新能源汽车技术06 燃料电池ppt课件.ppt

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1、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

2、，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

3、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

4、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 0.6 V 至 0.7 V 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。,燃料电池的规律,燃料做负极，助燃剂氧气为正极,电极材料一般不参加化学反应，只起传导电子的作用。,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：,氧化剂与还原剂在工作时不断补充；,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

5、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。,燃料电池的特性,(1)高效率 在燃料电池中,燃料不是被燃烧变为热能,而是直接发电,不受卡诺热机效率的限制。理论上讲，燃料电池可将燃料能量的90%转化为可利用的电和热，实际效率可望在80%以上。这样的高效率是史无前例的,燃料电池的效率与其规模无关，因而在保持高燃料效率时，燃料电池可在其半额定功率下运行。封闭体系蓄电池与外界没有物质的交换,比能

6、量不会随时间变化,但是燃料电池由于不断补充燃料,随着时间延长,其输出能量也越多。燃料电池发电厂可设在用户附近，这样可大大减少传输费用及传输损失。燃料电池的另一个特点是在其发电的同时可产生热水和蒸汽。其电热输出比约为1.0，而汽轮机为0.5。这表明在相同的电负荷下，燃料电池的热载为燃烧发电机的2倍。,（2）可靠性 与燃烧涡轮机循环系统或内燃机相比，燃料电池的转动部件很少，因而系统更加安全可靠；电池组合是模块结构,维修方便；处于额定功率以上过载运行时,它也能承受而效率变化不大；当负载有变化时,它的响应速度也快。燃料电池系统发生的惟一事故就是效率降低。,（3）良好的环境效益 当今世界的环境问题已经威

7、胁到了人类的生存和发展。据统计，本世纪经历了两次世界大战，但是因为环境污染造成的死亡人数却超过了战争的死亡人数。而环境污染的发生，大多数是由于燃料的使用，尤其是各种燃料的燃烧过程。因而，解决环境问题的关键是要从根本上解决能源结构问题，研究开发清洁能源技术。而燃料电池正是符合这一环境需求的高效洁净能源。燃料电池发电厂排放的气体污染物仅为最严格的环境标准的十分之一，温室气体CO2的排放量也远小于火力发电厂。燃料电池中燃料的电化学反应副产物是水，其量极少，而且比一般火力发电厂排放的要清洁得多。因而，燃料电池不仅消除或减少了水污染问题，也无需设置废气控制系统。燃料电池发电厂没有火力发电厂那样的噪声源，

8、因而工作环境非常安静；不产生大量废弃物，因而占地面积也少。燃料电池是各种能量转换装置中危险性最小的。这是因为它规模小，无燃烧循环系统，污染物排放量极少。燃料电池的环境友好性是使其具有极强生命力和长远发展潜力的主要原因。,（4）良好的操作性能 燃料电池具有其它技术无可比拟的优良的操作性能，节省了运行费用。其发电系统对负载变动的响应速度快，无论处于额定功率以上的过载运行或低于额定功率的低载运行，它都能承受，并且发电效率波动不大，供电稳定性高。,（5）灵活性 燃料电池发电厂可在2年内建成投产，其效率与规模无关，可根据用户需求而增减发电容量。这对电力公司和用户来说是最关键的因素及经济利益所在。燃料电池

9、发电系统是全自动运行，机械运动部件很少维护简单，费用低，适合用做偏远地区环境恶劣以及特殊场合（如空间站和航天飞机）的电源。燃料电池电站采用模块结构，由工厂生产各种模块，在电站现场集成，安装，施工简单，可靠性高，并且模块容易更换，维修方便。,（6）燃料来源广泛 燃料电池可以使用多种初级燃料，如天然气煤气甲醇乙醇汽油，也可以使用发电厂不宜使用的低质燃料，如褐煤废木废纸，甚至城市垃圾，当然这些燃料需经过重整处理后才能使用。,（7）发展潜力 燃料电池在效率上的突破，使其可与所有的传统发电技术竞争。作为正在发展的技术，磷酸燃料电池已有了令人鼓舞的进展。熔盐碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池，将在未来15

10、20年内产生飞跃性进步。而其它传统的发电技术，如汽轮机内燃机等，由于价格污染等问题，其发展似乎走到了尽头。,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,燃料电池优势明显：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。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%），排放物也只有水，也不会对环境温度造成影响。使用寿命长于电化学电池并且电池维护工作量很小。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

11、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。,各类车型指标比较,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,按照燃料电池的电解质进行分类，可将其分为碱性燃料电池（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）和固体氧化物燃料电池（SOFC）这五类。其中，碱性燃料电池造

12、价过高，磷酸型燃料电池的能量综合利用率不足，熔融碳酸盐燃料电池寿命较短，目前处于商业化阶段的为质子交换膜燃料电池（PEMFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）和固体氧化物燃料电池（SOFC），前者主要应用于汽车动力电池，后两者主要应用于固定式发电和热电联产。按其工作温度的不同又可分为低温和高温两种。把碱性燃料电池（工作温度为100）、质子交换膜燃料电池（100以内）和磷酸型燃料电池（工作温度为 200）称为低温燃料电池；把熔融碳酸盐型燃料电池（工作温度为 650）和固体氧化型燃料电池（工作温度为 1000）称为高温燃料电池，并且高温燃料电池又被称为面向高质量排气而进行联合开发的燃料电池。,按照

13、技术开发与应用的时间进行分类：碱性燃料电池开发时间最早，为第一代燃料电池；磷酸型燃料电池称为第二代燃料电池；熔融碳酸盐燃料电池称为第三代燃料电池；把固体氧化物燃料电池称为第四代燃料电池，质子交换膜燃料电池被称为第五代燃料电池。也有一种分类未考虑碱性燃料电池，将磷酸型燃料电池列为第一代，熔融碳酸盐燃料电池为第二代，以此类推，这主要是由于碱性燃料电池造价极其昂贵，最早是被美国航天局使用在航天飞机上，并无民用，因此在分类上没有考虑。,低温、启动速度快，PEMFC 在动力电池优势明显；高温、高效、低成本的 SOFC与 MCFC 适合固定发电站。在工作温度上，PEMFC 为低温电池，工作温度一般为80-

14、100，SOFC 与 MCFC 为高温电池，工作温度分别为 700-1,000和 600-700；在应用领域上，PEMFC 由于低温工作且启动速度快非常适合做动力电池，以 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。SOFC 与 MCFC 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。在催化剂和燃料上，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

15、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。,燃料电池当前主要应用领域是交通运输动力电池、固定发电站（一般做后备和调峰电源、热电联产）。由于第一代燃料电池 AFC 成本过于高昂，第二代燃料电池PAFC 在能量利用率等性能上不如后来的几种技术，目前最接近商业化的是第三代燃料电池SOFC，第四代燃料电池MCFC以及第五代燃料电池PEMFC。其中，PEMFC的主要应用领域是新能源汽车，目前世界上第一款量产的燃料电池汽车丰田 Mirai已经于 2014 年 12 月 15 在日本上市。高温电池 SOFC

16、 与 MCFC，主要应用领域为固定式发电站，包括主要电源、备用电源和热电联产，例如谷歌、facebook、亚马逊等公司的数据中心由于高耗能、需要稳定可靠的清洁能源，采用的就是该种燃料电池作为主要电源。不过，由于 MCFC 在性能和寿命上不如 SOFC，已经逐渐被取代。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。,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

17、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,PEMFC 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

18、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。,铂是当前主流的电催化剂。PEMFC 的电极催化剂包括阳极催化剂和阴极催化剂，能够对氧气和氢气起到反应催化作用。它对催化剂的要求是：1，具有高导电性；2，具有一定的化学稳定性，确保表面不会因电化学反应而过早失活；3，具有较好的催化性能，包括实现目标反应及抑制副反应的活性。当前 Pt 是最理想的选择，由 Pt 实现电极反应的速度控制。,铂催化剂用量有望大幅降低。2008 年，制造一辆燃料电池车需要近 200 左右克铂金

19、，以 300 元/克的历史均价估算，成本约为 6 万，基本上相当于传统内燃机动力系统的成本的两倍。不过随着技术的进步，铂的使用量逐年减少，2014 年 12 月上市的丰田燃料电池汽车 Mirai 中使用铂的量仅为 2008 年车型的二十分之一，且据丰田系统设计总经理介绍，铂的使用量将在 Mirai 基础上再缩减 75%。除此之外，美国通用汽车大力推行“车行道计划”，旨在大幅提高铂金催化剂的使用效率，据计划，公司要在 2015 年使每辆车的平均铂金使用量降至 26 克，力争在此后几年中，进一步降至 10 克以下。除了减少铂的使用量方法，新型低成本催化剂的研究已有突破性进展，例如帝人于 2014

20、年 11 月 11 日宣布了其开发的碳合金催化剂实验效果性能优秀。因此未来铂将不再是电池成本高昂的原因。,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，可以起到传导质子、分割氧化剂与还原剂的作用，技术要求非常高，必须达到质子导电率高，水分子电渗透作用小，干湿转换性能好等要求。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

21、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 美元每立方米，这相当于 10 美元每千瓦（单位电池电压为 0.65V）。,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

22、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。,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。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 100 w/（m/k）；（3）气体渗透率

23、必须低于 10-7mbarL/(scm2)；（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,金属双极板方案为双极板价格大幅下降提供了可能。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 0.10.3mm)，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

24、过由于耐腐性不如无孔石墨板尚不成为主流。,双极板原理图,双极板实物图,PEMFC 是新能源汽车的终极解决方案 燃料电池汽车是新能源汽车的终极解决方案。各国政府已将发展新能源汽车提升到国家战略地位，其中相比其他汽车，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 78 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

25、即可充满。另外燃料电池汽车的续航里程一般都在 400 公里以上，超过现在的锂电汽车，理论上只要配置充足的加氢设施，燃料电池汽车是没有“里程焦虑”的问题。在电池衰减方面，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。,燃料电池成本降低和加氢站的建设是一个逐步推进的过程，短期来看锂电池仍占主导：从过去到现在，全球燃料电池汽车走了几个阶段。第一阶段，设想的很乐观，但燃料电池应用于汽车上之后，受汽车工况影响，性能衰减很快。第二阶段，主要解决燃料电池的可靠性、耐久性问题。因为工况比较复杂，这一阶段经历了七八年时间，基本上解决了这些问题，燃料电池寿命也达到了要求。现在进入了第三阶段，即

26、商业化的导入期，主要是进一步降低成本和铂（Pt）用量，同时加快加氢站的建设，目前来看，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，国外的燃料电池大巴车售价在 100 万美元上下，而特斯拉的“贵族”电动车 ModelS 售价也才为 73 万人民币，相比之下燃料电池车价格目前来说高很多。,随着技术进步、规模化生产，燃料电池车成本将逐渐降低，经济型逐渐体现：美国能源部数据显示，2012 年，交通运输用燃料电池系统

27、的成本为 47 美元/千瓦，与 2002 年相比，下降了 82.9%，与2008 年相比，下降了 35.6%，这一数字已经逐步接近美国能源部设定的 2017 年成本目标：30 美元/千瓦。Platinum 集团的金属铂（Pt）（用来做催化剂）含量已经降低了 1/5，目前每千瓦的含量少于 0.2 克，接近美国能源部的目标 0.125 克/千瓦。此外，燃料电池的耐用性也增加了一倍多，并自 2007 年以来电解槽的成本减少了 60%。根据英国碳信托咨询公司的报告，若燃料电池汽车需要规模化生产，其成本需达到 36 美元/千瓦才能与内燃机汽车竞争。而根据目前 PEMFC 成本的下降趋势以及目前的技术进步

28、，该目标价位即有可能在 2017 年之前达成，届时燃料电池汽车就可以批量化生产。,美国能源部橡树岭国家实验室对燃料电池轿车成本的预测,质子交换膜燃料电池汽车原理图,各国政府对燃料电池汽车支持不遗余力。相对于已然技术成熟、大规模生产、成本较低、配套设施完备的传统汽车行业，新能源汽车产业尚处于幼稚期，技术不成熟，配套设施缺乏，成本高,量产困难，只有在政府的支持才能发展，发展的速度也很大程度上决定于政府的决心。燃料电池作为新能源汽车绿色环保高能效的动力电池选择，各国政府将其提升到国家战略地位，在技术研发与配套设施建设上都予以了大量资金扶持。2009 年，欧盟批准燃料电池和氢能技术项目行动计划，出资4

29、.7 亿欧元用以支持燃料电池汽车及基础设施技术研发。德国政府则与企业联合资助 14 亿欧元，用于燃料电池汽车关键技术研发。2012 年，美国政府拟投资 63 亿美元用于燃料电池的研究和商业化推进，并对燃料电池实施 30%-50%的税收免除政策。日本政府对燃料电池汽车支持更是不遗余力，累计已投入上千亿日元用于相关技术研究和示范推广，并拟于 2015 年建设 100 座加氢站。目前日本对燃料电池汽车的补贴高达每辆 200 万日元（约 11 万人民币），安倍政府表示未来将提高至 300 万日元。我国政府也表现出发展燃料电池汽车的决心，不仅予以燃料电池汽车不低于其他所有新能源汽车补贴待遇，而且颁布对加

30、氢站每站奖励 400 万元的支持政策，由于加氢站的成本不足 1000 万元，该补贴政策出台后将加速我国加氢站的建设。,燃料电池汽车产业化序幕或于 2015 年拉开。丰田在燃料电池汽车上的研发处于全球领先地位，其自主研发的 Mirai（未来）已经于 2014 年 12 月 15 日在日本开始销售，并计划于 2015 年夏季登陆美国与欧洲市场，这也是世界上第一款真正量产的 PEMFC 燃料电池汽车。Mirai 的单次加氢后的续航里程为 650 公里，远超只有100-300 公里的锂电动汽车，该续航里程可满足绝大多数情况的代步需求。此外，Mirai 实际上是电电混动，除了 PEMFC 电池以外，还有

31、插电式镍氢电池。镍氢电池的存在很大程度上弥补了目前日本加氢站尚不足的短板，便于消费者在不方便去加氢站的时候通过充电桩自主充电。即将上市的 Mirai 含税价约为 700 万日元，扣除政府 200 万元补贴后，消费者的实际购买价为 500 万日元（约 26 万人民币），相对传统汽车价格劣势已不明显。丰田的主要竞争对手本田亦将燃料电池汽车的量产提上日程，本田在丰田 Mirai 发布的同期也推出其燃料电池汽车 FCV，续航里程为 700公里，并预计于 2016 年开始量产。汽车厂商是燃料电池汽车市场化的主要推动力，正如特斯拉在锂电池的明星效应，丰田与本田的率先量产也会起到行业示范作用，随着配套设置的

32、完备与其它厂商的追随，产业化的序幕即将拉开。,加氢站建设只是个时间积累的问题，为了推动燃料电池车基础设施建设，汽车制造商正在同大型能源公司、初创企业等合作伙伴在氢燃料供给方面展开合作。例如，在日本，丰田、本田、日产 3家车企，与科斯莫石油公司、岩谷产业公司、东京燃气公司等 10 家能源公司宣布共同促进加氢站建设。在德国，戴姆勒与法国液空、荷兰皇家壳牌、法国道达尔集团、德国林德集团等企业合作，计划到 2017 年在德国建立 100 座加氢站。在英国，丰田、现代、日产等 10 余家车企，与英国多个政府部门、石油燃气公司一起推出英国 H2 Mobility 计划，促进加氢站的建设和部署。如日本政府在

33、过去三年中拨款 17.8 亿美元，用于加氢站的建设与运营，计划在加氢站建设方面做到世界领先，在 2015 年前在名古屋、东京、大阪和福冈 4 个城市之间新建 100 座加氢站，开始进行大规模商业化示范运行，在 2025 年前扩大到 800 个加氢站，到 2030 年计划建成覆盖全国的加氢站，数量达到 5000 个。韩国也不甘落后，在计划到 2020 年在全国建设 80 座用于燃料电池车的加氢站，2016 年将建设 13 座加氢站，德国也提出计划 2023 年之前将加氢站的数量将增加到 400 个，美国燃料电池的前沿阵地在加州，2015 年 8 月加州众议院通过了第八号法案，表示加州政府将一共拨

34、款 2 亿美元于 2024 年之前建设不少于 100 个的公共加氢站。近期，多家企业联合宣布中国加氢站建设营运计划于 2016 年 6 月 28 日在上海启动。各国政府的大力布局，极大的推动了以燃料汽车为主的下游运用，,长期来看，燃料电池车有望实现后来者居上：不论是从能源安全角度，还是从节能环保角度考虑，新能源汽车都将成为未来的长期发展趋势。氢燃料电池技术作为目前排放标准最高，环保性最强的新一代新能源动力汽车技术，在新能源汽车产业化发展之路中无疑具有里程碑意义。相比于现阶段锂动力电池技术，氢燃料电池汽车启航加速快，充氢时间短，续航里程大，能量密度及功率密度均具有最优异性能，我们认为在未来具有极

35、高的应用价值和商业化前景。据研究机构 Navigant、国际能源署 IEA 以及日经 BP 清洁技术研究所等多方面报告，2011 年和 2012 年世界燃料电池汽车的发货量不足 500 辆，有望在 2015-2017 年后出现爆发，并预计未来呈几何级增长：到 2030 年全球燃料电池汽车销量将达到350 万辆，占电动汽车销量的 10%；2030 年之后，燃料电池汽车继续抢占纯电动汽车市场份额；到 2050 年，纯电动、插电式混合电动、燃料电池汽车销量占比均达到 30%，形成三分天下之势。,丰田Mirai&本田Clarity2014年12月，丰田公司推出全球首款燃料电池汽车Mirai2015年1

36、0月东京车展上，本田公司正式发布氢燃料电池车型FCV的量产版车型Clarity,Mirai、Clarity与TeslaModelS性能比较,丰田在2008 年提出了燃料电池汽车的量产计划，在6 年的时间内，丰田将Mirai 的各方面性能提升，650 公里的续航里程、3 分钟的加氢时间、10 秒的0-100km/h 加速时间让Mirai 完全可以媲美传统内燃机汽车。,随着丰田Mirai 的量产，再次掀起全球各大大型车企的燃料电池汽车研发浪潮，全球范围内的各大汽车生产厂商纷纷进入氢能源汽车领域，其中Mirai 和Clarity 燃料电池汽车均是新能源汽车市场中的明星产品。世界汽车龙头企业积极进行新

37、能源汽车的市场布局，在未来的五年内，各大厂商会有大批的车型推出到市场。结合政府部门的补贴和技术成本的不断下行，燃料电池技术或率将先在汽车动力电池应用领域爆发，沿着锂电池汽车的发展路线共同推动新能源汽车行业的发展。,主要企业燃料电池车上市计划,2017年是中国燃料电池产业化的元年，部分地区开展小规模的燃料电池汽车运营，截止目前中国燃料电池汽车数量达到1000辆左右，佛山和北京已有燃料电池公交大巴运行，京东、申通等物流公司开始试用燃料电池物流车。2018年国内燃料电池汽车有望突破3000-5000台规模，中国燃料电池开始令人振奋的高速发展阶段。,中国燃料电池汽车数量达到 1000 辆,世界主要燃料

38、电池车参数,燃料电池系统，车载储氢系统，电机、电控、动力电池系统和其他零部件分别占到总成本的63%，8%，9%，20%电机、电控、动力电池和其他零部件共占总成本的29%，丰田采用的是已有的、成熟的旗下雷克萨斯的混动技术，燃料电池系统和车载储氢系统是创新技术,成本分析,氢燃料电池 氢能源燃料电池是氢能源清洁高效利用的核心，同样也是整条氢能源主产业链的核心所在。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

39、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，在年产1000套燃料电池时，催化剂占总成本25%，当年产电池数量达到10万套和50万套时，催化剂成本就会达到40%左右。因此，从成本角度看，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。,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(

40、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,在燃料电池产业链中，电堆是处于中游核心环节。催化剂、质子交换膜、气体扩散层组成膜电极和双极板构成电堆的上游，电堆与空压机、储氢瓶系统、氢气循环泵等其它组件构成燃料电池动力系统，下游应用对应交通领域和备用电源领域，主要是客车、轿车、叉车、固定式电源和便携式电源等。,电堆性能达到商业化，铂金不是瓶颈 目前燃料电池汽车在速度、加速时间和续航均满足日常使用，商业化瓶颈主要是在耐久性、低温启动和铂金需求方面，目前电堆性能达到商业化需求。在耐久性方面，丰田和新源动力轿车用电

41、堆寿命超5000h，Ballard FCvelocity-HD6燃料电池已经达到超过25000小时时间的耐久性记录，已经满足日常乘用车和商用车使用需求。轿车用电堆耐久性达到5000h，普通乘用车用户日均行驶2h，轿车可使用7年；商用车电堆耐久性达到25000h，一辆商用车日均行驶8h，使用时间可达到8年。低温性能方面，目前电堆可以应对全球绝大部分地区和气候，丰田燃料电池汽车和本田燃料电池汽车分别实现了-37和-30启动；即使在冬天，燃料电池汽车依然可以满足日常使用。铂金需求方面，目前本田电堆铂金载量已经低至0.12g/kg，铂载量还处于持续下降过程中，铂金不会成为燃料电池发展瓶颈。以本田Cla

42、rity为例，单辆燃料电池车催化剂耗铂已经降至10g左右，而单辆柴油车需要5g做铂金作为尾气净化催化剂，目前燃料电池催化剂铂金用量已经降至产业化水平，而且处于持续下降中，不会引起铂金需求短缺。假设到2025年单车铂载量5g计算，燃料电池汽车100万辆计算，铂金需求量5吨，相对2017年铂金用量244吨，边际增量只有2%；考虑燃料电池铂载量持续下降和非贵金属催化剂的发展，燃料电池汽车规模化的资源瓶颈并不存在。,国内电堆实现量产：自主研发和引进技术路线并举,目前国内燃料电池电堆正在逐渐起步，电堆及产业链企业数量逐渐增长，产能量级提升，到2018年国内电堆产能超过40万kW。目前国内电堆厂商主要有两

43、类：（1）自主研发，以新源动力和神力科技为代表；（2）引进国外成熟电堆技术，以广东国鸿为代表，其余企业有南通百应、嘉兴爱德曼等。,国内电堆企业,电堆成本进入下行通道 电堆成本在燃料电池汽车中占比最高。目前燃料电池电堆实现小规模放量和初步国产化，电堆成本已经实现有力下降。随着规模放大以及电堆产业国产化，电堆成本预计可降60%。具体到各个环节来看，气体扩散层降本主要由规模化效应驱动；而质子交换膜、催化剂加以推进。和双极板降本则需国内工艺进步和规模化,电堆国产+规模化后成本可降60%,国内电堆产业链雏形初具,膜电极（membrane electrode assembly，MEA）是质子交换膜燃料电池

44、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、J

45、M、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0.3mg Pt/cm2。,质子交换膜：全氟磺酸膜是主流，国内具备量产能力 质子交换膜是作为PEM燃料电池的核心组件，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

46、撑作用。质子交换膜性能好坏直接决定着PEM燃料电池的性能和使用寿命，作为PEM材料，应具有以下性质：,质子交换膜主要性质,全氟磺酸膜是主流质子交换膜。质子交换膜根据含氟情况进行分类主要包括全氟磺酸膜、非全氟化质子交换膜、无氟化质子交换膜和复合膜。目前世界上主流质子交换膜是全氟磺酸膜，全氟磺酸聚合物具有聚四氟乙烯结构，其碳-氟键的键能高，使其力学性能和化学稳定性优异，其聚合物膜的使用寿命远远好于其他膜材料的使用寿命，其次分子链上的亲水性磺酸基团具有优良的氢离子传导特性。全氟磺酸膜也是目前在PEMFC中唯一得到广泛应用的质子交换膜，如美国杜邦的Nafion膜、陶氏公司的Dow系列质子交换膜、日本旭

47、化成公司的Aciplex膜和日本旭哨子公司的Flemion膜，其中Nafion膜应用最广泛。,各类质子交换膜对比,质子交换膜国产化能力具备，国内东岳集团可量产DF260系列膜。目前市场上主要生产全氟磺酸膜的企业主要来自于美国、日本、加拿大以及中国，其中戈尔的Select复合膜广泛应用于燃料电池，丰田Mirai、本田Clarity和现代ix35均采用戈尔Select系列膜。除此以外，质子交换膜还有杜邦的Nafion系列膜、陶氏化学（Dow Chemical）的Xus-B204 膜、3M的全氟磺酸膜、日本旭化成的Alciplex系列膜、旭硝子的Flemion系列膜、加拿大Ballard的BAM膜和

48、比利时Solvay的系列膜。,国内外主要质子交换膜生产厂家及产品,在国内，山东东岳集团质子交换膜性能出色，具备规模化生产能力。2004年，东岳集团联合上海交通大学研发出质子交换膜，经日本丰田公司和德国Fuma.Tch公司分别检测，东岳公司生产的质子交换膜性能出色不逊于同类产品。目前，东岳DF260膜厚度做到15um，在OCV情况下耐久性大于600小时；膜运行时间达到6000小时；在干湿循环和机械稳定性方面，循环次数都超过2万次。东岳DF260膜技术已经成熟并已定型量产，二代规划产能20万平米，而且东岳集团已建成年产50吨燃料电池离子膜所需要的全氟磺酸树脂生产装置，可满足2.5万辆电动汽车的离子

49、膜所需。,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。,催化剂海外企

50、业领先，国内正起步。在燃料电池催化剂领域，海外企业处于领先地位，已经能够实现批量化生产，而且性能稳定，其中英国Johnson Matthey和日本田中（本田燃料电池车Clarity催化剂供应商）是全球铂催化剂的巨头。国内企业尚处于研究阶段，有两类结构：（1）贵研铂业；主营汽车尾气铂催化剂，和上汽共同研发燃料电池催化剂；（2）研究机构，大连化物所、新源动力等，中国科学院大连化学物理研究所制备的PdPt/C核壳催化剂，其氧还原活性与稳定性表现优异。,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：实现气体在催化层表面的