燃料电池产业链深度研究之技术路线及产业厂商

2016-09-27 20:38:16来源: 电子发烧友
电动汽车的关键能源动力技术包括电池系统、电机技术、控制器。电池系统、电机技术和控制器是电动汽车所特有的技术,也是对车厂来说需要掌控的技术核心。


电池系统是电动汽车的动力源泉,也是一直制约电动汽车发展的关键因素。电动汽车用电池的主要性能指标是比能量(E)、能量密度(Ed)、比功率(P)、循环寿命(L)和成本(C)等。要能与燃油汽车进行竞争,最关键的就是要做出比能量高、比功率大、使用寿命长、重量轻的高效能电池。


电动汽车用电池经历了三代的发展,从早期的铅酸电池到现在大热的锂离子电池,再到燃料电池,技术持续进步,电池性能也在不断优化。目前广泛应用于燃料电池汽车的是质子交换膜燃料电池PEMFC (也叫氢燃料电池),它以纯氢为燃料,具备能量转换效率高、噪音低、无污染、寿命长、启动迅速、比功率大和输出功率可随时调整等性能优势。

 

全球以燃料电池为主营业务的厂商不多,主要集中在欧美国家和日本。除此之外,各大车厂都有燃料电池研发和生产部门,为燃料电池汽车配套。根据百度图片及数据,主流的燃料电池厂商包括美国Fuel Cell Energy、美国BE布鲁姆能源、加拿大Ballard、美国Plug Power等。

一、氢燃料电池是燃料汽车动力应用的主流路线


就燃料电池本身来说,其主要是通过电解质区分。根据电解质的不同,常用的燃料电池可以分为五大类:质子交换膜燃料电池、碱性燃料电池、固体氧化物燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池和磷酸燃料电池。

而燃料电池所需要的燃料有氢气、天然气、沼气,甚至甲醇等,目前看来,氢燃料是最被寄予期望的一种燃料。它燃烧放出的热量高,燃烧产物是水,不污染环境,制备的原料是水,资源无约束。一般来说,氢燃料电池主要是指质子交换膜燃料电池。

 

1.质子交换膜燃料电池(氢燃料电池)是汽车动力应用的主要技术路线

质子交换膜燃料电池(PEMFC)使用固体聚合物作为电解质,含有铂或者铂合金催化剂的多孔碳作为电极,由于其主要采用氢气作为燃料,因此又被成为氢燃料电池。

与其他燃料电池相比,质子交换膜燃料电池可以在相对较低的温度(大约80℃)下运行,使得其能够更快的启动、对其他部件损害小,因此拥有更长的使用寿命。此外,燃料电池还具有较高的能量密度,较轻的重量和较小的体积。

质子交换膜燃料电池主要应用在交通运输和一些固定式的应用,特别适用于乘用车。

 

质子交换膜燃料电池是继碱性燃料电池、磷酸盐燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池之后,迅速发展起来的温度最低、比能最高、启动最快、寿命最长、应用最广的第五代燃料电池。

但是质子交换膜电池需要贵金属铂作为催化剂,来分离氢的原子核和电子。并且铂催化剂对一氧化碳非常敏感,如果使用碳氢化合物作为燃料的话,燃料电池系统中还需要增加反应器,这都增加了质子交换膜燃料电池的成本,考虑到清洁环保性及燃料电池系统中的反应器成本等各因素,目前各个质子交换膜燃料电池厂商主要将氢气作为燃料,欧美日韩政府也出台政策鼓励修建加氢站。

目前这一路线由于反应温度较低,综合性能最好,最清洁环保,是最主流的汽车燃料电池的技术路线。

 

全球主流的质子交换膜燃料电池厂商


Ballard是全球最大的质子交换膜燃料电池厂商之一。Ballard Power Systems位于加拿大,是一家研发、生产和销售质子交换膜燃料电池的企业,是拥有国际领先燃料电池技术的企业,截止目前,其生产的氢燃料电池总容量约为150MW。其主要产品是固定式电源系统、燃料电池动力模块和燃料电池堆。

Plug Power是全球最大的叉车用质子交换膜燃料电池厂商。其前身是于1997年由数据终端设备能源公司EdisonDevelopmentCorp.和MechanicalTechnologyInc.组成的合资公司,公司位于美国。目前主要设计和开发利用质子交换膜燃料电池制造的能源产生系统。其燃料电池产品主要用于室内叉车,其用户包括耐克、宝马、沃尔玛、家得宝、梅赛德斯、克罗格等。

HydrogenicsCorp是一家位于加拿大的制氢和燃料电池设计生产商,成立于1988年。它主要有两块业务:电解氢方案和燃料电池产品。其燃料电池产品主要用于车辆、UPS和通信基站备用电源。HyPMTM是HydrogenicsCorp的用于电动车的燃料电池动力解决方案平台,能够提供30-180kW的燃料电池动力解决方案。

中国的质子交换膜燃料电池厂商:


大连新源动力,已实现燃料电池关键材料及关键部件、电堆组装的小批量生产,建成可年产5500KW燃料电池堆用关键部件的批量生产线,同时在车用燃料电池系统集成安装、调试、运行等方面拥有优势地位。长城电工参股新源动力近10%。

上海神力科技,主营氢质子交换膜燃料电池,是我国燃料电池技术研发和产业化的领先者。通过承担与完成国家"九五"重点攻关计划、"十五"863及"十一五"863重大攻关计划燃料电池发动机课题,已成为具有完全自主知识产权的燃料电池技术并达到国际先进水平。安凯客车、长安汽车也与上海神力科技合作,开发氢燃料汽车,并拥有一定的技术储备。

2、固体氧化物燃料电池(SOFC)

固体氧化物燃料电池(SOFC)能效转换率高、不需要贵金属作催化剂,持续拓展应用固体氧化物燃料电池(SOFC)使用无孔陶瓷氧化物作为电解质,拥有约60%的转化效率,如果利用其散发的热量,最高转化率高达85%。

固体氧化物燃料电池是燃料电池中抗硫性最强的,并且一氧化碳也不会影响其运行效率,因此它可以使用多种燃料,例如天然气、沼气、煤气、甲烷等,对燃料的适应性强;不需要使用贵金属催化剂;使用全固态组件,不存在对漏液、腐蚀的管理问题;积木性强,规模和安装地点灵活等。SOFC可用于发电、热电回用、交通、空间宇航和其他许多领域。

但是,较高的运行温度使得SOFC材料的使用寿命较短、启动时间较长,此外还需要隔热措施防止人被烫伤,这都限制了SOFC的适用范围,目前用于分布式发电及余热供热等应用占比更多,但很多厂商也在引导它的应用走向船舶动力、汽车动力等应用。

全球主流的固体氧化物燃料电池厂商:


BE布鲁姆能源是最大的固体氧化物燃料电池厂商之一,主要用于为数据中心提供主电源。布卢姆能源2001年成立于美国加州,其创始人是印度科学家KR先生,布卢姆能源技术根植于NASA的火星计划。在2006年,布卢姆能源在田纳西大学试制成功了首个5KW固体氧化物燃料电池,实现了从理论向产品的跨越。在2008年,布卢姆率先向谷歌公司交付了100KW的商业化固体氧化物燃料电池,设备售价达到70万美金。在接下来时间里面,布卢姆能源又陆续拓展了eBay、苹果、沃尔玛、诺基亚等高净值公司客户,为他们的数据中心提供主电源。

根据美国能源部能源效率与可再生能源办公室发布的《2012 Fuel Cell Technologies Market Report》统计,目前全球生产固体氧化物燃料电池的企业为布卢姆能源和澳大利亚的CFCL两家公司。CFCL公司采用阳极支撑技术路线,不同于布卢姆能源使用的电解质支撑技术路演,所以其产品功率暂时智能做到1.5KW,商业开拓的中间较小。而布卢姆能源最新产品已经可以做到250KW,基本可以满足医院、酒店、商场、小区、轮船等主流固定氧化物发电目标市场的功率要求。除此之外,在日本的NEDO、美国的SECA、欧洲的Large-SOFC计划中,5-50KW级的验证机已经制成;日本三菱重工亦正在研发混合固体氧化物燃料电池系统产品,拟进一步提高能源使用效率。但是到目前为止,这些项目还没有获得实质性的突破,导致布卢姆能源仍是全球唯一商业化成产固定氧化物燃料电池厂商。

展望未来,布卢姆能源的燃料电池产品有望在使用天然气方便的地方成为主力的供电设备,从而实现对现有发电设备的替代。未来,通过开发、完善材料使用更节省的第三代产品,以及

将电芯寿命从3.5年延伸到5年,进而增加到10年,有望进一步降低布卢姆能源燃料电池的度电成本,实现对电网电价的穿越,从而打开千亿规模的新能源分布式发电设备市场。

 

Ceramic Fuel Cells是一家位于澳大利亚墨尔本的燃料电池科技企业,成立于1992年。其主要生产"Blue Gen"固体氧化物燃料电池系统,用于小规模的热电联产和分布式发电。

中国的固体氧化物燃料电池厂商:

三环集团是中国最有潜力在固体氧化物燃料电池取得突破的厂商。目前公司主要为BE布卢姆能源供应燃料电池核心部件隔膜板,公司从2005年起研发燃料电池隔膜板至今生产技术不断进步、工艺不断完善,已经掌握了从材料到烧结的工艺技术;此外,公司也在积极准备燃料电池电堆技术,未来有机会引领部分领域的清洁能源变革。

3.碱性燃料电池(AFC)广泛应用于航空航天,但寿命短,仍有不少问题待解决

碱性燃料电池(AFC)是最早研发的燃料电池技术之一,并且最早广泛应用在美国航空航天领域,用于发电和生成水以供太空飞船使用。碱性燃料电池的电化学反应拥有较高的转化效率,最高超过60%。

电解质方面,碱性燃料电池使用氢氧化钾溶液作为电解质,用非贵重金属作为电池的阴阳极。一般情况下,碱性燃料电池的运行温度在100℃到250℃之间,但是最新设计的碱性燃料电池可以在23℃到70℃之间运行。最近几年,使用聚合物薄膜作为电解质的碱性燃料电池研发出来,与质子交换膜燃料电池的区别仅仅是使用碱性膜作为电解质。

但是,其运行效率容易受到二氧化碳的影响,即使是空气中稀薄的二氧化碳也会降低碱性燃料电池的效率。因此,在碱性燃料电池中二氧化碳净化装置是必要的,但是这增加了成本。限制碱性燃料电池大规模应用的最主要因素是使用寿命太短,其工作时间超过4,000小时才有经济价值,但是目前材料的耐久性问题还没解决。

4.熔融碳酸盐燃料电池和磷酸盐燃料电池等早期的燃料电池已经逐步被替代

熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)使用熔融碳酸盐作为电解质,具有较高的转化效率,配合涡轮机使用其转化效率可达65%,如果将MCFC产生的废热收集使用,燃料的总转化效率超过85%。MCFC不需要贵金属作为电极,使用多孔陶瓷锂铝氧化物作为电极。MCFC的运行温度为650℃,这限制了燃料电池组件的使用寿命。

磷酸盐燃料电池(PAFC)是第一代燃料电池,最早被商业化应用。PAFC转化效率最低,只有37%-42%,已经逐渐被其他路线替代。

二、汽车用氢燃料电池的系统构成及产业链分解


燃料电池汽车的工作原理是,作为燃料的氢在汽车搭载的燃料电池中,与大气中的氧气发生氧化还原化学反应,产生出电能来带动电动机工作,由电动机带动汽车中的机械传动结构,进而带动汽车的前桥(或后桥)等行走机械结构工作,从而驱动电动汽车前进。

燃料电池汽车产业链包括上游制氢和配套厂商、核心部件厂商、燃料电池动力系统厂商和下游整车厂商,其中最核心的是燃料电池动力系统。燃料电池动力系统主要包括燃料电池系统、驱动电机及控制系统,整车控制系统、辅助电源、储氢装置。

 

1.燃料电池系统——燃料电池堆是燃料电池系统的最核心、最难做的部件

单独的燃料电池堆是不能发电并用于汽车的,它必须和燃料供给与循环系统、氧化剂供给系统、水/热管理系统和一个能使上述各系统协调工作的控制系统组成燃料电池发电系统,简称燃料电池系统。一般包括:燃料电池堆栈、燃料处理器、功率调节器、空气压缩机。

 

燃料电池堆是燃料电池动力系统的最核心部件,它由多个燃料电池通过一定的方式结合起来形成的通过电化学反应产生直流电的燃料电池组。一个单独的燃料电池产生的电压低于1V,所以单电池要做成堆栈应用。

影响燃料电池系统效率的因素有很多,包括燃料电池类型、电池规格、电池运行的温度以及燃料气体的压力大小、堆栈构成方式等。

 

燃料处理器将燃料转换成燃料电池可用的状态。

功率调节器调节电流、电压、频率等以满足使用。

空气压缩机可以增加进入燃料电池的燃料气体的气压,以提高燃料电池的效率。

2.驱动电机及控制系统是燃料电池汽车的心脏

驱动电机及控制系统是燃料电池汽车的心脏,它的功能是使电能转变为机械能,并通过传统系统将能量传递到车轮驱动车辆行驶。

其基本构成为电机和控制器,电机由控制器控制,是一个将电能转变为机械能的装置,控制器的作用是将动力源的电能转变为适合于电机运行的另一种形式的电能,所以控制器本质上是一个电能变换控制装置。

电动机驱动是燃料电池车惟一的驱动模式。大型燃料电池汽车如大客车一般采用感应电机驱动,主要应用在数十千万以上的中、大功率系统中;小型燃料电池汽车如乘用车一般用无刷直流电机驱动系统,主要应用在在数十千万以下的中、小功率的系统中。

北京亿华通,是燃料电池动力系统的开发与产业化以及氢能基础设施运营厂商。公司核心业务是,以燃料电池发动机为核心,采用燃料电池发动机与动力电池的电-电混合动力系统构型,为客户提供集系统构型分析、系统集成、动力系统优化控制、工程服务为一体的整套解决方案。当前主要客户为福田、宇通、金龙等客车厂业。

 

3.整车控制系统和其他新能源车类似,一样可以向智能驾驶进击

燃料电池汽车的整车控制系统和其他类型的新能源汽车是一样的,它负责对燃料电池系统、电机驱动系统、动力转向系统、再生制动系统和其他辅助系统进行监测和管理,也可以向智能化和数字化方向发展,包括神经网络、模糊运算和自适应控制等非线性智能控制技术都可以应用于燃料电池汽车的控制系统中。因此,燃料电池汽车一样可以发展无人驾驶或智能驾驶。

4.辅助电源对燃料电池汽车极其重要,超级电容器应用的趋势开始出现

燃料电池车是以燃料电池为主要电源和以电动机驱动为惟一的驱动模式的电动车辆,燃料电池汽车的基础结构多种多样,按照驱动方式可分为纯燃料电池驱动和混合驱动两种,区别主要在于是否加装了辅助电源,辅助电源一般用蓄电池(铅酸电池)、碱性电池或超级电容器。

 

目前,因受到燃料电池启动较慢和燃料电池不能用充电来储存电能的限制,多数燃料电池汽车都要增加辅助电源来加速燃料电池车的启动,所需要的电能和储存车辆制动反馈的能量。因此一般的燃料电池汽车大多是混合驱动型车,其动力系统关键装备除了燃料电池,还包括DC/DC转换器、驱动电动机及传动系统、辅助电源。

辅助电源及管理系统是混合型燃料电池汽车动力系统中的重要组成部分,在汽车启动、加速、爬坡等工况下,需要驱动功率大于燃料电池可以提供的功率时,释放存储的电能,从而降低燃料电池的峰值功率需求,使燃料电池工作在一个稳定的工况下,而在汽车怠速、低速或减速等工况下,燃料电池功率大于驱动功率时,存储动力系统富余的能量,或在回馈制动时,吸收存储制动能量,从而提高整个动力系统的能量效率。

 

目前应用于混合燃料电池汽车的辅助电源主要有如铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池、超级电容器等。由于蓄电池最便宜,目前辅助电源用的最多的还是蓄电池(铅酸电池),主要采用EFB电池(增强型富液式铅酸电池)和AGM电池(玻璃纤维吸附蓄电池),其供应商主要包括博世、法雷奥、德尔福和马自达等厂商。此外,镍氢电池由于其性价比优势,也是现在主流的燃料电池辅助电源方案之一。

 

江海股份,是国内超级电容器龙头厂商。公司2013年收购日本ACT,并积极与海内外高校合作,引进资深研发团队,从技术壁垒最高的电极材料到大容量超级电容器模组完成高度垂直一体化布局。由于蓄电池的循环寿命一般在几百到几千次,而且污染较大,而超级电容器能够反复循环充放电几十万次,而且可以迅速地完成大量电荷的充放电。所以,部分混合驱动燃料电池汽车开始趋向于采用大容量超级电容器作为辅助电源应用,公司的超级电容器部分性能已经已经大幅超越Maxwell,预计公司将在混合驱动燃料电池汽车辅助电源上具备机会。

科力远,是镍氢电池龙头。2013年底与常熟新中源、Primearth EV Energy、丰田(中国)投资、丰田通商签署了科力美合营合同,公司出资21.76亿日元,占有40%的股份,正式切入丰田汽车产业链,其中,丰田的混合动力及混合驱动燃料电池汽车辅助电源采用了镍氢电池。后来公司又与吉利集团、长安汽车、昆明云内动力(000903)股份有限公司就增资或投资公司控股子公司科力远混合动力技术有限公司的相关事宜签订了《增资扩股框架协议》,显示了公司在混合动力技术上的实力。

5.氢气储存罐


目前燃料电池汽车的主要燃料是气态氢气,主流的储氢方式还用高压储。汽车一次充气有足够的行驶里程,就需要多个高压储气瓶来储存气态氢气。在储氢罐轻量化和安全防碰撞等领域,日本村田是目前做得最好的厂商之一。

 

丰田Mirai高压储氢罐采用三层结构,内层是密封氢气的树脂衬里,中层是确保耐压强度的碳纤维强化树脂(CFRP)层,表层是保护表面的玻璃纤维强化树脂层。

 

Mirai的储氢罐的轻量化瞄准的是中层,采用的是对含浸了树脂的碳纤施加张力使之卷起层叠的纤维缠绕工艺,缠绕方法有强化筒部的环向缠绕、强化边缘的高角度螺旋缠绕和强化底部的低角度螺旋缠绕三种,通过削减这三种方式的缠绕圈数,丰田将CFRP的用量比原来减少了40%,使重量效率提升20%,达到了全球最高水平的5.7wt.%。另外,对于按照高压储氢罐的全球技术规则,丰田采取用含有膨胀石墨的耐火聚氨酯板来保护吸收下落冲击的耐冲击聚氨酯护板的方法,确保耐火性能。

三、氢燃料电池中的电解质膜、电极、催化剂等核心部件分析

燃料电池堆主要是由单燃料电池构成。单电池又包括双极板、密封圈、膜电极(MEA),其中膜电极包括质子交换膜、催化剂层和气体扩散层。

 

1.膜电极组件(MEA)是保证电化学反应的核心


膜电极组件(MEA)是将质子交换膜、催化层电极、扩散层在浸润Nafion液后,在一定温度和压力下,热压而成的三合一组件,是保证电化学反应能高效进行的核心,其制备技术不但直接影响电池性能,而且对降低电池成本、提高电池比功率与比能量至关重要。

 

国外的主流供应商有美国3M、美国杜邦、WLGore & Associates、日本旭硝子、英国JM、德国Solvicore等;国内主要是部分研究机构如武汉理工新能源、大连化学物理所等在从事电极和MEA的研究。

(1)MEA组件核心之一:质子交换膜PEM

电解质膜的作用是允许质子通过而阻止未电解的燃料和氧化剂渗透到对方。氢燃料电池的电解质膜主要用质子交换膜。质子交换膜(Proton Exchange Membrane Fuel,PEM)是氢燃料电池的最核心部件,是燃料电池电解质和催化剂进行电化学反应的基地。它与一般化学电源中使用的隔膜有区别。

最早用于燃料电池的质子交换膜是美国杜邦公司于60 年代末开发的全氟磺酸质子交换膜(Nafion膜),此后,又出现了其它几种类似的全氟磺酸结构质子交换膜,包括美国Dow化学公司的Dow膜、日本Asahi Chemical公司的Aciplex膜和Asahi Glass公司的Flemion膜。目前主流供应商依然以美国杜邦为主。

 

质子交换膜性能要求非常高,目前在氢燃料电池中使用的质子交换膜均采用全氟化聚合物材料合成,该材料稳定性好、使用寿命长,相对来说可以保证良好的化学和电化学稳定性、高质子导电性、良好的阻气性能、高机械强度、与电极较好的亲和性。因此,它的开发和生产难度很大。制造成本过高,售价昂贵。为了获得稳定而廉价的燃料电池,质子交换膜是最大的瓶颈和未来必须突破的领域。

国内研究机构如天津大学、武汉理工大学、大连化学物理所等在质子交换膜领域研究较久。

国内的商业化生产商,主要是大连新源动力和上海神力科技和同济科技(600846)旗下的中科同力。

同济科技,公司与中科院上海有机化学研究所、上海神力科技共同组建了中科同力化工材料有限公司,同济科技目前持股36.23%。中科同力主要致力于质子交换膜燃料电池关键材料与部件研发。

(2)MEA组件核心之二:催化剂

电催化是使电极与电解质界面上的电荷转移反应得以加速的催化作用,电催化反应速度不仅由电催化剂的活性决定,而且与双电层内电场及电解质溶液的本性有关。催化层是发生电化学反应的场所,是电极的核心部分。

迄今为止,质子交换膜燃料电池的阴极和阳极有效催化剂仍以铂和铂碳颗粒为主,铂贵金属催化剂用量大和质子交换膜成本高是燃料电池成本居高不下的重要原因。为了降低铂的使用量,各大公司进行了持续研究,近几十年来,膜电极上催化剂铂的负载量从10mg/cm2降到了0.02mg/cm2,降低了近200倍。以丰田为例,公司力求通过改进铂金材料的镀层技术来降低铂金催化剂的使用量。

如果未来贵金属催化剂负载量能够大幅降低,或者能被其他成本更低的催化剂取代,那么燃料电池系统放量的机会也将大幅提升。

目前铂催化剂的国外主流供应商有英国JM、日本TKK、美国E-TEK、德国BASF、比利时Umicore等,暂时国内厂商突破还不明显。

国内研究机构如长春应用化学所、大连化物所、天津大学、中山大学等在燃料电池催化剂领域研究有一定突破。

 

(3)MEA组件核心之三:扩散层

上面的催化层和扩散层构成了燃料电池的电极。

扩散层是支撑催化层、收集电流、并为电化学反应提供电子通道、气体通道和排水通道的隔层,由碳纸和防水剂聚四氟乙烯(PTEE)组成。其材料和制备技术对MEA的性能和电池的性能至关重要。

目前扩散层主要技术仍掌握在日本东丽、加拿大Ballard、德国SGL等少数厂商手中。

 

2、双极板也是决定性能和成本的关键组件之一


双极板,又叫流场板,主要起到起输送和分配燃料、在电堆中隔离阳极阴极气体的作用,

一般采用在石墨板上雕刻流道的方式设计。常用的流道有平行流道、回旋型流道、蛇行流道,目前广泛采用的双极板材料为无孔石墨板,金属板和复合材料双极板的应用也在逐步出现。

石墨是较早开发和用以制作双极板的材料。目前石墨基双极板的主流供应商有美国POCO、美国SHF、美国Graftech、日本Fujikura Rubber LTD、日本Kyushu Refractories CO.LTD、英国Bac2、加拿大Ballard等。

国产厂商主要有杭州鑫能石墨、江阴沪江科技、淄博联强碳素材料、上海喜丽碳素、南通黑匣、上海弘枫等。

 

金属板开始在部分领域替代石墨双极板。表面改性的多涂层结构金属双极板具备较大的发展空间。目前金属双极板主要供应商有瑞典Cellimpact、德国Dana、德国Grabener、美国treadstone等,国内还处于研发试制阶段。

关键字:燃料电池  电动汽车

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/qcdz/article_2016092716172.html
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