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車用燃料電池系統關鍵技術大講堂深度紀要

【天風電新楊藻團隊】

時間:2017-07-24 10:00
來源:燃料電池 作者:王曉華

   時間:2017/7/15

  主講人:王曉華 上海燃料電池汽車動力系統有限公司 技術總監

  主題:杭州水云間新能源汽車免費大課堂——車用氫燃料電池系統關鍵技術

  PART 1:燃料電池簡介

  燃料電池工作原理:

  燃料電池的本質是發電機,把燃料和氧化劑反應的化學能直接轉化成電能的裝置,簡單意義上講,就是在氫氣和氧氣反應生成水的過程中去放電。

  氫氣從燃料電池的一側進入燃料電池單體,在陽極發生氧化反應;氧氣從另一側進入,在陰極發生還原反應。中間通過質子交換膜,把氫氣的質子從陽極遷移到陰極,過程產生兩個電子,兩個電子通過雙極板,從而收集燃料電池的電流去推動負載(包括電機以及車用的一些電器)。

  圖1:燃料電池原理

  

  資料來源:搜狐,天風證券研究所

  與鋰電池/鉛蓄電池的區別:

  燃料電池本質是發電機,把化學能轉化成電能。傳統電池其實是儲能裝置,本身不發電,用于儲存電網或者其他來源的電能。

  燃料電池單體與電堆:

  燃料電池單體好比單個電芯,理論電壓1.2V左右,實際運作過程中有損耗,電壓約為0.7V。和鋰電池一樣,通過將單體疊在一起生成電堆,再通過DC/DC升壓去驅動電機。國內乘用車中使用的36kW燃料電池電堆需要大約兩百多片燃料電池單體,約145V左右,再通過DCDC升壓至300多伏的整車電壓;大巴類若使用更大功率電堆則需要更多燃料電池單體,輸出電壓隨之也會更高,再通過DCDC升壓至400-600V的整車電壓。

  燃料電池的種類(按電解質分):

  質子交換膜燃料電池(PEMFC)、堿性燃料電池(AFC)、磷酸鹽型燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽型燃料電池(MCFC)、固體氧化物型燃料電池(SOFC)。除了電解質不同外,這些電池的工作溫度、輸出功率、電化學效率也有所差別。最常用的為質子交換膜電池,而SOFC也有部分公司在嘗試車用。

  電池壽命:

  目前平均水平在5000小時,巴拉德及部分其他國外企業已經可以將燃料電池使用時間提高到1w小時以上。

  應用領域:

  其實燃料電池用的比較早,像宇宙飛船很早就有用燃料電池的發動機。資本市場主要關注車用,除此之外,現在無人機、叉車,包括再小一點的筆記本電源都有應用。目前國內車用的功率級別根據車型不同有所區別:物流車在10~30kW不等;乘用車、客車功率在30~100kW不等。

  圖2:燃料電池應用

  

  資料來源:百度圖片,天風證券研究所

  PART 2:燃料電池單體部件詳解

  燃料電池單體構成:

  簡單來講,質子交換膜燃料電池單體主要由雙極板、膜電極組件構成,膜電極組件包含質子交換膜、催化劑、碳紙。

  圖3:燃料電池單體構成

  

  資料來源:OFweek,天風證券研究所

  質子交換膜:

  質子交換膜其實就是固體電解質。目前燃料電池實際應用中,最常見的美國杜邦的Nafion質子交換膜,價格相對較高,之前統計的數據是600美元每平米,相當于120美元每千瓦,現在有所下降。質子交換膜的成本占電堆成本的20-30%。國內質子交換膜主要依賴進口,國內有些企業也在做,包括像交大等,但可靠性還是差一些。

  圖4:杜邦質子交換膜

  

  資料來源:杜邦官網,天風證券研究所

  圖5:大連新源MEA質子交換膜

  

  資料來源:公司官網,天風證券研究所

  催化劑:

  催化層通常由催化劑/載體和質子交換樹脂溶液制備而成,屬薄層多空結構,具有氫氧化或氧還原電催化活性,催化層厚度一般在5-10μm。催化劑原材料是鉑金,現在非鉑金材料的催化劑也有。隨著技術的進步,催化劑中鉑金的用量已經比較少了,乘用車整車用量50g左右,客車用量100g左右,現在用量還在不斷下降。以前催化劑的成本最高,現在下降了很多。催化劑研究方面,像大化所這些做得非常好的研發很多。

  圖6:燃料電池催化劑

  

  資料來源:上海河森電氣,天風證券研究所

  氣體擴散層:

  最外層叫氣體擴散層,用于增加反應面積。氣體擴散層(GDL)的主要作用是支撐電極和電子、反應物及產物的多相傳質提供傳輸通道。GDL通常由多孔碳纖維基底和微孔層(MPL)構成,其中多孔碳纖維基底,如碳紙或碳布,厚度為200~400μm,微孔層也叫水管理層(大約100μm),一般是含有疏水表面的多孔層,使得反應氣體可以再擴散層中高效的傳輸至催化層表面。其疏水的表面則發揮排出電極表面生成水、避免發生電極水淹的作用。

  圖7:燃料電池氣體擴散層(碳紙)

  

  資料來源:百度圖片,天風證券研究所

  雙極板:

  要求材料具有比較好的阻氣性,氫氣和氧氣是在單體兩側發生反應,氫氣和氧氣之間要求嚴格的絕緣隔離。另外,雙極板還需要有良好的導熱性、低密度、良好機械性能和耐腐蝕性。原材料材料主要有石墨、金屬、不銹鋼以及其他輕金屬等。

  圖8:燃料電池雙極板

  

  資料來源:百度圖片,天風證券研究所

  PART 3:燃料電池系統

  燃料電池單體串起來構成電堆,而想要通過燃料電池驅動負載則需要更多部件來配合。燃料電池系統部件包括:電堆、空壓機、加濕器、氫氣循環泵、氫瓶等。

  圖9:燃料電池系統原理圖

  

  資料來源:上燃動力,天風證券研究所

  空壓機:

  在燃料電池中,氫和氧發生電化學反應產生電流,其中的氧可以使用純氧或從空氣中直接獲得,而是用空氣更方便、經濟。給氧氣增加壓力,目的是為了增加燃料電池反應的效率和速度,燃料電池兩側的壓力越大越好,這樣效率更高,單位時間內產生的電流也更大,質子交換膜電池系統的典型工作壓力在1-3bar。

  加濕器:

  質子膜在工作溫度較高時,水分的減少造成膜的質子電導率降低,從而引起質子交換膜的電阻增加,電池性能降低。加濕器一是可以給氣體加濕,另外可以控制溫度。

  圖10:加濕器原理

  

  資料來源:上燃動力,天風證券研究所

  氫氣循環泵:

  目前國內燃料電池發動機(FCE)系統,氫側多采用脈沖排氫,將陽極側的水帶出電堆,防止氫側水淹。另一種方法,則為使用氫氣循環泵,可連續幾個小時排一次氫,極大增加燃料利用率。在氫氣側作為循環利用的零部件,有幾個好處,一是給氫氣側帶來水,還有一個能夠提供流暢的速度。另外也可以防止水淹。流速快可以增加整個反應的速度,另外也容易帶走積水。目前這塊還是以進口為主。

  氫瓶:

  國內氫瓶使用的是鋁合金的內膽外面纏繞碳纖維,國外大部分是用塑料內膽。氫瓶壓力國內目前主要采用的是35MPa,原因主要是受限于金屬內膽本身特性,以及碳纖維纏繞成本比較高,而國外主流是70MPa。

  PART 4:燃料電池汽車動力系統應用

  圖11:燃料電池乘用車電池系統構造

  

  資料來源:豐田官網,天風證券研究所

  圖12:燃料電池大巴車電池系統構造

  

  資料來源:上燃動力,天風證券研究所

  燃料電池汽車動力系統應用方案:

  綜合燃料電池動態特性響應慢、成本高、冷啟動慢、需要進行能量回收等多項因素,燃料電池在汽車上應用需要與動力蓄電池相結合作為混合動力源。從燃料電池的控制策略方面,主要分為三種形式,包括負載補償型,負載跟隨型,和增程器型。

  增程器型:主要為純電動,動力性不受影響,燃料電池只是給汽車增加續航里程。

  負載跟隨型:燃料電池足夠給電機提供所有的功率需求,電機需要多少千瓦就發多少千瓦,并且是實時變化的。

  負載補償型:燃料電池的反應穩定,目標希望在一個穩定的功率范圍,比如在二十千瓦、三十千瓦去工作,剩下的有部分用鋰電池補償,這樣對燃料電池壽命比較好,特別是在像怠速狀況下,功率需求比較小。

  圖13:燃料電池車系統流程

  

  資料來源:上燃動力,天風證券研究所

  國內外投資燃料電池車的車企:

  國外:豐田、本田、通用、現代等。

  豐田燃料電池車的研究可以追溯到九十年代初,技術儲備非常多,目的是引導汽車向燃料電池方向發展。然而受特斯拉公布的影響,豐田不得不提前公布Mirai。

  國內:投入比較大的就是上汽和宇通,福田、金龍、中通等其他企業也開始進行布局。

  國內外燃料電池汽車的發展現狀:

  國外:以豐田Mirai為代表,技術儲備完全,電堆部件與燃料電池系統部件都有比較成熟的、基于傳統工業品改造的產業鏈。因此,Mirai的成本可以做到四十多萬左右。另外,燃料電池叉車在國外應用也非常廣泛。

  國內:技術落后國外十年以上,電堆部件與燃料電池系統部件絕大部分嚴重依賴進口。即使部分部件有國產產品,但在一致性和可靠性上落后很多,性價比并不高。整車造價也非常高。但是,目前已經基本沒有技術上的問題,想要將燃料電池車產業化,我們需要解決的問題主要有兩個——加氫站建設與降低成本。預計國內實現產業化的時間要到2020年,甚至2025年。

  PART 5:燃料電池汽車的展望

  1. 基礎設施建設逐步落實,氫氣來源問題將逐步得到解決

  加氫站的建設難度并不高,國內本來就有一部分加氣站,從加氣站升級成加氫站的難度不大,中石油、中石化對燃料電池的支持力度也比較大(同理,國家電網更支持純電動汽車的發展)。在國內建設進度慢,主要是因為涉及到安全問題和土地規劃(價格)問題。但政府也在規劃建設加氫站。以上海地區為例,計劃到2020年建設50座加氫站,基本能夠覆蓋上海各區。

  未來是氫能的社會,氫氣來源也會非常廣,包括煤制氫、及其他工業副產品。另外,現在也在探討將光伏、風電不能上網的電能用于水解氫。這樣既能解決棄風棄光問題,又能解決氫氣來源問題,并且理論能量轉化效率高于儲能解決棄風棄光的方案。

  2. 補貼政策或暗示著重發展燃料電池在客車、重卡這些大型車領域的應用

  按照目前補貼政策,燃料電池乘用車、中型車(物流車)、大客車的國補分別為20w、30w和50w。地補趨勢類似,對中、大型車的補貼明顯多于乘用車。

  事實上,從造車角度來講,燃料電池乘用車造車難度最大。因為乘用車空間小,對燃料電池系統的設計要求更高。而客車等大型車空間更足,并且所額外需要的燃料電池電堆的成本也沒有高出多少,僅需要額外增加一到兩個儲氫罐即可。

  從補貼政策的設計,我們可以推測,國家更傾向于支持燃料電池在中大型車上的應用。技術上從易到難,同時推動加氫站等基礎設施的建設。

  3. 與純電動汽車相比各有優勢,未來將互補

  燃料電池車和鋰電車將在未來很長的一段時間內都是互補的關系。鋰電池解決動力系統問題、燃料電池解決續航里程的問題。除非未來鋰電池能量密度有制的提升,才有可能完全擠占燃料電池車。

  與鋰電池車相比,燃料電池車的優勢主要在于加氫時間短、續航里程長。同樣增加100km的續航里程,鋰電池車需要增加大

量電池,不僅增加大量造車成本,還會大幅增加車體重量;而燃料電池車僅需擴大儲氫瓶容積,或者額外增加一個儲氫罐,所需成本和增加的重量遠低于純電動汽車,并且,儲氫技術仍在不斷進步,未來甚至能夠實現在車上儲存液態氫。從這個角度考慮,燃料電池車也確實更適合需要跑長途的中大型車,這也與補貼政策引導方向相一致。

  純電動汽車勝在整車構造簡單、電池技術成熟,也確實更適合用于城市通勤的乘用車。

  此外,如前文所述,燃料電池系統中也必然會用到動力電池,鋰電池和燃料電池本身就互為補充。根據燃料電池策略的不同,燃料電池在整車中既可作為主驅,也可作為增程。目前大巴類的車型,很多選擇將燃料電池作為增程。

  現階段,鋰電池車是新能源汽車的主流,但是未來兩者將是互為補充的存在。

  團隊成員:楊藻/李恩國/李丹丹/楊星宇

 

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