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燃料电池商业化前夕:光伏与锂电池历史能否重演?

作者:Joseph 来源:新能源Views 发布时间:2019-04-16 浏览:
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自3月15日氢能源首次被写入政府工作报告以来,燃料电池的风似乎愈刮愈烈,燃料电池概念股纷纷上涨,这不禁让人联想到2006年时的光伏和2012年的锂电池。但是,光伏与锂电池的历史是否能够重演?燃料电池是否具备商业化应用的条件?

燃料电池的商业化离不开政策的支持,但是归根结底还是在于技术的成熟和成本的下降。当然,燃料电池的种类有很多,应用也很广泛,这里仅对质子交换膜燃料电池(PEMFC)进行讨论。下面主要从政策、技术、成本和发展路线四个方面对燃料电池产业进行讨论。

产业政策

随着燃料电池产业发展逐渐成熟,中国在燃料电池领域的规划纲要和政策逐渐清晰,政府从发展路线、产业规划和补贴扶持全方位支持燃料电池产业的发展。2015年我国出台的《中国制造2025》,关于节能与新能源汽车产业发展的10年战略目标,指岀我国燃料电池汽车需要在三个关键方向实现突破:关键材料、零部件逐步国产化;燃料电池堆和整车性能逐步提升;燃料电池汽车运行规模进一步扩大。2017年4月三部委联合印发《汽车产业中长期发展规划》,进一步明确了以2020年、2025年、2030年为三个关键时间节点的燃料电池汽车技术发展路线。

2019年,燃料电池车在过渡期期间给予2018年的0.8倍补贴,后续政策另行通知。2019年3月15日氢能源首次被写入政府工作报告,标志着燃料电池产业得到政府的高度重视;3月26日财政部等四部委提出地方补贴需支持加氢基础设施“短板”建设和配套运用服务。目前燃料电池的体量较小,后续政府有望加强燃料电池产业的政策支持力度,助力产业跨越式发展。

技术现状

当下制约燃料电池产业发展的主要有以下几点技术问题:1.上游氢气的制取、存储、运输技术;2.燃料电池的电堆寿命过短,乘用车寿命需达到5000-10000小时;3.电堆关键材料制备技术如铂碳催化剂中铂的担载量。  

1)氢气制取、存储和运输及加氢站技术

目前,制备氢气的几种主要方式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)。其中氯碱工业副产氢的产量较大,成本低廉,理论上可以支撑243万辆燃料电池车的行驶,保守估计可以供50万辆燃料电池车的使用,这足以满足燃料电池产业发展初期对氢气的需求。水煤气法制氢成本低,但是含硫量高,会导致催化剂的中毒,无法满足燃料电池使用需求;石油和天然气制氢成本与氯碱工业相近,但是环保性不强;化工原料制氢、水电解制氢及其他新型制氢方法相对成本较高。而在产业发展后期,利用风电、光电及核电的弃电资源电解水制氢将可实现资源的可再生及零排放目标,同时借助于技术的进步和产业化带来的成本下降将使得此技术路线制取的氢气具备成本优势。

图3  不同氢气制备技术路线

在氢气的储存和运输一块,目前通用的办法是通过高压储氢罐+拖车的方式进行储存和运输,这其中最核心的技术就是储氢瓶的材料设计。氢瓶主要分为四种类型:全金属气瓶(I型)、金属内胆纤维环向缠绕气瓶(II型)、金属内胆纤维全缠绕气瓶(III型)及非金属内胆纤维全缠绕气瓶(IV型)。国际上大部分燃料电池汽车采用的都是IV型瓶(图19)。国内目前还没有IV型高压氢瓶的相应法规标准。

图4  70Mpa车载储氢瓶(IV型)

2)电池寿命

燃料电池乘用车若想能够商业化,电堆的寿命至少需要超过5000-10000小时。巴拉德和国鸿氢能的9SSL燃料电池电堆寿命达到了12000小时,可以满足乘用车对燃料电池寿命的使用要求。但是国产的9SSL电堆使用的是模压石墨双极板,这使得电堆的体积功率密度只有1.4KW/L,仅可用于商用车的应用,无法满足小型乘用车轻量化的需求。丰田的Mirai寿命虽只有5000小时,但是其电堆体积较小,体积功率密度高。下表是国际上几家主要燃料电池堆生产商的电堆性能对比,从表中可以看出目前燃料电池堆的使用寿命已经可以基本满足商业化需求,但是在寿命的提高及材料的轻量化上仍然有很长的一段路需要走。

图5  全球主要燃料电池产品寿命对比

3)电堆关键材料的制备技术

燃料电池结构中最核心的两个部件为MEA和双极板,MEA是集膜、催化层、扩散层于一体的组合件。MEA主要由电催化剂、固体电解质膜和气体扩散层组成。

图6  燃料电池堆结构示意图

电催化剂的主要作用是促进氢、氧在电极上的氧化还原过程。目前使用的电催化剂主要为铂碳催化剂,由于铂是一种贵金属元素,材料成本占据主导地位的铂碳催化剂无法通过量产来降低成本,使得电堆的成本居高不下。因此,未来燃料电池催化剂的研究方向应向低铂或无铂催化剂的方向发展。但是,经过多年的发展,燃料电池电催化剂铂的担载量已经从2012年的0.196 mg/cm2下降到2017年的0.125mg/cm2,相信未来随着技术的进步铂的担载量将会进一步降低。

图7  燃料电池内铂金属含量变化趋势

车用燃料电池中质子交换膜(PEM)是一种固态电解质膜,其作用是隔离燃料与氧化剂、传递质子(H+)。根据氟含量,可以将质子交换膜分为全氟质子交换膜、部分氟化聚合物质子交换膜、非氟聚合物质子交换膜、复合质子交换膜。其中,由于全氟磺酸树脂分子主链具有聚四氟乙烯(PTFE)结构,因而带来优秀的热稳定性、化学稳定性和较高的力学强度;聚合物膜寿命较长,同时由于分子支链上存在亲水性磺酸基团,具有优秀的离子传导特性,是最先实现产业化的侄子交换膜。全氟类质子交换膜包括普通全氟化质子交换膜、增强型全氟化质子交换膜、高温复合质子交换膜。主要生产国家有美国、日本、加拿大、比利时和中国的东岳集团。

图8  各类质子交换膜优缺点比较

全氟类质子交换膜包括普通全氟化质子交换膜、增强型全氟化质子交换膜、高温复合质子交换膜。主要生产国家有美国、日本、加拿大、比利时和中国的东岳集团。

图9  全球主要PEM膜生产厂家

气体扩散层GDL是最容易实现降本的部分,未来规模化生产是发展的重点。GDL位于流场和催化层之间,其作用是支撑催化层、稳定电极结构,并具有质/热/电的传递功能。通常GDL由支撑层(憎水处理过的多孔碳纸或碳布)和微孔层组成(电炭黑和憎水剂构成)。目前主要的气体扩散层有三种:碳纤维纸、碳纤维布和炭黑纸。

图10  不同种类气体扩散层的性能指标

双极板中,石墨双极板最为成熟,金属双极板是未来方向。双极板主要起到输送和分配燃料、在电堆中隔离阳极阴极气体的作用。双极板占整个燃料电池重量的60%,成本的13%。主要功能有:连接单体模块、分隔反应气体、收集电流、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,金属与复合村料双极板有较大发展空间。根据基体材料的不同,双极板可以分为石墨双极板、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使用,前技术已经成熟,并已实现商业化大规模应用了。金属双极板是替代石墨双极板的最使选择,表面改性的多涂层结构金属双极板具备较大的发展空间。金属双极板的机械性能、加工性能、导电性等都十分优异,易于批量化生产降低成本。

图11  不同双极板的特点对比

国内量产的燃料电池车型主要有荣威950 Fuel Cell,累计产量一共在70台左右,而丰田Mirai在全球累计销量已经达到7597台,本田Clarity销量为2441台。近年随着外资车企在燃料电池乘用车领域布局不断加速,涌现了现代ix35,NEXO、奔驰B-F-Cell、通用 Equinox等燃料电池乘用车。

图12  国内外燃料电池乘用车参数对比

图13  国内外燃料电池客车参数对比

综上,目前的燃料电池从寿命、性能、资源和成本等方面已经有了长足的进步:(1)燃料电池车辆寿命和运营里程达到传统汽柴油车水准,在英国和美国均有燃料电池公交车(FCEB)运营寿命超过2.9万小时,无需大修或更换燃料电池组;(2)低温启动温度可以达到-30℃;(3)铂金催化剂用量较小,未来不会引起铂金资源短缺,目前国际先进催化剂耗铂水平可达到0.125g/kW,未来单车铂金用量可以低于5g,与传统柴油车尾气催化剂铂用量相当,并且催化剂在往低铂和无铂方向发展;(4)成本快速下降,日韩燃料电池汽车预计2025年能达到传统内燃机车成本水平;(5)氢耗与油耗成本持平,并且随着规模扩大,氢气成本存在较大下行空间。所以,燃料电池汽车从技术层面已经初步具备产业化发展的潜力。

成本下降

燃料电池车商业化最大的阻碍之一就是成本,目前燃料电池车的成本要远远高于目前的燃油车或电动车,这主要是由两点原因造成的,一是燃料电池技术的限制,一些关键组件如电堆中的电催化剂和双极板成本高昂,使得燃料电池系统价格居高不下,另一方面是燃料电池汽车产量较小,但是随着未来规模化后,其他一些部件如储氢系统、燃料供给系统、冷却系统、电驱动系统以及电堆中的气体扩散层和PEM等都将随着规模的扩大,成本急剧的下降。

图14  氢燃料电池成本变化趋势(美元/KW)

关于80kW的汽车聚合物电解质膜(PEM)燃料电池系统成本预测:

每年生产10万件,价格是50美元/千瓦时;

每年生产50万件,价格是45美元/千瓦时。

与2016年财政年度分析相比,降低系统成本的主要因素是:

• 在高表面积碳(HSC)上形成PtCo催化剂,该PtCo催化剂增加功率密度46%

• 阴极铂载量略有降低(7%)

• 改进了双极板冲压工艺

• 根据行业投入调整氢传感器,假定它们是包括在车辆中的,而不是作为燃料电池系统的一部分。

预计到2020年和2025年,汽车PEM燃料电池系统的成本分别约为:

每年生产10万件,价格是47美元/千瓦时和40美元/千瓦时;

每年生产50万件,价格是43美元/千瓦时和36美元/千瓦时。

图15  燃料电池系统成本随产量变化趋势(美元/KW)

我们再以丰田的Mirai燃料电池为例,根据测算,Mirai燃料电池系统的成本达到233美元/W,其中73%的成本为电堆成本以114KW功率为标准,1000台产量下每台Mirai的燃料电池系统成本为26562美元,2015年Mirai在美售价57500美元,在有补贴政策的情况下,每年销量为2000多台。如果产量达到10000台,燃料电池系统成本将有望下降至9000美元,则基本上可以实现商业化。

图16  Mirai电堆和BOP成本分析

在保证规模生产的前提下,乘用车燃料电池的成本基本可以达到商业化水准,随着未来技术的进步,燃料电池的成本有望进一步下降。

发展路线

目前,我国已经探讨了几条适合国情的路线:

先商后乘路线:采用在公交车辆,专用工程车辆等商用车率先推广燃料电池,规模化成本降低后再在乘用车领域推广的路线。

一方面,商用车因为应用场景较乘用车辆集中,行驶路径单一,在制定区域进行制氢、储氢、加氢完成度高,可操作性较强。另一方面,燃料电池具备低温运行,大功率动力做功的特性,符合商用车在特定领域的需求。

当商用车规模化的推广将带动产业链的完善,为后期乘用车的推进奠定基础。

燃料电池(增程式)路径的提出:针对当前国内小功率燃料电池技术上难以满足中型、重型车辆驱动,大功率燃料电池成本过高的情况,采用燃料电池用作锂电池增程器的设计可以满足驱动条件。

不同于乘用车辆,商用车辆较大的空间满足同时布局两种动力的条件,协同相比纯电动车辆增加续航里程,又能够弥补小功率燃料电池动力不足的缺陷。

核心观点

燃料电池技术已初步具备商业化应用条件;

燃料电池汽车未来十年将随着技术的进步和产量的增加成本大幅度降低;

国内加氢站数量较少,未来随着政策的引导,加氢站建设速度将会显著提升;

国内燃料电池发展路线应坚持先商后乘及燃料电池增程式的路径。

2019年将是燃料电池商业化的元年。

虽然当前燃料电池车辆存量仅为千余辆,氢能相关基础设施仍远不完善。但在政策补贴叠加和技术进步支持下,未来数年氢能势必与内燃机、锂电池产业长期共存并占据一席之地。

期待未来十年燃料电池行业真正的爆发。

关键字:燃料电池

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