乾貨！燃料電池汽車產業鏈剖析

背景

我國減排壓力大。僅從 CO2 排放量看，我國自 2006 年絕對值就已超過美國，成為世界第一排放大國。從趨勢來看，未來一段時間排放量還將保持較快速度增長。

能源方面，我國石油、天然氣的消耗量和對外依存度均呈現逐年增長趨勢。石油對外依存度在 2009 年首超 50%的警戒線，到 2013 年該資料上升到了58.10%，能源安全備受關注。天然氣的對外依存度在近幾年則呈現更快的增長，從 2009 年的 5.00%上升到 2013 年的 31.60%。尋找替代能源和節能成為我國當前的重要任務。

圖：我國石油，天然氣對外依存度

中長期來看，不耗油的電動汽車（包括純電動汽車和燃料電池汽車）替代傳統內燃機汽車成為未來發展趨勢，其中零排放及行駛里程可與傳統汽車媲美的燃料電池汽車或將成為電動車市場的重要角色。

0２

產業鏈簡介

燃料電池汽車產業鏈與傳統汽車有相同類似的地方。其獨特的地方在於：上游燃料電池、電機及電控系統尤其是燃料電池作為燃料電池汽車產業鏈中最關鍵、最核心環節，

佔據了整個產業價值鏈的高端部分。在燃料電池汽車的成本構成中，電力驅動系統（包括燃料電池系統和電機驅動系統）的占比最高，是當前發展燃料電池汽車的最大掣肘，其產業鏈上的任何一個技術突破都將帶來整個燃料電池汽車產業的發展。另外，燃料電池汽車產業的氫系統也與傳統燃油汽車的油系統有很大不同。

圖：燃料電池汽車產業鏈示意

0３

燃料電池產業鏈分析

燃料電池汽車的心臟是燃料電池。其壽命、成本在很大程度上影響了燃料電池汽車的整體性能和整個行業的商業化進程。目前在燃料電池汽車上運用最多的電池為質子交換膜燃料電池（PEMFC），

其關鍵部件為膜電極元件（MEA），包括質子交換膜、催化劑、擴散層、雙極板（陰、陽極板）。

圖：質子交換膜燃料電池（PEMFC）示意

（1）質子交換膜

質子交換膜作為 PEMFC 的核心部件，是一種選擇透過性膜，主要起傳導質子、分割氧化劑與還原劑的作用。其不僅起到隔膜作用，也是電解質和電極活性物質（電催化劑）的基底。目前，市場上應用最廣泛的是由美國杜邦公司研製的 Nafion 系列全氟硫酸型膜。

（2）催化劑

在質子交換膜燃料電池中對催化劑的要求包括：高催化活性、高穩定性、大比表面積、適當的載體以及好的導電性。由於反應分子在催化劑表面的吸附是發生催化的先決條件，鉑（Pt）具有的優良分子吸附、離解行為使得鉑系材料始終是催化劑的研究重點，

早期採用鎳（Ni）、鈀（Pd），後來使用鉑黑，但由於鉑黑的細微性較大，分散性較低，導致鉑的利用率較低。目前多採用 Pt/C 作為陽極反應的催化劑。由於 Pt 價格昂貴、資源短缺的問題日益突出，降低 Pt 的用量，探索非鉑系催化劑一直是該領域研究的重點。如果成功，將大幅降低燃料電池製造成本，加速氫燃料電池汽車商業化進程。

（3）擴散層

擴散層是質子交換膜燃料電池的核心部件之一，起著非常重要的作用。主要包括支撐催化層，使氣體反應物通過擴散層擴散到催化層，同時傳遞由催化層產生的電流。其主要材料包括碳纖維紙、碳纖維編織布、無紡布、炭黑紙。特殊的功能對擴散層提出了很多要求，

除了要具有透氣/ 透水性好、導電/導熱性好、機械強度高、化學穩定性和熱穩定性好以外，還應滿足易於規模生產、製造成本低等商業化方面的要求。目前市場上的碳纖維紙/布等材料已經能很好的滿足性能需求。近幾年，主要研究的方向在於如何進一步降低價格。

（4）雙極板（陰、陽極板）

實際使用的燃料電池是由多個單電池通過串聯而成的電池堆，因此單電池的陰極板就會與另一單電池陽極板接觸，陽極板與另一燃料電池陰極板接觸，從而形成雙極板。雙極板的作用是通過流道向電極提供反應氣，向膜電極元件提供結構支援，防止液體冷卻液及氣體外漏，協調水與熱的管理，同時將電流從一個電池單元傳到另一個電池單元已組成電池組。作為質子交換膜燃料電池的關鍵元件之一，雙極板占整個燃料電池重量的60%，成本的 45%。其性能優劣直接影響電池的輸出功率和使用壽命。目前常用的雙極板材料有石墨、帶塗層/無塗層的金屬板、碳基複合材料，具有良好的導電性能和耐腐蝕性能，但其易碎、質重、強度和加工性較差。未來，高性能、低成本模壓成型的熱固性樹脂/石墨板和具有優異性能的金屬板是雙極板的發展趨勢。

0４

氫產業鏈分析

圖：燃料電池汽車制氫加氫流程

（1）制氫

a）電解水

通過電解水制取氫氣的方法歷史悠久，工藝簡單，轉化效率可達75%~85%，適用於小規模和現場化制氫，但由於耗電量大，因此發展受限。當電是由可再生能源，如風能、太陽能或核能產生時，則可以保證過程中沒有碳排放。

b）甲烷蒸汽重整

甲烷蒸汽重整目前在工業規模生產中占主導地位，轉化效率高達 80%，該方法產生的 CO2 副產品可通過 CO2 固定裝置捕獲和封存，而原材料甲烷可通過沼氣獲得。此外，還有一種已經被開始使用的可持續工業化制氫方法是將生物質和廢棄物氣化，然後重整制氫。

表：制氫方法對比

（2）儲氫

氫氣具有極高的品質能量密度，但體積能量密度卻很低，使用過程中必須通過壓縮的形式進行儲存，因此其儲存裝置必須滿足耐高壓、高強度和氣密性要求。目前，日本和歐美等國家燃料電池汽車上裝載的儲氫罐，承受壓力均為70MPa。基於此儲氫技術，燃料電池汽車的續駛里程已達到傳統汽車水準，且加氫時間在 5 分鐘之內。

（3）加氫站

燃料電池汽車的市場化需要氫能的基礎設施——“加氫站”及時跟進。基礎設施建設滯後是當前制約燃料電池汽車快速發展的主要因素之一。而隨著各大車企不斷推出新的燃料電池示範車以及量產計畫的臨近，美日歐等國家紛紛加快了加氫站的建設以滿足商業銷售之初的需要。

目前，修建一個加氫站的成本大約為 400-500萬美元，費用高昂。

作為質子交換膜燃料電池的關鍵元件之一，雙極板占整個燃料電池重量的60%，成本的 45%。其性能優劣直接影響電池的輸出功率和使用壽命。目前常用的雙極板材料有石墨、帶塗層/無塗層的金屬板、碳基複合材料，具有良好的導電性能和耐腐蝕性能，但其易碎、質重、強度和加工性較差。未來，高性能、低成本模壓成型的熱固性樹脂/石墨板和具有優異性能的金屬板是雙極板的發展趨勢。

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