中國氫燃料電池發(fā)展趨勢

中國氫燃料電池發(fā)展趨勢

氫燃料電池是將燃料蘊(yùn)含的化學(xué)能直接變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電裝置，擁有以下特點(diǎn)：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(dá)500Wh/kg，遠(yuǎn)高于鋰電池水平；2）無污染。電能轉(zhuǎn)換是化學(xué)反應(yīng)而非燃燒，產(chǎn)物是水，能量轉(zhuǎn)化效率可以達(dá)到60%；3）應(yīng)用場景豐富?？捎糜诮煌ㄟ\(yùn)輸、便攜式設(shè)備、發(fā)電站和航空航天等領(lǐng)域。

一、現(xiàn)狀

氫燃料電池本質(zhì)是發(fā)電機(jī)，而非儲能裝置，能量儲存在氫氣和氧氣中。氫氣作為負(fù)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(yīng)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(lǐng)域的應(yīng)用成為燃料電池快速增長的主要動力，2011~2017年復(fù)合增速達(dá)到1.48倍，且2017年交通領(lǐng)域燃料電池應(yīng)用占比已達(dá)到66%，預(yù)計(jì)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(lǐng)域拉動燃料電池快速增長（MW）

2017年燃料電池交通領(lǐng)域應(yīng)用占比達(dá)到66%

燃料電池種類多樣，有堿性燃料電池、質(zhì)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(zhì)。其中，質(zhì)子交換膜燃料電池兼具能量轉(zhuǎn)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(yīng)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(yīng)用在固定式燃料電池電站以及便攜式電源領(lǐng)域，因此依然保持一定滲透率，合計(jì)約25%。2011-2018年質(zhì)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(diào)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(biāo)成本是每千瓦30美元，降幅達(dá)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(gòu)成，電堆是燃料電池的核心，是將氫能轉(zhuǎn)化為電能的場所，因此決定了燃料電池的關(guān)鍵性能，其主要由雙極板和膜電極構(gòu)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(jī)等構(gòu)成，而氫氣和氧氣分別來自于加氫站和空氣，輔助系統(tǒng)進(jìn)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(fù)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(gòu)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(gòu)成

二、政策推動

鋰電池汽車已經(jīng)進(jìn)入后補(bǔ)貼時代，而燃料電池補(bǔ)貼強(qiáng)度依然較大，根據(jù)2019年補(bǔ)貼政策，過渡期內(nèi)乘用車、輕型商用車和大中型商用車補(bǔ)貼上限分別為16、24、40萬元/輛，過渡期后地補(bǔ)全面轉(zhuǎn)向加氫等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。且氫能源發(fā)展于2019年首次進(jìn)入政府工作報告，按照《中國氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展藍(lán)皮書》提出的目標(biāo)，到2020年，中國燃料電池車輛要達(dá)到1萬輛、加氫站數(shù)量達(dá)到100座，行業(yè)總產(chǎn)值達(dá)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(bǔ)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(dá)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(yuǎn)高于鋰電池，其提供的續(xù)航里程可以實(shí)現(xiàn)汽車長途運(yùn)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(bǔ)充能源時間相仿。而在目前技術(shù)水平下，鋰電池汽車補(bǔ)充能源至少需要1個小時。當(dāng)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(jìn)行擴(kuò)散，達(dá)不到爆炸濃度，因此即使發(fā)生氫氣泄露點(diǎn)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(dǎo)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(lǐng)域優(yōu)秀的替代性，我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(tuán)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(yùn)營經(jīng)驗(yàn)，再不斷配套完善基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，降低動力系統(tǒng)成本，實(shí)現(xiàn)乘用車領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用，完成汽車能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型。2014-2018年我國燃料電池汽車產(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(jìn)入“863計(jì)劃”，之后多次出現(xiàn)在國家能源轉(zhuǎn)型的戰(zhàn)略規(guī)劃目標(biāo)中。2016年，工信部在《中國氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展藍(lán)皮書》中規(guī)劃，到2020年，加氫站數(shù)量達(dá)到100座；燃料電池車達(dá)到10000輛；氫能軌道交通車輛達(dá)到50列；到2030年，加氫站數(shù)量達(dá)到1000座，燃料電池車輛保有量達(dá)到200萬輛；到2050年，加氫站網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建完成，燃料電池車輛保有量達(dá)到1000萬輛。

到2018年乘用車按照額定功率補(bǔ)貼6000元/kW（上限20萬元/輛），燃料電池輕型客車、貨車定額補(bǔ)貼上限30萬元/輛，大中型客車、中重型貨車定額補(bǔ)貼上限50萬元/輛，并制定了電堆額定功率技術(shù)要求，大大降低了燃料電池汽車的購置費(fèi)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(dāng)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(jìn)入電堆，在氣體擴(kuò)散層分散加濕后通過質(zhì)子交換膜發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。國內(nèi)電堆已經(jīng)實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，且壽命可以達(dá)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(yùn)營類車輛每年2萬公里運(yùn)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(guān)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(nèi)企業(yè)的合作，國鴻氫能、南通澤禾、大洋電機(jī)、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(guān)系，加快我國電堆和膜電極產(chǎn)品研發(fā)和技術(shù)推進(jìn)的速率。

當(dāng)然還有部分國內(nèi)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(jié)構(gòu)件的組裝，目前核心壁壘在于質(zhì)子交換膜和催化劑的技術(shù)突破和成本降低。國內(nèi)電堆主流企業(yè)

2、膜電極

膜電極是質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的場所，相當(dāng)于鋰電池的電芯，其主要由質(zhì)子交換膜、催化劑和氣體擴(kuò)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(nèi)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(dá)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(dá)數(shù)十萬片/年;廣東國鴻投資約8億元的開展膜電極項(xiàng)目，預(yù)計(jì)2019年實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)10萬平方米膜電極的規(guī)模，2020年實(shí)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(yīng)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(yīng)。燃料電池電堆成本構(gòu)成

膜電極的發(fā)展經(jīng)歷了氣體擴(kuò)散電極（gasdiffusionelectrode，GDE）、催化劑涂覆在質(zhì)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(zhì)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(shí)驗(yàn)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(shù)的主流方向，目前最可能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的低鉑膜電極是第二代CCM型膜電極。

3、質(zhì)子交換膜

質(zhì)子交換膜是膜電極的核心，相當(dāng)于鋰電池的電解液和隔膜，起著隔離燃料和氧化劑及充當(dāng)電解質(zhì)的作用，是電池內(nèi)部質(zhì)子傳遞的導(dǎo)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(zhì)：質(zhì)子傳導(dǎo)率高、化學(xué)穩(wěn)定性好、熱穩(wěn)定性強(qiáng)、機(jī)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(zhì)。

按照含氟量劃分，質(zhì)子交換膜分為全氟、非全氟、無氟化質(zhì)子交換膜以及復(fù)合膜，目前主流的質(zhì)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(xué)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(nèi)比較出色的生產(chǎn)廠家有山東東岳集團(tuán)，東岳DF260膜技術(shù)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(fù)合質(zhì)子交換膜由此誕生，它們加工相對簡單、價格便宜、化學(xué)穩(wěn)定性好；另外，由全氟的非離子化微孔介質(zhì)與全氟離子交換樹脂結(jié)合制成的復(fù)合質(zhì)子交換膜使原有膜的性能得到改善，同時又提高了復(fù)合膜的機(jī)械強(qiáng)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(yīng)都需要催化劑來降低其電化學(xué)電位，其中陰極還原的反應(yīng)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(fù)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(shù)不斷進(jìn)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(yù)計(jì)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(yù)測，2018年全球鉑產(chǎn)量估計(jì)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(dá)到100萬輛，粗略估計(jì)需求11噸，約占產(chǎn)量的16%，影響逐漸擴(kuò)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(guān)注。若氫氣中含有硫、磷、砷等化合物雜質(zhì)，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(shí)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(kuò)散層

氣體擴(kuò)散層位于膜電極的兩側(cè)，主要功能及材料要求是：1）均勻的多孔質(zhì)結(jié)構(gòu)，透氣性能好；2）電阻率低，電子傳導(dǎo)能力強(qiáng)；3）結(jié)構(gòu)緊密且表面平整，減小接觸電阻，提高導(dǎo)電性能；4）具有一定的機(jī)械強(qiáng)度，適當(dāng)?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(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；5）適當(dāng)?shù)挠H水/憎水平衡，防止過多的水分阻塞孔隙而導(dǎo)致氣體透過性能下降；6）具有化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性；7）制造成本低，性比高。

氣體擴(kuò)散通道是由經(jīng)過憎水處理的憎水性孔道充當(dāng)，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(dāng)產(chǎn)物水的傳遞通道。其性能主要取決于擴(kuò)散層厚度，過厚會增加傳質(zhì)阻力，過薄會發(fā)生催化劑滲漏引起電堆壽命減少。

擴(kuò)散材料性能對比

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?jiān)跈C(jī)械性能和電化學(xué)、熱力學(xué)方面較為優(yōu)質(zhì)，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(lǐng)域，更貼近客戶需求。國內(nèi)方面安泰科技多孔鈦氣體擴(kuò)散層產(chǎn)品已穩(wěn)定供應(yīng)全球知名綜合能源供應(yīng)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(dǎo)電流；2）將正負(fù)極氣體均勻分配到氣體擴(kuò)散層；3）收集并排出反應(yīng)水和熱量，保持電池溫場均勻；4）支撐燃料電池電堆，保護(hù)膜電極。雙極板的厚度應(yīng)在保證機(jī)械強(qiáng)度的情況下盡可能薄，減少對電流和熱傳導(dǎo)的阻力。

雙極板材料大致可分為3類：1）炭質(zhì)材料。炭質(zhì)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(jī)械加工制成氣體流道。石墨雙極板化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，與MEA之間接觸電阻??；2）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(dǎo)和電導(dǎo)效果好，電池的體積比功率與比能量高；3）復(fù)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(jī)械強(qiáng)度高，但表面形成的氧化物會增加接觸面積電阻，復(fù)合材料可以較好結(jié)合兩者優(yōu)點(diǎn)。

金屬雙極板是未來發(fā)展的重要方向，其功率密度可以達(dá)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(yīng)商有瑞典Cellimpact、德國Dana、德國Grabener、美國treadstone等。國內(nèi)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(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，已向巴拉德供貨。

7、空壓機(jī)

典型的燃料電池空氣供應(yīng)系統(tǒng)由空氣過濾器、空壓機(jī)、電機(jī)、中冷器、增濕器和膨脹機(jī)等組成。其中，空壓機(jī)由電機(jī)和膨脹機(jī)共同驅(qū)動?？諝鈮嚎s機(jī)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(yīng)速度。但空壓機(jī)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(jī)需要滿足：1）無油。潤滑油會使電堆發(fā)生中毒，因此空壓機(jī)需要采用水潤滑軸承或空氣軸承；2）高效。空壓機(jī)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?？諌簷C(jī)是燃料電池系統(tǒng)最大的噪聲源之一，空壓機(jī)的噪聲必須被控制；5）喘振線在小流量區(qū)?？梢詫?shí)現(xiàn)燃料電池在小流量高壓比工況下高效地運(yùn)行；6）良好的動態(tài)響應(yīng)能力。當(dāng)需求功率發(fā)生變化時，空氣流量和壓力需進(jìn)行無延遲地進(jìn)行調(diào)整，以跟蹤輸出功率的變化。不同類型空壓機(jī)性能比較主要類型空壓機(jī)優(yōu)缺點(diǎn)對比

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(qiáng)度，可有效提高氣態(tài)儲氫系統(tǒng)的質(zhì)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(shè)計(jì)和成本也是一大挑戰(zhàn)。

通過加壓、降溫液化氫氣實(shí)現(xiàn)的液態(tài)儲氫擁有理想的質(zhì)量儲氫密度和體積儲氫密度，但保存液態(tài)氫對設(shè)備要求十分苛刻，且液化氫氣所需能耗為氫燃燒熱值的40%，能量損耗過