燃料电池的前世今生.pdf

资料来源 ： 北汽产投整理、 中国燃料电池汽车发展问题研究 ， 天风证券，网易汽车，中国汽研 1830s 1930s 1950s 1960s 1980s 1990s 2000s 2010 未来2015 2020 科学家提出 了燃料电池 的设想 最早的燃料电 池组 5kW燃 料电池组问世 15kW级别 燃料电池 应用于航 天领域 性能飞跃，成本降低、耐久提高 关键技术：全氟磺酸质子交换膜问世 关键推动：加拿大国防部对 Ballard公司大力投入 航空航海 领域应用 多领域逐步 推广应用 交通运输 便携发电 固定发电 以丰田、本田、现 代为代表的燃料电 池乘用车实现量产 ，代表着 FCV初步 进入商业化阶段 性能提升 成本每千瓦 55美元 耐久性接近 5000 性能进一步提升，随 着燃料电池的量产 ， 成本每千瓦 40美元 ， 耐久性接近 10000 实验室阶段 军用阶段 民用阶段 早期 FCV车型 1966 GM Electrovan 各大厂商开 展 FCV研究 高性能 FCV TOYOTA EVS 高压储氢瓶 技术推动续 航里程提升 各大厂商陆续 推出 FCV车型 丰田 Mirai推出里程 700km燃料电池车 性能进一步提升 成本降至 20万左右 燃料电池 汽车发展 发展程度 美国 欧洲 日本 中国 韩国 启动国家燃料电池公共 汽车计划，进行研发。2006年 实际 道路测试单车 寿命 最长超 11000小时2010年 公交车平均累计运行 9000小时2015年 燃料电池车在美累计销量 3400台，建设加氢站 85座。 截至 2018年 年产 20万辆市，燃料电池 轿车成本低于 3万美元 /台未来 欧洲氢能路线图 ， 20 亿欧元用于燃料电池研发2003年 推出 地平线 2020 计划2014年 5个城市开展燃料电池 公交车示范。2017年 燃料电池车在欧累计销量 300台，建设加氢站 160座。 截至 2018年 氢能燃料电池汽车 50万 台，加氢站 1000座。至 2020 推出 日本再复兴战略 ， 将氢能提升为国策2013年 提出建设“氢能社会”2014年 燃料电池车在日累计销量 2500台，建设加氢站 100座 截至 2018年 燃料电池车达 4万台； 2030达 80万台； 2040达 3000万台。 2020加氢站达 160； 2030达 900座。2020年 推出自主研发第一代电堆 和 SUV进行示范运行。2006年 开发第二代电堆，装配 100台 SUV2012年 推出第三代燃料电池 SUV，开展千辆燃料生产，车型为现 代 ix35，率先进入燃料千辆级别生产。已建加氢站 12座。2015年 氢能燃料电池汽车 1万台，加氢 站 80座， 2030年 63万台。2020年 国家制定新能源政策均有 提及燃料电池产业。 2006 年起 制定多部针对氢能和燃 料电池产业政策。2016年 燃料电池车产量 1619台， 建设加氢站 14座。 截至 2018年 5000辆示范应用， 2025年 5万台， 2030年达百万台。 2020 年加氢站 100座， 2030年 1000座。2020年 燃料电池 技术发展 第一代 第二代 第三代 第四代 碱性燃料电池 磷酸燃料电池 AFC是最早开发的燃料电池 技术 ,在 20世纪 60年代就成 功的应用于航天飞行领域。 PAFC在技术层面和商业化 上已经非常成熟。 熔融 碳酸型燃料电池 采用固体陶瓷（如氧化锆 - 氧化钇）作为 电解质，高 达 800-1000 ，广泛应用 于大型、小型固定式热电 联产发电站。 固体氧化物燃料电池 采用附着在多孔陶瓷上的 熔融 碳酸盐作为电解质。 运行温度为 650 左右 。主 要 用于发电厂，其热电联 产效率可以达到 80%以上。 氢质子 交换膜燃料电池 直接甲醇燃料电池 阳极反应： CH3OH+H2O6H+6e-+CO2 阴极反应： O2+4e-+4H+2H2O 整体电池反应： 2CH3OH+3O22CO2+4H2O PEMFC具有 较高的能量效率 , 体积重量小 ,冷启动时间短 , 是 交通领域燃料电池的首 选 。 DMFC主要应用于移动 式电源，固定发电设备及 汽车动力源。 类型 低温燃料电池（ 60200C） 中温燃料电池（ 160220C） 高温燃料电池（ 6001000C） 质子交换膜燃料电池 （ PEMFC） 碱性燃料电池 （ AFC） 磷酸燃料电池（ PAFC） 熔融碳酸盐燃料电池（ MCFC） 固态氧化物燃料电池 （ SOFC） 电解质 聚合物电解质 氢氧化钾溶液 磷酸 熔融的碳酸盐 氧化钇、氧化锆等固态 氧化物 导电粒子 H+ OH- H+ CO32- O2- 燃料 氢气、甲醇 纯氢 氢气 净化煤气、天然气、重整氢 净化煤气、天然气 催化剂 铂 铂、钯、金等 铂 无 无 氧化剂 空气 纯氧 空气 空气 空气 工作温度 室温 100C 60220C 180220C 600700C 8001000C 启动时间 几分钟 几分钟 24h 10h 10h 效率 30%40% 60%70% 35%45% 45%60% 50%65% 电堆规模 1kW100kW 10kW100kW 400kW和 100kW模块 300kW3MW 1kW2MW 应用领域 汽车、移动电源、小型分布 式发电、潜艇推动 航天、特殊的地面 应用 分布式发电、特殊需求 分布式发电 辅助用电、分布式发电 优点 固态电解质，减少电解质损 耗；低温运行；快速启动 碱性环境中阴极反 应更快，效率更高； 低成本。 高温实现电热联产；燃 料纯度要求不高 高效率；燃料灵活；多重催化 剂；高温实现热电联产 高效率；燃料灵活；多 重催化剂；固体电解质； 高温实现热电联产；循 环发电 缺点 催化剂成本过高；燃料纯度 要求高；余热少 对燃料和空气中的 二氧化碳敏感 铂催化剂成本高；启动时间长；低电流和功率 高温损坏电池零件；启动时间 长；地能量密度 高温损坏电池零件；启 动时间长 交通运输 固定式 便携式 定义 为车辆提供推进动力或范围扩展的装置 提供电力（有时也提供热量）的非移动性装置 包括小型辅助动力装置在内的可移动性装置 功率范围 1kW300kW 0.5kW2MW 1W20kW 技术 1、质子交换膜燃料电池（ PEMFC）2、甲醇燃料电池（ DMFC） 1、质子交换膜燃料电池（ PEMFC） 2、熔融碳酸盐燃料电池（ MCFC） 3、碱性燃料电池（ AFC） 4、固体氧化物燃料电池（ SOFC） 5、磷酸燃料电池（ PAFC） 1、质子交换膜燃料电池（ PEMFC） 2、甲醇燃料电池（ DMFC） 3、固体氧化物燃料电池（ SOFC） 应用 1、燃料电池物流车辆 2、燃料电池电动车（ FCEV） 3、卡车和公交车 4、轨道车辆 5、自动驾驶（水陆空） 1、大型固定式原动力及热电联产（ CHP） 2、小型固定热点联合 3、间断电源（ UPS） 4、大型永久辅助动力装置（例如货车及船只） 1、小型移动式辅助动力装置（露营车，船只，照明） 2、军事应用（便携式军用电源、橇装发电机） 3、便携式产品（手电筒，电池充电器），小型个人电子产品 （ mp3播放器，相机） 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 2014 2015 2016 2017 2018 交通领域 固定式 便携式 0 50 100 150 200 250 300 350 1000 10000 30000 100000 车载燃料电池系统 成本 电堆成本（美元 /kw） 系统成本（美元 /kw） 车载 电池 系统成本 0 50000 100000 150000 200000 250000 2016 2018 2020 2022 2024 2026 2028 2030 2032 燃料电池系统 vs动力电池系统 燃料电池系统（实际现状） 燃料电池系统（理想状态） 动力电池系统 电动车 燃料电池车 驾驶里程 短（ 200500km） 长（ 500km) 充电 /加氢速度 长（ 30min 可充 80% SOC，快速充电影响电池寿命） 短（ 3min） 补充方式 家庭式充电桩或公共充电站 公共加氢站 寿命 2000次 500020000h 成本 20万 80万 37万 几百万 动态响应 快（ mS级别） 慢（ S级别） 低温使用 低温充电时间长低温续航里程减少明显 -2030C冷启动，低温使用无影响 行驶能耗 0.15kwh/公里 0.013kg氢气 /公里 行驶成本（仅考虑电能、燃料 费用） 0.20.4元 /公里 0.20.8元 /公里 电池占整车成本 3045%（动力电池 +BMS） 6070%（燃料电池系统 +储氢系统） 基础建设 充电基础设施已到一定程度 刚起步，可在原加油站基础上改建，未来可期 42% 10% 6%2%3% 2% 2% 33% 燃料电池汽车成本构成 燃料电池电堆 储气罐 电机 动力控制装置 储能电池 升压变频器 电附件 车身 分类 规模 /亿元 燃料电池电堆 845 储气罐 195 电机 117 动力控制装置 52 储能电池 52 升压变频器 39 电附件 40 车身 660 总规模 2000 化石燃料制氢 化工副产制氢 水电解制氢 天然气重整 煤制氢 甲醇制氢 丙烷脱氢 乙烷脱氢 氯碱副产制氢 原料 天然气、水 煤炭、水 甲醇、水 丙烷 乙烷 氯盐 水 经济规模 1000100000Nm3/h 10000100000Nm3/h 目前甲醇蒸汽重整 - PSA工艺最小模块 20Nm3/h， 最大单 系列 3000Nm3/h 45万吨 PDH装置副 产氢气除自用外可 外售 1.5万吨氢气， 折合 19000Nm3/h 125万吨乙烯装置 可副产 8万吨氢气， 折合 100000Nm3/h 烧碱装置规模 20100万吨，氢气产 量 250012500Nm3/h 单台电解槽制氢能力 11.3万吨 65.9万吨 - - 可供给燃料电池车 数量 - - - 33.36万 辆 30万 辆 28万 辆 - 原料价格 2.23.5元 /Nm3 400800元 /吨 18003400元 /吨 - - - - 制氢成本 1.041.48 元 /Nm3 0.831.13 元/Nm3 1.792.78 元/Nm3 - - 1.3元 /Nm3 3 元 /Nm3 可再生能源种类 可再生能源量（亿 kWh） 制氢 潜力（ 亿 Nm3） 氢气 产量（ 万吨） 弃风 497 103.5 93.67 弃光 74 15.4 13.94 弃水 500 104 94.12 弃核 462 96 86.88 合计 1533 379 343 体系 原理 优点 缺点 金属氧化物体系 使用金属氧化物作为中间物 ， 一般是通过活泼金属 / 低价态金属氧化物与高价态金属氧化物之间进行相互 转换来实现水的分解 步骤简单 过程温度高 、 热效率低 、 产氯量小 、 材料要求高集中太阳能热源 金属卤化物体系 采用金属卤化物与水反应 ， 再经过一系列化学反应（ 一般至少 4步 ） 后制得氢气和氧气 反应过程热效率可以达到 3540%， 如果同时发电 ， 效率可以提高 10% CaBr2水解反应速率较慢 ， CaO溴化反应烧结严重及耐腐蚀廉价材料研制等 含硫体系 含硫循环体系主要包括：硫碘循环 、 硫酸 -磺化氢循环 、 硫酸 -甲醇循环和硫酸盐循环等 反应简单 N/A 杂化体系 热化学过程和电解过程联合组成的体系 简化了热化学循环分解水制氢流程 ， 而且降低了 电解温度 ， 可以实现较高的热效率 ， 据理论计算 铜氯循环制氢效率可达 43% 步骤繁琐，系统变复杂 储氢方式 质量储氢密度 （ wt%） 体积储氢密度 （ g/L） 优点 缺点 应用领域 高压气态储氢 4.0-5.7 39 技术成熟，成本低 质量储氢密度低 车用、化工、运输 低温液态储氢 5.7 70 质量储氢密度高 易挥发，成本高 航天、电子、运输 金属氰化物储氢 2-4.5 50 安全，操作条件易实现 成本高，质量储氢密 度低 军用（潜艇、船舶） 有机液体储氢 5.7 60 质量储氢密度高 成本高，操作条件苛 刻 车用、运输 型号 45% 42% 2%5% 4%2% 车载储氢 系统成本（ 1万套 /年） 碳纤维 BOP 内胆 其他 湿法缠绕加工 聚酯树脂 62% 25% 1%2% 6%4% 车载 储 氢 系统成本 （ 50万套 /年） 碳纤维 BOP 内胆 其他 湿法缠绕加工 聚酯树脂 储运氢技术 企业 主营业务 高压气态储氢 浙江巨化 储氢罐 北京科泰克 车载储氢 京城股份 沈阳斯林达 中国中氢 中集氢能 中材 博源（湖北）实业 气罐、气罐车 安瑞科 运输及站用 北京海德里森科技 低温液态储氢 中国航天科技集团 101所 液氢生产 张家港福瑞氢能 液氢生产、低温槽车 固态储氢 北京浩运金能 储氢合金厦门钨业 北京有色金属研究总院 安泰科技 储氢材料 江苏申健氢能 内蒙古稀奥科贮氢合金 四会市达博文 中山天骄稀土材料 甘肃稀土 三德电池 鞍山鑫普新材料 有机物液体储氢 武汉氢阳 有机物储氢杭州聚力氢能 燃料电池系统 电堆 辅助系统 密封圈 膜电极 空压机 氢循环泵 其他部件 质子交换膜 催化剂 气体扩散层 双极板 （ a） （ b） 国外现状与水平 国内现状与水平 MEA 额定功率性能： 1.8 W/cm2 动态工况 寿命： 9000h 成本： $16/kW 已形成流水线生产能力： WL Gore， 3M， Ballard等 额定功率性能 :0.9 W/cm2； 动态工况寿命： 3000h 成本 2000-5000元 /kW; 制造工艺以湿法 CCM工艺为主，主要是半手工生产 质子交换膜 从 均质膜向 复合膜发展 ;国外巨头垄断 ： Dupont; WL Gore; 3M; Solvay等 国内已成功开发 复合膜国内公司： 新 源动力，武汉理工，山东东岳 催化剂 铂族金属载 量： 0.06 g/kW, 0.035 mg/cm2 Pt质量活性比： 0.26A/mg, (900mv) 催化剂生产 ： 3M; JM; BASF; Tanaka， Umicore等 铂族金属载量： 0.3 g/kW, 0.16 mg/cm2 Pt质量活性比： 0.27A/mg, (900mv) 催化剂小规模生产：大化所、贵研铂业 气体扩散层 碳纸 /碳布 ,已形成流水生产线： SGL; Toray; Ballard等 国内有试生产，但无大批量生产和应用 双极板 腐蚀电流： 100S/cm 抗弯强度 (碳板 )： 34MPa 成本： $5-10/kW 已有成熟的产品供应商 ： Cellimpact; SGL、 DANA;Bac2; Graftech等 石墨碳板：电阻率： 50MPa， 复合双极板 电阻率 51MPa，成 本： 600元 /m2 金属板未成熟量产 密封剂 有专门的氢燃料电池密封胶生产商：德国汉高，日本三健 国内无专门产品，研究也 缺 电堆整体性 能 启动温度： -30度 功率密度： 3.1kW/L;3.0kW/kg 效率 25%额定功率 :65% 车载工况寿命： 10000h； UTCP大巴已实现上万小时寿命 成本： $22/kW 启动温度： -20度 功率密度： 2.0kW/L; 1.5kW/kg 效率 25%额定功率 :60% 车载工况寿命： 5000h 成本： 5000-10000元 /kW 公司 功率密度（ W/cm2） 新源动力 0.8 武汉喜马拉雅 - 武汉理工新能源 1 南通百应 0.7 昆山桑莱特 - 苏州擎动动力 0.8 浙江高成绿能 - 南京东焱氢能 0.9 北京世纪富原 - 类型 全氟质子交换膜 部分氟化质子交换膜 非氟质子交换膜 材料 由碳氟主链和带有磺酸基团的醚支链 构成 部分氟化膜一般体现为主链全 氟 磺化聚醚酮（ SPEK)、 磺化聚苯并咪唑 (SPBI) 、 磺化聚芳醚砜 (SPAES)、 磺化聚酰亚胺 (SPI) 及磺化聚苯 (SPP)等 结构 - 性能 其质子传导率在 50C的水中可达 100 mS cm-1以上 - - 优点 机械强度高，化学稳定性好和在湿度 大的条件下导电率高；低温时电流密 度大，质子传导电阻小。 价格低，工作温度区间更大 (1)价格便宜得多，很多材料都容易买到； (2) 含极性基团的非氟聚合物亲水能力在很宽温度 范围内都很高，吸收的水分聚集在主链上的极 性基团周围，膜保水能力较高； (3)通过适当的分子设计，稳定性能够有较大改 善； (4)废弃非氟聚合物易降解，不会造成环境污染。 缺点 温度升高会引起质子传导性变差，高 温时膜易发生化学降解；单体合成困 难，成本高；价格昂贵；用于甲醇燃 料电池时易发生甲醇渗透等。 电化学性能不如 Nafion膜 - 主要公司 美国杜邦公司的 Nafion系列膜；美 国陶氏化学公司的 XUS-B204膜；日本 旭化成的 Aciplex膜；日本旭硝子的 Flemion膜；日本氯工程公司的 C膜； 加拿大 Ballard公司的 BAM型膜 , Ballard公司的 BAM3G膜、三氟 苯乙烯磺酸膜、聚四氟乙烯 -六 氟丙稀膜 尚处于研发阶段 我国现状 东岳集团、三环集团、三爱富、 新源动力 、 武汉理工 - 尚处于研发阶段 固定式 便携式 交通运输 定义 提供电力（有时也提供热量）的非移动性装置 包括小型辅助动力装置在 内的可移动性装置 为车辆提供推进动力或范 围扩展的装置 功率范围 0.5kW2MW 1W20kW 1kW300kW 技术 1、质子交换膜燃料电 池（ PEMFC） 2、熔融碳酸盐燃料电 池（ MCFC） 3、碱性燃料电池（ AFC） 4、固体氧化物燃料电 池（ SOFC） 5、磷酸燃料电池（ PAFC） 1、质子交换膜燃料电池 （ PEMFC） 2、甲醇燃料电池（ DMFC） 3、固体氧化物燃料电池 （ SOFC） 1、质子交换膜燃料电池 （ PEMFC） 2、甲醇燃料电池（ DMFC） 应用 1、大型固定式原动力 及热电联产（ CHP） 2、小型固定热点联合 3、间断电源（ UPS） 4、大型永久辅助动力 装置（例如货车及船只 ） 1、小型移动式辅助动力 装置（露营车，船只，照 明） 2、军事应用（便携式军 用电源、橇装发电机） 3、便携式产品（手电筒 ，电池充电器），小型个 人电子产品（ mp3播放器 ，相机） 1、燃料电池物流车辆 2、燃料电池电动车（ FCEV） 3、卡车和公交车 4、轨道车辆 5、自动驾驶（水陆空） 29.86% 0.09% 70.05% 固定式 便携式 交通领域 固定式 燃料电 池 小型分 布式系 统 大中型 分布式 系统 家用 Micro- CHP微型热电 联产系统 主力或备用供 电系统 松下、东芝、爱信 精机等 Bloom Energy、 Doosan、 Fuel Cell Energy 2017年销售 5 万台，容量约 35MW 2017年容量超 过 160MW 制造商 国别 类型 输出功率 小型分布式系统 Ballard Power 美国 PEMFC 2500kW Bloom Energy 美国 SOFC 100200kW FuelCell Energy 美国 MCFC 3003000kW ClearEdge Power 美国 PEMFC 5kW ENEOS CellTech 日本 PEMFC 0.250.7kW 松下 日本 PEMFC 0.250.8kW 东芝 日本 PEMFC 0.250.9kW Horizon Fuel Cell 新加坡 PEMFC 0.52kW Hydrogenics 加拿大 PEMFC 2200kW Heliocentris 德国 PEMFC 1.2kW Ceramic Fuel Cells 澳大利亚 SOFC 1.52kW 大中型分布式系统 Altergy Systems 美国 PEMFC 530kW ReliOn 美国 PEMFC 0.176kW Dantherm Power 丹麦 PEMFC 1.75kW Horizon Fuel Cell 新加坡 PEMFC 12W5kW Hydrogenics 加拿大 PEMFC 4.512.5kW Ballard 加拿大 PEMFC 1.75kW SFC Energy 德国 DMFCFC 45W110W 便携式 燃料电 池 军用领域 民用领域 EMILY 3000 EFOY Pro JENNY 600S 2017年印度军方 订购 80台系统和 3000多个甲醇燃 料盒 2017年加拿大 石油和天然气 公司订单约 400 万加元 2017年向中国客户出货 1000台 制造商 国别 类型 输出功率 Horizon 新加坡 PEMFC 2W、 50W、 180W、200W Lillputian 美国 SOFC 2.5W myFC 瑞典 PEMFC 2.55W SFC 德国 DMFC 40W、 72W和 105W 业务领域 To G To B To C 应用场景 公交客车市政环卫车辆 通勤客车城市物流车 家用轿车 市场空间 20万台 200万台 2400万台 市场特点 使用强度高，对产品品质要求 高，利润最丰厚 使用强度一般，利润率 一般 使用强度较低，利润率较 好 敏感性 成本和补 贴政策 不敏感，适合所有程师推广 比较敏感，受补贴政策 影响大 最敏感 加氢站以 来 固定路线集中使用，依赖度较 低 依赖度较高 依赖度最高 回款周期 政府预算划拨，回款快 回款周期长 无 2万公里要求，回款快 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2017 2018 燃料电池汽车产销量 产量 销量 116 932 2017 货车 客车 109 1418 2018 1275 1048 1619 1527 生产商 丰田 Mirai 本田 Clarity 荣威 950 Fuel Cell 车重（ kg） 1800 1530（使用轻量化材料） - 最大功率（ kw） 114 130 55 系统体积功率密度（ w/L） 1400 - 400 质量功率密度（ kw/kg） 830 - 250 储氢罐压力（ Mpa） 70 70 70 储氢量（ kg） 5 5 4.18 最低启动温度（摄氏度） -30 -30 -20 续航里程（ km） 700 750 400(加磷酸锂电池供电） 生产商 美国 Vanhool 美国 New Flyer 德国戴姆勒奔驰 日本丰田日野 宇通客车 佛山飞驰 最大功率（ kW） 120 150 120 228 30/60 88 燃料电池厂家 US Fuel Cell Ballard AFCC Toyota 亿华通 上海重塑 氢气气瓶（ Mpa） 35 35 35 35 35 35 氢气量（ kg） 40 56 35 18 25 25 耐久性（ h） 18000 8000 12000 未公开 未公开 10000 续航里程（ km） 480 480 250 未公开 600 400 整车成本（ RMB） 未公开 未公开 未公开 未公开 未公开 三百万 区域 燃料电池产业公司数 上市公司 广东省 315 8 江苏省 292 7 山东省 134 1 浙江省 131 3 湖北省 121 2 福建省 105 2 北京市 85 7 辽宁省 75 0 上海市 69 5 安徽省 62 0 四川省 59 3 河北省 44 0 天津市 35 0 燃料电池催化剂 燃料电池质子膜液态储氢 燃料电池系统 双极板 氢气纯化加氢系统 加氢站建设与运营 石油天然气制氢 煤制氢 气氢储氢罐 水解制氢 固态储氢 技 术 成 熟 度 高 低 投资价值 高