、操作过程控制 不均一性的产生，如电堆设计过程的几何尺寸会影响电堆流体的阻力降，而流体阻力降会影响电堆对制造误差的敏感度。

燃料电池电堆在车上通常要进行封装，为了保证氢安全，通常在封装内部要设 有氢传感器，当氢浓度超标时，会通过空气强制对流的方式排出聚集的氢，以免发 生危险。此外，封装内部通常还设有电堆单电压巡检原件，以对单电压输出情况进 行监控与诊断。

2.3、 系统部件与控制策略影响发电系统性能

燃料电池工作方式与内燃机类似，除了燃料电池电堆外，还包括燃料供应子系 统、氧化剂供应子系统、水热管理子系统及监控子系统等，其主要系统部件包括空 压机、增湿器、氢气循环泵、高压氢瓶等。燃料电池发电系统性能与耐久性，除了 与电堆本身有关外，还与系统部件与系统控制策略密切相关。

车载空压机是车用燃料电池重要部件之一，常用的空压机种类有离心式、螺杆 式、罗茨式等。空压机的任务是提供燃料电池发电所需要的氧化剂(空气中的氧气)， 要求空压机能够提供满足最高功率所需的空气，如果按空气化学计量比2.0计算， 100 k W 的燃料电池系统大约需要 300 Nm3〃h-1的空气。为了降低传质极化，可 在燃料电池的结构上改进，国际上有些产品的空气化学计量比已经降低至1.8，这 样可以减轻空压机供气负担，减少内耗。另外，由于车辆体积限制，要求空压机体 积小，因此需要空压机有高的电机转速，满足供气量要求。此外，能耗也是空压机 的重要指标，一般空压机的能耗占电堆输出功率的 10%以下才能保证整个系统高 的发电效率。目前，燃料电池车载空压机还是瓶颈技术之一，丰田汽车公司的空压 机是专有技术，并没有对外销售，广东省佛山广顺电器有限公司开发的车载空压机 还正在研究中。

增湿器是燃料电池发电系统另一重要部件，燃料电池中的质子交换膜需要有水 润湿的状态下才能够传导质子，反应气通过增湿器把燃料电池反应所需的水带入燃 料电池内部，常用的增湿器形式包括膜增湿器、焓轮增湿器等，原理是把带有燃料 电池反应生成水的尾气(湿气)与进口的反应气(干气)进行湿热交换，达到增湿 的目的。由于燃料电池薄膜的使用，透水能力增加，加大了阴极产生水向阳极侧的 反扩散能力，使得阴阳极湿度梯度变小。这样，一侧增湿即可满足反应所需的湿度 要求。目前，发展趋势是采用氢气回流泵带入反应尾气的水，系统不需要增湿器部 件，使得系统得到简化。

氢气回流泵的作用是燃料电池发电系统氢气回路上把未反应氢气从燃料电池 出口直接泵回燃料电池入口，与入口反应气汇合后进入燃料电池。利用回流泵一方 面可以实现把反应气尾气的水份带入电池起到增湿作用;另一方面，可以提高氢气 在燃料电池阳极流道内流速，防止阳极水的累积，避免阳极水淹;同时也起到了提 高氢气利用率的目的。

回流泵有喷射器与电动回流泵两种，前者的回流能力是固定的，因此只能在一 定的输出功率范围内有效;后者是采用电机变频控制电机使回流能力根据不同功率 进行响应。氢气回流泵在丰田汽车公司 Mirai 燃料电池车上得到了实施，该技术在 国内还正在开发中。

氢瓶在燃料电池汽车上相当于传统汽车的油箱。为了达到一定的续驶里程，目 前国内外开发的燃料电池汽车大多采用70 MPa 高压气态储氢技术，其高压氢瓶是 关键技术。常用的氢瓶分为四种类型:全金属气瓶(I 型)、金属内胆纤维环向缠绕 气瓶(II 型)、金属内胆纤维全缠绕气瓶(III 型)及非金属内胆纤维全缠绕气瓶(IV 型)。国际上大部分燃料电池汽车(如日本丰田汽车公司的 Mirai，图 19)采用的 都是IV型瓶，其储氢量可以达到 5.7%(质量分数)。IV 型瓶以其轻质、廉价的特 点得到开发商的认可。国内目前还没有IV型高压氢瓶的相应法规标准，35 MPa III 型氢瓶有一些供应商，如斯林达、科泰克等，同济大学对 70 MPa 氢瓶及加氢系统 方面进行了开发，依托于国家 863 课题的燃料电池加氢站正在建设中。

除了上述的系统部件外，系统的控制策略也非常重要。可以在现有材料的基础 上通过优化控制策略，提高耐久性。基于燃料电池衰减机理，提出车用燃料电池的 合理控制策略，规避如动态循环工况、启动/停车过程、连续低载或怠速等不利运 行条件的影响，提高燃料电池系统的寿命。

2.4、 产业链相关上市公司

我国在燃料电池产业链的多个环节中已经发展出了掌握核心技术的企业，同时 多家具有资本优势的企业参股了海外的龙头公司，包括潍柴动力、大洋电机、雪人 股份等。