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时间：2017/7/15 主讲人：王晓华 上海燃料电池汽车动力系统有限公司 技术总监 主题：杭州水云间新能源汽车免费大课堂——车用氢燃料电池系统关键技术 PART 1：燃料电池简介 燃料电池工作原理： 燃料电池的本质是发电机，把燃料和氧化剂反应的化学能直接转化成电能的装置，简单意义上讲，就是在氢气和氧气反应生成水的过程中去放电。 氢气从燃料电池的一侧进入燃料电池单体，在阳极发生氧化反应；氧气从另一侧进入，在阴极发生还原反应。中间通过质子交换膜，把氢气的质子从阳极迁移到阴极，过程产生两个电子，两个电子通过双极板，从而收集燃料电池的电流去推动负载（包括电机以及车用的一些电器）。 图1：燃料电池原理 资料来源：搜狐，天风证券研究所 与锂电池/铅蓄电池的区别： 燃料电池本质是发电机，把化学能转化成电能。传统电池其实是储能装置，本身不发电，用于储存电网或者其他来源的电能。 燃料电池单体与电堆： 燃料电池单体好比单个电芯，理论电压1.2V左右，实际运作过程中有损耗，电压约为0.7V。和锂电池一样，通过将单体叠在一起生成电堆，再通过DC/DC升压去驱动电机。国内乘用车中使用的36kW燃料电池电堆需要大约两百多片燃料电池单体，约145V左右，再通过DCDC升压至300多伏的整车电压；大巴类若使用更大功率电堆则需要更多燃料电池单体，输出电压随之也会更高，再通过DCDC升压至400-600V的整车电压。 燃料电池的种类（按电解质分）： 质子交换膜燃料电池（PEMFC）、碱性燃料电池（AFC）、磷酸盐型燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC)、固体氧化物型燃料电池(SOFC)。除了电解质不同外，这些电池的工作温度、输出功率、电化学效率也有所差别。最常用的为质子交换膜电池，而SOFC也有部分公司在尝试车用。 电池寿命： 目前平均水平在5000小时，巴拉德及部分其他国外企业已经可以将燃料电池使用时间提高到1w小时以上。 应用领域： 其实燃料电池用的比较早，像宇宙飞船很早就有用燃料电池的发动机。资本市场主要关注车用，除此之外，现在无人机、叉车，包括再小一点的笔记本电源都有应用。目前国内车用的功率级别根据车型不同有所区别：物流车在10~30kW不等；乘用车、客车功率在30~100kW不等。 图2：燃料电池应用 资料来源：百度图片，天风证券研究所 PART 2：燃料电池单体部件详解 燃料电池单体构成： 简单来讲，质子交换膜燃料电池单体主要由双极板、膜电极组件构成，膜电极组件包含质子交换膜、催化剂、碳纸。 图3：燃料电池单体构成 资料来源：OFweek，天风证券研究所 质子交换膜： 质子交换膜其实就是固体电解质。目前燃料电池实际应用中，最常见的美国杜邦的Nafion质子交换膜，价格相对较高，之前统计的数据是600美元每平米，相当于120美元每千瓦，现在有所下降。质子交换膜的成本占电堆成本的20-30%。国内质子交换膜主要依赖进口，国内有些企业也在做，包括像交大等，但可靠性还是差一些。 图4：杜邦质子交换膜 资料来源：杜邦官网，天风证券研究所 图5：大连新源MEA质子交换膜 资料来源：公司官网，天风证券研究所 催化剂： 催化层通常由催化剂/载体和质子交换树脂溶液制备而成，属薄层多空结构，具有氢氧化或氧还原电催化活性，催化层厚度一般在5-10μm。催化剂原材料是铂金，现在非铂金材料的催化剂也有。随着技术的进步，催化剂中铂金的用量已经比较少了，乘用车整车用量50g左右，客车用量100g左右，现在用量还在不断下降。以前催化剂的成本最高，现在下降了很多。催化剂研究方面，像大化所这些做得非常好的研发很多。 图6：燃料电池催化剂 资料来源：上海河森电气，天风证券研究所 气体扩散层： 最外层叫气体扩散层，用于增加反应面积。气体扩散层（GDL）的主要作用是支撑电极和电子、反应物及产物的多相传质提供传输通道。GDL通常由多孔碳纤维基底和微孔层（MPL）构成，其中多孔碳纤维基底，如碳纸或碳布，厚度为200~400μm，微孔层也叫水管理层（大约100μm），一般是含有疏水表面的多孔层，使得反应气体可以再扩散层中高效的传输至催化层表面。其疏水的表面则发挥排出电极表面生成水、避免发生电极水淹的作用。 图7：燃料电池气体扩散层（碳纸） 资料来源：百度图片，天风证券研究所 双极板： 要求材料具有比较好的阻气性，氢气和氧气是在单体两侧发生反应，氢气和氧气之间要求严格的绝缘隔离。另外，双极板还需要有良好的导热性、低密度、良好机械性能和耐腐蚀性。原材料材料主要有石墨、金属、不锈钢以及其他轻金属等。 图8：燃料电池双极板 资料来源：百度图片，天风证券研究所 PART 3：燃料电池系统 燃料电池单体串起来构成电堆，而想要通过燃料电池驱动负载则需要更多部件来配合。燃料电池系统部件包括：电堆、空压机、加湿器、氢气循环泵、氢瓶等。 图9：燃料电池系统原理图 资料来源：上燃动力，天风证券研究所 空压机： 在燃料电池中，氢和氧发生电化学反应产生电流，其中的氧可以使用纯氧或从空气中直接获得，而是用空气更方便、经济。给氧气增加压力，目的是为了增加燃料电池反应的效率和速度，燃料电池两侧的压力越大越好，这样效率更高，单位时间内产生的电流也更大，质子交换膜电池系统的典型工作压力在1-3bar。 加湿器： 质子膜在工作温度较高时，水分的减少造成膜的质子电导率降低，从而引起质子交换膜的电阻增加，电池性能降低。加湿器一是可以给气体加湿，另外可以控制温度。 图10：加湿器原理 资料来源：上燃动力，天风证券研究所 氢气循环泵： 目前国内燃料电池发动机（FCE）系统，氢侧多采用脉冲排氢，将阳极侧的水带出电堆，防止氢侧水淹。另一种方法，则为使用氢气循环泵，可连续几个小时排一次氢，极大增加燃料利用率。在氢气侧作为循环利用的零部件，有几个好处，一是给氢气侧带来水，还有一个能够提供流畅的速度。另外也可以防止水淹。流速快可以增加整个反应的速度，另外也容易带走积水。目前这块还是以进口为主。 氢瓶： 国内氢瓶使用的是铝合金的内胆外面缠绕碳纤维，国外大部分是用塑料内胆。氢瓶压力国内目前主要采用的是35MPa，原因主要是受限于金属内胆本身特性，以及碳纤维缠绕成本比较高，而国外主流是70MPa。 PART 4：燃料电池汽车动力系统应用 图11：燃料电池乘用车电池系统构造 资料来源：丰田官网，天风证券研究所 图12：燃料电池大巴车电池系统构造 资料来源：上燃动力，天风证券研究所 燃料电池汽车动力系统应用方案： 综合燃料电池动态特性响应慢、成本高、冷启动慢、需要进行能量回收等多项因素，燃料电池在汽车上应用需要与动力蓄电池相结合作为混合动力源。从燃料电池的控制策略方面，主要分为三种形式，包括负载补偿型，负载跟随型，和增程器型。 增程器型：主要为纯电动，动力性不受影响，燃料电池只是给汽车增加续航里程。 负载跟随型：燃料电池足够给电机提供所有的功率需求，电机需要多少千瓦就发多少千瓦，并且是实时变化的。 负载补偿型：燃料电池的反应稳定，目标希望在一个稳定的功率范围，比如在二十千瓦、三十千瓦去工作，剩下的有部分用锂电池补偿，这样对燃料电池寿命比较好，特别是在像怠速状况下，功率需求比较小。 图13：燃料电池车系统流程 资料来源：上燃动力，天风证券研究所 国内外投资燃料电池车的车企： 国外：丰田、本田、通用、现代等。 丰田燃料电池车的研究可以追溯到九十年代初，技术储备非常多，目的是引导汽车向燃料电池方向发展。然而受特斯拉公布的影响，丰田不得不提前公布Mirai(参数|图片)。 国内：投入比较大的就是上汽和宇通，福田、金龙、中通等其他企业也开始进行布局。 国内外燃料电池汽车的发展现状： 国外：以丰田Mirai为代表，技术储备完全，电堆部件与燃料电池系统部件都有比较成熟的、基于传统工业品改造的产业链。因此，Mirai的成本可以做到四十多万左右。另外，燃料电池叉车在国外应用也非常广泛。 国内：技术落后国外十年以上，电堆部件与燃料电池系统部件绝大部分严重依赖进口。即使部分部件有国产产品，但在一致性和可靠性上落后很多，性价比并不高。整车造价也非常高。但是，目前已经基本没有技术上的问题，想要将燃料电池车产业化，我们需要解决的问题主要有两个——加氢站建设与降低成本。预计国内实现产业化的时间要到2020年，甚至2025年。 PART 5：燃料电池汽车的展望 1. 基础设施建设逐步落实，氢气来源问题将逐步得到解决 加氢站的建设难度并不高，国内本来就有一部分加气站，从加气站升级成加氢站的难度不大，中石油、中石化对燃料电池的支持力度也比较大（同理，国家电网更支持纯电动汽车的发展）。在国内建设进度慢，主要是因为涉及到安全问题和土地规划（价格）问题。但政府也在规划建设加氢站。以上海地区为例，计划到2020年建设50座加氢站，基本能够覆盖上海各区。 未来是氢能的社会，氢气来源也会非常广，包括煤制氢、及其他工业副产品。另外，现在也在探讨将光伏、风电不能上网的电能用于水解氢。这样既能解决弃风弃光问题，又能解决氢气来源问题，并且理论能量转化效率高于储能解决弃风弃光的方案。 2. 补贴政策或暗示着重发展燃料电池在客车、重卡这些大型车领域的应用 按照目前补贴政策，燃料电池乘用车、中型车（物流车）、大客车的国补分别为20w、30w和50w。地补趋势类似，对中、大型车的补贴明显多于乘用车。 事实上，从造车角度来讲，燃料电池乘用车造车难度最大。因为乘用车空间小，对燃料电池系统的设计要求更高。而客车等大型车空间更足，并且所额外需要的燃料电池电堆的成本也没有高出多少，仅需要额外增加一到两个储氢罐即可。 从补贴政策的设计，我们可以推测，国家更倾向于支持燃料电池在中大型车上的应用。技术上从易到难，同时推动加氢站等基础设施的建设。 3. 与纯电动汽车相比各有优势，未来将互补 燃料电池车和锂电车将在未来很长的一段时间内都是互补的关系。锂电池解决动力系统问题、燃料电池解决续航里程的问题。除非未来锂电池能量密度有制的提升，才有可能完全挤占燃料电池车。 与锂电池车相比，燃料电池车的优势主要在于加氢时间短、续航里程长。同样增加100km的续航里程，锂电池车需要增加大量电池，不仅增加大量造车成本，还会大幅增加车体重量；而燃料电池车仅需扩大储氢瓶容积，或者额外增加一个储氢罐，所需成本和增加的重量远低于纯电动汽车，并且，储氢技术仍在不断进步，未来甚至能够实现在车上储存液态氢。从这个角度考虑，燃料电池车也确实更适合需要跑长途的中大型车，这也与补贴政策引导方向相一致。 纯电动汽车胜在整车构造简单、电池技术成熟，也确实更适合用于城市通勤的乘用车。 此外，如前文所述，燃料电池系统中也必然会用到动力电池，锂电池和燃料电池本身就互为补充。根据燃料电池策略的不同，燃料电池在整车中既可作为主驱，也可作为增程。目前大巴类的车型，很多选择将燃料电池作为增程。 现阶段，锂电池车是新能源汽车的主流，但是未来两者将是互为补充的存在。 团队成员：杨藻/李恩国/李丹丹/杨星宇 |
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来自： acerbookstore > 《氢能》
