氢燃料电池初步调研报告

2015
梅赛德斯- 计划2017年推出首款氢燃料电池动力量产车“GLC F-Cell”，车型尺寸与奔驰GLC SUV车型相当，续 奔驰 航里程约402～482千米 8000万美元购买巴拉德动力系统燃料电池专利，并将其与巴拉德动力系统的燃料电池外包服务合同延 长两年至2019年3月
2016.1 大众 2016.2 英国
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燃料电池汽车的发展
燃料电池电动汽车的特点
优势：
（1）工作效率高
以氢气为燃料的FCV效率可达到 50%——70%左右，甲醇重整产生氢气的FCV效率可达 30%左右，内燃机汽车的效率为11%左右。
（2）节能、环保 （3）结构简单和运行平稳
面临问题：
（1）造价高 （2）氢气的储存、制备和运输 （3）加氢站等基础设施建设
燃料电池其本质是一种发电机，其燃料和氧化剂不经过燃烧而直接通 过电化学反应转化成电能。燃料电池作为电能转化装置时，它的效率 可以达到60%，甚至在作为热电联产装置时它的效率高达80%。不同 类型的燃料电池应用领域和使用环境不同，质子交换膜燃料电池的使 用温度范围为室温至80℃左右，目前在燃料电池车上使用的基本都是 这种类型。
燃料电池在运输上的应用
在世界各地，国家和地方机构都在立法强迫汽车制 造商生产能极大限度地降低排放的车辆。燃料电池可 为这种要求带来实质的机遇。研究指出：当一辆小车 使用以天然气重整的氢为燃料的燃料电池而不用汽油 内燃机时，其二氧化碳的排放量可以减少高达72%。 燃料电池汽车是由电池和燃料电池提供动力的电力 车辆。燃料电池把氢气和氧气转化成电能，它所产生 的副产品只有水和热。它摒弃了复杂的变速箱等动力 传动装置，4台由燃料电池驱动的电机直接同车轮相 连推动汽车行走。
到目前为止，我国基本掌握了35MPa高压储氢和加注系统关键技术， 实现高压氢气瓶等部件国产化开发，但某些关键阀门、传感器还依 赖进口，70MPa氢气存储关键技术和关键部件仍然处在研发阶段， 其直接制约了我国燃料电池汽车续驶里程提高。
国外燃料电池汽车发展现状
国外已经由基于传统车辆平台改造形成燃料电池车模式走向为燃料电池汽 车打造全新整车平台阶段，如本田汽车公司Clarity，丰田汽车公司FCHV， 戴姆勒奔驰公司F-Cell和通用公司Chevrolet Equinox。 国外燃料电池汽车产品的可靠性、环境适应性(如低温启动性能)取得了重 大突破，示范运行不断深入，并陆续推出用于租赁商业化示范的先进燃料 电池汽车，燃料电池汽车进入技术与市场示范阶段。产品成本控制与配套 基础设施建设成为制约燃料电池汽车商业化推广主要因素。
部分车企燃料电池车开发销售计划
时间 企业名称 事件 2014.12 丰田 开始面向普通消费者销售燃料电池车“MIRAI”，计划2015年在日美销售700辆、2017年美国销售 3000辆、2020年销量达到1万辆 2015.4 现代汽车 将“Tucson iX Fuel Cell”燃料电池车价格降至一半；2014年现代途胜氢燃料电池汽车全年销量128 辆，截至2015年5月全球销量273辆 2015.7 宝马 发布基于现款i8打造的i8 FCV氢燃料电池试装车型，最大续航里程483千米 2015.7 丰田、日野 联合推动零排放燃料电池（FC）大巴运用，在东京大都会区对其FC大巴进行上路测试，包括测试燃 汽车 料电池巴士在公共交通中的实用性以及车辆断电时外部供电系统的使用情况等 2015.11 丰田 展示面向氢能源普及社会的燃料电池概念车“TOYOTA FCV PLUS”，车身尺寸为长3800毫米×宽 1750毫米×高1540毫米，轴距3000毫米，采用将主要部件集中在车辆前部及后部的“新一代FCV布 局”，可对应多种车身形状，配备轮毂电机和可充放电的无线供电系统，能够与家中及地区交换电力
燃料电池汽车发展现状
在众多的新能源汽车中，燃料电池汽车因其具有零排放、效率高、 燃料来源多元化、能源可再生等优势而被认为是未来汽车工业可持 续发展重要方向，是解决全球能源问题和气候变化的理想方案。
国际燃料电池汽车现已进入技术与市场示范阶段。
我国燃料电池汽车面临着发展后劲不足，技术创新突破难、产业化 基础薄弱、专业人才缺乏等难题，严重阻碍了我国燃料电池汽车技 术进步。
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燃料电池和锂电池比较
燃料电池与锂电池对比


纯电动汽车通常采用锂离子电池作为动力来源，燃料电池汽车则采用 氢燃料电池。 锂离子电池依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作， 氢燃料电池利用氢氧化学反应产生电能，二者都是对环境污染极小的。

锂离子电池是一种储能装置，目前常用的锂离子电池按正极材料可以 分为磷酸铁锂（LFP）电池、三元（NCM）电池和锰酸锂（LMO）电 池。
燃料电池的应用
01 空间领域 03 运输上 04 02 军事上 移动装置
燃料电池在移动装置上的应用
伴随燃料电池的日益发展，它们正成为不断增加的移动电 器。微型燃料电池因其具有使用寿命长，重量轻和充电方便 等优点，比常规电池具有得天独厚的优势。 目前，美国正在试验以直接甲醇燃料电池为动力的移动电 话，苹果新型氢燃料电池移动装置可撑数周，而德国则在实 验以这种能源为动力的膝上型电脑。
4）在阴极催化剂的作用下，氧和氢离子与电子发生反应生成水
氢燃料电池的优势
氢能丰富， 简单，清洁 氢能强大 氢能转化为电能
电子 …电能较燃油能要方便得多
+
质子
制约燃料电池行业发展的因素





（一）成本障碍 燃料电池组的成本必须下降，其中主要涉及三个关键部件的成本：铂催化剂、 电解质膜和双极板。 铂催化剂。现在的燃料电池组都使用金属铂作为催化剂，在未来十年内很可 能依旧如此。目前电极载铂量过高一直是阻碍燃料电池发展的重要因素。 电解质膜。现在汽车应用中最常见的质子交换膜是全氟磺酸膜（PFSAs），这 种交换膜具有较强的氧化和还原稳定性。目前燃料电池所用的纳菲薄膜主要 依靠进口，其价格在600美元/平方米左右。 双极板。目前质子交换膜燃料电池最常使用的双极板是不透性石墨材料。 制造石墨双极板需经过2500℃以上的石墨化，并需经过多次浸渍、炭化处理 以达到不透性。而且由块状石墨加工成双极板，加工成本过高，加工时间长， 不易批量生产。 氢燃料罐的成本较高，从成本和小型轻量化的角度来看，需开发组合使用轻 量低成本氢储藏材料和高压氢燃料罐。 电池配件方面，可与纯电动汽车和混合动力汽车共同使用其他零部件，从而 削减高昂成本。
2016.3 本田 2016.4 现代汽车 2016.6 日产
中国燃料电池汽车发展现状
在国内，以上汽股份、上海大众、一汽、长安、奇瑞等公司为代表开发的 燃料电池轿车均基于传统内燃机车辆进行改制，尚未掌握燃料电池汽车专 用车身开发、底盘开发、底盘动力学主动控制等关键技术，与国外存在较 大差距。
中国新能源汽车发展状况

2017年以来截至7月31日，工信部累计发布 了7批新能源汽车车型目录，共有2265款车 型入选：客车1391款，占比61.41%;乘用车 265款，占比11.70%;专用车609款，占比 28.89%。从动力类型看，共有纯电动汽车 1872款、混合动力汽车386款、燃料电池汽 车7款，分别占比82.65%、17.04%、0.31%, 可见纯电动汽车是目前推广的重点。
氢燃料电池行业
初步调研报告
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燃料电池概述
概述
燃料电池汽车是电动汽车的一种，其电池 的能量是通过氢气和氧气的化学作用，而不是 经过燃烧，直接变成电能获得。 甲醇、天然气和汽油也可以替代氢（从这 些物质里间接地提取氢），不过将会产生极度 少的二氧化碳和氮氧化物。
各燃料电池参数表
燃料电池技术总览
生成 净化 压缩 使用
燃料电池在空间领域的应用
图“阿波罗11号”飞船
燃料电池在空间领域的应用：燃料电池最早和 最成功的应用始于20世纪50年代，它被用作航 天飞船的动力源。 由于燃料电池相对于其他动力能源来说有很高 的效率，因而可极大的减少体积和重量。
对于航天器说，减轻重量是很重要的！ 燃料电 池没有同时在其他方面得到应用，主要的原因 是当时的燃料电池造价昂贵；因此，降低燃料 电池的造价是多年来研究和 开发的主要内容。
能源 工作
水资源
重整
变压吸附
高强度压缩
燃料电池
燃料电池技术说明
按燃料的供应方式不同，燃料电池发电系统分为直接和间接供 氢型。 直接供氢就是直接用氢作燃料，没有中间重整过程。 间接供氢是通过重整装置先将氢从其他形式的燃料中分离出来。 车载纯氢储存方法主要分为：高压氢气储存、液态氢储存、金 属储氢、活性炭吸附储氢和碳纳米材料储氢。 车载制氢需要内部高温的燃料处理器，通过重整或部分氧化等 方式由燃料中获得氢。醇类：甲醇、乙醇、二甲醚等；烃类： 柴油、汽油、甲烷等。
氢燃料电池的工作原理?
电能
electrons
水
4
-
4
+
protons
氢气
薄膜
氧气
反应过程： 1）氢气通过管道或导气板到达阳极。 2）在阳极催化剂（铂）的作用下，一个氢分子分解为两个质子，并释放出两个电子。 3）在电池的另一端，氧气通过管道或导气板到达阴极，同时，氢离子穿过电解质到达阴极， 电子通过外电路也到达阴极。电子在外电路的连接下形成电流。

工作原理和组成材料
电池类型 正极材料 负极材料 其他材料 磷酸铁锂电池 磷酸铁锂 石墨 质子交换膜电池 氢气（35MP/70MP规格氢气瓶） 氧气（空气压缩机）
电解液 质子交换膜（类似电解液+隔膜） 隔膜 催化剂——碳载铂 正负极材料载体：铜箔wenku.baidu.com铝箔 气体传输层——多孔碳纸 双极板（石墨/金属）
燃料电池在军事上的应用
燃料电池可以以多种形态为绝大多数军事装置，从 战场上的移动手提装备到海陆运输提供动力。在军事 上，微型燃料电池要比普通的固体电池具有更大的优 越性，其增长的使用时间就意味着在战场上勿需麻烦 的备品供应。 此外，对于燃料电池而言，添加燃料也是轻而易举的 事情。 同样，燃料电池的运输效能能极大地减少活动过程中 所需的燃料用量，在进行下一次加油之前，车辆可以 行驶得更远，或在遥远的地区活动更长的时间。 这样，战地所需的支持车辆、人员和装备的数量便可 以显著的减少。 自20世纪80年代以来，美国海军就使 用燃料电池为其深海探索的船只和无人潜艇提供动力。
制约燃料电池行业发展的因素




（二）燃料来源 传统工业制氢的方法以化石材料制氢、电解水制氢为主。而随着对大 规模制氢需求的提高，生物制氢、热化学制氢和太阳光催化光解制氢 等方法也获得广泛应用。 从成本角度来看，在燃料电池推广初期，应以分散式制氢为主，可进 一步控制成本，且使用便利。但随着未来燃料电池规模化发展之后， 集中制氢的成本和环保优势将会进一步突出。 （三）配套设施 燃料电池汽车的推广，其中最主要的制约因素是配套设施的缺失，即 加氢站的覆盖率过小，而其高昂的建设成本也使得加氢站的建设只能 作为试验性经营。 （四）储藏与安全 通常氢气以三种形态存储和运输：高压气态、液态和氢化物状态。短 期内，高压罐储氢仍是主要氢气储存运输手段。但从长期来看，更需 要具备高储氢容量、高安全性、吸/放氢速率快、长寿命和低成本的 储氢材料。
电池系统组成
电芯 电器元件 BMS 外部箱体 通信电气接口
电堆 氢气系统 空气系统 冷却系统 功率输出控制系统
发布双座小型氢燃料电池车“RASA”并公开试制车，底盘采用碳纤维强化材料，整个动力传动系统 Riversimple 只有18个可动部件，车辆总重量为580千克只有普通汽油车的一半左右；1.5千克氢气可续航483千米 Movement 左右，最高速度97千米/小时，燃效0.94千米/升，CO2排放量40克/千米；获得英国政府200万英镑补 公司 贴，计划2016年下半年开始实施12个月行驶测试，2018年推向市场 开始租售“Clarity”燃料电池车 为德国BeeZero公司提供燃料电池车“ix35”，充一次氢能行驶约600千米，开展汽车共享服务 发布新技术“e-Bio Fuel-Cell”，将生物乙醇改质制备氢气技术配备到车辆上实现正常行驶，计划 2020年之前实现产品化，在市面上流通生物乙醇的南美、印度和东南亚等地区采用