氢燃料电池初步调研报告.ppt

氢燃料电池行业 初步调研报告 1 燃料电池概述 概述 燃料电池汽车是电动汽车的一种 其电池的能量是通过氢气和氧气的化学作用 而不是经过燃烧 直接变成电能获得 甲醇 天然气和汽油也可以替代氢 从这些物质里间接地提取氢 不过将会产生极度少的二氧化碳和氮氧化物 各燃料电池参数表 生成 净化 压缩 使用 重整 变压吸附 高强度压缩 燃料电池 工作 水资源 能源 燃料电池技术总览 按燃料的供应方式不同 燃料电池发电系统分为直接和间接供氢型 直接供氢就是直接用氢作燃料 没有中间重整过程 间接供氢是通过重整装置先将氢从其他形式的燃料中分离出来 车载纯氢储存方法主要分为 高压氢气储存 液态氢储存 金属储氢 活性炭吸附储氢和碳纳米材料储氢 车载制氢需要内部高温的燃料处理器 通过重整或部分氧化等方式由燃料中获得氢 醇类 甲醇 乙醇 二甲醚等 烃类 柴油 汽油 甲烷等 燃料电池技术说明 electrons 薄膜 4 protons氢气氧气 氢燃料电池的工作原理 电能水4 反应过程 1 氢气通过管道或导气板到达阳极 2 在阳极催化剂 铂 的作用下 一个氢分子分解为两个质子 并释放出两个电子 3 在电池的另一端 氧气通过管道或导气板到达阴极 同时 氢离子穿过电解质到达阴极 电子通过外电路也到达阴极 电子在外电路的连接下形成电流 4 在阴极催化剂的作用下 氧和氢离子与电子发生反应生成水 氢燃料电池的优势 氢能丰富 简单 清洁电子 质子 氢能强大 氢能转化为电能 电能较燃油能要方便得多 制约燃料电池行业发展的因素 一 成本障碍燃料电池组的成本必须下降 其中主要涉及三个关键部件的成本 铂催化剂 电解质膜和双极板 铂催化剂 现在的燃料电池组都使用金属铂作为催化剂 在未来十年内很可能依旧如此 目前电极载铂量过高一直是阻碍燃料电池发展的重要因素 电解质膜 现在汽车应用中最常见的质子交换膜是全氟磺酸膜 PFSAs 这种交换膜具有较强的氧化和还原稳定性 目前燃料电池所用的纳菲薄膜主要依靠进口 其价格在600美元 平方米左右 双极板 目前质子交换膜燃料电池最常使用的双极板是不透性石墨材料 制造石墨双极板需经过2500 以上的石墨化 并需经过多次浸渍 炭化处理以达到不透性 而且由块状石墨加工成双极板 加工成本过高 加工时间长 不易批量生产 氢燃料罐的成本较高 从成本和小型轻量化的角度来看 需开发组合使用轻量低成本氢储藏材料和高压氢燃料罐 电池配件方面 可与纯电动汽车和混合动力汽车共同使用其他零部件 从而削减高昂成本 制约燃料电池行业发展的因素 二 燃料来源传统工业制氢的方法以化石材料制氢 电解水制氢为主 而随着对大规模制氢需求的提高 生物制氢 热化学制氢和太阳光催化光解制氢等方法也获得广泛应用 从成本角度来看 在燃料电池推广初期 应以分散式制氢为主 可进一步控制成本 且使用便利 但随着未来燃料电池规模化发展之后 集中制氢的成本和环保优势将会进一步突出 三 配套设施燃料电池汽车的推广 其中最主要的制约因素是配套设施的缺失 即加氢站的覆盖率过小 而其高昂的建设成本也使得加氢站的建设只能作为试验性经营 四 储藏与安全通常氢气以三种形态存储和运输 高压气态 液态和氢化物状态 短期内 高压罐储氢仍是主要氢气储存运输手段 但从长期来看 更需要具备高储氢容量 高安全性 吸 放氢速率快 长寿命和低成本的储氢材料 燃料电池的应用 02 04 03 01 移动装置 军事上 空间领域 运输上 燃料电池在移动装置上的应用 伴随燃料电池的日益发展 它们正成为不断增加的移动电器 微型燃料电池因其具有使用寿命长 重量轻和充电方便等优点 比常规电池具有得天独厚的优势 目前 美国正在试验以直接甲醇燃料电池为动力的移动电话 苹果新型氢燃料电池移动装置可撑数周 而德国则在实验以这种能源为动力的膝上型电脑 燃料电池在空间领域的应用 燃料电池在空间领域的应用 燃料电池最早和最成功的应用始于20世纪50年代 它被用作航天飞船的动力源 由于燃料电池相对于其他动力能源来说有很高的效率 因而可极大的减少体积和重量 对于航天器说 减轻重量是很重要的 燃料电池没有同时在其他方面得到应用 主要的原因是当时的燃料电池造价昂贵 因此 降低燃料电池的造价是多年来研究和开发的主要内容 图 阿波罗11号 飞船 燃料电池在军事上的应用 燃料电池可以以多种形态为绝大多数军事装置 从战场上的移动手提装备到海陆运输提供动力 在军事上 微型燃料电池要比普通的固体电池具有更大的优越性 其增长的使用时间就意味着在战场上勿需麻烦的备品供应 此外 对于燃料电池而言 添加燃料也是轻而易举的事情 同样 燃料电池的运输效能能极大地减少活动过程中所需的燃料用量 在进行下一次加油之前 车辆可以行驶得更远 或在遥远的地区活动更长的时间 这样 战地所需的支持车辆 人员和装备的数量便可以显著的减少 自20世纪80年代以来 美国海军就使用燃料电池为其深海探索的船只和无人潜艇提供动力 燃料电池在运输上的应用 在世界各地 国家和地方机构都在立法强迫汽车制造商生产能极大限度地降低排放的车辆 燃料电池可为这种要求带来实质的机遇 研究指出 当一辆小车使用以天然气重整的氢为燃料的燃料电池而不用汽油内燃机时 其二氧化碳的排放量可以减少高达72 燃料电池汽车是由电池和燃料电池提供动力的电力车辆 燃料电池把氢气和氧气转化成电能 它所产生的副产品只有水和热 它摒弃了复杂的变速箱等动力传动装置 4台由燃料电池驱动的电机直接同车轮相连推动汽车行走 2 燃料电池汽车的发展 燃料电池电动汽车的特点 优势 1 工作效率高以氢气为燃料的FCV效率可达到50 70 左右 甲醇重整产生氢气的FCV效率可达30 左右 内燃机汽车的效率为11 左右 2 节能 环保 3 结构简单和运行平稳面临问题 1 造价高 2 氢气的储存 制备和运输 3 加氢站等基础设施建设 燃料电池汽车发展现状 在众多的新能源汽车中 燃料电池汽车因其具有零排放 效率高 燃料来源多元化 能源可再生等优势而被认为是未来汽车工业可持续发展重要方向 是解决全球能源问题和气候变化的理想方案 国际燃料电池汽车现已进入技术与市场示范阶段 我国燃料电池汽车面临着发展后劲不足 技术创新突破难 产业化基础薄弱 专业人才缺乏等难题 严重阻碍了我国燃料电池汽车技术进步 到目前为止 我国基本掌握了35MPa高压储氢和加注系统关键技术 实现高压氢气瓶等部件国产化开发 但某些关键阀门 传感器还依赖进口 70MPa氢气存储关键技术和关键部件仍然处在研发阶段 其直接制约了我国燃料电池汽车续驶里程提高 国外燃料电池汽车发展现状 国外已经由基于传统车辆平台改造形成燃料电池车模式走向为燃料电池汽车打造全新整车平台阶段 如本田汽车公司Clarity 丰田汽车公司FCHV 戴姆勒奔驰公司F Cell和通用公司ChevroletEquinox 国外燃料电池汽车产品的可靠性 环境适应性 如低温启动性能 取得了重大突破 示范运行不断深入 并陆续推出用于租赁商业化示范的先进燃料电池汽车 燃料电池汽车进入技术与市场示范阶段 产品成本控制与配套基础设施建设成为制约燃料电池汽车商业化推广主要因素 部分车企燃料电池车开发销售计划 中国燃料电池汽车发展现状 在国内 以上汽股份 上海大众 一汽 长安 奇瑞等公司为代表开发的燃料电池轿车均基于传统内燃机车辆进行改制 尚未掌握燃料电池汽车专用车身开发 底盘开发 底盘动力学主动控制等关键技术 与国外存在较大差距 中国新能源汽车发展状况 2017年以来截至7月31日 工信部累计发布了7批新能源汽车车型目录 共有2265款车型入选 客车1391款 占比61 41 乘用车265款 占比11 70 专用车609款 占比28 89 从动力类型看 共有纯电动汽车1872款 混合动力汽车386款 燃料电池汽车7款 分别占比82 65 17 04 0 31 可见纯电动汽车是目前推广的重点 3 燃料电池和锂电池比较 燃料电池与锂电池对比 纯电动汽车通常采用锂离子电池作为动力来源 燃料电池汽车则采用氢燃料电池 锂离子电池依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作 氢燃料电池利用氢氧化学反应产生电能 二者都是对环境污染极小的 锂离子电池是一种储能装置 目前常用的锂离子电池按正极材料可以分为磷酸铁锂 LFP 电池 三元 NCM 电池和锰酸锂 LMO 电池 燃料电池其本质是一种发电机 其燃料和氧化剂不经过燃烧而直接通过电化学反应转化成电能 燃料电池作为电能转化装置时 它的效率可以达到60 甚至在作为热电联产装置时它的效率高达80 不同类型的燃料电池应用领域和使用环境不同 质子交换膜燃料电池的使用温度范围为室温至80 左右 目前在燃料电池车上使用的基本都是这种类型 工作原理和组成材料 优势比较 电动汽车完全以电池作为动力 更强调充电后的续驶能力 因而更关注电池的能量密度 锂离子电池能量密度提升受制于电池材料理论瓶颈 目前 国内电动汽动力型动力电池正极材料以磷酸铁锂 LFP 为主 负极材料仍主要采用石墨材料 其比能量约为90 140Wh kg 燃料电池是一种发电装置 能量密度远高于锂离子电池 在与能量密度直接对应的整车续驶里程方面 顶级豪华电动汽车Tesla的续驶里程刚达到500km 而以丰田Mirai 现代ix35为典型代表的燃料电池车续驶里程都在500km以上 因此在能量密度方面 燃料电池比锂离子电池好 燃料电池和锂电池寿命 限制燃料电池发展的瓶颈 目前 国内锂离子电池系统的成本在1800元 kWh左右 燃料电池堆 不含系统中的燃料系统等各种附件 的成本在5000元 kW左右 对于一辆普通轿车 假设是电动汽车 电量配置60kWh BYDE6配置60kWh 其成本在9 6万元 如果是燃料电池车 功率配置100kW 丰田Mirai配置114kWh 电堆成本在50万左右 燃料电池的成本目前明显高于锂离子电池 这是限制燃料电池发展的瓶颈 一般认为 燃料电池的成本偏高主要是由于使用了贵金属Pt 而实际Pt的成本计算如下 目前较高的Pt载量的水平为 0 4mg cm2 其电性能水平为1600Ma 0 6V cm2 即0 96W cm2 对于100kW的燃料电池系统中使用的Pt含量为41 67g Pt的价格按照500元 g计算 使用的Pt的成本为41 67 500 20833元 对于100kW的燃料电池堆的成本在50万元以上 Pt的成本只占总成本的4 左右 目前 减少燃料电池Pt含量的手段主要是改进催化剂结构 例如使用包覆Pt的颗粒取代纯Pt颗粒 或者改进催化剂配方 其最终优化目标是在2020年左右将催化剂Pt需求量控制在5g 100kW 一旦实现这一单耗目标并解决报废系统Pt回收问题 则燃电和燃油车对Pt的消耗基本在同一水平 产品替代不再产生Pt需求增量 Pt的成本和资源限制将不再是问题 燃料电池的成本主要是因为目前材料和系统的工艺都不太成熟 而随着商业化的发展 其成本必然有非常大幅度下降 4 燃料电池汽车技术 1 集成度我国轿车用燃料电池发动机输出功率等级 功率密度等性能参数明显低于国外同类型燃料电池汽车用燃料电池技术性能 2 环境适应性低温冷启动性能3 可靠性及寿命4 成本控制关键技术研究国外一方面研究低铂燃料电池技术 减少催化剂用量 另一方面研究催化剂抗毒性 降低其运行成本 同时还开发非铂催化剂来代替贵重金属Pt 燃料电池发动机技术 燃料电池电动汽车的系统组成和工作原理 燃料电池电动汽车是以燃料电池系统作为动力源或主要动力源的车辆 按照驱动形式 分为纯燃料电池驱动和混合驱动 按照燃料电池系统的能量来源 分为车载纯氢和燃料重整 燃料电池单独驱动汽车动力系统 优点 1 系统结构简单 便于实现系统控制 2 系统部件少 有利于整车的轻量化 3 较少的部件使得整体的能量传递效率高 从而提高整车的燃料经济性 缺点 1 燃料电池的功率大 成本高 2 对燃料电池系统的动态性能和可靠性提出了很高的要求 3 不能进行制动能量回收 燃料电池混合动力电动汽车动力系统 组成 燃料电池系统 DC DC转换器 辅助动力源 驱动电机以及各相应的控制器 机械传动与车辆各行驶机构等 FC B蓄电池FC C超级电容FC B C蓄电池 超级电容 混合动力燃料电池大客车原理 燃料电池汽车不同动力驱动系统结构特性比较 5 燃料电池汽车现状分析 几种主流燃料电池乘用车性能指标对比 几种主流燃料电池客车性能指标对比 2017年燃料电池并购国内7起 凯恩股份合作成立第一氢电总投资1亿元6月2日 凯恩股份宣布将以自有资金出资1000万元与中洋新能 万木隆投资 湖商智投和洲际新能共同投资设立第一氢电科技有限公司 东旭光电1亿元参股亿华通深拓氢燃料电池车领域6月15日晚间 东旭光电发布公告称 公司与北京亿华通科技股份有限公司签署了 北京亿华通科技股份有限公司股份认购合同 总出资额为1亿元 大洋电机投13 4亿元建年产1 7万套氢燃料电池系统6月下旬 大洋电机披露 子公司武汉大洋电机在将在湖北省孝昌县投资建设年产1 7万套商用车氢燃料电池系统建设项目 雪人股份2100万美元收购HydrogenicsCorp17 6 股权通过与专业投资机构对外投资认购加拿大氢燃料电池生产商HydrogenicsCorp不超过17 6 的股权 股权交割已完成 对价支付的2100万美元支付完毕 大洋电机投资4 4亿元与中通进行燃料电池车生产7月28日 来自中山大洋电机股份有限公司消息 公司拟投资4 4亿万元与中通客车控股股份有限公司 山东省聊城经济技术开发区管委会合资成立通洋燃料电池科技 山东 有限公司 三硕科技投5亿元生产燃料电池发动机定南氢燃料电池发动机项目主要从事氢燃料电池发动机的生产 研发和销售 生产经营规模为年生产3万台氢燃料电池发动机 项目预计今年10月投产 年产值可达90亿元以上 尤夫股份1 1亿元试水氢燃料电池5月2日晚 尤夫股份发布公告称 拟用自有资金1 125亿元对武汉众宇动力系统科技有限公司进行增资 从而持有武汉众宇25 的股权 2017年燃料电池并购国外5起 本田通用联手共同投资5 8亿元1月30日 日本汽车制造商本田和美国通用汽车 GM 30日宣布 将合作生产氢动力燃料电池车的新一代系统 两家公司分别出资4250万美元 约合人民币2 9亿元 在美国成立生产子公司 力争2020年左右开始投入量产 英国拿出2300万英镑设立基金推动氢燃料汽车英国政府宣布新创立2300万英镑的基金 通过改善氢能源基础设施来推动氢燃料汽车的推广 基金将被用于加氢站和其他 高科技基础设施 项目的建设 亚马逊收购氢燃料电池厂商PlugPower4月10日 氢能源龙头企业PlugPowerInc公司 简称Plug公司 表示 已经与网络电商巨头亚马逊达成股权收购协议 亚马逊将收购其23 的股权 并开始为亚马逊旗下零售仓库中的电动叉车更换Plug公司的燃料电池 德国政府出资6000万欧元组织宝马 戴姆勒研究汽车燃料电池7月初 德国政府组织本国汽车行业领导企业成立了一个6000万欧元 为期三年的联盟 研究汽车燃料电池堆的大批量生产 LoopEnergy公司获加拿大政府76万美元资助研发燃料电池Lo