電池系統是電動汽車的動力源泉，也是一直制約電動汽車發展的關鍵因素。電動汽車用電池的主要性能指標是比能量（E）、能量密度（Ed）、比功率（P）、循環壽命（L）和成本（C）等。要能與燃油汽車進行競爭，最關鍵的就是要做出比能量高、比功率大、使用壽命長、重量輕的高效能電池。

?

電動汽車用電池經歷了三代的發展，從早期的鉛酸電池到現在大熱的鋰離子電池，再到燃料電池，技術持續進步，電池性能也在不斷優化。目前廣泛應用于燃料電池汽車的是質子交換膜燃料電池PEMFC （也叫氫燃料電池），它以純氫為燃料，具備能量轉換效率高、噪音低、無污染、壽命長、啟動迅速、比功率大和輸出功率可隨時調整等性能優勢。

?

全球以燃料電池為主營業務的廠商不多，主要集中在歐美國家和日本。除此之外，各大車廠都有燃料電池研發和生產部門，為燃料電池汽車配套。根據百度圖片及數據，主流的燃料電池廠商包括美國Fuel Cell Energy、美國BE布魯姆能源、加拿大Ballard、美國Plug Power等。

一、氫燃料電池是燃料汽車動力應用的主流路線

就燃料電池本身來說，其主要是通過電解質區分。根據電解質的不同，常用的燃料電池可以分為五大類：質子交換膜燃料電池、堿性燃料電池、固體氧化物燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池和磷酸燃料電池。

而燃料電池所需要的燃料有氫氣、天然氣、沼氣，甚至甲醇等，目前看來，氫燃料是最被寄予期望的一種燃料。它燃燒放出的熱量高，燃燒產物是水，不污染環境，制備的原料是水，資源無約束。一般來說，氫燃料電池主要是指質子交換膜燃料電池。

?

1.質子交換膜燃料電池（氫燃料電池）是汽車動力應用的主要技術路線

質子交換膜燃料電池（PEMFC）使用固體聚合物作為電解質，含有鉑或者鉑合金催化劑的多孔碳作為電極，由于其主要采用氫氣作為燃料，因此又被成為氫燃料電池。

與其他燃料電池相比，質子交換膜燃料電池可以在相對較低的溫度（大約80℃）下運行，使得其能夠更快的啟動、對其他部件損害小，因此擁有更長的使用壽命。此外，燃料電池還具有較高的能量密度，較輕的重量和較小的體積。

質子交換膜燃料電池主要應用在交通運輸和一些固定式的應用，特別適用于乘用車。

?

質子交換膜燃料電池是繼堿性燃料電池、磷酸鹽燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池和固體氧化物燃料電池之后，迅速發展起來的溫度最低、比能最高、啟動最快、壽命最長、應用最廣的第五代燃料電池。

但是質子交換膜電池需要貴金屬鉑作為催化劑，來分離氫的原子核和電子。并且鉑催化劑對一氧化碳非常敏感，如果使用碳氫化合物作為燃料的話，燃料電池系統中還需要增加反應器，這都增加了質子交換膜燃料電池的成本，考慮到清潔環保性及燃料電池系統中的反應器成本等各因素，目前各個質子交換膜燃料電池廠商主要將氫氣作為燃料，歐美日韓政府也出臺政策鼓勵修建加氫站。

目前這一路線由于反應溫度較低，綜合性能最好，最清潔環保，是最主流的汽車燃料電池的技術路線。

?

全球主流的質子交換膜燃料電池廠商

Ballard是全球最大的質子交換膜燃料電池廠商之一。Ballard Power Systems位于加拿大，是一家研發、生產和銷售質子交換膜燃料電池的企業，是擁有國際領先燃料電池技術的企業，截止目前，其生產的氫燃料電池總容量約為150MW。其主要產品是固定式電源系統、燃料電池動力模塊和燃料電池堆。

Plug Power是全球最大的叉車用質子交換膜燃料電池廠商。其前身是于1997年由數據終端設備能源公司EdisonDevelopmentCorp.和MechanicalTechnologyInc.組成的合資公司，公司位于美國。目前主要設計和開發利用質子交換膜燃料電池制造的能源產生系統。其燃料電池產品主要用于室內叉車，其用戶包括耐克、寶馬、沃爾瑪、家得寶、梅賽德斯、克羅格等。

HydrogenicsCorp是一家位于加拿大的制氫和燃料電池設計生產商，成立于1988年。它主要有兩塊業務：電解氫方案和燃料電池產品。其燃料電池產品主要用于車輛、UPS和通信基站備用電源。HyPMTM是HydrogenicsCorp的用于電動車的燃料電池動力解決方案平臺，能夠提供30-180kW的燃料電池動力解決方案。

中國的質子交換膜燃料電池廠商：

大連新源動力，已實現燃料電池關鍵材料及關鍵部件、電堆組裝的小批量生產，建成可年產5500KW燃料電池堆用關鍵部件的批量生產線，同時在車用燃料電池系統集成安裝、調試、運行等方面擁有優勢地位。長城電工參股新源動力近10%。

上海神力科技，主營氫質子交換膜燃料電池，是我國燃料電池技術研發和產業化的領先者。通過承擔與完成國家"九五"重點攻關計劃、"十五"863及"十一五"863重大攻關計劃燃料電池發動機課題，已成為具有完全自主知識產權的燃料電池技術并達到國際先進水平。安凱客車、長安汽車也與上海神力科技合作，開發氫燃料汽車，并擁有一定的技術儲備。

2、固體氧化物燃料電池（SOFC）

固體氧化物燃料電池（SOFC）能效轉換率高、不需要貴金屬作催化劑，持續拓展應用固體氧化物燃料電池（SOFC）使用無孔陶瓷氧化物作為電解質，擁有約60%的轉化效率，如果利用其散發的熱量，最高轉化率高達85%。

固體氧化物燃料電池是燃料電池中抗硫性最強的，并且一氧化碳也不會影響其運行效率，因此它可以使用多種燃料，例如天然氣、沼氣、煤氣、甲烷等，對燃料的適應性強；不需要使用貴金屬催化劑；使用全固態組件，不存在對漏液、腐蝕的管理問題；積木性強，規模和安裝地點靈活等。SOFC可用于發電、熱電回用、交通、空間宇航和其他許多領域。

但是，較高的運行溫度使得SOFC材料的使用壽命較短、啟動時間較長，此外還需要隔熱措施防止人被燙傷，這都限制了SOFC的適用范圍，目前用于分布式發電及余熱供熱等應用占比更多，但很多廠商也在引導它的應用走向船舶動力、汽車動力等應用。

全球主流的固體氧化物燃料電池廠商：

BE布魯姆能源是最大的固體氧化物燃料電池廠商之一，主要用于為數據中心提供主電源。布盧姆能源2001年成立于美國加州，其創始人是印度科學家KR先生，布盧姆能源技術根植于NASA的火星計劃。在2006年，布盧姆能源在田納西大學試制成功了首個5KW固體氧化物燃料電池，實現了從理論向產品的跨越。在2008年，布盧姆率先向谷歌公司交付了100KW的商業化固體氧化物燃料電池，設備售價達到70萬美金。在接下來時間里面，布盧姆能源又陸續拓展了eBay、蘋果、沃爾瑪、諾基亞等高凈值公司客戶，為他們的數據中心提供主電源。

根據美國能源部能源效率與可再生能源辦公室發布的《2012 Fuel Cell Technologies Market Report》統計，目前全球生產固體氧化物燃料電池的企業為布盧姆能源和澳大利亞的CFCL兩家公司。CFCL公司采用陽極支撐技術路線，不同于布盧姆能源使用的電解質支撐技術路演，所以其產品功率暫時智能做到1.5KW，商業開拓的中間較小。而布盧姆能源最新產品已經可以做到250KW，基本可以滿足醫院、酒店、商場、小區、輪船等主流固定氧化物發電目標市場的功率要求。除此之外，在日本的NEDO、美國的SECA、歐洲的Large-SOFC計劃中，5-50KW級的驗證機已經制成；日本三菱重工亦正在研發混合固體氧化物燃料電池系統產品，擬進一步提高能源使用效率。但是到目前為止，這些項目還沒有獲得實質性的突破，導致布盧姆能源仍是全球唯一商業化成產固定氧化物燃料電池廠商。

展望未來，布盧姆能源的燃料電池產品有望在使用天然氣方便的地方成為主力的供電設備，從而實現對現有發電設備的替代。未來，通過開發、完善材料使用更節省的第三代產品，以及

將電芯壽命從3.5年延伸到5年，進而增加到10年，有望進一步降低布盧姆能源燃料電池的度電成本，實現對電網電價的穿越，從而打開千億規模的新能源分布式發電設備市場。

?

Ceramic Fuel Cells是一家位于澳大利亞墨爾本的燃料電池科技企業，成立于1992年。其主要生產"Blue Gen"固體氧化物燃料電池系統，用于小規模的熱電聯產和分布式發電。

中國的固體氧化物燃料電池廠商：

三環集團是中國最有潛力在固體氧化物燃料電池取得突破的廠商。目前公司主要為BE布盧姆能源供應燃料電池核心部件隔膜板，公司從2005年起研發燃料電池隔膜板至今生產技術不斷進步、工藝不斷完善，已經掌握了從材料到燒結的工藝技術；此外，公司也在積極準備燃料電池電堆技術，未來有機會引領部分領域的清潔能源變革。

3.堿性燃料電池(AFC)廣泛應用于航空航天，但壽命短，仍有不少問題待解決

堿性燃料電池(AFC)是最早研發的燃料電池技術之一，并且最早廣泛應用在美國航空航天領域，用于發電和生成水以供太空飛船使用。堿性燃料電池的電化學反應擁有較高的轉化效率，最高超過60%。

電解質方面，堿性燃料電池使用氫氧化鉀溶液作為電解質，用非貴重金屬作為電池的陰陽極。一般情況下，堿性燃料電池的運行溫度在100℃到250℃之間，但是最新設計的堿性燃料電池可以在23℃到70℃之間運行。最近幾年，使用聚合物薄膜作為電解質的堿性燃料電池研發出來，與質子交換膜燃料電池的區別僅僅是使用堿性膜作為電解質。

但是，其運行效率容易受到二氧化碳的影響，即使是空氣中稀薄的二氧化碳也會降低堿性燃料電池的效率。因此，在堿性燃料電池中二氧化碳凈化裝置是必要的，但是這增加了成本。限制堿性燃料電池大規模應用的最主要因素是使用壽命太短，其工作時間超過4,000小時才有經濟價值，但是目前材料的耐久性問題還沒解決。

4.熔融碳酸鹽燃料電池和磷酸鹽燃料電池等早期的燃料電池已經逐步被替代

熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)使用熔融碳酸鹽作為電解質，具有較高的轉化效率，配合渦輪機使用其轉化效率可達65%，如果將MCFC產生的廢熱收集使用，燃料的總轉化效率超過85%。MCFC不需要貴金屬作為電極，使用多孔陶瓷鋰鋁氧化物作為電極。MCFC的運行溫度為650℃，這限制了燃料電池組件的使用壽命。

磷酸鹽燃料電池(PAFC)是第一代燃料電池，最早被商業化應用。PAFC轉化效率最低，只有37%-42%，已經逐漸被其他路線替代。

二、汽車用氫燃料電池的系統構成及產業鏈分解

燃料電池汽車的工作原理是，作為燃料的氫在汽車搭載的燃料電池中，與大氣中的氧氣發生氧化還原化學反應，產生出電能來帶動電動機工作，由電動機帶動汽車中的機械傳動結構，進而帶動汽車的前橋(或后橋)等行走機械結構工作，從而驅動電動汽車前進。

燃料電池汽車產業鏈包括上游制氫和配套廠商、核心部件廠商、燃料電池動力系統廠商和下游整車廠商，其中最核心的是燃料電池動力系統。燃料電池動力系統主要包括燃料電池系統、驅動電機及控制系統，整車控制系統、輔助電源、儲氫裝置。

?

1.燃料電池系統——燃料電池堆是燃料電池系統的最核心、最難做的部件

單獨的燃料電池堆是不能發電并用于汽車的，它必須和燃料供給與循環系統、氧化劑供給系統、水/熱管理系統和一個能使上述各系統協調工作的控制系統組成燃料電池發電系統，簡稱燃料電池系統。一般包括：燃料電池堆棧、燃料處理器、功率調節器、空氣壓縮機。

?

燃料電池堆是燃料電池動力系統的最核心部件，它由多個燃料電池通過一定的方式結合起來形成的通過電化學反應產生直流電的燃料電池組。一個單獨的燃料電池產生的電壓低于1V，所以單電池要做成堆棧應用。

影響燃料電池系統效率的因素有很多，包括燃料電池類型、電池規格、電池運行的溫度以及燃料氣體的壓力大小、堆棧構成方式等。

?

燃料處理器將燃料轉換成燃料電池可用的狀態。

功率調節器調節電流、電壓、頻率等以滿足使用。

空氣壓縮機可以增加進入燃料電池的燃料氣體的氣壓，以提高燃料電池的效率。

2.驅動電機及控制系統是燃料電池汽車的心臟

驅動電機及控制系統是燃料電池汽車的心臟，它的功能是使電能轉變為機械能，并通過傳統系統將能量傳遞到車輪驅動車輛行駛。

其基本構成為電機和控制器，電機由控制器控制，是一個將電能轉變為機械能的裝置，控制器的作用是將動力源的電能轉變為適合于電機運行的另一種形式的電能，所以控制器本質上是一個電能變換控制裝置。

電動機驅動是燃料電池車惟一的驅動模式。大型燃料電池汽車如大客車一般采用感應電機驅動，主要應用在數十千萬以上的中、大功率系統中；小型燃料電池汽車如乘用車一般用無刷直流電機驅動系統，主要應用在在數十千萬以下的中、小功率的系統中。

北京億華通，是燃料電池動力系統的開發與產業化以及氫能基礎設施運營廠商。公司核心業務是，以燃料電池發動機為核心，采用燃料電池發動機與動力電池的電-電混合動力系統構型，為客戶提供集系統構型分析、系統集成、動力系統優化控制、工程服務為一體的整套解決方案。當前主要客戶為福田、宇通、金龍等客車廠業。

?

3.整車控制系統和其他新能源車類似，一樣可以向智能駕駛進擊

燃料電池汽車的整車控制系統和其他類型的新能源汽車是一樣的，它負責對燃料電池系統、電機驅動系統、動力轉向系統、再生制動系統和其他輔助系統進行監測和管理，也可以向智能化和數字化方向發展，包括神經網絡、模糊運算和自適應控制等非線性智能控制技術都可以應用于燃料電池汽車的控制系統中。因此，燃料電池汽車一樣可以發展無人駕駛或智能駕駛。

4.輔助電源對燃料電池汽車極其重要，超級電容器應用的趨勢開始出現

燃料電池車是以燃料電池為主要電源和以電動機驅動為惟一的驅動模式的電動車輛，燃料電池汽車的基礎結構多種多樣，按照驅動方式可分為純燃料電池驅動和混合驅動兩種，區別主要在于是否加裝了輔助電源，輔助電源一般用蓄電池(鉛酸電池)、堿性電池或超級電容器。

?

目前，因受到燃料電池啟動較慢和燃料電池不能用充電來儲存電能的限制，多數燃料電池汽車都要增加輔助電源來加速燃料電池車的啟動，所需要的電能和儲存車輛制動反饋的能量。因此一般的燃料電池汽車大多是混合驅動型車，其動力系統關鍵裝備除了燃料電池，還包括DC/DC轉換器、驅動電動機及傳動系統、輔助電源。

輔助電源及管理系統是混合型燃料電池汽車動力系統中的重要組成部分，在汽車啟動、加速、爬坡等工況下，需要驅動功率大于燃料電池可以提供的功率時，釋放存儲的電能，從而降低燃料電池的峰值功率需求，使燃料電池工作在一個穩定的工況下，而在汽車怠速、低速或減速等工況下，燃料電池功率大于驅動功率時，存儲動力系統富余的能量，或在回饋制動時，吸收存儲制動能量，從而提高整個動力系統的能量效率。

?

目前應用于混合燃料電池汽車的輔助電源主要有如鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池、超級電容器等。由于蓄電池最便宜，目前輔助電源用的最多的還是蓄電池(鉛酸電池)，主要采用EFB電池(增強型富液式鉛酸電池)和AGM電池(玻璃纖維吸附蓄電池)，其供應商主要包括博世、法雷奧、德爾福和馬自達等廠商。此外，鎳氫電池由于其性價比優勢，也是現在主流的燃料電池輔助電源方案之一。

?

江海股份，是國內超級電容器龍頭廠商。公司2013年收購日本ACT，并積極與海內外高校合作，引進資深研發團隊，從技術壁壘最高的電極材料到大容量超級電容器模組完成高度垂直一體化布局。由于蓄電池的循環壽命一般在幾百到幾千次，而且污染較大，而超級電容器能夠反復循環充放電幾十萬次，而且可以迅速地完成大量電荷的充放電。所以，部分混合驅動燃料電池汽車開始趨向于采用大容量超級電容器作為輔助電源應用，公司的超級電容器部分性能已經已經大幅超越Maxwell，預計公司將在混合驅動燃料電池汽車輔助電源上具備機會。

科力遠，是鎳氫電池龍頭。2013年底與常熟新中源、Primearth EV Energy、豐田(中國)投資、豐田通商簽署了科力美合營合同，公司出資21.76億日元，占有40%的股份，正式切入豐田汽車產業鏈，其中，豐田的混合動力及混合驅動燃料電池汽車輔助電源采用了鎳氫電池。后來公司又與吉利集團、長安汽車、昆明云內動力（000903）股份有限公司就增資或投資公司控股子公司科力遠混合動力技術有限公司的相關事宜簽訂了《增資擴股框架協議》，顯示了公司在混合動力技術上的實力。

5.氫氣儲存罐

目前燃料電池汽車的主要燃料是氣態氫氣，主流的儲氫方式還用高壓儲。汽車一次充氣有足夠的行駛里程，就需要多個高壓儲氣瓶來儲存氣態氫氣。在儲氫罐輕量化和安全防碰撞等領域，日本村田是目前做得最好的廠商之一。

?

豐田Mirai高壓儲氫罐采用三層結構，內層是密封氫氣的樹脂襯里，中層是確保耐壓強度的碳纖維強化樹脂(CFRP)層，表層是保護表面的玻璃纖維強化樹脂層。

?

Mirai的儲氫罐的輕量化瞄準的是中層，采用的是對含浸了樹脂的碳纖施加張力使之卷起層疊的纖維纏繞工藝，纏繞方法有強化筒部的環向纏繞、強化邊緣的高角度螺旋纏繞和強化底部的低角度螺旋纏繞三種，通過削減這三種方式的纏繞圈數，豐田將CFRP的用量比原來減少了40%，使重量效率提升20%，達到了全球最高水平的5.7wt.%。另外，對于按照高壓儲氫罐的全球技術規則，豐田采取用含有膨脹石墨的耐火聚氨酯板來保護吸收下落沖擊的耐沖擊聚氨酯護板的方法，確保耐火性能。

三、氫燃料電池中的電解質膜、電極、催化劑等核心部件分析

燃料電池堆主要是由單燃料電池構成。單電池又包括雙極板、密封圈、膜電極(MEA)，其中膜電極包括質子交換膜、催化劑層和氣體擴散層。

?

膜電極組件(MEA)是將質子交換膜、催化層電極、擴散層在浸潤Nafion液后，在一定溫度和壓力下，熱壓而成的三合一組件，是保證電化學反應能高效進行的核心，其制備技術不但直接影響電池性能，而且對降低電池成本、提高電池比功率與比能量至關重要。

?

國外的主流供應商有美國3M、美國杜邦、WLGore & Associates、日本旭硝子、英國JM、德國Solvicore等；國內主要是部分研究機構如武漢理工新能源、大連化學物理所等在從事電極和MEA的研究。

（1）MEA組件核心之一：質子交換膜PEM

電解質膜的作用是允許質子通過而阻止未電解的燃料和氧化劑滲透到對方。氫燃料電池的電解質膜主要用質子交換膜。質子交換膜(Proton Exchange Membrane Fuel，PEM)是氫燃料電池的最核心部件，是燃料電池電解質和催化劑進行電化學反應的基地。它與一般化學電源中使用的隔膜有區別。

最早用于燃料電池的質子交換膜是美國杜邦公司于60 年代末開發的全氟磺酸質子交換膜(Nafion膜)，此后，又出現了其它幾種類似的全氟磺酸結構質子交換膜，包括美國Dow化學公司的Dow膜、日本Asahi Chemical公司的Aciplex膜和Asahi Glass公司的Flemion膜。目前主流供應商依然以美國杜邦為主。

?

質子交換膜性能要求非常高，目前在氫燃料電池中使用的質子交換膜均采用全氟化聚合物材料合成，該材料穩定性好、使用壽命長，相對來說可以保證良好的化學和電化學穩定性、高質子導電性、良好的阻氣性能、高機械強度、與電極較好的親和性。因此，它的開發和生產難度很大。制造成本過高，售價昂貴。為了獲得穩定而廉價的燃料電池，質子交換膜是最大的瓶頸和未來必須突破的領域。

國內研究機構如天津大學、武漢理工大學、大連化學物理所等在質子交換膜領域研究較久。

國內的商業化生產商，主要是大連新源動力和上海神力科技和同濟科技（600846）旗下的中科同力。

同濟科技，公司與中科院上海有機化學研究所、上海神力科技共同組建了中科同力化工材料有限公司，同濟科技目前持股36.23%。中科同力主要致力于質子交換膜燃料電池關鍵材料與部件研發。

（2）MEA組件核心之二：催化劑

電催化是使電極與電解質界面上的電荷轉移反應得以加速的催化作用，電催化反應速度不僅由電催化劑的活性決定，而且與雙電層內電場及電解質溶液的本性有關。催化層是發生電化學反應的場所，是電極的核心部分。

迄今為止，質子交換膜燃料電池的陰極和陽極有效催化劑仍以鉑和鉑碳顆粒為主，鉑貴金屬催化劑用量大和質子交換膜成本高是燃料電池成本居高不下的重要原因。為了降低鉑的使用量，各大公司進行了持續研究，近幾十年來，膜電極上催化劑鉑的負載量從10mg/cm2降到了0.02mg/cm2，降低了近200倍。以豐田為例，公司力求通過改進鉑金材料的鍍層技術來降低鉑金催化劑的使用量。

如果未來貴金屬催化劑負載量能夠大幅降低，或者能被其他成本更低的催化劑取代，那么燃料電池系統放量的機會也將大幅提升。

目前鉑催化劑的國外主流供應商有英國JM、日本TKK、美國E-TEK、德國BASF、比利時Umicore等，暫時國內廠商突破還不明顯。

國內研究機構如長春應用化學所、大連化物所、天津大學、中山大學等在燃料電池催化劑領域研究有一定突破。

?

（3）MEA組件核心之三：擴散層

上面的催化層和擴散層構成了燃料電池的電極。

擴散層是支撐催化層、收集電流、并為電化學反應提供電子通道、氣體通道和排水通道的隔層，由碳紙和防水劑聚四氟乙烯(PTEE)組成。其材料和制備技術對MEA的性能和電池的性能至關重要。

目前擴散層主要技術仍掌握在日本東麗、加拿大Ballard、德國SGL等少數廠商手中。

?

2、雙極板也是決定性能和成本的關鍵組件之一

雙極板，又叫流場板，主要起到起輸送和分配燃料、在電堆中隔離陽極陰極氣體的作用，

一般采用在石墨板上雕刻流道的方式設計。常用的流道有平行流道、回旋型流道、蛇行流道，目前廣泛采用的雙極板材料為無孔石墨板，金屬板和復合材料雙極板的應用也在逐步出現。

石墨是較早開發和用以制作雙極板的材料。目前石墨基雙極板的主流供應商有美國POCO、美國SHF、美國Graftech、日本Fujikura Rubber LTD、日本Kyushu Refractories CO.LTD、英國Bac2、加拿大Ballard等。

國產廠商主要有杭州鑫能石墨、江陰滬江科技、淄博聯強碳素材料、上海喜麗碳素、南通黑匣、上海弘楓等。

?

金屬板開始在部分領域替代石墨雙極板。表面改性的多涂層結構金屬雙極板具備較大的發展空間。目前金屬雙極板主要供應商有瑞典Cellimpact、德國Dana、德國Grabener、美國treadstone等，國內還處于研發試制階段。