摘要：燃料電池作為電池界的“后起之秀”具有原料來(lái)源廣泛、能量轉(zhuǎn)化率高且排放物只有水，對(duì)環(huán)境無(wú)污染等特點(diǎn)，這也使燃料電池越來(lái)越受到市場(chǎng)的重視。但是經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，燃料電池始終未全面普及，尤其是在新能源汽車領(lǐng)域，燃料電池只占有很小的市場(chǎng)份額，阻礙其市場(chǎng)擴(kuò)大的主要原因就是高昂的成本。對(duì)于燃料電池行業(yè)而言，產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展依托于政策的扶持、技術(shù)的進(jìn)步及產(chǎn)業(yè)鏈的完善，而燃料電池作為新能源的一種轉(zhuǎn)化形式，要想實(shí)現(xiàn)全面的商業(yè)化，就要把成本降低到可以與傳統(tǒng)能源競(jìng)爭(zhēng)的程度。筆者認(rèn)為，促進(jìn)燃料電池成本下降的方式有兩個(gè)：市場(chǎng)擴(kuò)大和技術(shù)進(jìn)步。前者是近幾年行業(yè)發(fā)展的主要的推動(dòng)力，而從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度來(lái)看，技術(shù)進(jìn)步則是燃料電池取代傳統(tǒng)能源方式的根本途徑。本文將從質(zhì)子交換膜燃料電池核心部件的角度探討燃料電池降低成本的可行途徑。

質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)組成如圖1所示，主要包括燃料電池電堆、氫氣系統(tǒng)和其他部件。其中燃料電池電堆中的核心部件又分為膜電極（MEA）、雙極板及其他部件。膜電極是電堆的核心部件，由電催化劑、質(zhì)子交換膜、氣體擴(kuò)散層組成。

圖1 質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)組成

（來(lái)源 國(guó)金證券研究所）

鉑催化劑價(jià)格昂貴 替代型催化劑將會(huì)大幅促進(jìn)成本降低

催化劑是燃料電池關(guān)鍵組成部分，目前商用催化劑主要選取金屬鉑，其高昂的價(jià)格也提升了燃料電池的成本。據(jù)測(cè)算，燃料電池催化劑鉑用量在0.3-0.5g/kw，市面上純度99.5%的鉑價(jià)格在200元/g，催化劑鉑金原材料成本價(jià)格就在60-100元/kw，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通催化劑的價(jià)格。除了價(jià)格高昂，鉑金資源的稀缺性也給燃料電池發(fā)展造成了阻礙，根據(jù)美國(guó)能源部統(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，每年新能源汽車車用燃料電池對(duì)鉑資源的需求高達(dá) 1160 噸，遠(yuǎn)超過(guò)全球鉑的年產(chǎn)量。除了受到價(jià)格和資源制約外，鉑的催化性能也存在一定的缺陷，燃料電池衰減機(jī)制顯示，燃料電池在車輛運(yùn)行過(guò)程中，催化劑會(huì)發(fā)生衰減，在動(dòng)電位作用下會(huì)發(fā)生鉑米顆粒的團(tuán)聚、遷移、流失等。針對(duì)鉑催化劑的成本和催化性能等問(wèn)題，研究高穩(wěn)定、高活性新型催化劑是目前熱點(diǎn)研究方向。

目前，已經(jīng)商業(yè)化的燃料電池催化劑主要采用鉑碳結(jié)合物，由鉑的納米顆粒分散到碳粉載體上的擔(dān)載型催化劑，但這種催化劑也不能滿足燃料電池汽車的全面推廣，要想降低催化劑的成本就需要進(jìn)行新技術(shù)的探索，研發(fā)出價(jià)格低廉且性能優(yōu)異的替代品，或者實(shí)現(xiàn)鉑催化劑的循環(huán)利用，這樣才能降低燃料電池的成本。

現(xiàn)在有許多科研團(tuán)隊(duì)的研究著眼于提高鉑基催化劑的穩(wěn)定性、利用率、改進(jìn)電極結(jié)構(gòu)以降低鉑負(fù)載量。另一些研究則專注于尋找完全可以替代鉑的低成本、資源豐富的非鉑催化劑。相信隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，鉑金屬催化劑的需求量將會(huì)持續(xù)降低，也會(huì)使燃料電池成本進(jìn)一步下降。

質(zhì)子交換膜主要依賴進(jìn)口 價(jià)格存在下降空間

質(zhì)子交換膜是燃料電池的核心部件，不僅起著隔離電解質(zhì)的作用，還負(fù)責(zé)質(zhì)子的傳遞。質(zhì)子交換膜厚度僅為 50-180um，具有很強(qiáng)的選擇透過(guò)性，只允許氫離子通過(guò)，隔絕電子的通過(guò)，同時(shí)還具有適度的含水率，可以穩(wěn)定氧化、還原和水解反應(yīng)的發(fā)生。

目前商業(yè)化的燃料電池中主要使用的質(zhì)子交換膜為全氟磺酸膜，主要產(chǎn)品為美國(guó)杜邦公司的Nafion質(zhì)子交換膜，與同類產(chǎn)品相比具有更高的質(zhì)子電導(dǎo)率和選擇透過(guò)性。根據(jù)美國(guó)能源部數(shù)據(jù)顯示，80kw的燃料電池需要 11.8㎡的質(zhì)子交換膜，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，這也占到了燃料電池成本的很大一部分。目前，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的燃料電池所用的質(zhì)子交換膜主要依靠進(jìn)口，價(jià)格昂貴且供貨量較小，直接的拉高了國(guó)內(nèi)燃料電池的制造成本。

高端質(zhì)子交換膜的市場(chǎng)集中度較高，也導(dǎo)致了價(jià)格的居高不下，為解決這一問(wèn)題我國(guó)乃至國(guó)際上的科研團(tuán)隊(duì)都在積極探索高端質(zhì)子交換膜的新工藝，力求打斷市場(chǎng)的壟斷。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，質(zhì)子交換膜國(guó)產(chǎn)化有望實(shí)現(xiàn)。新興企業(yè)的逐漸崛起將會(huì)進(jìn)一步降低市場(chǎng)集中度，也讓質(zhì)子交換膜的價(jià)格存在相應(yīng)的下降空間。

國(guó)產(chǎn)高端炭紙?jiān)O(shè)備有待建設(shè) 產(chǎn)品國(guó)產(chǎn)化將拉低氣體擴(kuò)散層價(jià)格

氣體擴(kuò)散層位于流暢層和催化層之間，主要作用是為反應(yīng)氣體和生成的水提供傳輸通道。因此，擴(kuò)散層基底材料的性能將直接影響燃料的傳輸速率和能量的轉(zhuǎn)化效率，燃料電池氣體擴(kuò)散層主要選擇各類炭材料，包括炭黑紙、炭紙、炭纖維布和無(wú)紡布等。

目前，我國(guó)燃料電池廠商多采用日本東麗、加拿大 Ballard、德國(guó) SGL 等大型國(guó)際制造商的炭紙產(chǎn)品。但近年來(lái)已有國(guó)產(chǎn)化高端炭紙產(chǎn)品誕生，下一步需要打造批量生產(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)團(tuán)隊(duì)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)燃料電池工作環(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。未來(lái)隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，國(guó)產(chǎn)高端炭紙生產(chǎn)設(shè)備的搭建完成，即可實(shí)現(xiàn)炭紙的批量化生產(chǎn)，這也會(huì)降低產(chǎn)品的市場(chǎng)價(jià)格，達(dá)到燃料電池降本的目的。

石墨型雙極板加工成本較高 對(duì)材料進(jìn)行優(yōu)化迫在眉睫

雙極板又叫流場(chǎng)板，主要起到輸送分配燃料和在電堆中隔離陽(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制造。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%。

目前，商業(yè)化的雙極板主要采用石墨型雙極板，具有良好的耐腐蝕性、隔離性和導(dǎo)電性，但其原料成本較高，且在加過(guò)程中容易破碎，極易造成材料的不必要浪費(fèi)。目前商業(yè)化石墨雙極板主要采用精密機(jī)械加工法，加工費(fèi)用高昂，一片500平方厘米的雙極板加工費(fèi)在800元左右，占雙極板成本的80%以上。而石墨本身的易碎性也增加了加工難度、拉長(zhǎng)了加工時(shí)間，極不利于大批量生產(chǎn)，這也導(dǎo)致石墨型雙極板的價(jià)位居高不下。

若想降低雙極板的成本，主要途徑是對(duì)材料進(jìn)行優(yōu)化。近年來(lái)有科研團(tuán)隊(duì)研發(fā)出石墨樹脂復(fù)合材料型雙極板，其具有良好的延展性和抗壓性，可滿足高強(qiáng)度的鍛造工藝，加工環(huán)節(jié)可以降低不必要的損失，但其導(dǎo)電性能、力學(xué)性能和擴(kuò)散性能上都存在明顯不足。未來(lái)隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，復(fù)合材料型雙極板有望達(dá)到性能和價(jià)格的雙優(yōu)化。除此之外金屬雙極板也是不錯(cuò)的選擇，其價(jià)格低廉且性能優(yōu)異，對(duì)加工方式無(wú)特殊需求利于大規(guī)模生產(chǎn)。目前有些國(guó)外企業(yè)已經(jīng)采用了金屬型雙極板，驗(yàn)證了其可實(shí)用化的性能，而我國(guó)燃料電池企業(yè)還多采用石墨型雙極板，這也增加了燃料電池的成本。針對(duì)這一問(wèn)題我國(guó)企業(yè)也積極探索可行的解決方案，在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”上就展出的一種高效、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。

未來(lái)，研發(fā)人員應(yīng)針對(duì)傳統(tǒng)石墨型雙極板的易碎性進(jìn)行產(chǎn)品上的改良，突破石墨的鍛造難點(diǎn)，降低加工成本。或者研發(fā)出新型材料的雙極板，在保證優(yōu)異性能的同時(shí)，也可以進(jìn)一步壓縮成本，這樣才能促進(jìn)新工藝的商業(yè)化。

結(jié)語(yǔ)

成本問(wèn)題對(duì)于大多數(shù)行業(yè)都是一座阻礙其發(fā)展的大山，燃料電池行業(yè)要想實(shí)現(xiàn)快速發(fā)展，搶占動(dòng)力電池甚至新能源行業(yè)的市場(chǎng)份額，就必須正視和解決這一難題。燃料電池市場(chǎng)擴(kuò)大和技術(shù)進(jìn)步是降低成本的兩大途徑，隨著政策的不斷推動(dòng)及資金大量涌入，燃料電池市場(chǎng)爆發(fā)只是一個(gè)時(shí)間問(wèn)題，而攻克技術(shù)難點(diǎn)、挖掘高價(jià)原材料的替代品及實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵零部件的國(guó)產(chǎn)化才是目前燃料電池降低成本的關(guān)鍵問(wèn)題。總而言之，只有產(chǎn)品成本合理且性能優(yōu)異才能推動(dòng)行業(yè)的快速發(fā)展及實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品商業(yè)化。