燃料動(dòng)力電池全面分析系列第一篇《燃料動(dòng)力電池全面分析：四大優(yōu)勢(shì)，三大應(yīng)用，產(chǎn)業(yè)元年！》

1.技術(shù)原理：氧化還原反應(yīng)

燃料動(dòng)力電池重要由正極、負(fù)極、電解質(zhì)三部分組成，原理是氧化還原反應(yīng)，反應(yīng)實(shí)質(zhì)是燃料和氧氣發(fā)生反應(yīng)生水或者其他產(chǎn)物。

2.分類：6大類，PEMFC質(zhì)子交換膜為主

根據(jù)工作溫度、電池內(nèi)載流子和前端燃料的不同，燃料動(dòng)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(yīng)用拉動(dòng)，PEMFC質(zhì)子交換膜燃料動(dòng)力電池出現(xiàn)跨越式發(fā)展。

PEMFC質(zhì)子交換膜燃料動(dòng)力電池具有高比功率、可快速啟動(dòng)、無(wú)腐蝕性、反應(yīng)溫度低、氧化劑需求低等優(yōu)勢(shì)，是當(dāng)前燃料動(dòng)力電池汽車的首選。

AFC堿性燃料動(dòng)力電池：成本偏高，重要應(yīng)用于航天領(lǐng)域

PAFC磷酸燃料動(dòng)力電池：效率較低（40%），小型電站應(yīng)用

MCFC熔融碳酸鹽燃料動(dòng)力電池：運(yùn)行溫度高（600度），大型電站應(yīng)用

SOFC固體氧化物燃料動(dòng)力電池：運(yùn)行溫度高（800度），未來(lái)潛力較大

PEMFC質(zhì)子交換膜燃料動(dòng)力電池：低溫運(yùn)行（80度），重要應(yīng)用于交通領(lǐng)域

DMFC甲醇燃料動(dòng)力電池：運(yùn)行溫度適中（60~130度），重要應(yīng)用于消費(fèi)電子

3.產(chǎn)業(yè)鏈：上游氫氣制備運(yùn)輸儲(chǔ)存，中游燃料動(dòng)力電池，下游應(yīng)用

4.技術(shù)路線圖：功率密度>2kW/kg，耐久性>5000h

歐陽(yáng)老師的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》為我國(guó)燃料動(dòng)力電池汽車的發(fā)展指明了方向：電堆的比功率和壽命是重要的技術(shù)參數(shù)目標(biāo)，全產(chǎn)業(yè)鏈均有技術(shù)創(chuàng)新需求。

執(zhí)行路徑圖：系統(tǒng)→發(fā)動(dòng)機(jī)→電堆→膜電極→催化劑&質(zhì)子交換膜

采取“剝洋蔥模式”，層層深入，將技術(shù)鏈逐環(huán)解耦

第一個(gè)層次，研發(fā)燃料動(dòng)力電池的混合動(dòng)力系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)外協(xié)；

第二個(gè)層次，研發(fā)了燃料動(dòng)力電池發(fā)動(dòng)機(jī)，燃料動(dòng)力電池的電堆外協(xié)；

第三個(gè)層次，研發(fā)燃料動(dòng)力電池電堆，燃料動(dòng)力電池膜電極外協(xié)；

第四個(gè)層次，研發(fā)燃料動(dòng)力電池膜電極，核心是質(zhì)子交換膜和催化劑。

5.5種制氫方法：煤氣化/焦?fàn)t氣副產(chǎn)成本最低10元/Kg，電解水環(huán)保30元/Kg

制氫重要分為5種技術(shù)路線

全球來(lái)看，目前重要的制氫原料96%以上來(lái)源于傳統(tǒng)能源的化學(xué)重整，日本鹽水電解的產(chǎn)量占所有制氫產(chǎn)量的63%

各種制氫方式成本如下

6.儲(chǔ)氫：高壓氣態(tài)為主，固態(tài)合金是未來(lái)方向

儲(chǔ)氫方式有三種，分別是氣態(tài)儲(chǔ)氫、液態(tài)儲(chǔ)氫、固態(tài)儲(chǔ)氫。

各種儲(chǔ)氫方式比較如下

7.運(yùn)氫：大量氣態(tài)管道運(yùn)輸，小量固液車船運(yùn)輸

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

8.加氫站：三站合一，站內(nèi)制氫為主，中央制氫補(bǔ)充

加氫站的技術(shù)路線有站內(nèi)制氫技術(shù)（電解水制氫、天然氣重整制氫）和外供氫技術(shù)，我們看好站內(nèi)制氫加氫方法發(fā)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(wèn)題。

氫氣壓縮機(jī)、高壓儲(chǔ)氫罐、氫氣加注機(jī)是加氫站系統(tǒng)的三大核心裝備。

截至2017年底，全球共有328座正在運(yùn)營(yíng)的加氫站

到2020年，我國(guó)規(guī)劃建成100座加氫站。

9.燃料動(dòng)力電池汽車：燃料動(dòng)力電池系統(tǒng)/發(fā)動(dòng)機(jī)+輔助電池系統(tǒng)+儲(chǔ)氫瓶+電機(jī)+電控

10.燃料動(dòng)力電池系統(tǒng)/發(fā)動(dòng)機(jī)：電堆、DC/DC、空氣系統(tǒng)、氫氣系統(tǒng)

11.燃料動(dòng)力電池堆：占系統(tǒng)成本50%，核心是膜電極、雙極板

原理：利用質(zhì)子交換膜技術(shù)，使氫氣在覆蓋有催化劑的質(zhì)子交換膜用途下，在陽(yáng)極將氫氣催化分解成為質(zhì)子，這些質(zhì)子通過(guò)質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極，在氫氣的分解過(guò)程中釋放出電子，電子通過(guò)負(fù)載被引出到陰極，這樣就出現(xiàn)了電能。

燃料動(dòng)力電池堆是電池系統(tǒng)的心臟，成本占電池系統(tǒng)一半以上

單體燃料動(dòng)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(dòng)力電池堆的60%，重要是由質(zhì)子交換膜、催化劑層、氣體擴(kuò)散層組成。

12.MEA膜電極：催化劑、質(zhì)子交換膜、氣體擴(kuò)散層

膜電極（membraneelectrodeassembly，MEA）是質(zhì)子交換膜燃料動(dòng)力電池發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的場(chǎng)所，是傳遞電子和質(zhì)子的介質(zhì)，為反應(yīng)氣體、尾氣和液態(tài)水的進(jìn)出供應(yīng)通道，膜電極是質(zhì)子交換膜燃料動(dòng)力電池的心臟。膜電極通常由5部分組成，即中間的質(zhì)子交換膜、兩側(cè)的陽(yáng)極催化層和陰極催化層，最外側(cè)的陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層和陰極氣體擴(kuò)散層。

催化劑：?jiǎn)诬囥K用量<10g，國(guó)內(nèi)可小規(guī)模生產(chǎn)

催化劑用途于氫氣，使電子離開(kāi)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(jí)的Pt顆粒（3~5nm）和支撐這些Pt顆粒的大比表面積活性炭構(gòu)成。

質(zhì)子交換膜：全氟磺酸膜是主流，國(guó)內(nèi)具備量產(chǎn)量力

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

質(zhì)子交換膜類型重要包括全氟磺酸質(zhì)子交換膜、非全氟化質(zhì)子交換膜、無(wú)氟化質(zhì)子交換膜、復(fù)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(fù)合成型工藝。

GDL氣體擴(kuò)散層：核心是碳紙，國(guó)內(nèi)小規(guī)模生產(chǎn)

氣體擴(kuò)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(jié)構(gòu)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(xiàn)水均布分配。

13.雙極板：石墨板應(yīng)用廣泛，金屬板能量密度高，國(guó)內(nèi)小規(guī)模生產(chǎn)

雙極板是電堆的核心結(jié)構(gòu)零部件，起到均勻分配氣體、排水、導(dǎo)熱、導(dǎo)電的用途，占整個(gè)燃料動(dòng)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(fù)合材料三類。

14.空氣循環(huán)系統(tǒng)：核心是渦輪/螺桿空氣壓縮機(jī)

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

工作原理：空氣通過(guò)壓縮機(jī)增壓之后，經(jīng)過(guò)加濕處理送入到燃料動(dòng)力電池反應(yīng)堆，在那里和來(lái)自于氫源的氫氣發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，輸出電能用于動(dòng)力輸出。輸入氣體在消耗了部分氧氣之后，排出反應(yīng)堆，通過(guò)分水，去霧之后，通過(guò)膨脹器從壓力氣體中回收部分壓力能，將其轉(zhuǎn)化為機(jī)械能反饋到空氣壓縮機(jī)，從而節(jié)省供氣單元所要的電能。

15.氫氣供給系統(tǒng)：核心是儲(chǔ)氫瓶

車載供氫系統(tǒng)包括壓力流量調(diào)整元件、氫氣泄漏傳感器、供氫管路、控制系統(tǒng)、氫氣再循環(huán)系統(tǒng)等，核心是儲(chǔ)氫瓶。

儲(chǔ)氫瓶：70MPa是未來(lái)趨勢(shì)，國(guó)內(nèi)已有樣品

儲(chǔ)氫瓶是車輛續(xù)航里程的決定因素，常用的儲(chǔ)氫瓶分為5種類型。

70MPa儲(chǔ)氫瓶是未來(lái)趨勢(shì)

16.專利

專利技術(shù)經(jīng)歷高速上升后的回落過(guò)程中

日本引領(lǐng)技術(shù)發(fā)展，我國(guó)國(guó)際排名第三

車企掌握產(chǎn)業(yè)技術(shù)話語(yǔ)權(quán)，豐田、日產(chǎn)、本田、松下、東芝居前