燃料动力电池全面分析：六大分类，制储运加，洋葱模式！

燃料动力电池全面分析系列第一篇《燃料动力电池全面分析：四大优势，三大应用，产业元年！》

1.技术原理：氧化还原反应

燃料动力电池重要由正极、负极、电解质三部分组成，原理是氧化还原反应，反应实质是燃料和氧气发生反应生水或者其他产物。

2.分类：6大类，PEMFC质子交换膜为主

根据工作温度、电池内载流子和前端燃料的不同，燃料动力电池分为以下6大类。

按照使用温度分类如下

受益交通应用拉动，PEMFC质子交换膜燃料动力电池出现跨越式发展。

PEMFC质子交换膜燃料动力电池具有高比功率、可快速启动、无腐蚀性、反应温度低、氧化剂需求低等优势，是当前燃料动力电池汽车的首选。

AFC碱性燃料动力电池：成本偏高，重要应用于航天领域

PAFC磷酸燃料动力电池：效率较低（40%），小型电站应用

MCFC熔融碳酸盐燃料动力电池：运行温度高（600度），大型电站应用

SOFC固体氧化物燃料动力电池：运行温度高（800度），未来潜力较大

PEMFC质子交换膜燃料动力电池：低温运行（80度），重要应用于交通领域

DMFC甲醇燃料动力电池：运行温度适中（60~130度），重要应用于消费电子

3.产业链：上游氢气制备运输储存，中游燃料动力电池，下游应用

4.技术路线图：功率密度>2kW/kg，耐久性>5000h

欧阳老师的《节能与新能源汽车技术路线图》为我国燃料动力电池汽车的发展指明了方向：电堆的比功率和寿命是重要的技术参数目标，全产业链均有技术创新需求。

执行路径图：系统→发动机→电堆→膜电极→催化剂&质子交换膜

采取“剥洋葱模式”，层层深入，将技术链逐环解耦

第一个层次，研发燃料动力电池的混合动力系统，发动机外协；

第二个层次，研发了燃料动力电池发动机，燃料动力电池的电堆外协；

第三个层次，研发燃料动力电池电堆，燃料动力电池膜电极外协；

第四个层次，研发燃料动力电池膜电极，核心是质子交换膜和催化剂。

5.5种制氢方法：煤气化/焦炉气副产成本最低10元/Kg，电解水环保30元/Kg

制氢重要分为5种技术路线

全球来看，目前重要的制氢原料96%以上来源于传统能源的化学重整，日本盐水电解的产量占所有制氢产量的63%

各种制氢方式成本如下

6.储氢：高压气态为主，固态合金是未来方向

储氢方式有三种，分别是气态储氢、液态储氢、固态储氢。

各种储氢方式比较如下

7.运氢：大量气态管道运输，小量固液车船运输

常见的运输方式有液化汽车运输、高压气体汽车运输和管道运输（方法一、二、三），目前各国正在研发氢载体方式运输氢（方法四），采用各种基本运输方式的组合运输形式。

8.加氢站：三站合一，站内制氢为主，中央制氢补充

加氢站的技术路线有站内制氢技术（电解水制氢、天然气重整制氢）和外供氢技术，我们看好站内制氢加氢方法发展前景

加氢站、加油站、加气站三站合建，解决城市用地难和安全管理问题。

氢气压缩机、高压储氢罐、氢气加注机是加氢站系统的三大核心装备。

截至2017年底，全球共有328座正在运营的加氢站

到2020年，我国规划建成100座加氢站。

9.燃料动力电池汽车：燃料动力电池系统/发动机+辅助电池系统+储氢瓶+电机+电控

10.燃料动力电池系统/发动机：电堆、DC/DC、空气系统、氢气系统

11.燃料动力电池堆：占系统成本50%，核心是膜电极、双极板

原理：利用质子交换膜技术，使氢气在覆盖有催化剂的质子交换膜用途下，在阳极将氢气催化分解成为质子，这些质子通过质子交换膜到达阴极，在氢气的分解过程中释放出电子，电子通过负载被引出到阴极，这样就出现了电能。

燃料动力电池堆是电池系统的心脏，成本占电池系统一半以上

单体燃料动力电池由双极板、膜电极组件(MEA)、密封圈等部件组成，其中膜电极组件成本占燃料动力电池堆的60%，重要是由质子交换膜、催化剂层、气体扩散层组成。

12.MEA膜电极：催化剂、质子交换膜、气体扩散层

膜电极（membraneelectrodeassembly，MEA）是质子交换膜燃料动力电池发生电化学反应的场所，是传递电子和质子的介质，为反应气体、尾气和液态水的进出供应通道，膜电极是质子交换膜燃料动力电池的心脏。膜电极通常由5部分组成，即中间的质子交换膜、两侧的阳极催化层和阴极催化层，最外侧的阳极气体扩散层和阴极气体扩散层。

催化剂：单车铂用量<10g，国内可小规模生产

催化剂用途于氢气，使电子离开氢原子。目前Pt/C载体型催化剂是PEMFC最常用的催化剂剂，由纳米级的Pt颗粒（3~5nm）和支撑这些Pt颗粒的大比表面积活性炭构成。

质子交换膜：全氟磺酸膜是主流，国内具备量产量力

质子交换膜的重要用途有两个：一方面为电解质供应氢离子通道，一方面作为隔膜隔离两极反应气体。此外，质子交换膜还要对催化剂层起到支撑用途。

质子交换膜类型重要包括全氟磺酸质子交换膜、非全氟化质子交换膜、无氟化质子交换膜、复合膜以及高温膜。

全氟磺酸膜成型工艺可分为三类：PESIM挤出成型工艺、溶液浇铸成型工艺和复合成型工艺。

GDL气体扩散层：核心是碳纸，国内小规模生产

气体扩散层通常由基底层和微孔层组成，基底层通常使用多孔的碳纤维纸、碳纤维织布、碳纤维非纺材料及碳黑纸，重要起到支撑微孔层的催化层的用途，微孔层重要是改善基底层孔隙结构的一层碳粉，目的是降低催化层和基底层之间的接触电阻，使得流道气体以及出现水均布分配。

13.双极板：石墨板应用广泛，金属板能量密度高，国内小规模生产

双极板是电堆的核心结构零部件，起到均匀分配气体、排水、导热、导电的用途，占整个燃料动力电池60%的重量和20%的成本。

双极板材料重要包括石墨、金属以及复合材料三类。

14.空气循环系统：核心是涡轮/螺杆空气压缩机

空气循环系统重要由空气压缩机、膨胀机、电机、连接管道等组成，总成本占燃料动力电池系统的22%，工作能耗占燃料动力电池输出功率的20~30%。

工作原理：空气通过压缩机增压之后，经过加湿处理送入到燃料动力电池反应堆，在那里和来自于氢源的氢气发生电化学反应，输出电能用于动力输出。输入气体在消耗了部分氧气之后，排出反应堆，通过分水，去雾之后，通过膨胀器从压力气体中回收部分压力能，将其转化为机械能反馈到空气压缩机，从而节省供气单元所要的电能。

15.氢气供给系统：核心是储氢瓶

车载供氢系统包括压力流量调整元件、氢气泄漏传感器、供氢管路、控制系统、氢气再循环系统等，核心是储氢瓶。

储氢瓶：70MPa是未来趋势，国内已有样品

储氢瓶是车辆续航里程的决定因素，常用的储氢瓶分为5种类型。

70MPa储氢瓶是未来趋势

16.专利

专利技术经历高速上升后的回落过程中

日本引领技术发展，我国国际排名第三

车企掌握产业技术话语权，丰田、日产、本田、松下、东芝居前