新能源汽车技术05-新能源汽车电池-燃料电池课件

氢能源：绿色零排放，或是能源终极形式历史纵向看：能源使用清洁程度不断提升环境保护意识的增强推动能源利用向着绿色、清洁化的方向发展。从最开始的草木发展到如今的风能、太阳能、核能、地热能等多种形式，能源使用过程的污染物排放逐渐降低，这代表这人类能源使用的方向。而目前已知的所有能源中，最为清洁的是氢能，氢气使用过程产物是水，可以真正做到零排放、无污染，被看做是最具应用前景的能源之一，或成为能源使用的终极形式。能源使用历史氢能源：绿色零排放，或是能源终极形式历史纵向看：能源使用清洁1从物质能量密度角度看，氢能源高于汽油、柴油和天然气。美国能源局数据显示，氢气功率密度几乎是其他化石燃料的3倍多。不同能源功率密度对比（KW/kg）从物质能量密度角度看，氢能源高于汽油、柴油和天然2不同能源发电建设成本对比（$/KW）可以看到氢能源在功率密度、成本方面具有优势，同时兼具环境友好性，其应用前景十分广阔。从发电建设成本来讲，氢能源发电建设成本最低。EIA数据显示，氢气发电建设成本仅580美元/KW，在风能、天然气、光伏、石油、生物质能发电等众多方式中成本最低。不同能源发电建设成本对比（$/KW）可以看到氢能源在功率密3氢能源应用阻碍：分布式应用场景综合成本高与加氢难虽然氢气在理论层面相较于其他能源具有功率密度优势，且用于发电时建设成本较低，但是这仅考虑了发电时利用氢能源的模式。氢能源大范围推广使用离不开分布式使用场景，当应用场景发生变化时，氢能源使用需要考虑的影响因素就变得更为复杂。分布式应用场景中与替代产品相比成本较高。氢能源的清洁利用主要是通过燃料电池，燃料电池应用在分布式应用场景中的时候与其他可替代方式相比，还存在成本高的问题。

以氢能源燃料电池汽车为例，应用氢能源首先要考虑购买产品的成本，燃料电池本就是技术含量高的产品，应用到汽车上时使得汽车的一次性购臵成本迅速增长；

其次考虑维护成本，燃料电池汽车比其他汽车更为精密，因此其维护成本更高；

再次考虑消耗燃料的成本，氢气由于在制备、储存、运输等过程中需要更多的技术处理而具有更高的单位成本；

最后考虑配套设施设施成本，燃料电池汽车使用需要众多加氢站支持，加氢站由于需要配置大型压缩机等大型设备，具有比加油站和充电站更高的建设成本。

综合考虑之下，分布式应用场景中，氢能源应用综合成本很高。氢能源应用阻碍：分布式应用场景综合成本高与加氢难4欧洲氢能源燃料电池汽车与其他燃料汽车使用成本对比（小汽车）欧洲市场燃料电池小汽车的综合使用成本达到0.24欧元/km，高于纯电动和柴油汽车的综合使用成本。因为氢气出售时会考虑氢气制备、运输以及加氢站建设、运营等成本，所以氢气价格里面包含了这些相关配套设施的成本。因此这一成本就是氢能源以燃料电池形式应用到小汽车上的全成本。欧洲氢能源燃料电池汽车与其他燃料汽车使用成本对比（小汽车）5氢气使用便利程度不如可替代产品氢气利用另一大难题是加氢难。因为设备与技术要求，加氢站的建设运营成本远高于加油站和充电站，目前加氢站的数量还不足以完全满足商业化应用的需求。汽油和电力的广泛使用是以加油站和电网覆盖为前提的，氢能源大规模使用也要以加氢站覆盖为基础。截止2017年底，全球共计加氢站328个，而国内仅有9座。加氢站覆盖范围小对于氢能源的利用有不小的阻碍。国际汽车制造商协会数据显示，2017年全球销售乘用车接近0.71亿辆，而势银智库数据显示2017年全球FCV（燃料电池汽车）销量3260辆（燃料电池汽车大多使用氢能源作为燃料，极少数使用其他燃料，在此暂且先认为这些FCV都使用了氢气做燃料），氢能源在汽车领域渗透率不过0.0046%，在汽车应用领域氢能源产业化尚处于导入期。氢气使用便利程度不如可替代产品国际汽车制造商协会6氢能源应用需求：三大应用场景，交运需求渐成主流

氢能源主要是通过燃料电池得到应用，而且燃料电池使用的燃料也主要是氢气，因此我们可以根据氢燃料电池的应用将氢能源的应用分为三大场景：便携式应用场景、固定式应用场景、交通运输应用场景。便携式应用主要在辅助充电设备（户外等场景）、军用等产品，固定式应用主要在家庭热电联产、家用燃料电池、通信基站备用电源、不间断电源等产品，交通运输应用主要在汽车等产品上。FuelCellToday和E4tech数据显示，燃料电池装机逐年增长，2012年-2017年复合增长率达到32.1%，其中交通运输领域的应用比例逐年上升，2017年交运领域的装机占比已经达到68.05%。交运领域的需求已经成为燃料电池主要需求，也是氢能源的主要需求。燃料电池装机快速增长（单位：MW）氢能源应用需求：三大应用场景，交运需求渐成主流7交运需求逐渐成为燃料电池主要需求（单位：MW）交运需求逐渐成为燃料电池主要需求（单位：MW）8氢能源主产业链：日益完善，整装待发

氢能源主产业链包括上游氢气制备、氢气运输储存、中游氢燃料电池、下游氢能源燃料电池应用等多个环节。上游氢气制备包括氯碱工业副产氢、电解水制氢、化工原料制氢（甲醇裂解、乙醇裂解、液氨裂解等）、石化资源制氢（石油裂解、水煤气法等）和新型制氢方法（生物质、光化学等）等多种途径；氢气储存包括气态储氢、液态储氢、固态合金储氢三种方式，氢气运输包括罐车运输、管道运输等方法途径；中游氢燃料电池涉及质子交换膜、扩散材料、催化剂等多种零部件和关键材料；下游燃料电池应用包括便携式应用、固定式应用、交通运输应用。氢能源主产业链：日益完善，整装待发氢能源主9氢能源产业链的完善需要很多专用装备支持，而且大多数技术含量高，主要集中在制氢、储氢领域氢能源产业链关键设备氢能源产业链的完善需要很多专用装备支持，而且大多数技术含量高10制取氢气目前主要的方法有化工原料制氢、石化资源制氢、电解水制氢等多种途径。化工原料制氢主要使用的原料是甲醇、乙醇、液氨等，具有制取氢气纯度高、反应要求低等优点；石化资源制氢主要使用石油、水煤气、天然气等资源，具有规模效应，且原料易获取；电解水制氢使用的原材料是水，具有原料可再生、可依赖的特点，如果使用清洁电力可实现全程无污染，但是过程中耗费大量电能，成本昂贵；未来在氢气制取环节，会存在两种运营形式。第一种是中央制氢，典型的运营模式是在城市周边地区建设大规模氢气生产厂，然后通过运氢车将氢气运输到城市中的加氢站，再由加氢站出售给消费者。第二种是分布式制氢，城市中的加氢站在站内装有氢气发生器，实现氢气生产、压缩、储存、出售一体化，或者在应用端直接安装氢气发生器，实现应用端自产自供氢气。未来中央产氢和分布式产氢两种形式并存较为合理。制氢制取氢气目前主要的方法有化工原料制氢、石化资源制氢、电解水制11储氢方式有三种，分别是气态储氢、液态储氢、固态储氢。气态储氢主要是将氢气直接储存在高压罐中，又细分为低压储存和高压储存，低压储存使用巨大的水密封储槽储存，高压储存是通过对氢气加压减小体积储存在容器中；液态储氢是将氢气冷却到一定低的温度之下，使氢气呈现液态，然后再将其储存到特定容器中；固态储氢是利用金属合金（一般称为储氢合金）晶格间隙吸附氢原子，（涉及到氢气分子转化为氢原子的过程），同时表面还可以在表面结合一部分氢分子。气态储氢是目前主流的储氢方式。气态储氢最大的优点是使用方便，储存要求条件易满足，成本低。液态储氢需要先提供极低的温度，之后储存的容器还必须采用双层真空隔热结构，液态氢沸点低，仅为20.38K（-253℃），气化潜热小，仅0.91kj/mol，罐内液氢和外界存在巨大的温度差，一旦隔热工作没做好，液氢将大规模沸腾挥发损失，目前的技术只能保证液氢每天1%-2%的挥发，作为对照，汽油每月只损失1%。固体合金储氢可以做到安全、高效、高密度，不仅可以在表面吸附氢分子，还可以在一定温度和压力下让氢分子分解成为氢原子，进入合金的八面体或四面体间隙（金属原子堆垛时形成的空隙），形成金属化合物，可吸收相当于储氢合金体积1000-3000倍的氢气，储氢能力极其强大。常见的储氢合金有钛系合金、锆系合金、铁系合金、稀土系合金。其主要问题在于储存和释放氢气的过程主要是化学反应的过程，需要一定的温度和压强环境，使用不方便，同时储氢合金一般成本较高。储氢

储氢方式有三种，分别是气态储氢、液态储氢、固态储氢。储氢12不同储氢方式对比虽然目前大范围使用的是气态储氢，但是固态合金储氢方式性能卓越，是三种方式中最为理想的储氢方式，是储氢科研领域的前沿方向之一。随着技术进步，储氢合金吸收释放氢气的条件要求可能降低和改善，非稀土系金属合金的开发研究可以降低储氢成本，储氢合金使用便利性的提升和成本的降低有望使得储氢合金成为未来主流的储氢方式。国际能源署(IEA)在1998年提出了如下目标：重量储氢密度>5wt％,体积储氢密度>50kg／m3,放氢工作温度1100次.

5wt%指的是存储的氢气的重量与储氢材料的重量比为5:95目前能够达到20wt%，是在实验室最优条件下达到的理想值，要想在工业化生产条件下达到这个值还有很长的路要走。不同储氢方式对比虽然目前大范围使用的是气态储氢，但是固态合13加氢站

目前，为了支持燃料电池汽车发展，各国积极建设氢能源燃料电池汽车配套设施。根据规划，到2020年，中国将建成100座加氢站，到2030年将建成1000座加氢站，日本在2020年前建成160个加氢站，韩国计划到2020年建成80座加氢站，德国到2020年也预计达到100座加氢站的规模。世界上几个建设加氢站的大国都以2020年100座加氢站为目标。而截至2017年底我国加氢站共有9座，北京、上海各2座，深圳、广州各1座，还有一座移动加氢站，另外2座归属新源动力和宇通客车，这距离我国2020年100座加氢站的目标还有很大距离，同时也表明，未来两年内加氢站建设进度会急剧增加，相关方面需求巨大，也是机会点。

各国加氢站布局计划国家规划内容中国到2020年，加氢站数量达到100座；燃料电池车辆达到10000辆；氢能轨道交通车辆达到50列；到2030年，加氢站数量达到1000座，燃料电池车辆保有量达到200万辆；到2050年，加氢站网络构建完成，燃料电池车辆保有量达到1000万辆。日本在2020年前共完成160个加氢站的建设韩国2020年，氢燃料电池汽车预计达到9000辆。2025年，将达到150000辆，2030年达到630000辆。加氢站预计2020年达到80座，2025年达到210座，2030年达到520座。德国到2019年，德国加氢站数量预计将增加到100座美国2024年前，丰田联合壳牌计划在美国加州部署建造100座加氢站的计划。加氢站各国加氢站布局计划国家规14技术路线：看好站内制氢加氢方案发展前景加氢站的技术路线有：站内制氢技术和外供氢技术。站内制氢加氢站技术主要是用天然气或者其他原料在加氢站内自己制氢然后加注到燃料电池汽车中，或者通过电解水制取氢气然后压缩，再加注到氢能源燃料电池汽车中。天然气通过管道输送到加氢站，加氢站配备有自己的制氢和压缩氢气的设备。其中，电解水制氢技术在国外已经十分成熟，欧洲大多数加氢站都采用这种技术；外供氢加氢站的氢气供氢气来源多样，包括中央产氢厂产出的氢气、氯碱厂副产氢等多种来源，一般使用高压氢气瓶集束拖车运输。站内制氢加氢站运营模式外供氢加氢站运营模式技术路线：看好站内制氢加氢方案发展前景加氢站的技术路线有：15站内制氢加氢比外供氢气少了汽车运输成本，可以利用原有的天然气管道或者送水管道，成本相对较低。而且电解水在现阶段仍因为电价因素综合成本高于天然气制氢成本，从成本角度和配套设施完备程度来看，使用天然气的站内制氢加氢站比较符合实际情况。从便利性角度看，站内制氢加氢可以随时制取，方便快捷。但是加氢站一般建在城市内或者城市周边，面积限制决定了其氢气产能产量不一定够用，因此中央制氢通过运氢车运到加氢站的模式作为补充形式具有存在的合理性。考虑到中央制氢厂建设投入大，资金需求高，且运营成本高，因此可能是由政府部门建设运营，形成“市场化的站内制氢加氢站点主导，少数大型中央产氢厂补充”的格局。我们看好站内加氢制氢模式带来的投资机会。站内制氢加氢比外供氢气少了汽车运输成本，可以利用原有的天然气16燃料电池是一项高效的绿色发电技术。燃料电池是一种电化学反应装置，直接将化学能转化为电能。燃料电池同样有正负极和电解质，只需要将负极注入燃料（一般为氢气），正极输送空气或氧气，便可产生稳定的电流。

与传统发电方式相比，燃料电池能量转换效率高，而且具备零排放、无污染、噪声低、安装灵活等优点。燃料电池的主要应用领域包括交通运输、固定发电站，其中在交通运输领域燃料电池汽车被视为新能源汽车的终极绿色解决方案。新能源汽车电池——燃料电池燃料电池与普通电池的最大的区别在于没有电池容量的问题：普通电池是将活性物质贮存在电池内正负极，电池容量决定于活性物质可释放的化学能，因此容量有限；而燃料电池本身不包含活性物质，电极只是催化元件，通过不断的在正极输入空气或氧气，负极输入燃料就可以产生源源不断的稳定电流。燃料电池是一项高效的绿色发电技术。燃料电池是17燃料电池原理燃料电池是一种连续地将燃料和氧化剂的化学能直接转换成电能的化学电池。该化学反应原理可以看做电解水的逆过程，反应方程如下：

氢氧燃料电池酸性电解质：碱性电解质负极:2H2-4e-+4OH-==4H2O正极:O2+2H2O+4e-==4OH-总反应:2H2+O2==2H2O负极：2H2-4e-==4H+正极：O2+4H++4e-==2H2O总反应：2H2+O2==2H2O燃料电池原理燃料电池是一种连续地将燃料和氧化剂的化学能直接转18燃料电池工作原理示意图通过反应，氢和氧被消耗，相应的化学能转化为电能。同时，反应生成热能和水，生成的水通过电极流场随反应的尾气排出。理论上，燃料电池的电能转化理论效率可达83%，目前的实际水平约为50%~60%，仍是能量转化率最高的电池。燃料电池工作原理示意图通过反应，氢和氧被消耗，相应的化学能19氢燃料电池的结构燃料电池主要由膜电极组（MEA）、双极板、集流板、端板组成，其中膜电极组又是由质子交换膜、催化剂、气体扩散层组成。一块MEA单体正负极之间的理论电压在0.7V，需要串联起来使用才能提供高电压。而用外接导线串联则会有较多的电压降和电量损失，因此采用双极板在各个MEA之间充当传输气体和连接电路的作用。最后燃料电池的结构就变成“．．．双极板-MEA-双极板-MEA-双极板-MEA-双极板-MEA．．．”的结构，类似于高分聚合物重复的单体结构。催化剂在燃料电池的总成本中占比最高，催化剂是整个燃料电池汽车降低成本的关键所在，但是燃料电池最为关键的技术在质子交换膜上。氢燃料电池的结构氢燃料电池的结构催化剂在燃料电池的总成本中占比最高，催化剂20膜电极（membraneelectrodeassembly，MEA）是质子交换膜燃料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提供通道，膜电极是质子交换膜燃料电池的心脏。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。膜电极结构

当前膜电极在性能和产能方面可以初步满足商业化需求。现阶段性能初步满足产业使用，2015年MEA，在工况条件下寿命达到2500小时，性能方面也达到810mW/cm2。膜电极厂商具备万平米级产能，目前做膜电极的厂商分为两类，一种是具备膜电极产业化能力，能够自给自足的燃料电池厂商，以丰田和Ballard为代表。另外一种是专业的膜电极供应商，包括Gore、JM、3M、Toray（Greenerity）和国内的武汉理工新能源等，都已经具备了不同程度的自动化生产线，年产能在数千平米到万平米级。国内武汉理工新能源生产的是燃料电池的核心零部件膜电极，年产量达到12万片，建成自动生产线产能5000平米/年。武汉理工新能源膜电极产品功率密度，最高可达1W/cm2；Pt用量低至0.3mgPt/cm2。膜电极（membraneelectrodeassembl21燃料电池系统占整车成本在63%，主要由电堆、燃料处理器、功率调节器、空气压缩机和加湿器构成，目前交通运输用燃料电池的类型仅是质子交换膜燃料电池组(PEMFC)•电堆是电池系统的核心，成本占一半以上，PEMFC主要由质子交换膜、铂催化剂、电极、双极板、周边部件等构成，其成本构成如图燃料电池系统占整车成本在63%，主要由电堆、燃料处理器、功率22燃料电池中电极、电解质和双极板是核心组件。燃料电池的电极，是燃料发生氧化反应与氧化剂发生还原反应的电化学反应场所，目前高温燃料电池的电极主要采用催化剂材料制成，低温燃料电池主要采用由气体扩散层支撑一薄层催化剂材料制成。电解质隔膜的主要功能在分隔氧化剂与还原剂，并传导离子，目前主要朝两个发展方向，其一是以铝酸锂膜等绝缘材料制成多孔隔膜，另一则是采用全氟磺酸树脂。双极板，具有收集电流、分隔氧化剂与还原剂、疏导反应气体等之功用，集电器的性能主要取决于其材料特性、流场设计及其加工技术。堆叠结构是目前的主流结构。电池堆中一个单体电池在全额负载下可产生0.6V至0.7V的电压，为了使电池能够达到足够的电压和功率，采取的方法是将多个单体电池以串联和并联的方式连接。这种设计被称为“燃料电池堆叠”。在堆叠结构中，燃料气体和氧气均匀分布于所有电池，以获得最大的功率输出。燃料电池中电极、电解质和双极板是核心组件。燃料电池的电极，是23燃料电池的规律①燃料做负极，助燃剂氧气为正极②电极材料一般不参加化学反应，只起传导电子的作用。③能量转化率高(超过80%)，普通的只有30%，有利于节约能源，且对环境无污染。燃料电池与前几种电池的差别：①氧化剂与还原剂在工作时不断补充；②反应产物不断排出燃料电池中的电催化作用是用来加速燃料电池化学反应中电荷转移的一种作用，一般发生在电极与电解质的分界面上。催化剂是一类可产生电催化作用的物质。电催化剂可以分别用于催化阳极和阴极反应。这种分离的催化特征，使得人们可以更好地优选不同的催化剂。

*评价催化剂的主要技术指标为稳定性、电催化活性、电导率和经济性。燃料电池的不足之处市场价格昂贵高温时寿命及稳定性不理想燃料电池技术不够普及没有完善的燃料供应体系燃料电池的规律①燃料做负极，助燃剂氧气为正极②电极材料一般不24燃料电池锂电池成本成本高、制氢过程复杂成为燃料电池发展的主要障碍。氢气通过电解或蒸汽重组的方法得到。不过这两种方法成本颇高。锂离子电池生产成本相对较低，此外其重复充电利用非常方便，相比其他可携带能源，其具有更高的成本效益。环境影响燃料电池和锂离子电池对环境的影响都很小。前者燃烧产物为水，不会产生汽沌柴油燃烧后生成的温室气体。锂离子电池的放电产物有氧化锂、氢氧化锂等，对环境不会造成影响。此外，锂离子电池可重复利用。材料燃料电池中利用聚合物膜作为电极，支持氢氧反应后产生电能。聚合物膜必须经过特殊加工，以承受高温和机械应力。锂离子电池中的锂离子能够吸附电荷，因此电池才拥有储电能力。锂离子的质量很轻，因此是汽车理想的动力源。挑战对于燃料电池来说，还有多项技术难题等待解决。例如，铂催化剂的高成本、密封技术的复杂工艺、体积庞大的储氢罐以及启动时间较长等问题。锂离子电池发展面临的问题则是充电基础设施普通程度较低。因此，只要建立起良好的充电设施和充电网络后，该问题将得以解决。潜力无论燃料电池还是锂离子电池，相关的技术均还有大量进步的空间。如果燃料电池的成本能够降低，则能够真正作为汽洫柴油燃料的替代能源。对于锂电池来说，如果其能量密度能够进一步提高，循环寿命能够更长，则也是一种非常优秀的驱动能源。充电续航就汽车行业而言，燃料电池充满进行长途行驶的时间约为3~5分钟，这与传统燃油加油时间相当在相同的情况下，充满一辆车的时间大约需要20分钟，而行驶的里程数仅为燃料电池的一半左右燃料电池锂电池成本成本高、制氢过程复杂成为燃料电池发展的主要25燃料电池优势资源丰富——氢是世界上最多的元素，氢气来源极其广泛并且是可再生资源，所以用氢气作为“燃料”似乎最合适不过。转化效率高——

由于燃料电池是化学能直接转换为电能，相比内燃机的燃烧作用不会产生大量废气与废热，转化效率更可超过50%（内燃机转化效率为10%）环境友好——排放物也只有水，也不会对环境温度造成影响使用寿命长——使用寿命长于电化学电池并且电池维护工作量很小。使用方便——相比于纯电动车的充电时间来说，燃料电池加注氢气的时间很短，几乎与内燃机汽车添加燃油时间相当，大约在3-5分钟左右。燃料电池优势资源丰富——氢是世界上最多的元素，氢气来源极其26

高能量密度是燃料电池能够有望实现后来者居上的基础：如果新能源要想颠覆传统能源长期发展建立起来的产业链条和基础网络，高能量密度是基础。在世界范围内，新能源锂电汽车之所以目前占比仍然较低，主要是由于其低能量密度。而氢能源能量密度是汽油及天然气的3倍以上，具有快速发展的基础。各种能源能量密度对比表高能量密度是燃料电池能够有望实现后来者居上的27燃料电池的分类按照燃料电池的电解质进行分类固体氧化物燃料电池（SOFC）碱性燃料电池（AFC）磷酸型燃料电池（PAFC）质子交换膜燃料电池（PEMFC）熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）造价过高能量综合利用率不足寿命较短汽车动力电池固定式发电和热电联产按照工作温度进行分类——分为低温和高温两种低温燃料电池碱性燃料电池（工作温度为100℃）质子交换膜燃料电池（100℃以内）磷酸型燃料电池（工作温度为200℃）熔融碳酸盐型燃料电池（工作温度为650℃）固体氧化型燃料电池（工作温度为1000℃）高温燃料电池燃料电池的分类按照燃料电池的电解质进行分类固体氧化物燃料电池28按照技术开发与应用的时间进行分类按照技术开发与应用的时间进行分类29质子交换膜燃料电池（PEMFC）——工作温度低，启动速度快，用于动力电池优势明显PEMFC为动力的量产汽车丰田Mirai已经上市，此外在军事领域作为潜艇、驱逐舰等动力电池已有深入研究和应用实践固体氧化物燃料电池（SOFC）熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）——高温、高效、低成本，适合固定发电站高温工作且启动速度相对较慢在动力电池上不具备优势，但由于成本相对较低，并可以有效利用废热能量，发电效率高达50-70%，在固定式发电应用领域优势明显，非常适合集中式发电站和分散式发电站。催化剂和燃料上，PEMFC一般采取贵金属铂做催化剂，成本较高，燃料为纯氢，CO的存在会出现催化剂中毒，减低电池寿命；SOFC和MCFC的催化剂为锰酸镧、镍等，成本较低，CO一般产生于电池本身对天然气的重整，且可直接成为电池燃料。燃料电池的应用其他应用领域还有：便携式设备电源、航空航海、家用备用电源、电站调峰等。质子交换膜燃料电池（PEMFC）固体氧化物燃料电池（SOFC30新能源汽车技术05-新能源汽车电池-燃料电池课件31燃料电池的应用——新能源汽车PEMFC:新能源汽车的终极选择质子交换膜燃料电池，是一种低温燃料电池，其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为电解质。PEMFC是继MCFC、SOFC之后正在迅速发展起来的温度最低、比能最高、启动最快、寿命最长、应用最广的第五代燃料电池。1、PEMFC成本瓶颈在催化剂和交换膜PEMFC的主要组成部分包括：电催化剂、质子交换膜、电极、双极板，其中双极板和电催化剂在燃料电池系统中的成本占比分别为23%和36%，膜电极的成本占比为16%，技术壁垒最高的组件质子交换膜的成本占比为12%。质子交换膜燃料电池成本构成燃料电池的应用——新能源汽车PEMFC:新能源汽车的终极选择32PEMFC的工作原理：氢气由阳极进入燃料电极，在铂的催化剂作用下，变成两个H+和两个电子，电子则通过外循环电路，回到电池的阴极，氢离子通过质子导电膜电解质到达阴极。同时O2在燃料电池的阴极在催化剂的作用下形成两个O原子，每一个O原子都有一个强的负电荷，这负电荷通过膜吸引两分子的H+，在这里两个H+，一个O原子和两个电子形成一分子的水，因此只要向燃料电池不断供给燃料和氧化剂，它就会产生源源不断的直流电。PEMFC的工作原理：33催化剂：铂用量降至可接受水平，国内具备研发能力催化剂是燃料电池的关键材料之一，其作用促进氢、氧在电极上的氧化还原过程。目前最好的催化剂仍是Pt和Pt基催化剂。阳极反应：阳极电催化剂表面的氢气氧化反应（HOR），整体氧化反应可以表示为：阴极反应：阴极电催化剂表面的氧还原反应（ORR），整体反应可表示为：目前最好的催化剂仍是Pt和Pt基催化剂，当前铂金用量已经降至可接受水平，根据DOE数据，2015年Pt含量达到0.16g/kw，质量比活性大于0.5A/mg。本田FCV燃料电池催化剂Pt含量降至0.12g/kw，丰田Mirai燃料电池催化剂Pt含量达到0.175g/kw。催化剂：铂用量降至可接受水平，国内具备研发能力催化剂是燃料电34质子交换膜是高壁垒的核心部件。质子交换膜不同于一般电池中的隔膜，而是一种特殊的选择性透过性膜，主要功能是充当质子通道实现质子快速传导，同时还起阻隔阳极燃料和阴极氧化物的作用，防止燃料（氢气、甲醇等）和氧化物（氧气）在两个电极见发生互串，此外还需要对催化剂层起到支撑作用。之前核心技术掌握在美国杜邦、日本旭化成等外企手里，当前市场主流的还是美国DuPont公司生产的Nafion膜片，该种膜片具有质子电导率高和化学稳定性好的优点。Nafion膜片实物图：型号115质子交换膜价格未来有望大幅下降。当前国内质子交换膜价格高，价格高居不下的原因一方面是技术垄断，另一方面也是工艺成本高所致。在工艺成本方面，据公开信息显示，加拿大的巴拉德公司在质子交换膜的研究实现了突破，其第三代质子交换膜BAM3G，是部分氟化的磺酸型质子交换膜，演示寿命已经超过4500h，其价格已经降到50美元每平方米，这相当于10美元每千瓦（单位电池电压为0.65V）。质子交换膜质子交换膜是高壁垒的核心部件。质子交换膜不同于一般电池中的隔35质子交换膜：全氟磺酸膜是主流，国内具备量产能力质子交换膜性能好坏直接决定着燃料电池的性能和使用寿命，应具有以下性质：质子交换膜：全氟磺酸膜是主流，国内具备量产能力36国内有望在质子交换膜领域打破外企垄断。近几年国内企业在质子交换膜领域获得了突破性进展东岳集团2010年将自主研发的离子膜开始推向市场，2013年11月东岳与奔驰、福特签订正式合作协议，一起联合开发燃料电池膜，表明公司技术已经得到世界顶级厂商的认可。另外国内中科同力也已经自主研发出燃料电池所需的质子膜，不过还有待市场考验。外企垄断的局面被打破，质子交换膜的价格有望进一步下行。国内有望在质子交换膜领域打破外企垄断。37核心组件双极板对材料有很高的要求。双极板又称流场板，其主要功能是使一个电池阴极的表面同下一个阳极串联起来，同时还向阴极供氧和向阴极提供燃料（一般为氢气）。除此之外，它还必须置有冷却流体通过电堆的通道并保证冷流体和反应气体分离，具有良好的气密性。双极板核心组件双极板对材料有很高的要求。双极板又称流场板，其主要功38作为双极板的材料要求较高，必须具备如下条件：（1） 电导率必须大于10S/cm；（2） 对于内置冷却的流体通道的双极板，导热率必须超过20w/（m·k）；对于只通过板边缘散热的电堆，极板的导热率必须超过100w/（m·k）；导热系数是指在稳定传热条件下，1m厚的材料，两侧表面的温差为1度（K，℃），在1秒内（1s），通过1平方米面积传递的热量，单位为瓦/米·度（W/(m·K)，此处为K可用℃代替）（3） 气体渗透率必须低于10-7mbar×L/(s×cm2)；气体渗透性，又称气体透过系数（P），是在恒定温度和单位压力差下，在稳定透过时，单位时间内透过试样单位厚度、单位面积的气体的体积，（cm3·cm/cm2·s·Pa）（4） 必须在接触酸性电解质、氧气、氢气、热和湿润的条件下都具有抗腐蚀的能力双极板材料主要有无孔石墨和金属，其中无孔石墨板是目前主流材料，不过其制造工艺对机械的精度要求非常高，组装也比较困难，因此价格高昂。Ballard公司开发的MK55KW的质子交换膜燃料电池中，仅双极板的费用约占60%。金属双极板未来可采用不锈钢为原材料，原因是易于批量生产，而且厚度可大大降低(如可薄至0.1~0.3mm)，同时能大幅度提高电池组的比能量和比功率，经过表面改性处理后可以防止一定腐蚀，而且能够接触电阻保持恒定，不过由于耐腐性不如无孔石墨板尚不成为主流。作为双极板的材料要求较高，必须具备如下条件：39气体扩散层：技术成熟，国内达到小规模生产多孔气体扩散层将膜电极组合体夹在中间，主要起气体扩散的作用。多孔扩散层的主要功能包括：①实现气体在催化层表面的扩散；②提供机械支撑；③导通电流；④排除反应生成水。扩散层的材质是经疏水材料处理的碳基材料（碳纸或碳布）。疏水材料的作用是防止水在扩散层孔中积聚，影响气体扩散。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，也有的利用泡沫金属、金属网等来制备，主要起到支撑微孔层的催化层的作用，微孔层主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，使得流道气体以及产生水均匀分配气体扩散层：技术成熟，国内达到小规模生产多孔气体扩散层将40

技术条件最成熟，需提高规模化生产能力。气体扩散层是目前燃料电池堆各部件中技术条件最成熟，商业化利用潜力最好的产品。目前，气体扩散层面临的主要挑战除了大电流密度下水气通畅传质的技术难点外，还存在缺乏大量生产的问题，这使得其成本在燃料电池堆的总成本中仍占相当一部分。DOE基于巴拉德（Ballard）动力系统公司生产的GDL进行成本估算，如大量生产（每年批量生产50万个电堆），其价格可下降到4.45美元/m2。因此，在研究提高扩散层的性能的同时，开发扩散层大规模生产工艺同样是研究重点。目前碳纸产品主要由几个国际大生产商垄断，包括日本东丽（Toray）和德国SGL等。东丽目前占据较大的市场份额，且拥有的碳纸相关专利较多，生产的炭纸具有高导电性、高强度、高气体通过率、表面平滑等优点气体扩散层：技术成熟，国内达到小规模生产技术条件最成熟，需提高规模化生产能力。气体扩41国内产品尚处于小规模生产上海河森公司有小批量碳纸产品，燃料电池专用高性能气体扩散层具备1000平方米/月生产能力。台湾碳能科技公司的碳纸产品价格较低，获得了一定市场认可。中南大学、武汉理工大学以及北京化工大学等研究机构也都有研究，其中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，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。国内产品尚处于小规模生产42燃料电池多地开花，20省市推动产业发展全国以富氢优势、弃电较多或者产业领先为代表的地区重视燃料电池发展，多地市兴建氢能产业园区，氢能小镇和产业集群等，推动燃料电池公交、物流车示范运营，截至目前超过20省市明确推动氢燃料电池产业发展。目前仅上海、盐城、武汉、佛山和苏州四城规划显示，到2020年燃料电池汽车数量近1万辆。燃料电池多地开花，20省市推动产业发展全国以富氢优势、弃电较43PEMFC是新能源汽车的终极解决方案PEMFC是新能源汽车的终极解决方案44PEMFC是新能源汽车的终极解决方案以PEMFC为动力的汽车具有以下优势：零排放，唯一的排放物是没有任何污染的水，不产生任何危害性气体；能量转化效率高，一般为50%以上，理想利用率可超过85%，超过传统内燃机效率的3倍以上；燃料加注时间短，在锂电池电动汽车中最大缺点之一就是充电时间长，没有快速充电桩的情况下需要7~8小时，有快速充电桩则需要1小时左右，燃料电池氢气加注类似于普通燃油加注，仅需3分钟即可充满。电池衰减方面，燃料电池本质上是一个发电装置，锂电是储能装置，衰减性要远好于锂电。发展受制约的因素1）加氢站的短缺阻碍燃料电池汽车的发展：加氢站建设成本是加油站的5倍，价格高昂使得加氢站数量短缺。即便燃料电池的续航里程可以达到700公里左右，但是700公里内不一定会有一个加氢站。2）燃料电池车的成本仍要远高于锂电池车，国外