燃料电池产业链（三）| 电堆篇：PEMFC

　　1、综述：材料工艺进步+规模化效应驱动燃料电池车降本，规模量产后将降60%

　　关键材料和部件的成本和耐久性是燃料电池实现商业化的基础。综合分析燃料电池车（FCV）各个环节，我们认为：

　　（1）整体来看，现阶段（FCV规模＜1万辆）降本空间最大的是空气供应系统，成本降幅可达到50%；长期来看（FCV规模＞1万辆），主要结合材料、工艺进步以及技术路线的选择来降低电堆系统的成本，降幅可达到70%以上，从而降低燃料电池整车成本。

　　（2）具体到各个环节来看，气体扩散层、空压机、储氢瓶、电机电控系统和其他常用零部件（管路、连接部件等）降本主要由规模化效应驱动；而质子交换膜、催化剂、双极板和其他较为关键的零部件（氢气电池阀等）降本则需技术和材料工艺的进步加以推进。

　　2、关键材料和部件的成本和耐久性是燃料电池实现商业化的基础

　　一 质子交换膜燃料电池具有多种性能优势，占据市场主导地位

　　燃料电池是把燃料中的化学能通过电化学反应直接转换为电能的高效发电装置。常用的燃料电池按其电解质不同，可以分为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操作温度低、启动速度快，是一种环保、高效与高功率密度的发电方式，特别是在零排放交通动力应用方面具有及其诱人的前景。

　　从件数角度来分析各类燃料电池的出货量，质子交换膜电池（PEMFC）仍占据统治性地位，从这一点上可以看出，质子交换膜技术广泛适用于各个领域，包括交通、备电和移动领域；相对而言，其他种类的燃料电池技术更倾向于专注于单一领域的使用，例如：MCFC和PAFC适用于固定式燃料电池电站、家用热电联产；SOFC使用于固定式和便携式电源；甲醇重整燃料电池（DMFC）多用于移动设备、小型交通工具和小型备用电源设施。

　　以瓦数统计各类燃料电池的出货量，我们发现PEMFC电池出货量从2014年的60-70MW上升到了2015年的180MW，且超过了其他几种燃料电池的总和。

　　2015年以来PEMFC出货量（以瓦数计）的暴增一方面得益于丰田（功率114kw）和现代（功率110kw）等燃料电池车的产量增长；另一方面是因为日本和欧洲等地的小型热电联产项目持续增加，在这方面，日本和加拿大的企业占据主要市场。

　　4、结合各方面来看，质子交换膜燃料电池在市场中占据主导地位。因此，我们后文对于成本方面的分析也主要基于质子交换膜燃料电池（PEMFC）进行展开：

　　二 新一轮FCV商业化浪潮正在迫近，关键在于其成本和耐久性

　　车用燃料电池在世界各国的不断研发下，在能量效率、功率密度与比功率、低温启动等功能特性方面取得了突破性的进展，新一轮的燃料电池车产业化浪潮正在迫近。

　　商业化方面：

　　（1）欧美的燃料电池汽车研究和产业化都是在各大汽车公司的主导下进行的：GM新一代Hydrogen 4预计将于今年年末上市；VW现阶段的战略重点是PHEV，注重技术储备，已经有数款PHEV车型问世，未来将会分别推出奥迪A7、帕萨特和高尔夫三款FC车型；福特和奔驰都计划2017年实现商业化。

　　（2）日韩政府及产业界对燃料电池未来期望较高，企业掌握领先技术：TOYOTA是当之无愧的电动汽车领头羊，计划2020年燃料电池车达到700台/年的销量；HONDA在今年上市，开始实现商业化，燃料电池技术与GM共同研发；尼桑新一代燃料电池汽车在2015年底上市。

　　能量效率方面：Hyundai-Kia开发的燃料电池发动机能量效率在25%额定功率（DC输出电能与输入氢燃料LHV的比值）；

　　功率密度与比功率方面：PEMFC模块的功率密度大幅提升，日本丰田Sedan燃料电池汽车用PEMF模块的功率密度达到3kw/L；英国Intelligent Energy的新一代EC200-192模块的功率密度达到5kw/L；日产2011modelPEMFC模块比功率达到2kw/kg；

　　低温启动方面：丰田燃料电池汽车和本田燃料电池汽车分别实现了-37℃和-30℃启动。

　　然而，无论是车用燃料电池，还是备用电源燃料电池，关键材料和部件的成本和耐久性都是目前存在的瓶颈，也是燃料电池实现商业化的基础。根据美国能源部（DOE）2016年发布的《Multi-Year Research, Development, and Demonstration Plan》，为了实现商业化目标，燃料电池系统需满足以下要求：

　　（1）功率密度：2020年达到650W/L，长期达到850W/L；

　　（2）耐久性：2020年达到5000h，长期目标8000h；

　　（3）规模生产成本：2020年达到40 USD/kW，长期达到30 USD/kW；

　　燃料电池车的商业化最终取决于购置成本和使用成本；其中，购置成本的降低主要有几条途径：1）开发新材料；2）制备工艺的集成创新；3）推进关键零部件和材料国产化进程；4）加速商业化进程实现规模效应等；降低使用成本的途径主要包括：1）降低燃料成本（制氢、氢气储运）；2）加氢站的布局和运营的合理化；3）提高燃料电池耐久性（即使用寿命）等。

　　使用成本中涉及到氢气上游产业链的部分，我们在之前的燃料电池产业链系列报告1~3中曾对于制氢成本、储运成本和加氢站建设运营进行过系统的分析和研究，我们认为：气氢拖车+氯碱副产氢是目前的最优选择，成本和环保方面都已经成熟；未来液氢罐车+大规模工业制氢将是解决燃料电池普及之后的能源需求。相对于产业链的其他环节，加氢站投资规模不算大，对应单车基础投资约为5万元/车（考虑加氢站补贴的情况）。

　　在对目前氢气上游产业链进行分析和研究后，我们认为氢气来源和加氢站的建设运营的商业化进程正在逐步提速、成本经济性也逐渐合理化，因此，本篇报告将聚焦于燃料电池车的购置成本降低路线和燃料电池的耐久性问题（以PEMFCV质子交换膜燃料电池汽车为例）。

　　燃料电池车的购置成本主要取决于燃料电池系统成本，包括燃料电堆成本和系统主要部件成本。燃料电池系统成本约占燃料电池车成本的64%，其中，燃料电堆的成本约占整个燃料电池系统成本的47%。

　　美国能源部（DOE）氢和燃料电池项目对每年氢燃料电池 系统的成本进行了测算，以80kw的质子交换膜电池为样本，以大规模生产（50万个/年）为测算条件。结果表明，氢燃料电池系统成本已经从2006年的124美元/kw降至2015年的53美元/kw（下降近60%）。

　　DOE认为质子交换膜燃料电池系统成本有望于2020年降至40美元/kw，最终目标是实现30美元/kw。

　　燃料电池动力系统中，包括燃料电池电堆、氢气系统和其他零部件。其中燃料电池电堆中的核心材料又分为膜电极（MEA）、双极板及其他部件。膜电极是电化学反应的核心部件，由电催化剂、质子交换膜、气体扩散层组成。

　　电催化剂(catalyst)的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。目前主要研究方向包括Pt-M催化剂、Pt核-壳催化剂、Pt单原子层催化剂和非贵金属催化剂。

　　质子交换膜（proton exchange membrane,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+）。

　　气体扩散层（GDL）位于流场和催化层之间，其作用是支撑催化层、稳定电机结构，并具有质/热/电的传递功能。

　　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。

　　燃料电池工作方式与内燃机相类似，除了燃料电池电堆之外，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。

　　车载空压机是车用燃料电池重要部件之一，其作用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最高功率所需要的空气。如果按照空气化学计量比2.0计算，100kw的燃料电池系统大约需要300Nm3/h的空气。

　　增湿器是燃料电池发电系统的另一重要部件，这是因为质子交换膜传导质子需要有水的环境，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。

　　氢气回流泵的作用是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。

　　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70Mpa高压气态储氢技术，其中高压氢瓶是关键技术。

　　另一方面，燃料电池的耐久性问题涉及面广，挑战大，是目前燃料电池汽车产业化的棘手问题。通过研究燃料电池汽车的示范运营情况，业内普遍认为燃料电池汽车的关键材料和部件的劣化模式主要有四种：（1）频繁的启停引起的高电位造成催化剂碳载体的腐蚀；（2）反复加减速引起的电位循环造成的催化剂铂颗粒粗大化；（3）低负荷运行导致质子交换膜分解；（4）低温循环所伴随的胀缩造成膜电极机械损伤。

　　《中国制造2025》目标：2020年达到DOE的以上性能要求，2025年开始量产。原文中提到，“2020年，燃料电池堆寿命达到5000小时，功率密度超过2.5千瓦/升，整车耐久性到达15万公里，续驶里程500公里，加氢时间3分钟，冷启动温度低于-30℃；2025年，燃料电池堆系统可靠性和经济性大幅提高，和传统汽车、电动汽车相比具有一定的市场竞争力，实现批量生产和市场化推广。”

　　3、膜电极组件是燃料电池的核心部件，降本需结合技术进步

　　膜电极组件( Membrane Electrode Assembly，MEA) 是电化学反应的核心部件，主要由质子交换膜、催化剂层和气体扩散层组成。电解质隔膜两侧分别发生氢氧化反应与氧还原反应，电子通过外电路做功，反应产物为水。膜电极组件直接影响到燃料电池的成本，燃料电池大量使用贵金属铂作为催化剂的活性成分，成为燃料电池成本居高不下的重要因素。根据DOE的测算，在大规模生产（50万台/年）的情况下，MEA占质子交换膜电池（PEMFC）成本的60%。

　　技术方面，膜电极技术经历了几代革新，大体上可以分为热压法、CCM（catalyst coating membrane）法和有序化膜电极三种类型。膜电极的材料、结构及操作条件等决定着其电化学性能。膜电极结构的有序化使得电子、质子气体传质高效通畅，对提高发电性能和降低PGM的载量提供了新的解决方案。有序化膜电极是下一代膜电极制备技术的主攻方向。

　　3M公司基于Pt基于薄膜的有序化膜电极是目前唯一可以量产的有序化膜电极，目前，该膜电极在质子交换膜和气体扩散层的匹配上、Pt基合金的配方上都有了新进展。

　　3M的膜电极性能达到了861mW/cm2@0.692V，PGV载量为0.118mg/c㎡，成本降至5美元/kw。目前，该膜电极的铂载量、成本及Q/△T值方面已经达到美国DOE2020年目标。

　　一 催化剂：资源限制使得研究热度高涨，未来降本主要依靠改性和非铂催化剂研究

　　电催化剂是燃料电池的关键材料之一，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。

　　受到资源和成本方面的限制，目前Pt的用量已经由10年前的0.8~1g/kw降低到目前的0.3~0.5g/kw。

　　（1）根据DOE统计，如果以现有技术进行燃料电池汽车商业化，每年车用燃料电池对Pt资源的需求高达1160吨，远超过全球Pt的年产量（2015年178吨）。

　　（2）降低Pt用量的近期目标是到2020年，燃料电池电堆的Pt用量下降到0.1g/kw左右；长期目标是催化剂用量达到传统内燃机尾气净化器贵金属用量水平（＜0.05g/kw）

　　Pt催化剂除了受成本与资源制约外，也存在耐久性问题（主要体现在稳定性上）。通过燃料电池衰减机制分析可知，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、流失等。针对这些成本和耐久性问题，研究新型高稳定、高活性的低Pt或非Pt催化剂是目前热点。

　　许多研究着眼于提高Pt基阴极氧还原（Oxygen Reductive Reaction, ORR）催化剂的稳定性、利用率、改进电极结构以降低Pt负载量，降低燃料电池成本。

　　另一些研究专注于开发寻找完全可以替代铂的、低成本的、资源丰富的非铂ORR催化剂。

　　燃料电池催化剂的主要生产商为美国的3M公司、Gore；英国的Johnson Matthery；德国的BASF；日本的Tanaka；比利时的Umicore等。国内的大连化物所也具备小规模的生产能力。

　　二 质子交换膜：全氟磺酸膜为主流，成本下降空间巨大，国产化进程提速

　　质子交换膜（MEA）是燃料电池电解质和电极活性物质（催化剂）的基地，厚度仅为50~180um，其主要功能是在一定的温度和湿度条件下，具有选择透过性，即只容许H 离子（质子）透过，而不容许H2 分子及其它离子透过。同时具有适度的含水率，对氧化、还原和水解反应具有稳定性，质子交换膜具有足够高的机械强度和结构强度，以及膜表面适合与催化剂结合等性能；

　　质子交换膜作为PEMFC 的核心元件，从材料的角度来说，对其基本要求包括：1）电导率高（高选择性地离子导电而非电子导电）；2）化学稳定性好(耐酸碱和抗氧化还原的能力) ；3）热稳定性好；4）良好的机械性能（如强度和柔韧性）；5）反应气体的透气率低；6）水的电渗系数小；7）作为反应介质要有利于电极反应；8）价格低廉。

　　目前常用的商业化质子交换膜是全氟磺酸膜。生产全氟磺酸膜的主要国家包括美国、日本、加拿大和中国，美国杜邦（Dupont）的Nafion膜、陶氏化学（Dow Chemical）的Xus-B204膜、3M的膜；日本的旭硝子Flemion、旭化成Aciplex膜；加拿大Ballard公司BAM膜；国内东岳集团DF988、DF2801质子交换膜和新源动力、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吨的全氟磺酸树脂生产装置、年产10万m2的氯碱离子膜工程装置和燃料电池质子交换膜连续化十堰装置，批量生产线还有待于进一步建设。

　　质子交换膜的逐渐趋于薄型化，由几十微米降低到十几微米，降低质子传递的欧姆极化，以达到更高的性能；为了提高耐久性，目前研发了一系列强复合膜。复合膜是由均质膜改性而来的，利用均质膜的树脂与有机或无机物复合使其比均质膜在某些功能方面得到强化，典型的包括：1）提高机械性能的复合膜；2）提高化学稳定性的复合膜；3）具有增湿功能的复合膜

　　如美国Gore公司的Gore-select复合膜、大连化物所的Nafion/PTFE复合增强膜和碳纳米管增强复合膜等。

　　随着燃料电池批量化生产及技术工艺的不断优化，质子交换膜存在较大的降本空间。根据DOE数据显示，80kw的燃料电池需要11.8平米的质子交换膜，目前国内企业主要向美国杜邦公司采购，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（单位成本59美元/kw）。按照Mirai燃料电池车折合美元售价5.75万美元来计算，目前质子交换膜成本占整车成本为8.2%。要达到DOE对大规模生产（50万台/年）的成本要求，质子交换膜成本将占整车成本3%，对应成本为1.9美元/kw，说明质子交换膜在大规模生产后，将由于规模效应使得成本较快下降。

　　国产化进程加速：电子科大教授何伟东及其团队在实验室中研发出的质子交换膜能够与杜邦公司的产品抗衡（质子传导率是Nafion-117的1.78倍），且成本仅仅是后者的十分之一（约达到6美元/kw）。

　　三 气体扩散层：是关键材料中降本较简单的环节，已踏出国产化第一步

　　气体扩散层(GDL, gas diffusion layer)位于流畅和催化层之间，主要作用是为参与反应的气体和生成的水提供传输通道，并支撑催化剂。因此，扩散层基底材料的性能将直接影响燃料电池的电池性能。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。

　　通常气体扩散层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。

　　选择性能优良的气体扩散层基材能直接改善燃料电池的工作性能。性能优异的扩散层基材应满足以下要求：1）低电阻率；2）高孔隙度和一定范围内的孔径分布；3）一定的机械强度；4）良好的化学稳定性和导热性能；5）较高的性价比。

　　由于炭材料的孔隙度较高，孔径可调，常常被用作制备气体扩散层，主要有炭纸、炭纤维布、无纺布和炭黑纸，此外，也有的利用泡沫金属、金属网等来制备。

　　燃料电池生产商多采用日本东丽、加拿大Ballard、德国SGL等国际大生产商的炭纸产品。东丽目前占据较大的市场份额，且拥有的炭纸相关的专利较多，生产的炭纸具有高导电性、高强度、高气体通过率、表面平滑等优点；但Toray炭纸由于其脆性大而不能连续生产的特点导致其难以实现规模化生产，极大地限制了供应量的增长。我国对炭纸的研发主要集中于中南大学、武汉理工大学以及北京化工大学等。

　　国产化碳纸与进口商品化碳纸比较，电阻率降低、透气性增大，有利于燃料电池性能的提高，下一步需要建立批量生产设备，真正实现碳纸的国产化供给。

　　中南大学提出了化学气相沉积（CVD）热解炭改性碳纸的新技术。根据燃料电池服役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。

　　炭纸是燃料电池关键材料中，目前来看最容易做到成本下降的部分。我们预计，FCV规模达到1万辆以上的情况下，炭纸的成本可以下降50%以上；FCV规模达到10万辆以上时，炭纸成本将为目前的10%以下。

　　工艺方面，气体扩散层所用炭纸初坯的制备方法可分为两种：湿法和干法。湿法造纸技术制备的扩散层用炭纸具有良好且均匀的大量孔隙，能够通过调节酚醛树脂的量来控制孔隙率的大小，有利于加工成满足实际需求的炭纸。

　　4、双极板：广泛采用无孔石墨板，材料的不断优化提供降本可能性

　　双极板,又叫流场板,主要起到起输送和分配燃料、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设计。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%。其性能优劣直接影响电池的输出功率和使用寿命。

　　目前广泛采用的双极板材料为无孔石墨板,金属板和复合材料双极板的应用也在逐步出现。

　　石墨是较早开发和用以制作双极板的材料。目前石墨基双极板的主流供应商有美国 POCO、美国SHF、美国Graftech、日本 Fujikura Rubber LTD、日本 Kyushu Refractories、英国Bac2等。

　　石墨双极板目前已实现国产化，国产厂商主要有杭州鑫能石墨、江阴沪江科技、淄博联强碳素材料、上海喜丽碳素、南通黑匣、上海弘枫等。

　　金属板开始在部分领域替代石墨双极板。表面改性的多涂层结构金属双极板具备较大的发展空间。目前金属双极板主要供应商有瑞典 Cellimpact、德国 Dana、德国 Grabener、美国 treadstone 等，国内还处于研发试制阶段。

　　复合材料双极板近年来也开始有应用,如石墨/树脂复合材料、碳/碳复合材料等。

　　国内还处于研发试制阶段。上海治臻新能源装备有限公司依托上海交大，研制出车用燃料电池金属双极板，并尝试在电堆和整车中实际应用。

　　未来成本降低来源于材料的优化。目前,石墨双极板是最成熟的已商业化的双极板，具有良好的导电性能和耐腐蚀性能，但其成本高、易碎、质重、强度和加工性较差。经测算，FCV规模达到1万辆以上，双极板成本可降低20%以上；规模达到10万辆以上，双极板成本可下降30%以上。

　　（1）采用的加工方法是精密的机械加工，加工费用相当高(每块500cm2双极板加工费大于100美元)，占双极板费用的80%以上。石墨本身的易碎性决定了其加工时间较长，不容易大批量生产，故成本居高不下。若要降低成本，必须对双极板材料本身进行优化。

　　（2）未来，高性能、低成本、模压成型的碳基复合材料、树脂基复合材料，和具有优异性能的金属板是双极板的发展趋势。

　　金属双极板是替代石墨双极板的最佳选择。金属双极板的机械性能、加工性能、导电性等都十分优异，易于批量化生产降低成本，国外一些厂商如UTC等已开始采用金属双极板。此外，石墨/树脂复合材料等复合材料在导电性、力学性能等方面仍有待提高，距离商业化仍有一定距离。

　　国外已开始采用金属双极板，国内电堆采用碳板电双极板，国外金属双极板在绝对成本上仅为国内的1/20。DOE 提供了一项燃料电池电堆成本测算，基于的UTC电堆采用美国TreadStone SS 316L金属双极板；而国内电堆采用碳板，基于这两种碳板，我们得到如下成本对比分析：

　　成本组成占比对比：采用金属双极板电堆成本组成中，双极板占比仅为10%；而国内采用碳板电双极板，成本组成占比高达40%；

　　绝对成本对比：国内金属双极板成本仅为国内碳板成本的1/10。2013年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。

　　5、空气供应系统：现阶段降本突破口，长期看成本有60%的下降空间

　　空气供应系统为燃料电池提供空气，为其中的化学反应提供条件，是总系统的一个重要组成部分。

　　一方面，为了保证质子交换膜具有良好的工作特性，要求供气系统供给燃料电池堆的压缩空气绝对干净；

　　另一方面，为了保证PEMFC具有较好的综合性能，要求该子系统能够根据燃料电池输出功率的大小及时调整供气量与供气压力，并具有结构紧凑，重量轻，噪声低，可靠性高，能量可回收等特点。

　　空气供应系统主要包括车载空压机、车载储氢瓶和其他零部件（氢气循环泵、空滤器、氢气电池阀等）。整体来看，空气供应系统是现阶段降本的一个突破口，在FCV规模大于1万辆后，空气供应系统成本将降低50%；未来（FCV规模＞10万）在国产化加速和规模化效应的双重作用下，其总成本可以降低60%左右。

　　一 车载空压机：降本主要来自于批量生产和国产化加速

　　空压机的作用是将常压的空气压缩到燃料电池期望的压力,并根据电力需求提供相应的空气流量。空压机的种类很多，按工作原理可分为3大类：容积型（活塞式压缩机、螺杆压缩机）、速度型（离心式压缩机、鼓风机）、热力型压缩机（如喷射器）等。目前，车用燃料电池使用的空压机主要是容积型空压机和速度型空压机。

　　螺杆式空压机的优点是压力 / 流量可以灵活调整、启停方便、安装简单；但其缺点是噪声大、体积大、质量重和价格高。目前美国GM、Plug Power、德国Xcellsis、加拿大Ballard等公司的燃料电池中都采用了螺杆压缩机压缩机/膨胀机供气系统。

　　涡旋式空压机也属于容积式机械，在容积式流体机械中容积效率较高，且压力与气量连续可调，在宽的工况下都能达到较高的效率。涡旋机械可设计成压缩机--电机--膨胀机共轴的一体化结构型式。但与离心式相比尺寸和重量较大。日本丰田（TOYOTA）、美国UTC等公司的燃料电池系统也都采用了涡旋机械作为其供气系统的核心部件。

　　离心式空压机的价格相对便宜,质量和体积功率密度高, 是目前燃料电池用空压机的开发方向。但是离心式空压在偏离设计工况情况下性能下降严重。

　　美国能源部（DOE）从1998年起就一直在资助燃料电池供气系统的研究和开发；我国以中科院大连化物所为代表的科研机构等在空气压缩机方面也取得了一些进展；市场方面，雪人股份通过收购切入空压机市场。

　　在美国能源部资助下，Honeywell公司设计开发了电机驱动的透平压缩膨胀机，和容积式压缩机相比，效率较高、成本较低。

　　DOE委托Arthur D.Little公司进行50Kw燃料电池用涡旋压缩机/膨胀机供气系统的开发研究。Arthur D.Little开发涡旋压缩机能够提供连续无脉动气流。但由于泄露，高压比3比较难以达到。其第二代涡旋机满足DOE性能要求，连续运行500小时，3450rpm，76g/s流量，适合50kW燃料电池，但重量体积较大。

　　除主要的研究进展外，市场方面，我国雪人股份收购国际空压机龙头切入空压机市场。公司持有空压机龙头瑞典OPConAB 公司 17.01%的股权,通过并购基金收购了 OPCON 业务核心两大子公司 SRM 和 OES 100%股权。

　　空压机未来成本降低主要来自于批量化生产和技术突破，经测算，到量产1万辆FCV规模的情况下，成本将下降70%以上，量产10万辆FCV的情况下，成本仅为现阶段成本的10%。

　　空压机成本对产量敏感：不同于膜电机等成本主要来自于昂贵的原材料，空压机成本更多来自加工与制造，所以成本对产量十分敏感，批量生产可以显著降低空压机成本。根据DOE测算，当年产量达到50万台时，成本可从目前约2000美元每台降低至约750美元每台。

　　技术进步进一步推动降本：技术进步主要表现在系统集成度的提高和系统整体设计。在不同的负载区选择合适的操作压力，可以使得系统效率和输出功率达到最优，同时提高质子交换膜的自增湿能力，从而有利于燃料电池动力系统的集成度提高和成本降低。

　　二 车载储氢瓶：储氢技术是氢能应用走向规模化的关键，批量化生产凸显储氢系统降本空间

　　储氢的几种主要方式主要包括物理储氢（高压气态和低温液态）、氢化物储氢和吸附储氢，其中氢化物储氢和吸附储氢都主要依赖于不同储氢材料的性质特点。高压储氢装置体积密度低，但是技术成熟可靠，是目前最常见的储氢方式；低温液氢储存成本较高，但加速性能、储氢密度、最高车速和续驶里程等汽车性能方面,液氢存储方案更具有优势; 储氢材料储氢，储氢密度最高，但目前仍处于研究阶段。

　　储氢瓶是储氢系统的核心，成本占储氢系统成本的1/3左右，车用氢气钢瓶主要向着高压化、轻量化、低成本、质量稳定的方向发展。目前70MPa储氢罐已经处于大规模示范应用阶段，其性能已经能满足家用汽车使用需求，且80MPa储氢罐的研发已经陆续开始。

　　对于储氢系统，美国能源部提出燃料电池汽车车载储氢目标是: 储氢体积密度为60 kg/m3、储氢质量密度为 6%。这就需要较高的内部压力以达到储氢密度的要求，即需要高耐压钢瓶。

　　70MPa储氢罐由碳纤维复合材料组成。耐压容器是由碳纤维、玻璃、陶瓷等组成的薄壁容器, 其储氢方法简单, 成本低, 储氢质量分数可达5%～10% , 而且复合储氢容器不需要内部热交换装置。

　　目前我国采用材料-工艺-结构一体化的优化设计方法制造的70Mpa车用高压缠绕氢气瓶，多项技术指标也达到了国际先进水平。

　　目前车载储氢罐技术主要掌握在日本和美国企业手中。

　　美国Quantum 公司的与美国国防部合作，成功开发了移动加氢系统HyHauler系列，美国国防部已经前瞻性地将HyHauler系统应用到部分车辆上进行检测。

　　丰田在2015年5月举行的日本汽车技术协会春季大会（日本汽车技术协会主办）上发布，MIRAI的储氢罐的轻量化瞄准的是中层，中层采用的是对含浸了树脂的碳纤施加张力使之卷起层叠的纤维缠绕(Filament winding)工艺。缠绕方法有强化筒部的环向缠绕、强化边缘的高角度螺旋缠绕和强化底部的低角度螺旋缠绕三种，三种方式均减少了缠绕圈数。通过将CFRP用量减少40％，使重量效率比原来提高了20％，达到了全球最高水平的5.7wt.％。

　　我国有部分企业已在储氢技术方面取得突破：

　　京城股份：公司已于2014年完成 70MPa 高压氢燃料车用储气瓶的开发, 性能达到了设计指标和性能要求，打破了国内 70MPa 储氢瓶的技术瓶颈, 目前正处于送样阶段。

　　富瑞特装：2016年上半年，公司成立了氢能装备有限公司，开展燃料电池汽车用高压车载供氢系统、氢燃料电池汽车用加氢站及加氢站用撬装化设备的研发工作，现已完成了车载供氢系统和加氢站的技术设计，为氢燃料电池物流车样车提供了两台供氢系统。

　　上海清能：已经开发和大规模生产安全性高，经欧盟认证的金属氢化物储氢瓶，储氢合金瓶批量化销售。

　　武汉众宇：专注于开发无人机用超轻量氢气瓶（1L~20L）

　　储氢瓶的成本主要来自储氢瓶原材料与储氢系统装配，将通过原材料降本、集成度提高和规模化生产的方式达到降低成本的目的。目前70Mpa钢瓶成本较高，主要是因为（1）所使用的碳纤维等材料价格昂贵；（2）箱体结构复杂，制作技术难度高。短期来看，我们认为，FCV数量如超过1万辆，氢瓶成本即可下降50%以上，对应地，FCV的整体成本可下降约3%。

　　降本主要来自于原材料成本降低：使用到碳纤维的内衬、外壳、绝缘层等部分占储氢罐成本的48%，占整个储氢系统的16%。美国橡树岭国家实验室采用高密度前驱体路线制备高强度碳纤维，显著降低了碳纤维制备成本，同时使储氢系统成本降低了11%。

　　其次来自合理设计系统集成：储氢系统组成复杂，包括温度调节装置、气体通道等部件。合理设计系统的集成方式可以优化系统结果，提高系统效率。

　　气瓶成本对产量敏感：气瓶结构复杂，装配工艺繁琐，批量化生产能够显著体现规模效应，降低成本。产量达到50万台每年时，储氢系统成本可降低至目前的45%。