探究质子交换膜燃料电池核心部件降低成本的路径

摘要：燃料电池作为电池界的“后起之秀”具有原料来源广泛、能量转化率高且排放物只有水，对环境无污染等特点，这也使燃料电池越来越受到市场的重视。但是经过多年的发展，燃料电池始终未全面普及，尤其是在新能源汽车领域，燃料电池只占有很小的市场份额，阻碍其市场扩大的主要原因就是高昂的成本。对于燃料电池行业而言，产业高速发展依托于政策的扶持、技术的进步及产业链的完善，而燃料电池作为新能源的一种转化形式，要想实现全面的商业化，就要把成本降低到可以与传统能源竞争的程度。笔者认为，促进燃料电池成本下降的方式有两个：市场扩大和技术进步。前者是近几年行业发展的主要的推动力，而从长远角度来看，技术进步则是燃料电池取代传统能源方式的根本途径。本文将从质子交换膜燃料电池核心部件的角度探讨燃料电池降低成本的可行途径。

质子交换膜燃料电池系统组成如图1所示，主要包括燃料电池电堆、氢气系统和其他部件。其中燃料电池电堆中的核心部件又分为膜电极（MEA）、双极板及其他部件。膜电极是电堆的核心部件，由电催化剂、质子交换膜、气体扩散层组成。

图1 质子交换膜燃料电池系统组成

（来源 国金证券研究所）

铂催化剂价格昂贵 替代型催化剂将会大幅促进成本降低

催化剂是燃料电池关键组成部分，目前商用催化剂主要选取金属铂，其高昂的价格也提升了燃料电池的成本。据测算，燃料电池催化剂铂用量在0.3-0.5g/kw，市面上纯度99.5%的铂价格在200元/g，催化剂铂金原材料成本价格就在60-100元/kw，远远高于普通催化剂的价格。除了价格高昂，铂金资源的稀缺性也给燃料电池发展造成了阻碍，根据美国能源部统计，如果以现有技术进行燃料电池汽车商业化，每年新能源汽车车用燃料电池对铂资源的需求高达 1160 吨，远超过全球铂的年产量。除了受到价格和资源制约外，铂的催化性能也存在一定的缺陷，燃料电池衰减机制显示，燃料电池在车辆运行过程中，催化剂会发生衰减，在动电位作用下会发生铂米颗粒的团聚、迁移、流失等。针对铂催化剂的成本和催化性能等问题，研究高稳定、高活性新型催化剂是目前热点研究方向。

目前，已经商业化的燃料电池催化剂主要采用铂碳结合物，由铂的纳米颗粒分散到碳粉载体上的担载型催化剂，但这种催化剂也不能满足燃料电池汽车的全面推广，要想降低催化剂的成本就需要进行新技术的探索，研发出价格低廉且性能优异的替代品，或者实现铂催化剂的循环利用，这样才能降低燃料电池的成本。

现在有许多科研团队的研究着眼于提高铂基催化剂的稳定性、利用率、改进电极结构以降低铂负载量。另一些研究则专注于寻找完全可以替代铂的低成本、资源丰富的非铂催化剂。相信随着技术的不断进步，铂金属催化剂的需求量将会持续降低，也会使燃料电池成本进一步下降。

质子交换膜主要依赖进口 价格存在下降空间

质子交换膜是燃料电池的核心部件，不仅起着隔离电解质的作用，还负责质子的传递。质子交换膜厚度仅为 50-180um，具有很强的选择透过性，只允许氢离子通过，隔绝电子的通过，同时还具有适度的含水率，可以稳定氧化、还原和水解反应的发生。

目前商业化的燃料电池中主要使用的质子交换膜为全氟磺酸膜，主要产品为美国杜邦公司的Nafion质子交换膜，与同类产品相比具有更高的质子电导率和选择透过性。根据美国能源部数据显示，80kw的燃料电池需要 11.8㎡的质子交换膜，每平米质子交换膜成本约为400美金以上，对应质子交换膜总成本为 4720美元，这也占到了燃料电池成本的很大一部分。目前，国内生产的燃料电池所用的质子交换膜主要依靠进口，价格昂贵且供货量较小，直接的拉高了国内燃料电池的制造成本。

高端质子交换膜的市场集中度较高，也导致了价格的居高不下，为解决这一问题我国乃至国际上的科研团队都在积极探索高端质子交换膜的新工艺，力求打断市场的垄断。随着技术的不断进步，质子交换膜国产化有望实现。新兴企业的逐渐崛起将会进一步降低市场集中度，也让质子交换膜的价格存在相应的下降空间。

国产高端炭纸设备有待建设 产品国产化将拉低气体扩散层价格

气体扩散层位于流畅层和催化层之间，主要作用是为反应气体和生成的水提供传输通道。因此，扩散层基底材料的性能将直接影响燃料的传输速率和能量的转化效率，燃料电池气体扩散层主要选择各类炭材料，包括炭黑纸、炭纸、炭纤维布和无纺布等。

目前，我国燃料电池厂商多采用日本东丽、加拿大 Ballard、德国 SGL 等大型国际制造商的炭纸产品。但近年来已有国产化高端炭纸产品诞生，下一步需要打造批量生产设备，真正实现碳纸的国产化供给。中南大学团队提出了化学气相沉积（CVD）热解炭改性碳纸的新技术。根据燃料电池工作环境中碳纸的受力变形机制，发明了与变形机制高度适应的异型结构碳纸，采用干法成型、CVD、催化炭化和石墨化相结合的连续化生产工艺，其产品的耐久性和稳定性有所提升。未来随着技术的不断进步，国产高端炭纸生产设备的搭建完成，即可实现炭纸的批量化生产，这也会降低产品的市场价格，达到燃料电池降本的目的。

石墨型双极板加工成本较高 对材料进行优化迫在眉睫

双极板又叫流场板，主要起到输送分配燃料和在电堆中隔离阳极阴极气体的作用，一般采用在石墨板上雕刻流道的方式制造。作为质子交换膜燃料电池的关键组件之一，双极板占整个燃料电池重量的60%，成本的13%。

目前，商业化的双极板主要采用石墨型双极板，具有良好的耐腐蚀性、隔离性和导电性，但其原料成本较高，且在加过程中容易破碎，极易造成材料的不必要浪费。目前商业化石墨双极板主要采用精密机械加工法，加工费用高昂，一片500平方厘米的双极板加工费在800元左右，占双极板成本的80%以上。而石墨本身的易碎性也增加了加工难度、拉长了加工时间，极不利于大批量生产，这也导致石墨型双极板的价位居高不下。

若想降低双极板的成本，主要途径是对材料进行优化。近年来有科研团队研发出石墨树脂复合材料型双极板，其具有良好的延展性和抗压性，可满足高强度的锻造工艺，加工环节可以降低不必要的损失，但其导电性能、力学性能和扩散性能上都存在明显不足。未来随着技术的不断进步，复合材料型双极板有望达到性能和价格的双优化。除此之外金属双极板也是不错的选择，其价格低廉且性能优异，对加工方式无特殊需求利于大规模生产。目前有些国外企业已经采用了金属型双极板，验证了其可实用化的性能，而我国燃料电池企业还多采用石墨型双极板，这也增加了燃料电池的成本。针对这一问题我国企业也积极探索可行的解决方案，在上海市新能源汽车推进办公室举办的“高新技术产业化展”上就展出的一种高效、低成本的质子交换膜燃料电池用金属双极板，其成本约20元/片，仅为石墨双极板的1/10。

未来，研发人员应针对传统石墨型双极板的易碎性进行产品上的改良，突破石墨的锻造难点，降低加工成本。或者研发出新型材料的双极板，在保证优异性能的同时，也可以进一步压缩成本，这样才能促进新工艺的商业化。

结语

成本问题对于大多数行业都是一座阻碍其发展的大山，燃料电池行业要想实现快速发展，抢占动力电池甚至新能源行业的市场份额，就必须正视和解决这一难题。燃料电池市场扩大和技术进步是降低成本的两大途径，随着政策的不断推动及资金大量涌入，燃料电池市场爆发只是一个时间问题，而攻克技术难点、挖掘高价原材料的替代品及实现关键零部件的国产化才是目前燃料电池降低成本的关键问题。总而言之，只有产品成本合理且性能优异才能推动行业的快速发展及实现产品商业化。