氫燃料電池發(fā)展趨勢分析

氫燃料電池發(fā)展趨勢分析

氫燃料電池是將燃料蘊含的化學能直接變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電裝置,擁有以下特點：1）能量密度高.氫氣本身的燃燒能量密度是汽油的3倍.即使是在燃料電池系統(tǒng)中,能量密度可達500Wh/kg,遠高于鋰電池水平；2）無污染.電能轉換是化學反應而非燃燒,產(chǎn)物是水,能量轉化效率可以達到60%；3）應用場景豐富.可用于交通運輸、便攜式設備、發(fā)電站和航空航天等領域.

一、現(xiàn)狀

氫燃料電池本質是發(fā)電機,而非儲能裝置,能量儲存在氫氣和氧氣中.氫氣作為負極失去電子,氧氣作為正極得到電子,通過不斷消耗電極氣體材料,從而在外電路產(chǎn)生電流.氫燃料電池下游應用廣泛,任何需要產(chǎn)生電力的場景均可以使用.近年來交通領域的應用成為燃料電池快速增長的主要動力,2011~2017年復合增速達到1.48倍,且2017年交通領域燃料電池應用占比已達到66%,預計未來隨燃電池汽車滲透率的不斷升高,這一比例有望繼續(xù)提升.2011-2018年交通領域拉動燃料電池快速增長（MW）

2017年燃料電池交通領域應用占比達到66%

燃料電池種類多樣,有堿性燃料電池、質子交換膜燃料電池、磷酸型燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固體氧化物燃料電池,它們的區(qū)別主要在于燃料和電解質.其中,質子交換膜燃料電池兼具能量轉化效率、工作溫度、環(huán)境友好、成本降幅空間大等特性,是目前氫燃料電池的主要應用載體,2017年其滲透率已經(jīng)超過70%；磷酸型燃料電池和固體氧化物燃料電池主要應用在固定式燃料電池電站以及便攜式電源領域,因此依然保持一定滲透率,合計約25%.2011-2018年質子交換膜燃料電池滲透率超過70%

成本的持續(xù)下降是近年來燃料電池快速增長的主要原因.根據(jù)調查數(shù)據(jù)測算,在年產(chǎn)50萬套燃料電池系統(tǒng)情況下,燃料電池系統(tǒng)成本將從每千瓦53~55美元下降到2020年每千瓦40美元,未來目標成本是每千瓦30美元,降幅達到43%.2006-2020年燃料電池成本下降迅速（美元/kW）

氫燃料電池系統(tǒng)主要由電堆和輔助系統(tǒng)構成,電堆是燃料電池的核心,是將氫能轉化為電能的場所,因此決定了燃料電池的關鍵性能,其主要由雙極板和膜電極構成；而輔助系統(tǒng)是燃料存放的區(qū)域,主要由儲氫瓶和空壓機等構成,而氫氣和氧氣分別來自于加氫站和空氣,輔助系統(tǒng)進行氣體過濾、除雜和加濕后將氫氣和氧氣送入電堆,提供燃料電池的正負極材料.

成本方面,電堆和輔助系統(tǒng)在燃料電池系統(tǒng)中占比均為49%：1）燃料電池電堆中,雙極板和催化劑是成本主要來源,占比分別為30%和43%；2）輔助系統(tǒng)成本構成主要是空氣循環(huán)、氫循環(huán)以及熱管理系統(tǒng),成本占比分別為43%、11%和19%.燃料電池系統(tǒng)成本構成

二、政策推動

鋰電池汽車已經(jīng)進入后補貼時代,而燃料電池補貼強度依然較大,根據(jù)2019年補貼政策,過渡期內乘用車、輕型商用車和大中型商用車補貼上限分別為16、24、40萬元/輛,過渡期后地補全面轉向加氫等基礎設施建設.且氫能源發(fā)展于2019年首次進入政府工作報告,按照中國氫能產(chǎn)業(yè)基礎設施發(fā)展藍皮書提出的目標,到2020年,中國燃料電池車輛要達到1萬輛、加氫站數(shù)量達到100座,行業(yè)總產(chǎn)值達到3000億元,行業(yè)增長空間巨大.

氫能源在一定程度上可以彌補鋰電池汽車的短板：1）鋰電池目前單體能量密度最高可以達到300Wh/kg,但是成組后能量密度損失在20%~40%之間.氫氣能量密度遠高于鋰電池,其提供的續(xù)航里程可以實現(xiàn)汽車長途運行；2）氫燃料電池汽車在加氫站加氫僅需要3~5分鐘,與燃油車補充能源時間相仿.而在目前技術水平下,鋰電池汽車補充能源至少需要1個小時.當然加氫站依然需要大規(guī)模普及；3）安全性方面,由于氫氣密度極小,泄露后會以極快的速度進行擴散,達不到爆炸濃度,因此即使發(fā)生氫氣泄露點燃的情況,氫氣也是呈現(xiàn)燃燒而非爆炸的狀態(tài).鋰電池汽車在發(fā)生碰撞后,極片短路會產(chǎn)生大量的熱量引燃電池材料,導致汽車火焰難以撲滅.

由于燃料電池汽車對鋰電池汽車在部分領域優(yōu)秀的替代性,中國政府也加大對氫燃料電池汽車的推廣力度,2018年燃料電池產(chǎn)量僅1619輛,且全部為商用車,2017年燃料電池乘用車僅有上汽集團銷售一款榮威950,用于出租租賃.與鋰電池“十城千輛”的推廣方式相似,氫燃料電池汽車也由商用車起步,積累新能源汽車運營經(jīng)驗,再不斷配套完善基礎設施建設,降低動力系統(tǒng)成本,實現(xiàn)乘用車領域的大規(guī)模應用,完成汽車能源結構轉型.2014-2018年中國燃料電池汽車產(chǎn)量

燃料電池的快速推廣也離不開政策支持.燃料電池汽車早在2001年就與鋰電池汽車進入“863計劃”,之后多次出現(xiàn)在國家能源轉型的戰(zhàn)略規(guī)劃目標中.2016年,工信部在中國氫能產(chǎn)業(yè)基礎設施發(fā)展藍皮書中規(guī)劃,到2020年,加氫站數(shù)量達到100座；燃料電池車達到10000輛；氫能軌道交通車輛達到50列；到2030年,加氫站數(shù)量達到1000座,燃料電池車輛保有量達到200萬輛；到2050年,加氫站網(wǎng)絡構建完成,燃料電池車輛保有量達到1000萬輛.

到2018年乘用車按照額定功率補貼6000元/kW（上限20萬元/輛）,燃料電池輕型客車、貨車定額補貼上限30萬元/輛,大中型客車、中重型貨車定額補貼上限50萬元/輛,并制定了電堆額定功率技術要求,大大降低了燃料電池汽車的購置費用.

三、國產(chǎn)化

1、電堆

電堆是燃料電池動力系統(tǒng)的核心,相當于鋰電池的PACK,決定了燃料電池的主要性能.其由膜電極與雙極板交替層疊組合.氫氣和氧氣分別由雙極板進入電堆,在氣體擴散層分散加濕后通過質子交換膜發(fā)生電化學反應.國內電堆已經(jīng)實現(xiàn)國產(chǎn)化,且壽命可以達到15000小時,與國際水平接軌.按照燃料電池汽車每日行駛6~8個小時,燃料電池電堆可以使用5~7年,基本滿足運營類車輛每年2萬公里運行的里程要求.國際電堆龍頭是巴拉德（BLDP）,其已經(jīng)與超過15家巴士制造公司建立了合作關系,生產(chǎn)超過270萬片膜電極(MEA),出貨超過270MW的PEM燃料電池產(chǎn)品.近年來巴拉德加大了與國內企業(yè)的合作,國鴻氫能、南通澤禾、大洋電機、廈門金龍、濰柴動力先后以戰(zhàn)略合作協(xié)議或者持股的方式與巴拉德建立深度合作關系,加快中國電堆和膜電極產(chǎn)品研發(fā)和技術推進的速率.

當然還有部分國內企業(yè)自主研發(fā)燃料電池電堆,如新源動力和神力科技,但是在產(chǎn)能規(guī)模、功率密度和耐久性方面與巴拉德還存在差距.生產(chǎn)工藝方面,電堆主要是材料結構件的組裝,目前核心壁壘在于質子交換膜和催化劑的技術突破和成本降低.國內電堆主流企業(yè)項目新源動力神力科技廣東國鴻技術模式自主研發(fā)自主研發(fā)巴拉德技術引進產(chǎn)品HYMOD?-300型車用燃SL-C系列巴拉德FCvelocity-9SSL功率密度1.13kw/L1.3kw/L1.52kw/L耐久性5千h1萬h超過2萬h低溫性能-10℃低溫啟動，-40℃儲存-40℃儲存-20℃到75℃產(chǎn)能1.5萬kw6萬kw30萬kw客戶新源動力億華通國鴻重塑應用車型轎車、榮威750燃料電池商用車商用車、東風物流車優(yōu)勢自主研發(fā)實力強，依托上自主研發(fā)實力較強，與產(chǎn)能最大，壽命最長，巴拉德電

2、膜電極

膜電極是質子交換膜燃料電池發(fā)生電化學反應的場所,相當于鋰電池的電芯,其主要由質子交換膜、催化劑和氣體擴散層3部分組成,成本占比超過燃料電池系統(tǒng)的50%.目前國內武漢理工新能源等企業(yè)已經(jīng)可以自產(chǎn),產(chǎn)品功率密度最高可達1W/cm2,Pt含量低至0.3mg/cm2,其部分產(chǎn)品已經(jīng)出口美國、歐洲市場,自動化產(chǎn)線產(chǎn)能可達數(shù)十萬片/年;廣東國鴻投資約8億元的開展膜電極項目,預計2019年實現(xiàn)年產(chǎn)10萬平方米膜電極的規(guī)模,2020年實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化大規(guī)模發(fā)展.國外企業(yè)巴拉德可以自產(chǎn)膜電極供應其電堆,其他專業(yè)膜電極生產(chǎn)廠商如Gore、JM、3M、Toray(Greenerity)則專注于各類膜電極產(chǎn)品供應.燃料電池電堆成本構成

膜電極的發(fā)展經(jīng)歷了氣體擴散電極（gasdiffusionelectrode,GDE）、催化劑涂覆在質子交換膜上的CCM型膜電極（catalystcoatedmembrane）和有序化膜電極三代.有序化膜電極具有優(yōu)良的多相傳質通道,大幅度降低了膜電極中催化劑Pt的載量,并且提升了膜電極的性能和使用壽命.但是有序化膜電極還處在實驗室研究階段,面臨著水管理等問題需要解決,是未來膜電極技術的主流方向,目前最可能實現(xiàn)商業(yè)化的低鉑膜電極是第二代CCM型膜電極.

3、質子交換膜

質子交換膜是膜電極的核心,相當于鋰電池的電解液和隔膜,起著隔離燃料和氧化劑及充當電解質的作用,是電池內部質子傳遞的導體,對電子絕緣,另外還需要對催化劑具有支撐作用,屬于具有選擇透過性的功能高分子膜.其需要具有以下性質：質子傳導率高、化學穩(wěn)定性好、熱穩(wěn)定性強、機械性能好、氣體滲透性小、水的電滲系數(shù)小、價格低廉等性質.

按照含氟量劃分,質子交換膜分為全氟、非全氟、無氟化質子交換膜以及復合膜,目前主流的質子交換膜材料是全氟磺酸樹脂,市場上在售的主要有美國杜邦的Nafion系列膜(Nafion117、Nafion115、Nafion112等),比利時蘇威的Aquivion膜,美國陶氏化學的XUS-B204膜,日本旭硝子的Flemion膜,日本旭化成的Aciplex膜,和日本氯工程的C膜等,國內比較出色的生產(chǎn)廠家有山東東岳集團,東岳DF260膜技術已經(jīng)成熟并定型量產(chǎn),二代規(guī)劃產(chǎn)能20萬平.

部分氟化、無氟化以及復合質子交換膜由此誕生,它們加工相對簡單、價格便宜、化學穩(wěn)定性好；另外,由全氟的非離子化微孔介質與全氟離子交換樹脂結合制成的復合質子交換膜使原有膜的性能得到改善,同時又提高了復合膜的機械強度和尺寸穩(wěn)定性.

4、催化劑

燃料電池中的陰極和陽極的反應都需要催化劑來降低其電化學電位,其中陰極還原的反應速率仍然是電堆能量密度的核心問題.目前來說Pt催化劑是最優(yōu)的選擇,但是Pt的價格昂貴,所以對于催化劑的研究在于如何減少金屬Pt的載量以及制備多金屬復合合金催化劑.金屬鉑價格變化（元/克）

2017年100kW燃料電池用鉑量為10~15g,這在目前來看是相對穩(wěn)定的狀態(tài),隨著未來技術不斷進步,可能會有一定程度的下降.根據(jù)美國能源部的規(guī)劃,到2020年燃料電池汽車用鉑量預計會下降到0.125g/kW,一輛功率為100kW的燃料電池汽車用鉑量將為12.5g,若出貨量為200MW,需求量約合2.5噸.供給方面,根據(jù)英美鉑金公司預測,2018年全球鉑產(chǎn)量估計在為245~250萬盎司,約合70噸,供給相對充足,即使中長期氫燃料電池汽車產(chǎn)銷達到100萬輛,粗略估計需求11噸,約占產(chǎn)量的16%,影響逐漸擴大.因此低鉑、去鉑化的催化劑是產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向.

催化劑耐久性問題也值得關注.若氫氣中含有硫、磷、砷等化合物雜質,可能會使得鉑中毒從而失效,因此產(chǎn)業(yè)一邊通過提高催化劑的催化活性來實現(xiàn)Pt用量降低,一邊也在尋找替代Pt的催化劑,如鈀基催化劑、非貴金屬催化劑和非金屬催化劑.

5、氣體擴散層

氣體擴散層位于膜電極的兩側,主要功能及材料要求是：1）均勻的多孔質結構,透氣性能好；2）電阻率低,電子傳導能力強；3）結構緊密且表面平整,減小接觸電阻,提高導電性能；4）具有一定的機械強度,適當?shù)膭傂耘c柔性,利于電極的制作,提供長期操作條件下電極結構的穩(wěn)定性；5）適當?shù)挠H水/憎水平衡,防止過多的水分阻塞孔隙而導致氣體透過性能下降；6）具有化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性；7）制造成本低,性比高.

氣體擴散通道是由經(jīng)過憎水處理的憎水性孔道充當,聚四氟乙烯是常用的憎水劑,而未經(jīng)憎水處理的親水性孔道充當產(chǎn)物水的傳遞通道.其性能主要取決于擴散層厚度,過厚會增加傳質阻力,過薄會發(fā)生催化劑滲漏引起電堆壽命減少.

擴散材料性能對比指標碳纖維紙?zhí)祭w維編制布炭黑紙厚度（mm）0.2-0.30.1-1.0<0.5密度（g/c㎡）0.4-0.45-0.35強度（Mpa）16-183000-電阻率（Ω·cm）0.02-0.1-0.5透氣性（%）70-8060-9070

產(chǎn)業(yè)化情況來看,目前日本東麗、德國SGL、巴拉德和臺灣碳能公司的碳紙在機械性能和電化學、熱力學方面較為優(yōu)質,東麗占據(jù)了更大的市場份額,而性價比最高的是臺灣碳能公司的產(chǎn)品,其產(chǎn)品專注于燃料電池領域,更貼近客戶需求.國內方面安泰科技多孔鈦氣體擴散層產(chǎn)品已穩(wěn)定供應全球知名綜合能源供應商普拉格能源公司.

6、雙極板

雙極板與膜電極交替層疊組成電堆,是電堆的骨架,主要作用是：1）收集、傳導電流；2）將正負極氣體均勻分配到氣體擴散層；3）收集并排出反應水和熱量,保持電池溫場均勻；4）支撐燃料電池電堆,保護膜電極.雙極板的厚度應在保證機械強度的情況下盡可能薄,減少對電流和熱傳導的阻力.

雙極板材料大致可分為3類：1）炭質材料.炭質材料包括石墨、模壓炭材料及膨脹（柔性）石墨.傳統(tǒng)雙極板采用致密石墨,經(jīng)機械加工制成氣體流道.石墨雙極板化學性質穩(wěn)定,與MEA之間接觸電阻?。?）金屬材料.鋁,鎳,鈦及不銹鋼等金屬材料可用于制作雙極板.金屬雙極板易加工,成本低,厚度薄,熱導和電導效果好,電池的體積比功率與比能量高；3）復合材料.在常用的各種雙極板材料中,石墨材料的接觸電阻最小,金屬材料易加工,且機械強度高,但表面形成的氧化物會增加接觸面積電阻,復合材料可以較好結合兩者優(yōu)點.

金屬雙極板是未來發(fā)展的重要方向,其功率密度可以達到3~5kW/L,有助于提升電堆功率密度,目前金屬雙極板主要供應商有瑞典Cellimpact、德國Dana、德國Grabener、美國treadstone等.國內上海治臻新能源裝備有限公司已經(jīng)開發(fā)了包括氫空/氫氧、空冷/水冷等適用于各種環(huán)境的多款量產(chǎn)金屬雙極板；安泰科技鈦雙極板2018年已實現(xiàn)量產(chǎn),已向巴拉德供貨.

7、空壓機

典型的燃料電池空氣供應系統(tǒng)由空氣過濾器、空壓機、電機、中冷器、增濕器和膨脹機等組成.其中,空壓機由電機和膨脹機共同驅動.空氣壓縮機可讓氣體壓力提升至原來外界環(huán)境壓力的2到4倍,從而提升電堆的反應速度.但空壓機的寄生功耗很大,約占燃料電池輔助功耗的80%,其性能直接影響燃料電池系統(tǒng)的效率、緊湊性和水平衡特性.

燃料電池空壓機需要滿足：1）無油.潤滑油會使電堆發(fā)生中毒,因此空壓機需要采用水潤滑軸承或空氣軸承；2）高效.空壓機的寄生功率巨大,其效率直接影響著燃料電池系統(tǒng)的性能；3）小型化和低成本.燃料電池受其功率密度和成本的限制,小型化和低成本有助于燃料電池汽車的產(chǎn)業(yè)化；4）低噪聲.空壓機是燃料電池系統(tǒng)最大的噪聲源之一,空壓機的噪聲必須被控制；5）喘振線在小流量區(qū).可以實現(xiàn)燃料電池在小流量高壓比工況下高效地運行；6）良好的動態(tài)響應能力.當需求功率發(fā)生變化時,空氣流量和壓力需進行無延遲地進行調整,以跟蹤輸出功率的變化.不同類型空壓機性能比較空壓機類型渦輪增壓電動增壓羅茨式螺桿式渦旋式滑片式離心式體積0--0/---質量00/-----0轉動慣性--高中等低-低振動0000--0內增壓比--NOYESYESYES-溫升00--0/-00背壓YESYESNONONONONO功率NO---0-0噪聲00/-----0壓比3-3.53-3.5232.223-4主要類型空壓機優(yōu)缺點對比空壓機類型優(yōu)點缺點螺桿式壓力和流量可以靈活調整，啟停方便，安裝簡單噪音大、體積大、質量重、價格高旋渦式（包括羅茨式）容積量較高，且壓力與氣量連續(xù)可調，在寬的工況下都能達到較高的效率體積和質量大離心式價格相對便宜，響應較快，壽命長在偏離設計工況情況下性能下降嚴重電磁式質量和體積功率密度高，噪音極小-

8、車載儲氫瓶

前主要的儲氫方式有高壓氣態(tài)、低溫液態(tài)、固態(tài).

通過增加氫氣壓力和提高容器材料的比強度,可有效提高氣態(tài)儲氫系統(tǒng)的質量儲氫密度,但由于氣體分子間作用力的影響,高壓氣態(tài)儲氫的體積儲氫密度較低.同時過高的氫壓對儲氫罐的安全性設計和成本也是一大挑戰(zhàn).

通過加壓、降溫液化氫氣實現(xiàn)的液態(tài)儲氫擁有理想