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深度报告

来源:未知 | 作者:木木 | 时间:2017-10-18 11:37

储能网讯:中国氢燃料电池汽车产业处于萌芽初期

性能、寿命、成本是燃料电池商业化的关键

根据美国能源部(DOE)2016年发布的《Multi-Year Research, Development, and Demonstration Plan》,为了实现商业化目标,燃料电池系统需满足以下要求:

1)功率密度:2020年达到650W/L,长期达到850W/L;

2)耐久性:2020年达到5000h,长期目标8000h;

3)规模生产成本:2020年达到40 USD/kW,长期达到30 USD/kW。

《中国制造2025》目标:2020年达到DOE的以上性能要求,2025年开端量产。“2020年,燃料电池堆寿命达到5000小时,功率密度超过2.5千瓦/升,整车耐久性到达15万公里,续驶里程500公里,加氢时间3分钟,冷启动温度低于-30℃;2025年,燃料电池堆系统可靠性和经济性大幅提高,和传统汽车、电动汽车相比具有一定的市场竞争力,实现批量生产和市场化推广。”

国外燃料电池汽车产业进入商业化初期

国外燃料电池功率密度、冷启动温度等性能指标已基本亲近或超过目标值,进入商业化初期。燃料电池汽车的研究始于1960年代,2015年丰田、现代、通用等车企进入以商业化为目的的第二次开发,燃料电池续航里程、寿命、成本方面有了较大突破,迈入产业化阶段。

2016年中国燃料电池客车发展提速

在国家“十五”、“863”方案电动汽车关键技术重大科技专项和“十一五”节能与新能源汽车重大项目支持下,近年来我国燃料电池汽车技术研发获得重要进展:2015年上汽集团推出了第四代采用荣威950车型平台的燃料电池汽车,续航里程可达400km,已经具备小批量生产的才能;2016年5月宇通推出第三代燃料电池客车,续航里程晋升至600km,寿命达到5000h,成本下降50%,该车型的推出意味着我国燃料电池客车商业化的脚步进一步加快;2016年5月,福田汽车接到了有车(北京)新能源汽车租赁公司购置100辆欧辉氢燃料电池电动客车的订单,是目前全球最大量量的氢燃料电池电动客车订单。

关键零部件国产是燃料电池产业化的必要条件

燃料电池系统核心零部件:电堆、空气循环系统和氢气循环系统

燃料电池汽车由燃料电池系统、储氢瓶、驱动电机、整车掌握系统、帮助电池系统形成。燃料电池系统占整车成本约63%,由燃料电池堆(催化剂、双极板、质子交换膜),空气循环系统、供氢和水/热管理系统构成。

Ø 空气循环系统工作原理:空气通过压缩机增压之后,经过加湿处置送入到燃料电池反应堆,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,通过火水,去雾之后,通过膨胀器从压力量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,从而节俭供气单元所需要的电能。

Ø 燃料电池堆工作原理:利用质子交换膜技术,使氢气在笼罩有催化剂的质子交换膜作用下,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,这样就产生了电能。

Ø 氢气循环系统工作原理:车载储氢瓶里的氢气经过减压/稳压阀后,压力降为所需要求,再通过电动调节阀、压力传感器、流量计和加湿器进入电堆进行反应,少量过剩的氢气进入氢气再循环系统,或经过处理后排入大气。

燃料电池系统成本构成中,催化剂、双极板、质子交换膜、空气循环系统、氢气循环系统、热力管理系统分离占电池系统成本的24%、10%、5%、21%、5%、9%。

关键零部件依赖进口制约国产燃料电池汽车商业化

国内燃料电池与国外存在差距。我国的燃料电池的功率密度、续航里程、寿命、冷启动温度等多项指标与国外存在差距。

关键零部件技术缺少是制约国内燃料电池汽车产业发展重要原因。燃料电池关键零部件(如催化剂、碳纸、金属双极板、空压机、70MPa储氢瓶和氢循环装置等)缺乏量产的成熟产品,产业链配套体系不完善,许多关键零部件及技术依赖进口,成本难以控制。

国内燃料电池关键部件国产化过程加快。上汽第四代燃料电池车与宇通燃料电池车第三代客车的问世意味着我国燃料电池车产业化逐渐进入萌芽期,燃料电池系统与各个关键部件的研发、厂商配套能力提升,产品国产化水平不断提升。以新源动力为例,MEA10a-CCM10型号的膜电极产品采用的催化剂、质子交换膜和睦体扩散层已经从入口转为使用国产产品。

政策支持燃料电池关键零部件国产化,补助到2020年不退破

燃料电池车补贴幅度达到整车售价的40%,且到2020年之前不退破。2015年4月财政部公布发布了《关于2016-2020年新能源汽车推广应用财政支持政策的告诉》,2016~2020年,燃料电池乘用车、轻型客车/货车、中大型客车/货车的补贴额度分别为20、30和50万元,北汽福田的BJ6123FCEVCH燃料电池客车进入了补贴目录。目前丰田Mirai在日本的售价为723万日元(税后),以目前汇率折算人民币约47万,日本政府补贴200万日元(约13万人民币),若是以相当价格在国内销售,我国的补贴幅度将超过整车的40%。

补贴之外,多项政策出台支持燃料电池关键零部件的国产化:

燃料电池要害部件之一:燃料电池堆

燃料电池堆是电池系统的心脏,成本占电池系统49%

单体燃料电池由双极板、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电池堆的60%,主要是由质子交换膜、催化剂层、气体扩散层组成。工作时,氢气经过双极板上的流道到达阳极,经过催化剂(铂)的作用,氢原子中的一个电子被分别出来,失去电子的氢离子(质子)穿过质子交换膜,到达阴极板,而电子是不能通过质子交换膜的,这个电子,只能经外部电路达到阴极板,从而产生电流;与此同时,空气经双极板上的流道到达阴极,空气中的氧与氢离子和电子在阴极联合为水,同时空气把发生的水(蒸汽)带走。

双极板:金属双极板是发展趋势,国内尚在研发中

双极板在燃料电池堆中的体积和重量占比最大,成本占整个电池堆成本的27%。主要功能有:(1)连接单体模块;(2)分隔反应气体;(3)收集电流;(4)散热和排水等。其基体材料需具有强度高、致密性好、导电和导热性能好等特点,材料的选择将直接影响燃料电池的电性能和使用寿命。

石墨双极板目前最成熟,金属与复合材料双极板有较大发展空间。根据基体材料的不同,双极板能够分为石墨双极板、金属双极板和复合材料双极板,其中石墨双极板最早被开发应用,目前技术已经成熟,并已实现商业化大规模应用了。同时,表面改性的金属板以及成本下降的复合双极板是未来发展的趋势。

国内有石墨双极板的供应商,如杭州鑫能石墨、江阴沪江科技、上海喜丽碳素等;没有成熟的金属双极板量产产品,国内有研究机构和企业在研发当中,例如新源动力、大连化物所等。

质子交换膜:国内根本实现产业化

质子交换膜的作用是在反应时,只让阳极失去电子的氢离子(质子)透过到达阴极,但阻拦电子、氢分子、水分子等通过,因而需要其具有以下几个特性:

(1)电导率高(高选择性地离子导电而非电子导电);

(2)化学稳定性好(耐酸碱和抗氧化还原能力);

(3)热稳定性好;

(4)良好的机械性能(如强度和柔韧性);

(5)反应气体的透气率低、水的电渗系数小;

(6)可加工性好、价格恰当。

全氟磺酸型膜是目前燃料电池主要采取的膜资料,寰球全氟磺酸型膜的供给商集中于日本和欧美国家,其中应用最广泛的是美国杜邦公司的Nafion系列膜。

全氟磺酸膜有不耐高温、成本高等缺点,复合膜、高温膜、碱性膜等是未来改革方向,全氟磺酸膜有机械强度高、化学稳定性好、湿度大前提下导电率高等优点,但是同时也存在缺陷:温度升高时会引起质子传导性变差、高温时易发生化学降解、单体合成艰苦、成本高等。因此各机构也在研究其余类型的膜,例如复合膜是通过复合的办法来改性全氟型磺酸膜从而提升其耐高温性和阻醇性;碱性膜对应的燃料电池系统的工作环境为碱性,在这种状态下催化剂选择的范围可以更宽泛,不仅限于铂,还可以使用镍和银等;美国3M公司开发的一种新型PAIF(PerFluoro Ie Acid)高温质子交换膜,其某些特性参数已经达到甚至超过2020年目标,且在年产50万套的假设下,价格已经达到了18美元/m2,低于2020年的20美元/m2的目标。

国内的武汉理工新能源公司、山东东岳集团、上海神力科技、大连新源动力和三爱富都有均质膜的生产能力,武汉理工的产品还出口国外;在复合膜方面,武汉理工已向国内外数家研究单位提供测试样品;大连化物所、上海交大也在质子交换膜的研究范畴有所冲破。

催化剂:超低铂或无铂是未来方向

催化剂作用于氢气,使电子分开氢原子。目前Pt/C载体型催化剂是PEMFC最常用的催化剂,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。

质子交换膜燃料电池商业化进程中的主要妨碍之一是价格昂扬的贵金属催化剂,铂载量已大幅下降,超低铂或无铂(PGM-free)是未来研究重点。燃料电池零部件的成本主要来源于原材料与加工费用,美国Strategic Analysis公司发布的报告显示,在目前技术水平下,加工成本主导的部件(如质子交换膜、气体扩散层)的成本可通过规模化生产来降低,但材料成本占主导的催化剂难以通适量产来降低成本。因此,减少铂的使用量才是降低催化剂成本的有效门路。20世纪60年代美国通用采用铂黑作为催化剂,铂载量超过4 mg/cm2,而现在3M公司已经开发出可量产的有序化膜电极,铂载量仅为0.118 mg/cm2,有了大幅下降。但由于铂资源具有稀缺、昂贵的属性,大批的研究工作仍集中于降低铂载量、增强催化剂的耐久性、或是开发新的催化剂来替换铂的使用。

燃料电池催化剂的生产商为美国的3M、Gore,英国的Johnson Matthery,德国的BASF,日本的Tanaka,比利时的Umicore等,国内大连化物所具备小规模生产的能力。

气体扩散层:规模化生产工艺是研究重点

气体扩散层(GDL)起着散布反映气体、在电极和双极板之间传导电子和热量、与均衡电极表面水分的作用。对于气体扩散层,不仅有透气/透水性好、导电/导热性好、机械强度高、耐腐蚀性好等物理化学性质,还要拥有易于规模生产和价格廉价等贸易方面的要求。

碳纤维纸/布是一种广泛使用的扩散层材料,规模化生产工艺是研发重点。目前商业化碳纤维纸/布等材料从性能上已能够很好地满意要求,而气体扩散层是加工费用主导成本的部件,规模化生产将会带来大幅的成本削减,根据Strategic Analysis 2014年发布的数据,当生产规模从1000套提升到50万套时,成本会从$2,661/套降到$102/套,因此开发扩散层大规模生产工艺是未来研究重点。

目前碳纸产品由几个国际大生产商垄断,如加拿大巴拉德、日本Toray和德国SGL。我国的碳纸开产生产落伍于国外,国内上海和森公司有小批量碳纸产品,台湾碳能科技公司的碳纸产品价钱较低,取得了一定市场认可;中国石油大学和东华大学也在从事相关研究。

燃料电池关键部件之二:空气循环系统

空气循环系统成本占电池系统22%,耗能占输出功率20~30%

空气循环系统主要由空气压缩机、膨胀机、电机、衔接管道等组成,总成本占燃料电池系统的22%,工作能耗占燃料电池输出功率的20~30%。质子交换膜燃料电池(PEMFC)的系统工作原理: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,压力有所下降,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需要的电能。

空气压缩机是保证燃料电池高效可靠运行的关键装备

Ø 氧分压决定了燃料电池的功率密度。在相同电流密度下,随着供气压力的提高,电池的输出电压也涌现了相应的升高,从而提高了燃料电池的输出功率。

Ø 提高反应压力对于燃料电池内的水/热管理有显著的改良。燃料电池中的水管理的目的是坚持燃料电池入口空气的潮湿所需要的水量、电池内电化学反应所产生的水,以及从电堆出口回收的水的总和相平衡,一旦这个平衡被打破,燃料电池就无法正常工作。在低压的条件下,空气的含水量将增加,同时低压将减缓燃料电池的电化学反应,所以更多的水分被排出到大气中,程度衡就有可能被攻破。

Ø 20%~30%的燃料电池输出功率将被用于提升空气的压力,占附加能耗的95%。以压缩机为主要部件的空气管理系统也就成为了除驱动电机之外燃料电池最大的能量消耗部件,其综合性能在很大程度上决定了装备燃料电池的电动汽车性能,因此研究高效、紧凑、可靠和低成本的空气管理系统就成为了当前车载燃料电池研究领域中的重要任务。

技术壁垒高,涡旋和双螺杆空压机是目前主流技术路线

由于燃料电池的特殊要求,供气循环系统有许多有待解决的技术难点,使目前广泛应用的工业压缩机无法知足燃料电池电动汽车的需求。一方面,为了保证质子交流膜具有良好的工作特性,要求供气系统供应燃料电池堆的压缩空气相对清洁。另一方面,为了保障PEMFC具有较好的综合性能,要求供气子系统可以根据燃料电池输出功率的大小及时调整供气度与供气压力,并具备构造紧凑,重量轻,噪声低,牢靠性高,能量可回收等特色:

Ø 较高的能量转化率,在车辆行使过程中,空气压缩机工作的动力起源是燃料电池的电能输出,若压缩机占用较多的输出电能,必定会减少汽车的驱动功率从而影响整车的性能;

Ø 燃料电池中的质子交换膜要求压缩空气完全无油,并且具有一定的湿度,因此通常使用的喷油冷却压缩机就不适合应用在这一领域。需要提供压力相当高、低流量的干净空气,必须不含任何碳氢化合物,如油;

Ø 为了获得运行效率,压缩机需要在全负荷时的任何时间都能高效地工作,在宽的流量范围能都能高效工作,能够无延迟的调整燃料电池的功率输出;

Ø 车载环境要求压缩机部件在可能供给较大空气排量的同时具有非常小的质量、体积以及高可靠性;

Ø 燃料电池运行时无声,压缩机噪声必须控制;

Ø 对材料要求:为满意压缩机的低成本、低噪音和持久性目标,必需为压缩机关键部件开发具有低成本、稳定摩擦性能以及耐磨的涂层和材料。

旋转容积式压缩机和涡轮式压缩机是目前的研究运用重点。各大类压缩机都各具特点,需要对其弱点进行研究并加以克服,从而满足燃料电池的需要。从效率和可靠性来看,涡轮和螺杆空气压缩机是目前被以为最优的两种技术路线,也是未来运用趋势:

Ø 螺杆压缩机:目前美国通用、Plug Power、德国Xcellsis、加拿大Ballard等公司的燃料电池中都采用了螺杆压缩机压缩机/膨胀机供气系统。德国大众公司在Bora燃料电池发动机汽车上采用的喷水螺杆压缩机,是2002年国际燃料电池技术的重大进展之一;

Ø 涡旋压缩机:日本丰田(TOYOTA)、美国UTC等公司的燃料电池系统采用了涡旋机械作为其供气系统的核心部件。

燃料电池关键部件之三:氢气供给系统

氢气供给系统影响车辆的保险性与寿命

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、把持系统、氢气再循环系统等(通常不包括储氢瓶)。供氢系统的工作过程可以分为加氢、储氢和输氢三个过程:加氢站的加氢系统通过单向阀向车载储氢瓶注入氢气;储氢瓶贮存高纯度(99.999%)、高压力(35或70MPa)的氢气;燃料电池需要氢气时,经过减压/稳压阀后,压力降为所需要求,再通过电动调节阀、压力传感器、流量计和加湿器进入电堆进行反应,少量多余的氢气进入氢气再循环系统,或经过处理后排入大气。

优质供氢系统必须具备储氢量大、稳定性好、安全性高等特点,才干保证燃料电池车的高续航里程及耐久性。

Ø 供氢的稳定性好有助于燃料电池耐久性:储氢气瓶氢气的出口压力为35/70MPa,燃料电池车的电池反应堆要求氢气压力为远小于出口压力,而压力调节不当易造成质子交换膜的永久破坏,因此氢气压力调整装置要保证压力稳定性;

Ø 安全性高是必备条件:氢气是一种易燃易爆的气体,为防止氢气呈现泄露、超压、超温和过流等情形,保证系统正常工作,需要对系统的压力、温度和氢气流量进行检测,采用起安全作用的元件或办法。

氢气再循环装置:影响氢气利用率、解决水管理问题

氢气再循环装置可进步氢气利用率,同时解决电堆水治理问题,影响燃料电池发念头的耐久性。为了保证燃料电池的正常运行,通常采用氢气循环的方法,把电池内部生成的水带出电池后经过水气分离装置,将液态水分出后,再将氢气循环回到电池重复使用。一方面可以实现把反应气尾气的水分带入电池起到增湿作用;另一方面可以提高氢气在燃料电池阳极流道内流速,预防阳极水的累积,防止阳极水淹,此外还能提高氢气利用率。

氢气循环供应系统有多种形式,目前比较常见的是氢气循环泵和回氢引射装置。有的燃料电池独自使用这两种装置中的一种,有的同时使用两种装置;

Ø 氢气循环泵:采用电机变频节制电机,使回流能力根据不同功率进行响应,可以有效改良氢循环、灵巧性高,但是需消耗额定的电以维持其运转。

Ø 引射器:不需要消耗额外的电力,且结构简略因此运行可靠、寿命较长,但是回流能力是固定的,因此只能在一定的输出功率范围内有效。

再循环装置的规模化生产有助于成本的大幅下降。以引射器为例,依据美国国家可再生能源试验室的调研数据,一台引射器的价格在2005年时约为300美元,但是大规模生产后,本钱会有大幅度下降,有望到达20美元/台。

国外已有投入使用的氢循环装置,国内目前仍处于开发阶段,尚无成熟产品。

Ø 美国Park公司开发出了氢气循环泵,可用于不同的燃料电池汽车;

Ø 美国H2 Systems公司开发并提供氢气循环泵的系列产品(Hyrdogen Recirculation Blower Series );

Ø 美国的Argoone国家实验室开发了氢气引射装置(Ejector)及氢气泵混杂循环系统;

Ø 各大汽车公司也开发了相应的氢气循环装置,并用于燃料电池动员机,例如氢气回流泵在丰田汽车公司Mirai燃料电池车上得到了实行。

Ø 国内正处于研发阶段,有一些发明专利,但是并没有成熟产品。

燃料电池车关键部件之四:储氢瓶

储氢瓶是车辆续航里程的决议因素

供氢系统中的储氢瓶之于燃料电池车相当于传统汽车的汽油箱,其氢燃料的包容能力决定了燃料电池车的续航里程,目前运用在燃料汽车上的主要技术是高压气态储氢。常用的储氢瓶分为四种类型:全金属气瓶(I型)、金属内胆纤维环向缠绕气瓶(II型)、金属内胆纤维全环绕气瓶(III型)及非金属内胆纤维全缠绕气瓶(IV型)。IV型瓶有轻质、便宜的特点,得到国际上大部分燃料电池汽车的青睐,如日本丰田汽车公司的Mirai。

70MPa储氢瓶是未来趋势

储氢效率和平安性要求储氢瓶耐高压、质量轻、密封性、耐火性、耐摔性:

Ø 储氢效率:通常用质量/体积密度来表示,即单位质量/体积的储氢罐能容纳氢气的量。要提高储氢密度,则需要储氢瓶耐高压,且本身重量轻,其中关键因素是气罐材料。目前储氢罐多采用碳纤维材料,占整个储氢瓶的成本75%,重量占整个储氢瓶的60~70%,减少碳纤维用量,及降低碳纤维单位成本是未来国内外的重点研发目标,美国能源局2015年发布的目标,到2020年碳纤维的价格应从13美元/磅降到约9美元/磅;

Ø 安全性:要求储氢瓶采用致密度高的涂料或金属镀层,提高密封性,减少氢气外漏;此外还对储氢瓶的耐火性和耐摔性等有要求。

70MPa储氢瓶满足DOE 5.5%质量密度的要求,续航里程可达500km,是发展主流趋势。根据美国2015年5月颁布的最新技术要求,储氢瓶的质量密度要达到5.5%,而目前耐压70MPa(即内部承受压力达到700个大气压)的储氢瓶已可以达到该标准,例如丰田的Mirai搭载的70MPa的储氢瓶质量密度达到5.7%,可支连续航里程大于500km。

国外70MPa储氢瓶技巧成熟,国内当先企业已有样品

国外70MPa储氢瓶的技术已比较成熟,在已经或行将量产的车型上搭载的大多数是70MPa储氢罐,例如现代ix35、丰田Mirai、本田Clarity、奔驰GLC F-Cell等,这些车型的续航里程均超过500km。

国内基本掌握关键技术,但离产业化仍有距离,正踊跃开发。国内依托于“十二五”规划和“863”项目标研发工作正在进行,目前已经开发出车载70 MPa储氢瓶样机,上汽集团也表现基本掌握了70 MPa高压储氢和加注系统关键技术,2014年北京车展上展示的荣威950 Fuel Cell搭载的是70MPa储氢瓶。但是产品化开发方面仍存在诸多问题,如低成本产业化制备工艺研究、关键材料研究等,关键阀组件的开发方面,目前尚未组织立项,关键阀门、传感器还依赖进口。浙江大学、京城股份等研究机构、厂商已有样品。

燃料电池系统产业链梳理及重点标的推荐

中心材料供应商:石墨双极板的供应商包含杭州鑫能石墨、江阴沪江科技、上海喜丽碳素等;全氟磺酸膜供应商中武汉理工新能源公司具有较强的研发生产能力;贵研铂业开始布局燃料电池催化剂,并与上汽集团关于铂催化剂签署协作协议。

核心零部件供应商:空气循环系统全球龙头:OPCON AB(雪人股份100%控股);汉钟精机拥有空气循环系统核心设备空气压缩机和氢气循环系统核心设备氢泵的技术贮备储藏,蕴藏;京城股份35MPa、70MPa储氢瓶样品已在整车厂商试用中;中材科技与清华大学配合,已具备35MPa储氢瓶量产技术,目前已经接到订单。

燃料电池系统提供商:国内两家龙头分别是新源动力、上海神力;加拿大巴拉德是燃料电池堆和燃料电池系统的全球龙头,大洋电机参股9.9%;美国普拉格,主要供应燃料电池叉车;整车厂商如丰田、本田、现代、上汽集团也为自主品牌的汽车研发生产燃料电池系统。

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