燃料電池全面分析(二):六大分類,制儲運加,洋蔥模式

本文為燃料電池全面分析系列，共分三篇，本篇是技術分析。

燃料電池主要由正極、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。

1. 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 質子交換膜燃料電池出現跨越式發展。

 

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

AFC 鹼性燃料電池：成本偏高，主要應用於航天領域

PAFC 磷酸燃料電池：效率較低（40%），小型電站應用

MCFC 熔融碳酸鹽燃料電池：運行溫度高（600度），大型電站應用

SOFC 固體氧化物燃料電池：運行溫度高（800度），未來潛力較大 

PEMFC 質子交換膜燃料電池：低溫運行（80度），主要應用於交通領域

DMFC 甲醇燃料電池：運行溫度適中（60~130度），主要應用於消費電子

2. 產業鏈：上遊氫氣製備運輸儲存，中遊燃料電池，下遊應用

3. 技術路線圖：功率密度 > 2kW/kg，耐久性 > 5000h

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

實施路徑圖：系統→發動機→電堆→膜電極→催化劑&質子交換膜

採取「剝洋蔥模式」，層層深入，將技術鏈逐環解耦

第一個層次，研發燃料電池的混合動力系統，發動機外協；

第二個層次，研發了燃料電池發動機，燃料電池的電堆外協；

第三個層次，研發燃料電池電堆，燃料電池膜電極外協；

第四個層次，研發燃料電池膜電極，核心是質子交換膜和催化劑。

4. 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

制氫主要分為 5 種技術路線

全球來看，目前主要的制氫原料 96% 以上來源於傳統能源的化學重整，日本鹽水電解的產能佔所有制氫產能的 63%

各種制氫方式成本如下

5. 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。 

各種儲氫方式對比如下 

6. 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），採用各種基本運輸方式的組合運輸形式。

7. 加氫站：三站合一，站內製氫為主，中央制氫補充

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

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，中國規劃建成 100 座加氫站。 

8. 燃料電池汽車：燃料電池系統/發動機+輔助電池系統+儲氫瓶+電機+電控

9. 燃料電池系統/發動機：電堆、DC/DC、空氣系統、氫氣系統

10. 燃料電池堆：佔系統成本 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作用下，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，這樣就產生了電能。 

燃料電池堆是電池系統的心臟，成本佔電池系統一半以上 

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

11. MEA 膜電極：催化劑、質子交換膜、氣體擴散層

膜電極（membrane electrode assembly，MEA）是質子交換膜燃料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提供通道，膜電極是質子交換膜燃料電池的心臟。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

催化劑作用於氫氣，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，國內具備量產能力

質子交換膜的主要作用有兩個：一方面為電解質提供氫離子通道，一方面作為隔膜隔離兩極反應氣體。此外，質子交換膜還需要對催化劑層起到支撐作用。

質子交換膜類型主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、複合膜以及高溫膜。 

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複合成型工藝。

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，主要起到支撐微孔層的催化層的作用，微孔層主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，使得流道氣體以及產生水均布分配。

12. 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、導電的作用，佔整個燃料電池 60% 的重量和 20% 的成本。 

雙極板材料主要包括石墨、金屬以及複合材料三類。 

13. 空氣循環系統：核心是渦輪/螺杆空氣壓縮機

空氣循環系統主要由空氣壓縮機、膨脹機、電機、連接管道等組成，總成本佔燃料電池系統的 22%，工作能耗佔燃料電池輸出功率的 20~30%。 

工作原理：空氣通過壓縮機增壓之後，經過加溼處理送入到燃料電池反應堆，在那裡和來自於氫源的氫氣發生電化學反應，輸出電能用於動力輸出。輸入氣體在消耗了部分氧氣之後，排出反應堆，通過分水，去霧之後，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需要的電能。 

14. 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、氫氣洩漏傳感器、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：70 MPa 是未來趨勢，國內已有樣品

儲氫瓶是車輛續航裡程的決定因素，常用的儲氫瓶分為 5 種類型。 

70 MPa 儲氫瓶 是未來趨勢 

15. 專利

專利技術經歷高速增長後的回落過程中 

日本引領技術發展，中國國際排名第三

 

車企掌握產業技術話語權，豐田、日產、本田、松下、東芝居前

最後奉上豐田燃料電池系統視頻。