燃料動力電池全面分析系列第一篇《燃料動力電池全面分析：四大優勢，三大應用，產業元年！》

1.技術原理：氧化還原反應

燃料動力電池重要由正極、負極、電解質三部分組成，原理是氧化還原反應，反應實質是燃料和氧氣發生反應生水或者其他產物。

2.分類：6大類，PEMFC質子交換膜為主

根據工作溫度、電池內載流子和前端燃料的不同，燃料動力電池分為以下6大類。

按照使用溫度分類如下

受益交通應用拉動，PEMFC質子交換膜燃料動力電池出現跨越式發展。

PEMFC質子交換膜燃料動力電池具有高比功率、可快速啟動、無腐蝕性、反應溫度低、氧化劑需求低等優勢，是當前燃料動力電池汽車的首選。

AFC堿性燃料動力電池：成本偏高，重要應用于航天領域

PAFC磷酸燃料動力電池：效率較低（40%），小型電站應用

MCFC熔融碳酸鹽燃料動力電池：運行溫度高（600度），大型電站應用

SOFC固體氧化物燃料動力電池：運行溫度高（800度），未來潛力較大

PEMFC質子交換膜燃料動力電池：低溫運行（80度），重要應用于交通領域

DMFC甲醇燃料動力電池：運行溫度適中（60~130度），重要應用于消費電子

3.產業鏈：上游氫氣制備運輸儲存，中游燃料動力電池，下游應用

4.技術路線圖：功率密度>2kW/kg，耐久性>5000h

歐陽老師的《節能與新能源汽車技術路線圖》為我國燃料動力電池汽車的發展指明了方向：電堆的比功率和壽命是重要的技術參數目標，全產業鏈均有技術創新需求。

執行路徑圖：系統→發動機→電堆→膜電極→催化劑&質子交換膜

采取“剝洋蔥模式”，層層深入，將技術鏈逐環解耦

第一個層次，研發燃料動力電池的混合動力系統，發動機外協；

第二個層次，研發了燃料動力電池發動機，燃料動力電池的電堆外協；

第三個層次，研發燃料動力電池電堆，燃料動力電池膜電極外協；

第四個層次，研發燃料動力電池膜電極，核心是質子交換膜和催化劑。

5.5種制氫方法：煤氣化/焦爐氣副產成本最低10元/Kg，電解水環保30元/Kg

制氫重要分為5種技術路線

全球來看，目前重要的制氫原料96%以上來源于傳統能源的化學重整，日本鹽水電解的產量占所有制氫產量的63%

各種制氫方式成本如下

6.儲氫：高壓氣態為主，固態合金是未來方向

儲氫方式有三種，分別是氣態儲氫、液態儲氫、固態儲氫。

各種儲氫方式比較如下

7.運氫：大量氣態管道運輸，小量固液車船運輸

常見的運輸方式有液化汽車運輸、高壓氣體汽車運輸和管道運輸（方法一、二、三），目前各國正在研發氫載體方式運輸氫（方法四），采用各種基本運輸方式的組合運輸形式。

8.加氫站：三站合一，站內制氫為主，中央制氫補充

加氫站的技術路線有站內制氫技術（電解水制氫、天然氣重整制氫）和外供氫技術，我們看好站內制氫加氫方法發展前景

加氫站、加油站、加氣站三站合建，解決城市用地難和安全管理問題。

氫氣壓縮機、高壓儲氫罐、氫氣加注機是加氫站系統的三大核心裝備。

截至2017年底，全球共有328座正在運營的加氫站

到2020年，我國規劃建成100座加氫站。

9.燃料動力電池汽車：燃料動力電池系統/發動機+輔助電池系統+儲氫瓶+電機+電控

10.燃料動力電池系統/發動機：電堆、DC/DC、空氣系統、氫氣系統

11.燃料動力電池堆：占系統成本50%，核心是膜電極、雙極板

原理：利用質子交換膜技術，使氫氣在覆蓋有催化劑的質子交換膜用途下，在陽極將氫氣催化分解成為質子，這些質子通過質子交換膜到達陰極，在氫氣的分解過程中釋放出電子，電子通過負載被引出到陰極，這樣就出現了電能。

燃料動力電池堆是電池系統的心臟，成本占電池系統一半以上

單體燃料動力電池由雙極板、膜電極組件(MEA)、密封圈等部件組成，其中膜電極組件成本占燃料動力電池堆的60%，重要是由質子交換膜、催化劑層、氣體擴散層組成。

12.MEA膜電極：催化劑、質子交換膜、氣體擴散層

膜電極（membraneelectrodeassembly，MEA）是質子交換膜燃料動力電池發生電化學反應的場所，是傳遞電子和質子的介質，為反應氣體、尾氣和液態水的進出供應通道，膜電極是質子交換膜燃料動力電池的心臟。膜電極通常由5部分組成，即中間的質子交換膜、兩側的陽極催化層和陰極催化層，最外側的陽極氣體擴散層和陰極氣體擴散層。

催化劑：單車鉑用量<10g，國內可小規模生產

催化劑用途于氫氣，使電子離開氫原子。目前Pt/C載體型催化劑是PEMFC最常用的催化劑劑，由納米級的Pt顆粒（3~5nm）和支撐這些Pt顆粒的大比表面積活性炭構成。

質子交換膜：全氟磺酸膜是主流，國內具備量產量力

質子交換膜的重要用途有兩個：一方面為電解質供應氫離子通道，一方面作為隔膜隔離兩極反應氣體。此外，質子交換膜還要對催化劑層起到支撐用途。

質子交換膜類型重要包括全氟磺酸質子交換膜、非全氟化質子交換膜、無氟化質子交換膜、復合膜以及高溫膜。

全氟磺酸膜成型工藝可分為三類：PESIM擠出成型工藝、溶液澆鑄成型工藝和復合成型工藝。

GDL氣體擴散層：核心是碳紙，國內小規模生產

氣體擴散層通常由基底層和微孔層組成，基底層通常使用多孔的碳纖維紙、碳纖維織布、碳纖維非紡材料及碳黑紙，重要起到支撐微孔層的催化層的用途，微孔層重要是改善基底層孔隙結構的一層碳粉，目的是降低催化層和基底層之間的接觸電阻，使得流道氣體以及出現水均布分配。

13.雙極板：石墨板應用廣泛，金屬板能量密度高，國內小規模生產

雙極板是電堆的核心結構零部件，起到均勻分配氣體、排水、導熱、導電的用途，占整個燃料動力電池60%的重量和20%的成本。

雙極板材料重要包括石墨、金屬以及復合材料三類。

14.空氣循環系統：核心是渦輪/螺桿空氣壓縮機

空氣循環系統重要由空氣壓縮機、膨脹機、電機、連接管道等組成，總成本占燃料動力電池系統的22%，工作能耗占燃料動力電池輸出功率的20~30%。

工作原理：空氣通過壓縮機增壓之后，經過加濕處理送入到燃料動力電池反應堆，在那里和來自于氫源的氫氣發生電化學反應，輸出電能用于動力輸出。輸入氣體在消耗了部分氧氣之后，排出反應堆，通過分水，去霧之后，通過膨脹器從壓力氣體中回收部分壓力能，將其轉化為機械能反饋到空氣壓縮機，從而節省供氣單元所要的電能。

15.氫氣供給系統：核心是儲氫瓶

車載供氫系統包括壓力流量調整元件、氫氣泄漏傳感器、供氫管路、控制系統、氫氣再循環系統等，核心是儲氫瓶。

儲氫瓶：70MPa是未來趨勢，國內已有樣品

儲氫瓶是車輛續航里程的決定因素，常用的儲氫瓶分為5種類型。

70MPa儲氫瓶是未來趨勢

16.專利

專利技術經歷高速上升后的回落過程中

日本引領技術發展，我國國際排名第三

車企掌握產業技術話語權，豐田、日產、本田、松下、東芝居前