世界氢能与燃料电池汽车产业发展报告

2019-07-05 12:30:15 caoyu 36

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目  录

总 报 告

第一章 全球燃料电池汽车产业发展动态 

一、燃料电池汽车迎来产业化发展重要窗口期 

二、加氢基础设施建设难题基本已经“破题” 

三、燃料电池汽车上游产业链环节实现重大突破 

四、我国氢能经济发展的未来愿景和行动建议 

专 题 篇

第二章 世界燃料电池汽车发展 

一、日本燃料电池汽车产业已率先迈进量产化发展阶段 

二、韩国燃料电池汽车产业已步入商业化发展初期阶段 

三、欧盟大力支持燃料电池汽车技术创新与应用 

四、中国燃料电池汽车示范应用取得突破性进展 

附:“氢经济示范城市”项目助推如皋氢能产业发展实践 

第三章 世界燃料电池系统发展 

一、膜电极技术已取得突破性进展 

二、开发高性能、低成本的金属双极板成为未来发展趋势 

三、空压机向更高效、更节能的方向发展 

四、车载供氢系统发展要兼顾轻量化和安全性 

附:车载储氢气瓶发展要突破标准与技术的瓶颈 


 

 

世界氢能与燃料电池汽车产业发展报告


总 报 告

第一章 全球燃料电池汽车产业发展动态


在新一轮科技革命和产业变革中,氢能和燃料电池汽车都备受关注。氢能是多种能源传输及融合交互的纽带,是未来清洁低碳能源系统的核心之一,氢能与燃料电池能实现能源的多元化来源以及高效、零排放的利用,正成为全球能源转型发展的重要方向,也是主要国家能源战略的重要组成部分。燃料电池汽车具有续航里程长、燃料加注时间短等突出优势,是全球汽车动力系统转型升级的重要方向和构建低碳交通体系的重要组成部分,也被认为是未来汽车产业格局重构的关键变量之一。

一、燃料电池汽车迎来产业化发展重要窗口期

燃料电池汽车是氢能与燃料电池产业链的关键环节,其技术的发展引领着整个产业链向前迈进的步伐。开展燃料电池汽车的商业化示范运营,是带动燃料电池汽车技术研发、推动加氢基础设施建设的关键举措。自2014年以来,以丰田、现代、本田等汽车公司陆续推出商业化的燃料电池汽车为标志,燃料电池汽车技术和产品基本成熟,示范推广不断加速,全球燃料电池汽车迎来产业化发展重要窗口期,发展呈现全面提速的良好态势。

1.日本燃料电池汽车技术发展和示范推广处于全球领先地位

日本政府高度重视燃料电池汽车的发展。2017年12月,日本政府发布了《氢能基本战略》,描绘了从2020年到2050年的战略蓝图。根据该战略,到2020年,日本燃料电池汽车保有量将达4万辆,到2030年达8万辆;同时大力开展对燃料电池卡车的研发,到2050年,燃料电池汽车将替代新增传统燃油车。2018年10月在日本举办的第一届氢能部长级会议上,会议代表集中探讨了打造氢能可持续发展社会的愿景,达成了协调促进氢能与燃料电池技术和标准法规的发展、促进信息共享、加强国际合作、加强氢能跨领域研究和科普宣传等四个方面的共识。为了实现《氢能基本战略》的目标,日本也在不断加大燃料电池汽车技术研发投入。2018年,日本经济产业省(METI)在氢能与燃料电池产业研发上的总投入达到2.6亿美元。

日本燃料电池汽车以乘用车为主,其燃料电池技术走在世界前列。丰田、本田汽车公司所研发的燃料电池乘用车整体性能可媲美传统燃油车,已在世界上率先迈入量产化阶段。丰田汽车公司经过20多年的技术积累,于2014年推出了量产燃料电池汽车MIRAI。本田汽车公司也一直致力于燃料电池汽车技术的开发,并于2018年推出了燃料电池汽车Clarity。目前,丰田MIRAI、本田Clarity已投放北美、欧洲和日本本土市场。截至2018年8月,日本燃料电池汽车保有量达2700辆。在燃料电池技术已达到量产水平的情况下,日本计划以2020年东京奥运会为契机,积极推广燃料电池汽车。

2.韩国一直致力于燃料电池汽车的技术开发和推广应用

韩国企业积极开展对燃料电池汽车技术的研发。2018年,现代汽车在途胜ix燃料电池汽车的基础上,通过专用平台打造了全新一代NEXO燃料电池汽车,技术状态达全球领先水平。在燃料电池商用车方面,继成功开发了第一代、第二代燃料电池大巴车后,2018年2月平昌冬奥会期间,现代汽车推出了第三代燃料电池大巴车。2018年9月19日,现代汽车在德国举办的汉诺威国际商用车展览会(IAA)上推出现代首款燃料电池概念卡车,并与瑞士H2 Energy公司签署《关于提供氢燃料电池重卡产品的谅解备忘录》,自2019年开始,现代汽车将在5年时间内向H2 Energy公司提供1000辆氢燃料电池重卡。

韩国政府也在积极开展燃料电池汽车推广工作。截至2018年8月,韩国燃料电池汽车保有量为422辆。韩国政府计划在2018年底新增726辆燃料电池汽车;到2019年新增2000辆燃料电池汽车;到2030年新增63万辆燃料电池汽车,届时新增燃料电池汽车占韩国新车的比例将达到10%。韩国政府推行的环保汽车示范项目,已经促进燃料电池汽车在首尔、光州、蔚山、昌原、忠清南道等设有加氢站的城市的销售。韩国政府还加大了对燃料电池大巴车的示范力度,目前韩国中央政府已与首尔、蔚山等5个地方政府合作展开燃料电池大巴车的示范运行,并将于2019年示范运行20辆燃料电池大巴车。

3.欧洲燃料电池汽车已经步入市场导入期

欧洲企业研发燃料电池汽车的起步很早。在政策和资金的持续支持下,欧洲逐步培育起一大批优秀的燃料电池企业,各整车厂也纷纷研发和推出燃料电池汽车。戴姆勒-奔驰先后推出多款燃料电池乘用车和客车,奔驰于2017年推出首款插电式混合动力燃料电池汽车GLC F-Cell;奥迪在2016年发布了H-Tron quattro燃料电池概念车;宝马汽车正在开发燃料电池汽车,并计划2021年实现小规模量产;沃尔沃也公布了燃料电池汽车研发计划。

欧盟及欧洲各国也非常支持氢能与燃料电池的研发和示范应用。2008年5月,欧盟委员会、欧洲工业和研究组织共同出台了公私合营的燃料电池与氢能联合行动计划(FCH JU),支持欧洲氢能与燃料电池的研发、示范与推广应用。目前,该一揽子计划已进行到第二期(2014~2020年),总经费超过13.3亿欧元。一些国家也在积极开展示范应用。比如,法国在2018年6月推出了“氢能计划”,提出到2023年推广5000辆轻型商用车、200辆重型卡车;到2028年,推广2万辆以上轻型商用车和800辆以上重型卡车。挪威计划至2023年引进1000辆燃料电池重卡。通过一系列项目的开展,欧洲燃料电池汽车目前已经步入了市场导入的早期阶段。

4.美国燃料电池已实现多种形式应用

美国政府高度重视氢能与燃料电池的发展,不断推动氢能与燃料电池技术在交通运输及其他若干领域的发展。美国政府发布的《美国优先能源战略》,将重点支持氢能与燃料电池领域的前沿技术研发。在多方支持下,美国的氢能与燃料电池已实现多种形式应用。根据美国能源部(U.S. Department of Energy)统计,2017年,美国用于销售和租赁的燃料电池乘用车超过5600辆,正在示范运行的燃料电池巴士超过30辆,燃料电池叉车超过2万辆,燃料电池作为备用电池的出货量超过240MW。

在示范运营方面,无论是通过联邦政府还是通过各大州的倡议,美国都大力支持燃料电池在巴士和公交领域的示范运营。美国联邦运输管理局为国家燃料电池巴士项目提供9000万美元的资金支持,其他如LoNo(Low or No Emission Deployment)项目,正有力地推动燃料电池巴士在多个州的示范运营。在诸多项目的支持下,目前美国加州已有25辆New Flyer和ElDorado燃料电池巴士处于示范运行中,斯塔克地区运营的燃料电池巴士已增至13辆。除此之外,伊利诺伊州和夏威夷州的燃料电池巴士也已开展小批量示范运营,其中作为“夏威夷的清洁能源计划”的一部分,夏威夷将在火奴鲁鲁市国际机场推动燃料电池巴士的示范运行。

5.中国燃料电池商用车示范应用取得突破性进展

受技术储备、基础设施及综合成本等多种因素的影响,近年来,我国燃料电池商用车实现了快速发展,发展速度明显快于燃料电池乘用车。经过十几年的研发投入,我国燃料电池技术趋于成熟,以福田欧辉、郑州宇通、佛山飞驰等为代表的燃料电池客车正逐步开始市场化进程,燃料电池物流车目前也已具备商业化发展条件。根据中国汽车工业协会统计,截至2018年12月,我国燃料电池汽车销售量已达到1527辆。

各地方政府支持燃料电池汽车商业化示范运行的热情高涨。北京、上海、如皋、盐城、常州、佛山、云浮、张家口、郑州等已设立了燃料电池公交专用线。自2003年至2011年,由全球环境基金(GEF)和联合国开发计划署(UNDP)共同支持的“中国燃料电池公共汽车商业化示范项目”,已分别在北京、上海实施两期。2016年8月,第三期项目在上海正式启动,项目将在北京、上海、郑州、盐城、如皋、常熟、佛山示范运行119辆燃料电池汽车。江苏如皋当选为联合国开发计划署“氢经济示范城市”,在氢经济示范领域发挥着举足轻重的作用。与此同时,近年来不少物流企业对燃料电池汽车的发展也很重视。京东、申通等物流公司开始试用燃料电池物流车,其中京东经过数月试运行,最终在上海投入超过150辆燃料电池物流车进行正式日常运营,燃料电池汽车在物流行业的规模化应用已初见成效。

二、加氢基础设施建设难题基本已经“破题”

加氢基础设施建设是燃料电池汽车发展的重要保障。加氢站的建设数量及普及程度,在很大程度上决定了燃料电池汽车的产业化进程。鉴于此,美国、日本、欧盟等主要国家和地区都在积极探索,因地制宜,通过多种政策、项目、公私合作伙伴计划等方式来推动加氢站建设,取得了明显成效。

1.日本是目前世界上加氢站数量最多的国家

截至2018年8月,日本正在运营的加氢站有100座,其中39座为移动站,61座为固定站。另外,日本还有11座加氢站正在规划建设中。日本加氢站主要以东京、大阪、名古屋、福冈四大城市圈为中心建设,同时兼顾高速公路氢走廊建设。从长期发展来看,2017年12月日本政府发布的《氢能基础战略》明确提出:加氢站数量到2020年增至160座,到2025年增至320座;氢气成本到2030年下降到3美元/kg,到2050年下降到2美元/kg。

日本政府为加氢站建设提供财税激励政策,根据供氢方式、供氢能力、加氢站类型等标准最高能够给予3.9亿日元的补贴。在加氢站建设模式方面,日本近期也有很大的创新突破。丰田、本田、日产三大汽车厂商联合捷客斯能源株式会社(JXTG Nippon Oil & Energy Corporation)等六家能源和气体公司以及相关金融机构,于2018年2月共同投资创建跨产业联合的加氢站建设和运营实体公司——Japan H2 Mobility有限责任公司(JHyM),来负责加氢站建设和运营。

2.韩国政府持续推动加氢站建设

韩国政府将“氢经济”列为三大创新增长战略之一,提出了中长期发展路线图。同时,韩国把氢能发展列入了国家能源基本计划中,从战略高度推动加氢站的建设。截至2018年8月,韩国正在运行的加氢站共有11座,此外还有11座加氢站正处于规划建设之中。

在中长期发展规划方面,根据韩国政府发布的《氢燃料电池汽车产业生态战略路线图》,到2022年政府与企业将合作投资2.6万亿韩元,推广1.6万辆燃料电池汽车,建成310座加氢站。此外,韩国政府在2017年的“贸易与投资推广会议”上宣布,到2025年建成200座位于高速公路的加氢站,到2030年建成520座加氢站。

3.美国积极推进加氢站商业化运营

北美地区是全球最早开始加氢站建设的地区之一。美国无论是在加氢站数量还是商业化程度上,都位居北美地区前列,在全球也处于领先水平。美国运行中的加氢站总计有40座,其中35座为零售加氢站,且全部位于加利福尼亚州,其他5座非零售加氢站则分布于东部几个州和夏威夷地区。

加州之所以成为美国甚至全球加氢基础设施最密集的地区之一,与政府推出的一系列支持政策密不可分。自2012年以来,加州陆续发布了氢燃料电池路线图、加州地区加氢站法规标准流程、第八号法案以及加氢站许可指南等支持政策。除加州地方政府外,美国联邦政府也对加氢站建设给予了很大支持。美国能源部与汽车制造商以及其他主要利益相关者于2013年5月发起确立了H2USA公私合作关系,以共同应对和解决氢能基础设施建设中所面临的关键问题。

4.欧洲正形成一个泛在的加氢站网络

欧洲各国积极推动加氢基础设施建设,政府的倡导和支持也充分带动了企业的积极性。德国在氢能基础设施建设方面始终处于领先地位,2017年由能源企业、气体公司、整车企业合资成立的氢基础设施建设运营实体公司——H2 Mobility,正在快速推进德国加氢站的建设。截至2018年10月,德国已建成52座加氢站,成为世界上拥有加氢站数量第二多的国家。这些加氢站已经逐步将德国主要城市连接起来,形成环状“氢能高速公路”网络。德国计划到2019年建成100座加氢站,到2025年建成400座。法国也提出了氢能计划,明确到2023年建设100座加氢站,到2028年建设超过400座加氢站。此外,北欧氢走廊计划提出到2020年新增8座加氢站。

得益于各种欧洲合作计划和国家项目,目前已有140多座加氢站遍布在欧洲各国,包括挪威、丹麦、瑞典、芬兰、英国、法国、荷兰、比利时、瑞士、西班牙、意大利、捷克、斯洛文尼亚、奥地利等国。FCH JU预计,到2025年欧洲将建成800座以上加氢站,一个泛欧洲的氢能基础设施网络正在逐步形成。

5.中国加氢站建设进入了“快车道”

我国加氢基础设施建设始于第十一个五年计划期间,2006年建成第一座加氢站——北京永丰加氢站,其后多年的建设发展较为缓慢。目前我国建成运营的加氢站数量仅在14座左右,分别位于北京、上海、郑州、大连、云浮、佛山、常熟与成都等地,且多用于重大活动、示范项目、公司科研等,市场商业化运营极少。

2016年《节能与新能源汽车技术路线图》正式发布,其中的燃料电池汽车发展路线图提出了我国氢能基础设施的发展路线与目标,即到2020年、2025年和2030年将分别建设超过100座、300座和1000座加氢站。在该路线图的指引下,我国氢能与燃料电池产业的发展在近一两年步入了快车道。上海、北京、江苏(苏州、如皋、盐城)、广东(佛山、云浮)、湖北(武汉)、河南(郑州)等地自发支持燃料电池汽车的示范发展,推动氢能产业落地,并开始加大力度建设加氢站。

三、燃料电池汽车上游产业链环节实现重大突破

燃料电池系统是燃料电池汽车最核心的部件,燃料电池系统的进步在很大程度上决定着燃料电池汽车产业的发展。近年来,全球燃料电池汽车上游环节取得了很多突破性进展,整个产业链条呈现协同发展态势。

1.燃料电池电堆及系统技术快速发展

燃料电池电堆对燃料电池汽车的关键性能影响很大。目前,国外燃料电池电堆已形成批量化生产能力,并已广泛运用于燃料电池乘用车及商用车上。比如,加拿大Ballard公司研发的石墨双极板燃料电池电堆,其耐久性已突破25000小时。丰田、本田等汽车公司也相继开发出金属双极板燃料电池系统,功率密度达到3.1W/L,耐久性突破了5000小时。

近年来,我国车用燃料电池电堆及系统技术得到了快速发展。目前,我国已掌握了车用燃料电池核心技术,已具备开展大规模示范运行的条件。新源动力、亿华通、重塑、弗尔赛等燃料电池电堆及系统生产厂家生产的电堆,在功率密度、寿命和低温性能方面都有明显提升。新源动力开发的高性能大功率燃料电池电堆额定功率达到60kW,可以实现-20℃无辅助低温启动和-30℃低温储存;其新开发的燃料电池电堆经台架测试和整车应用验证,突破了车用燃料电池5000小时的耐久性难关,成为我国首例自主研发的超越5000小时耐久性的燃料电池产品之一。

2.膜电极技术获得重要提升

燃料电池膜电极(Membrane & Electrode Assembly,MEA)是燃料电池电堆的核心零部件。当前应用最为广泛的膜电极,采用CCM(Catalyst Coated Membrane)技术,即催化剂直接或间接涂覆在质子交换膜上,形成催化层-膜-催化层三合一整体,然后与气体扩散层组装成MEA。经过多年发展,MEA性能和寿命都得到了很大提升。

国际上,Ballard、丰田、Gore等企业处于技术领先地位。丰田自主研发的MEA供其燃料电池汽车使用,代表世界最先进燃料电池技术的丰田MIRAI搭载的电堆功率密度达3.1W/L,Pt载量已降至0.365mg/cm2,单体寿命达5000小时。多数国际MEA生产商已具备连续化批量生产能力,产能最大可达每年数万平方米。

国内MEA经过十几年的研发,已取得较大进展,关键技术指标已接近国际先进水平。中国科学院大连化学物理研究所、武汉理工大学等在国家“863”项目支持下进行了基于GDE(Gas Diffusion Electrode)和CCM技术的低成本、高性能MEA研究,目前研发的新一代MEA单体寿命突破5000小时,电堆功率密度达2.7W/L,预计到2020年能实现功率密度达3.1W/L的目标。

3.金属双极板朝着高性能、低成本趋势发展

双极板是燃料电池的重要部件,开发高性能、低成本的金属双极板成为未来双极板发展的趋势。世界各大汽车和零部件制造商,如丰田、本田、通用、宝马等,均大力开展金属双极板的研发与量产。丰田MIRAI搭载的燃料电池电堆采用金属双极板,并将条形流场改为3D流场,大幅提高了传质能力,同时还降低了浓差极化。此外,为生产高质量、高可靠性的金属双极板,丰田通过对金属双极板成型、连接、表面改性等多个工艺的集成化制造,不仅降低了生产成本,也使产品质量和鲁棒性等性能完全达到复杂工况的要求。

国产双极板经过多年技术积累,在极板设计、高精度一致性、耐久性等方面都有所突破。比如,上海交通大学/上海治臻团队开发的高深宽比细密流道超薄金属双极板,高度偏差可控制在±15um,已达到国际先进水平。

4.空压机已形成配套能力

国外的燃料电池汽车开发历史较长,与之配套的供应商起步也较早。整体而言,国外空压机产品技术相对领先,在转子、轴承、高速电机、控制机等方面都积累了相当多的经验,拥有很多发明专利。这些企业大多有丰富的汽车配件开发经验,能按照汽车制造商的需求进行针对性开发,产品的均一性较好。

相对而言,国内燃料电池压缩机起步时间其实并不晚,西安交通大学、浙江大学等高校承担过多个对燃料电池空压机进行研发的国家“863”和“973”课题,开发的样机也不乏亮点。但由于缺乏专业的制造商参与,在产业化方面进展较为缓慢。随着近两年国内燃料电池产业的蓬勃发展,国内空压机企业正迎头赶上,目前已经有几家企业实现了空压机的批量化生产。未来,空压机将朝着大流量和大压力、高集成度、节能高效、全工况下快速响应等趋势发展。

5.高压化、轻量化、高安全性是车载供氢系统技术发展方向

国外燃料电池汽车以乘用车为主,所以多为70MPa车载供氢系统。加拿大Dynetek公司、美国Quantum公司、日本丰田和本田等都已具备70MPa车载供氢系统的世界领先技术。在储氢气瓶方面,国外已完成对Ⅳ型瓶安全性、耐久性等方面的全面测试,并形成了一整套完备的法律法规,目前国外几乎所有整车企业的燃料电池汽车都使用Ⅳ型瓶。

国内燃料电池汽车以公交车、物流车为主,因此主要关注35MPa车载供氢系统。比如,张家港富瑞特装自主研发的35MPa供氢系统已进行了小批量示范应用,70MPa集成瓶口阀正处于研发阶段。目前,我国车载供氢系统与国外先进水平相比仍有差距,但随着国内车载供氢系统研发的积累、标准体系的进一步完善,我国车载供氢系统技术具有迎头赶上的基本条件。

四、我国氢能经济发展的未来愿景和行动建议

近年来,主要发达国家都非常重视氢能经济发展,并选择燃料电池汽车作为重要突破口。对我国而言,目前已经初步具备发展氢能经济的资源基础、技术积累和市场空间,需要加大力度推动氢能经济发展。

1.我国氢能经济发展的未来愿景

氢能是能源革命的重要领域,将成为支撑我国构建一个绿色、高效、安全的能源系统的关键支柱。氢能作为一种新兴二次能源,具有燃烧热值高、制取多样、储运便利、绿色环保等特点,既可广泛应用于工业、建筑、交通等主要领域,也可与其他能源有效互联构成能源网络体系,被普遍认为是解决能源、环境等问题的重要选择乃至“终极方案”。从全球来看,根据H2 Council的预测,到2050年,全球氢能需求量将是2015年的10倍左右,氢能占全部能源消费的比重会提高到18%;氢能经济的市场规模将达到2.5亿美元,并提供3000多万个就业岗位;还将带来6万吨二氧化碳减排量。从我国来看,煤制氢技术成熟,天然气重整制氢技术相对成熟,工业副产氢提纯处理后的氢能资源丰富,可再生能源制氢发展潜力较大,发展氢能经济的资源基础和技术条件基本具备。

燃料电池汽车是氢能利用的关键领域,燃料电池汽车产业将成为我国汽车产业转型发展的重要方向。从全球来看,根据H2 Council的预测,交通运输将是氢能利用最重要的领域。到2050年,全球燃料电池乘用车保有量预计将达到4亿辆,约占全球乘用车保有量的25%;燃料电池卡车保有量将达1500万~2000万辆,约占全球卡车保有量的30%;燃料电池巴士保有量将达500万辆,约占全球巴士保有量的25%;与此同时,氢能还将为全球四分之一的船舶、五分之一的轨道交通提供动力。届时,交通运输用氢能占氢能总消费的比重将达到28%,二氧化碳减排量占总减排量的比重将是58%。从我国来看,一方面燃料电池汽车发展空间广阔。燃料电池汽车能够实现车辆使用阶段“零排放”、全生命周期“低排放”以及能源的高效利用,同时具有续驶里程长、燃料加注时间短的优势,在车辆适用类型、应用领域等方面与纯电动汽车有较强的互补性。在今后较长一段时间内,燃料电池汽车将与纯电动汽车共同发展、长期并存,共同支撑我国汽车产业的转型升级。另一方面车用氢能来源具有保障。氢气产物纯度较高的焦炉煤气、氯碱工业副产氢技术路线,在现阶段已经可以满足下游燃料电池汽车运营的氢气需求;在未来氢能产业链进一步发展完善的前提下,利用太阳能、风能等可再生能源制氢有望成为终极解决方案。

2.推动我国氢能与燃料电池产业发展的行动建议

(1)创新研发组织模式,尽快突破关键核心技术

核心技术的持续创新与突破需要政府、行业机构、科研机构与企业紧密合作、共同努力。要建立联合创新研发机制,通过构建国家与地方、行业与企业联动创新研发体系,攻克高性能、低成本燃料电池电堆核心技术,开发高比功率、长寿命燃料电池发动机,开发高性能、全功率燃料电池整车,突破制氢、储/运氢、加氢关键技术,提升产业创新能力和产品技术水平。

(2)补齐关键领域短板,不断提升产业链层次与水平

完备的产业链是推动燃料电池汽车大规模产业化的关键支撑,也是提升产业综合竞争力的重要保证。要通过紧抓关键短板环节,培育壮大龙头企业;鼓励产业上下游联合,努力培育完善产业链;营造良好的投融资环境和公平准入、平等竞争的市场环境,促进各类企业共同发展,促进跨领域协同,分别构建“材料-零部件-整车”氢燃料电池汽车及“制氢-储/运氢-加氢”产业链,形成上下游联动的产业格局。

(3)大力推进示范应用,更加注重开展示范效果评估

规模化的示范应用推广是提升产品技术水平、降低成本、完善配套体系和使用环境的有效途径,也是加快推动燃料电池汽车产业化的重要抓手。要因地制宜,选择重点区域及重点车型分阶段有序推进。通过着力打造一批氢能与燃料电池汽车示范区、实施氢能与燃料电池汽车商业化示范工程、加强氢能与燃料电池汽车的示范效果评估和安全管理,积累氢能与燃料电池汽车商业化运营数据及经验,推动国内建立氢能与燃料电池汽车产业化应用点、线、网发展格局。

(4)建立氢能供给体系,夯实燃料电池汽车产业发展基础

氢能供给体系是氢能与燃料电池汽车推广应用的重要前提和基础,也是当前产业发展面临的突出挑战。要总结吸取电动汽车充电基础设施建设的经验教训,结合示范应用项目,开展多种供给模式的示范,通过开展低碳制氢方式的示范、探索多形式氢气储运模式、科学规划布局加氢站,调动各利益相关方的积极性,建设形成适度超前于氢能与燃料电池汽车发展的氢能基础设施体系和网络。

(5)完善标准法规体系,全面提高测试评价能力

完善的标准法规体系是促进产业有序发展的基本保障。要充分考虑我国氢能与燃料电池汽车产业发展特点,多种渠道扩大供给、完善氢能与燃料电池汽车标准体系、提升氢能与燃料电池测试评价能力,形成支撑产业发展的体系化服务能力。

(6)坚持开放中谋发展,不断提升产业发展国际化水平

开展高层次、高水平的国际合作是顺应全球燃料电池产业融合发展潮流、快速提升国际竞争力的重要手段。要进一步整合全球资源、立足全球,牢固树立开放式创新发展理念,通过积极参与国际标准制定、更高水平地做好“引进来”和“走出去”工作,不断提高对接、整合全球资源的能力,以开放促发展、在开放中谋发展。

(7)加强公众宣传教育,凝聚起产业发展的社会共识

提高整个社会对氢能与燃料电池汽车的认同感、接受度,是营造良好的产业发展市场环境的重要一环,也是促进新兴产业发展的重要保障。要鼓励开展多样化的宣传教育及培训活动,大力提升公众对氢能利用和燃料电池汽车的认同感及接受度,树立氢能经济发展理念,努力营造一个创新氛围浓厚、政策条件优越的发展环境。

 

专 题 篇


第二章 世界燃料电池汽车发展

一、日本燃料电池汽车产业已率先迈进量产化发展阶段

日本是一个能源极度匮乏的国家,能源自给率长期以来仅为6%~7%,大约94%的一次能源依赖于化石燃料进口,保障能源安全面临很大挑战。与此同时,为应对气候变化问题,根据其于2016年提交联合国的国家自主贡献预案(NDCs),日本计划到2030年之前,实现温室气体排放量在2013财政年度基础上下降26%的减排目标。综合能源安全、气候变化以及产业发展等多方面因素,日本一直致力于发展燃料电池汽车。根据国际氢能与燃料电池伙伴(IPHE)统计,截止到2018年3月,日本本土共运行了2459辆燃料电池乘用车、6辆燃料电池客车、77辆燃料电池叉车。总的来看,日本已经率先迈上了量产化发展道路。

(一)日本燃料电池汽车技术发展现状

在乘用车和商用车领域,日本的燃料电池汽车技术都走在世界前列。

燃料电池乘用车方面,早在20世纪90年代,丰田、本田、日产等日本汽车企业就不约而同地开展了对燃料电池汽车的研发,并将其确定为企业下一代汽车开发的重要战略方向。[1]目前,丰田、本田开发的燃料电池乘用车已率先迈入量产化阶段。丰田汽车公司经过20多年的技术积累,于2014年推出世界上第一款量产燃料电池汽车——MIRAI(见图2.1)。MIRAI采用丰田最新的燃料电池技术,最高车速达175km/h,能在-30℃的低温顺利启动;搭载两个总容量为5kg、耐压力为70MPa的储氢罐,一次加氢续航里程达700km。此外,MIRAI可通过自带接口,为住宅提供60kWh的电能。目前,MIRAI已销售至全球9个国家和地区。根据丰田计划,其燃料电池汽车的销量到2020年将达3万辆,2025年达30万辆。

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图2.1 丰田MIRAI

本田也一直致力于燃料电池汽车技术的研发,其新开发的FCX Clarity燃料电池汽车(见图2.2),搭载70MPa储氢瓶续航里程可达750km。目前,FCX Clarity已登陆北美和日本本土市场。

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图2.2 本田FCX Clarity

燃料电池商用车方面,丰田推出了燃料电池公交车——SORA(见图2.3),搭载丰田自主研发的燃料电池组、配备10个70MPa储氢瓶,一次加氢续航里程为200km。目前,丰田已向东京市政府交付5辆SORA。此外,丰田还将推出燃料电池卡车Project Portal(2.0)(见图2.4)。Project Portal(2.0)是Project Portal燃料电池卡车Alpha的升级版。其氢燃料的存储容量更大,续航里程也将达到500km。

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图2.3 丰田SORA燃料电池公交车

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图2.4 丰田Project Portal(2.0)燃料电池卡车

在中长期技术发展展望方面,日本新能源产业技术综合开发机构(NEDO)研究提出了2040年燃料电池汽车发展的技术指标。具体如表2.1所示。

表2.1 日本2040年燃料电池汽车技术指标

续航里程(km)

>1000

电堆功率密度(kW/L)

9

单体最大负载时的电池电压(V)

0.85

最大运行温度(℃)

120

成本(年产量500000辆)

燃料电池系统(日元/kW)

2000

电堆(日元/kW)

1000

储氢(日元)

100000

耐久性

乘用车(km)

>150000

大巴车(km)

750000

卡车(km)

1000000

(二)日本燃料电池汽车示范推广情况

2017年12月,日本政府发布了《氢能基本战略》,描绘了从2020年到2050年的发展蓝图。根据该战略,到2020年,日本燃料电池汽车保有量将达到4万辆;到2030年,燃料电池汽车保有量将超过80万辆,同时大力开展对燃料电池卡车的研发;到2050年,燃料电池汽车将替代新增传统燃料油车。在2018年10月日本举办的第一届氢能部长级会议上,会议代表集中探讨了打造氢能可持续发展社会的愿景,达成了协调促进氢能与燃料电池技术和标准法规的发展、促进信息共享、加强国际合作、加强氢能跨领域研究和科普宣传等四个方面的共识。为了实现《氢能基本战略》的目标,日本不断加大燃料电池汽车技术研发投入。2018年,日本经济产业省(METI)在氢能与燃料电池产业研发上的总投入达到2.6亿美元。

在燃料电池技术已达到量产水平的情况下,日本计划以2020年东京奥运会为契机,积极推广燃料电池汽车。丰田将为奥运会提供100辆以上自主研发的燃料电池公交车SORA,东京政府也计划用燃料电池公交车逐步替换传统燃油公交车。此外,预计日本还将投放6000辆燃料电池乘用车用于示范运行。

二、韩国燃料电池汽车产业已步入商业化发展初期阶段

韩国燃料电池汽车的概念最早是在1998年G7峰会中提出来的。在过去20多年中,韩国一直致力于燃料电池汽车的开发。

(一)韩国燃料电池汽车技术发展现状

在燃料电池乘用车方面,现代汽车公司处于世界领先水平。现代早在1998年就着手燃料电池汽车的开发,2000年推出首款圣达菲FCV,2004年推出途胜FCV。途胜FCV搭载的燃料电池电堆均为现代自主研发。此后,现代不断改进电堆材料及工艺,提升燃料电池电堆性能和燃料电池汽车技术,以实现燃料电池汽车关键零部件的自主开发。途胜ix FCV于2010年研发成功,并于2013年实现量产。该车搭载两个70MPa Ⅳ型储氢瓶,可实现-20℃正常启动,一次加氢续航里程达600km。截至目前,途胜ix FCV已推广到全球18个国家。2018年,现代在途胜ix燃料电池汽车的基础上,通过专用平台打造了全新一代NEXO燃料电池汽车(见图2.5)。该车搭载现代自主研发的更高性能的第四代燃料电池系统,配备了两个70MPa、总储氢量5.64kg的储氢瓶,电池系统功率达135kW,续航里程超过800km,技术状态居于全球领先水平。根据其计划,到2022年现代将在全球市场销售1万辆NEXO氢燃料电池汽车。除现代外,起亚也将于2020年推出燃料电池乘用车。

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图2.5 现代新一代燃料电池汽车NEXO

在燃料电池商用车方面,继成功开发了第一代、第二代燃料电池大巴车之后,于2018年2月平昌冬奥会期间,现代推出了第三代燃料电池大巴车,一次加氢的续航里程可达300km。2018年9月19日,现代在德国汉诺威国际商用车展览会(IAA)上推出首款燃料电池概念卡车(见图2.6),并与瑞士H2 Energy公司签署了《关于提供氢燃料电池重卡产品的谅解备忘录》(MOU),计划自2019年开始,在5年时间内向H2 Energy公司提供1000辆氢燃料电池重卡。此外,韩国ProPower、LG化学和世邦电池也已针对燃料电池叉车开展了技术性研发工作,但目前尚未批量生产。

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图2.6 韩国现代燃料电池概念卡车

(二)韩国燃料电池汽车示范推广情况

韩国政府积极开展燃料电池汽车推广工作。截至2018年8月,韩国燃料电池汽车保有量为422辆。韩国政府计划在2018年底新增726辆燃料电池汽车;到2019年新增2000辆燃料电池汽车;到2030年新增63万辆燃料电池汽车,届时燃料电池汽车占韩国新车的比例将达到10%。

韩国政府推行的环保汽车示范项目,促进了燃料电池汽车在首尔、光州、蔚山、昌原、忠清南道等设有加氢站的城市的销售。韩国政府还将加大对燃料电池大巴车的投资力度。目前,中央政府已与首尔、蔚山等5个地方政府合作开展了燃料电池大巴车的示范运行。2018年7月,首尔和蔚山分别有1辆燃料电池公交车开始试运行,预计2019年将有20辆燃料电池公交车在首尔试运行。

除政府的示范推广项目,主要企业也在积极开展推广工作。比如,现代与蔚山市出租车运营商达成协议,自2016年12月至今已有10辆氢燃料出租车正在运行。

三、欧盟大力支持燃料电池汽车技术创新与应用

欧洲主要国家汽车工业基础雄厚,再加上普遍对能源、环境、气候变化等问题非常敏感,因此长期以来对燃料电池技术路线给予了很多关注,也在积极推动示范应用。

(一)欧盟燃料电池汽车技术发展现状

在燃料电池乘用车方面,德国梅赛德斯-奔驰是最早一批开展燃料电池汽车研发的企业。奔驰早在1994年就推出首款燃料电池汽车,其续航里程仅130km。通过20多年的研发和推广,奔驰先后推出多款燃料电池乘用车。2015年,奔驰推出F 015 Luxury in Motion燃料电池概念车,续航里程超过1000km。2017年,奔驰在法兰克福车展上发布首款插电混动版燃料电池车GLC F-Cell(见图2.7)。汽车的续航里程超过400km,电池系统结构更优化,既能通过外界电源充电实现纯电模式行驶,又能通过燃料电池驱动行驶。宝马汽车公司曾推出宝马7系燃料电池高性能车,目前也计划在近年内推出全新燃料电池车型。除此之外,沃尔沃、奥迪也公布了燃料电池汽车研发计划。

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图2.7 奔驰GLC F-Cell燃料电池车

在燃料电池商用车方面,梅赛德斯-奔驰汽车公司在德国汉诺威国际商用车展览会(IAA)上推出了一款燃料电池货车(见图2.8),续航里程达300km。

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图2.8 奔驰燃料电池货车

(二)欧盟燃料电池汽车示范推广情况

欧盟及欧洲各国一直致力于氢能与燃料电池的研发和示范应用。通过一系列项目的开展,欧洲燃料电池汽车现在已经步入市场导入的早期阶段。根据IPHE统计,截止到2018年4月,欧盟共运行大约1000辆燃料电池乘用车、67辆燃料电池大巴车,同时,还有15辆燃料电池垃圾车在签约中。

2008年5月,欧盟委员会、欧洲工业和研究组织共同出台了公私合营的燃料电池与氢能联合行动计划,来支持欧洲氢能与燃料电池的研发、示范与推广应用。

欧洲燃料电池和氢能公共事业组织(FCH JU)致力于支持燃料电池汽车的五个项目,包括CHIC项目(Clean Hydrogen in European Cities,2010~2016年)、High V.Lo-city项目(Cities Speeding up the Integration of Hydrogen Buses,2012~2019年)、Hytransit项目(European Hydrogen Transit Buses,2013~2018年)、3Emotion项目(Environmentally Friendly,Efficient Electric Motion,2015~2019年)和JIVE项目(Joint Initiative for Hydrogen Vehicles across Europe,2017~2020年)。

CHIC项目(2010~2016年)是在欧盟第七研发框架计划(FP7)的支持下进行的,项目总预算约为8190万欧元,旨在推动零排放燃料电池公交车的商业化运行。该项目在欧洲多个城市,如瑞士阿尔高州、意大利博尔扎诺、英国伦敦、意大利米兰、挪威奥斯陆、德国科隆和汉堡等示范运行54辆燃料电池公交车。该项目的成功运行,展示了燃料电池公交车对建设低碳化、低噪音化的清洁环保型城市所起的关键作用。

High V.Lo-city项目(2012~2019年)于欧盟第七研发框架计划(FP7)的支持下进行,项目总预算约为2920万欧元。该项目通过在英国苏格兰、意大利利古里亚、比利时弗兰德斯和荷兰格罗宁根运行14辆燃料电池公交车,展示新一代燃料电池技术和运行效率,从而推动燃料电池公交车商业化运行。

Hytransit项目(2013~2018年)于欧盟第七研发框架计划(FP7)的支持下进行,项目总预算约为1770万欧元。该项目在苏格兰等地运行约20辆燃料电池公交车。

3Emotion项目(2015~2019年)于欧盟第七研发框架计划(FP7)的支持下进行,项目总预算约为4190万欧元。该项目在伦敦、罗马、佛兰德斯、鹿特丹和瑟堡五大城市运行27辆燃料电池公交车。

JIVE项目(2017~2020年)总预算为1.06亿欧元,将通过部署140辆燃料电池公交车,在意大利、英国、德国、拉脱维亚和丹麦等地的9个城市进行示范运行,为商业化铺平道路。该项目将在燃料电池大巴车的运行及维护、加氢等方面积累经验。而后续项目JIVE 2,提出更加雄心勃勃的目标,即在欧洲部署约152辆燃料电池巴士。

目前,该一揽子计划已进行到第二期(2014~2020年),总经费超过13.3亿欧元。第六个项目JIVE 2(2018~2023年)正在洽谈中。

除欧盟层面外,一些国家也在积极开展示范应用。比如,法国在2018年6月推出了“氢能计划”,提出到2023年推广5000辆轻型商用车、200辆重型卡车;到2028年,推广2万辆以上轻型商用车和800辆以上重型卡车。挪威计划至2023年引进1000辆燃料电池重卡。

四、中国燃料电池汽车示范应用取得突破性进展

中国燃料电池汽车发展起步相对较晚,但近年来发展势头强劲。特别值得指出的是,作为全球最大的汽车市场,中国发展燃料电池汽车具有很多独特优势,在示范应用方面也取得了不少突破。

(一)中国燃料电池汽车技术发展现状

基于我国燃料电池汽车发展现状、基础设施发展现状及成本考虑,我国燃料电池汽车的发展路径为:通过发展燃料电池商用车,实现规模化以降低燃料电池及氢气成本,再拓展到乘用车领域。近年来,我国燃料电池商用车得到较大发展,根据中汽中心、工信部统计数据,2017年我国共运行约1270辆燃料电池汽车,其中约990辆燃料电池巴士,约280辆燃料电池乘用车。

在燃料电池巴士方面,经过十几年的研发投入,我国燃料电池技术日益成熟,以福田欧辉、郑州宇通、佛山飞驰等为代表的燃料电池客车正逐步市场化。福田欧辉作为中国燃料电池商用车的龙头企业,已完成三代车型的开发,并逐步实现商业化运营(见图2.9)。福田欧辉的第三代燃料电池客车,可实现在-20℃低温启动,续航里程也提高到500km。2016年福田欧辉燃料电池客车获得全球首个100辆级的订单,实现了商业化运行。宇通客车作为中国最早研发燃料电池巴士的整车企业之一,通过多年的技术积累,于2016年开发出第三代燃料电池巴士,目前正在开发第四代燃料电池巴士技术,规划从2018年到2020年实现燃料电池巴士的小规模示范运行。

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图2.9 福田欧辉三代燃料电池客车发展历程及整车关键参数

在燃料电池物流车方面,我国也有多年的技术积淀,目前已具备商业化发展条件。北汽福田早在2013年就启动了燃料电池增程式物流车项目,2017年又启动了全新平台的燃料电池环卫车项目。上汽大通于2017年广州车展上正式展出燃料电池货车FCV80(见表2.1)。FCV80搭载上汽集团自主研发的燃料电池电堆系统,使用便利性可媲美传统燃油商用车,目前已获得100辆的订单。除此之外,东风汽车和青年汽车开发的燃料电池物流车也均已进入营运阶段。

表2.2 上汽大通FCV80燃料电池系统性能参数

分类

数值

燃料电池系统额定功率(kW)

30

工作温度范围(℃)

-10~80

氢瓶压力(MPa)

35

氢瓶容积(L)

100×2

综合工况下续航里程(km)

305

但受技术积累、加氢基础设施建设、使用成本等多种因素的限制,我国燃料电池乘用车发展较为缓慢,代表性产品也比较少。上汽先后推出荣威750和荣威950燃料电池乘用车。目前,荣威950已投放市场用于分时租赁,其搭载两个耐压力为70MPa的储氢罐,储氢量为4.2kg,一次加氢最大续驶里程达400km,能实现在-20℃的温度下启动。除上汽之外,奇瑞、吉利、一汽等整车企业也纷纷布局燃料电池乘用车。

(二)中国燃料电池汽车示范推广情况

近年来,在多方的共同努力下,我国燃料电池汽车示范推广工作进展很快。2017年,我国已开展多个燃料电池汽车示范运行项目,几乎集中在燃料电池商用车领域,全国运营数量已达1000辆。

上海市于2018年完成我国首批500辆燃料电池物流车的示范推广运营工作。2018年9月,上海首条燃料电池公交专线正式开通,还将有6辆燃料电池公交车投入运行。同时,上海市发布的《上海市燃料电池汽车发展规划》中明确提出上海将在2020年积极推动燃料电池公交、物流等车辆试点工作,实现3000辆运行规模。广东省云浮市于2017年11月开通全国首条氢燃料电池公交车示范线,全国首批量产的氢燃料电池公交车2017年已在广东云浮、佛山两地投入试运营。河北张家口已开通两条燃料电池公交路线,并引入49辆燃料电池公交车进行示范运行,还将新增25辆燃料电池公交车。2018年9月,郑州市首批两辆氢燃料电池公交车投入运行,到10月底,郑州市燃料电池公交车将达20辆。

此外,自2003年至2011年,由全球环境基金(GEF)和联合国开发计划署(UNDP)共同支持的“中国燃料电池公共汽车商业化示范项目”,已分别在北京、上海实施两期。2016年8月,第三期项目在上海正式启动,项目将在北京、上海、郑州、盐城、如皋、常熟、佛山示范运行119辆燃料电池汽车。江苏如皋当选为联合国开发计划署“氢经济示范城市”,在氢经济示范领域也将承担举足轻重的作用。

与此同时,在企业推广层面,近年来物流企业开始重视对燃料电池汽车的商业化推广。京东、申通等物流公司开始试用燃料电池物流车,其中京东经过数月试运行,最终在上海投入超过150辆燃料电池物流车进行正式日常运营,燃料电池汽车在物流产业的规模化应用已初见成效。

附:“氢经济示范城市”项目助推如皋氢能产业发展实践

如皋自2010年底开始积极对接国家新能源产业发展战略,结合已有的新能源汽车及零部件产业基础,着力布局氢能产业。如皋市政府积极出台多项支持政策,积极参与研究并推动制定了《如皋市扶持氢能产业发展实施意见》,进一步明确了如皋氢能产业中远期发展规划,细化落实了一系列激励政策,积极整合政策、技术、资金和产业链各方资源,推动产业发展呈现良好局面。

经过近10年的发展,如皋目前已经是全国涉足氢能产业最早、企业集聚度最高、氢能产业链建设最全的地区之一。如皋目前已拥有百应能源、安思卓、江苏清能、国家能源集团、势加透博等10余家氢能企业,产品覆盖了制氢加氢设备、膜电极、燃料电池电堆系统、燃料电池汽车等多个环节,一条制储运氢、加氢、燃料电池研发生产、燃料电池汽车开发制造、氢能产品示范应用“五位一体”的氢能产业链已初步形成。

一是产业化基础扎实。如皋着力发展氢能及新能源汽车产业,在燃料电池及汽车研发、加氢基础设施建设等方面,都已取得突破性成就。在燃料电池汽车研发生产方面,如皋已先后研发生产3辆氢燃料电池大巴、500辆氢燃料电池物流车并投放市场,目前仍有10辆氢燃料电池大巴在生产中,可于2018年底前完成交付。在燃料电池方面,如皋已培育了一批达到国内先进水平的燃料电池生产企业。百应能源掌握了从膜电极生产、电堆组装、系统集成到整车匹配的全产业链核心技术,并建成近2万台(套)车用燃料电池生产线;江苏清能完成了催化剂、膜电极、双极板等燃料电池核心材料的国产化开发,已成功应用于中车、东风、厦门金旅等多款公告车型,开始规模化推广。在加氢基础设施建设方面,安思卓新能源是全球首个能将不稳定的可再生能源高效转化为氢能并进行存储再利用的企业,已在四川、甘肃等地合作开展了水电、风电制氢项目;势加透博科技有限公司成功研发了“气悬浮燃料电池空压机”,可覆盖30~110kW燃料电池系统需求,技术指标达到国际领先水平;国家能源集团如皋加氢站是由国家能源集团投资建设的加氢站示范标杆项目,设计日加氢能力达1000kg,是国内首个35MPa/70MPa双模国际标准、行政审批完备、全天候24小时运营的商业加氢站。

二是应用示范全面开展。氢经济繁荣的前提是氢能市场的兴起、氢能产品的大规模商业化应用。但当前消费者对于氢能产品的认知度、认可度极低,需要政府层面积极开展示范应用,推动消费市场早日形成。2016年,联合国开发计划署将全国首个也是唯一一个“氢经济示范城市”项目落户如皋,先后开展了如皋氢能发展路线图研究、氢能与燃料电池汽车产业发展报告研究、长三角氢走廊建设规划研究、可再生能源制氢可行性研究、燃料电池汽车回收利用管理制度研究等超前规划的理论研究,开展了国际氢能与燃料电池汽车大会、长三角燃料电池汽车科普巡游等推广及科普性质的行业活动。还围绕氢燃料电池开展了一系列氢能产品示范应用,包括氢燃料电池汽车示范运营,2018年6月由百应能源和青年汽车联合研发生产的首批3辆氢燃料电池大巴正式上线运营,如皋成为全国首个开通氢燃料电池公交线路的县级城市,待国家能源集团如皋加氢站正式投入运营后,还将增加10辆燃料电池大巴投入运营。与汽车文化馆开展了燃料电池分布式发电示范应用,馆内部分照明用电取自燃料电池发电;与移动运营公司和市博爱医院开展的燃料电池应急备电示范项目也在推进中。

三是载体平台持续完善。产业的良性发展离不开优质载体平台的支撑。近两年来,如皋围绕氢能全产业链,强化载体平台建设。2018年7月,成功推动“氢能小镇”获批省第二批特色小镇,目标是以氢能为主轴,构建一个集研发、生产、检测、应用、推广于一体的创新创业生态体系,真正高标准、高质量建设出一个生产、生活、生态融合发展、可看可感的氢能产业示范区,努力打造国内首个氢能社会雏形。在“氢能小镇”综合平台的基础上,如皋还进一步强化各功能平台的搭建,对接上海机动车检测认证技术研究中心,共建“国家级氢燃料电池汽车研究检测中心”,为氢能发展提供检测认证、技术研究和标准服务等支撑;积极对接江苏省汽车工程协会,发起成立“江苏省氢能及燃料电池汽车产业创新联盟”;另外,“氢能与燃料电池产业研究院”“中化能源(如皋)国际氢能与燃料电池科技创新中心”等多个创新孵化载体平台也在稳步推进中。

四是行业影响力爆发式增长。近两年来,如皋积极参与并组织筹办各类氢能产业活动,获得了极大的关注度,在氢能领域影响力爆发式增长。先后组织召开“中国氢能产业发展·如皋峰会”,参加国际零碳公交大会,承办全国燃料电池标准化委员会第一次工作会议;2017年、2018年先后承办第二届、第三届“国际氢能与燃料电池汽车大会”,第三届大会共吸引了来自欧洲、美洲、亚洲等20多个国家2636名代表踊跃参会,同期的“氢燃料电池汽车及零部件展”更是吸引了8000余人次参观。“国际氢能与燃料电池汽车大会”永久会址也正式落户如皋,与如皋氢经济深度融合。

五是区域性产业合作显著加强。随着如皋对外交通格局的全面打开,经开区在“种好自家责任田”的同时,将目光投向周边区域。积极联合中国汽车工程学会及上海、南通、盐城等地政府,策划并推动“长三角燃料电池汽车科普巡游”活动、“长三角氢走廊建设发展规划”和“长三角氢经济一体化规划”,目标是以长三角地区高速公路网络为纽带,推动氢基础设施建设,以实现长三角地区氢燃料电池汽车的互联互通,打造更加完善的氢经济应用环境,为长三角氢经济一体化奠定基础。计划到2020年实现带状联动,到2025年实现网状联动,到2030年实现全面覆盖。

 

第三章 世界燃料电池系统发展

一、膜电极技术已取得突破性进展

燃料电池膜电极(Membrane Electrode Assembly,MEA)是燃料电池电堆的核心零部件,是燃料电池发生电化学反应的场所,其性能直接决定着燃料电池的发电能力及寿命。

MEA通常由质子交换膜、阴-阳极催化层、阴-阳极气体扩散层等五层组成。为了便于膜电极在电堆中的密封,有时也会在膜电极非活性区域加入两层保护层,称为七层MEA。根据MEA的结构,大致可将MEA技术分为三种,分别为GDE(Gas Diffusion Electrode)、CCM(Catalyst Coated Membrane)和有序化MEA。

GDE技术是最早进入产业化应用的,即将催化剂配制成墨水状浆料,直接涂覆到气体扩散层上,然后再与质子交换膜组装成MEA。此类MEA的特点是催化层较厚,多选用疏水剂如PTFE作为粘结剂,因此MEA催化层内传质较快,但同时催化层质子传导能力较差,催化剂利用率不高,使用的催化剂量较大。因此,也有通过加入Nafion作为粘结剂来改善该问题的尝试。

CCM技术是当前应用最为广泛的,即催化剂直接或间接涂覆在质子交换膜上,形成膜-催化层三合一整体,然后与气体扩散层组装成MEA。此类MEA的特点是催化层多用离子树脂如Nafion溶液作为粘结剂,且催化层很薄,仅为5μm左右。因此,相比GDE技术,其单位面积贵金属用量较低,离子传导能力强,催化层与质子交换膜之间的接触电阻也较小,但对气体扩散层的水管理要求较高,容易造成水淹,导致浓差极化。

有序化MEA是当前正在开发的一种新型MEA,其催化层中的催化剂或载体呈矩阵有序化排列,最大特点是催化层有序化,水气传质更加容易,催化剂利用率大幅提高,因此单位面积用贵金属量可以大幅减少。如美国3M公司开发的纳米结构薄膜(NSTF)有序化MEA的贵金属用量已可降至0.102mg/cm2[1],但目前还没有实现大规模产业化,离实际应用有一定距离。

表3.1 不同MEA技术对比

类别

GDE

CCM

有序化MEA

电极结构

催化剂涂覆在气体扩散层上,催化层一般

催化剂涂敷在质子交换膜上

催化层中的催化剂或载体呈有序化排列

Pt用量

0.8mg/cm²

0.2~0.8mg/cm²

可低至0.102mg/cm²

制造工艺

可卷到卷批量制造

可卷到卷批量制造

真空溅射等方式小批量制造

优势

稳定性较好;易批量制备,制造费用较低

Pt用量较低;性能好;易批量制备

Pt用量低;性能好

劣势

阻抗大,性能较差;Pt用量高

稳定性较差;制造成本较高

水管理要求高,不易批量制备,制造费用高

技术状态

产业化

产业化

实验室

代表厂商

Ballard

W.L.Gore;Johnson Mallhey

3M

过去数十年里,MEA技术已经取得巨大突破。贵金属用量已从20世纪80年代的8mg/cm2下降至如今的0.102mg/cm2,同时MEA性能和寿命还有了很大程度的提升。目前,国际上MEA技术研究的重点仍然集中在性能、寿命以及成本上。根据车用燃料电池系统的发展目标,美国能源部制定了相应的MEA技术指标,并希望到2020年膜电极可以达到完全商业化应用的水平。目前来看,MEA技术已非常接近燃料电池车用目标,与美国能源部最终目标的差距已经非常小,尤其是电输出性能和贵金属用量方面都已经达到目标。差距主要是在寿命方面,已实车运行的最好车队平均寿命超过4100小时,离5000小时的目标相差无几。相关技术指标如表3.2所示。

表3.2 美国能源部MEA技术指标与现状

特性

单位

2017年状态

2020年目标

成本(50万台/年)

$/KW

17①

14

循环寿命

Hours

4100②

5000

启停寿命

Cycles

-

5000

性能@0.8V

mA/cm²

300

300

性能@额定功率(150kpa)

mW/cm²

1000

1000

鲁棒性(冷操作)

V30℃/V80℃@1A/cm²

0.83

0.7

鲁棒性(热操作)

V90℃/V80℃@1A/cm²

0.79

0.7

鲁棒性(冷瞬态)

V30℃ Transi/V80℃Steady@1A/cm²

1

0.7

贵金属载量(整个电极)

g/KW(额定功率)

0.125

≤0.125

注:1、U. S. Department of Energy Hydrogen and Fuel Cells Program, Record 11007: FuelCell System Cost - 2017, http: // www. hydrogen. energy. gov/ program_ records. html, 2017.

2、 U. S. Department of Energy Hydrogen and Fuel Cells Program, . Record 16019: On-Road Fuel Cell Stack Durability - 2016, http: // www. hydrogen. energy. gov/ program _records. html, 2016.

目前,国际上主要的MEA供应商有美国W.L.Gore、美国3M、英国Johnson Matthey、日本Greenerity、日本旭硝子等公司,而其他如Ballard、丰田等企业则自主开发MEA供本企业使用。多数国际MEA供应商已具备连续化批量生产能力,产能最大可达每年数万平方米。

目前,在国际市场上销售的MEA主要采用CCM技术,其Pt用量一般在0.3~0.8mg/cm2,额定功率密度可达1W/cm2以上,预期寿命可达5000小时,基本可以满足MEA商业化需求。但MEA要满足燃料电池汽车商业化需求,除了面临成本和寿命等技术问题外,更面临着缺乏低成本大规模制备工艺以及高水平质量控制体系的难题。为此,美国能源部在燃料电池专项中专门设立了制造子项,开发燃料电池MEA制备工艺和质量控制技术,在低成本大规模MEA制备工艺、MEA在线检测技术和设备等方面取得了重大进展。

近年来,国内燃料电池MEA的开发也取得了较大进展。中国科学院大连化学物理研究所、武汉理工大学等在国家“863”项目的支持下进行了基于GDE和CCM技术的低成本、高性能MEA研究,国内MEA技术可实现Pt载量0.3mg/cm2,功率密度1400mW/cm2,单电池MEA寿命超过5600小时,与国际先进水平相当。但我国在有序化MEA研究方面起步较晚,“十二五”时期的“973”项目中才开始设置课题,由武汉理工大学具体承担并进行探索研究。近年来,大连化学物理研究所、清华大学等单位也在有序化膜电极方面进行了探索性开发,如纳米阵列有序化电极、质子导体有序化催化层等。

在MEA产业化方面,国内已有少数几家企业具备产业化能力。比如,2006年成立的武汉理工新能源有限公司,是国内最大的MEA供应商,也是国内膜电极产销达到百万片级规模的企业,其产品技术和产业化水平与国际先进水平相当。目前,该企业基于CCM技术的MEA产品已大批量出口国际市场,主要应用于燃料电池叉车、燃料电池商用车,此外,大连新源动力也自主生产膜电极用于其电堆产品,为上汽燃料电池发动机配套。近两年,国内有越来越多的新膜电极企业开始涌现,如昆山桑莱特、苏州擎动、广州鸿基创能等均开始进行膜电极的产业化开发。

(一)质子交换膜

质子交换膜是一种高分子固态电解质材料,作为燃料电池的关键材料,其性能直接影响燃料电池的稳定性和耐久性。

根据成分组成可以将质子交换膜分为:全氟磺酸质子交换膜、部分氟化质子交换膜、无氟化质子交换膜和复合质子交换膜,各自的特点如表3.3所示。其中,全氟磺酸质子交换膜是已经商业化的燃料电池隔膜材料,也是目前世界上质子交换膜的主流,这是由于全氟磺酸聚合物分子链上的亲水性磺酸基团具有优良的氢离子传导特性,并且全氟磺酸聚合物具有聚四氟乙烯结构,其碳-氟键的键能高,使其力学性能、化学稳定性和耐久性优异,综合性能高于其他膜材料。

表3.3 各种质子交换膜的特点

质子交换膜类型

成分组成

优点

缺点

全氟磺酸质子交换膜

由碳氟主链和带有磺酸基团的醚支链构成

机械强度高,化学稳定性好,导电率较高,低温时电流密度大,质子传导电阻小

温度升高使质子传导性能变差,高温易发生化学降解,成本高

部分氟化质子交换膜

用取代的氟化物代替氟树脂,或用氟化物与无机或其他非氟化物共混

成本低、工作效率较高,并且能使电池寿命提升到15000小时

机械强度及化学稳定性较差

无氟化质子交换膜

无氟化类聚合物膜

成本低、环境污染小

化学稳定性较弱

复合质子交换膜

修饰材料和全氟磺酸树脂构成的复合膜

机械性能改善,改善膜内水传动与分布,降低质子交换膜内阻

制备技术要求高

部分氟化质子交换膜和无氟化质子交换膜具有工艺简单、成本低等优势,可以降低质子交换膜价格,也是目前商业化产品开发的方向。但是现阶段物理化学稳定性相对较差,需要比较苛刻的工作环境,限制了其应用推广。

复合质子交换膜是以全氟磺酸膜为基础进一步优化后的产品,主要包括机械增强型质子交换膜、高温质子交换膜及自增湿型质子交换膜。

现已商业化的复合膜主要是机械增强型质子交换膜。机械增强型质子交换膜是在全氟磺酸树脂中加入PTFE或玻璃纤维作为修饰材料,制备得到PTFE/全氟磺酸和玻璃纤维/全氟磺酸复合膜。在保证自身机械强度和稳定性的同时,大幅度降低了质子交换膜的厚度,生产过程中的材料成本也随之得到降低,并且复合结构还可以改善膜内水分含量与传递,进而减小了质子交换膜的电阻,提高燃料电池整体性能。因此,增强型质子交换膜是现在的商业产品,特别是车用质子交换膜的着重发展方向。比如美国Gore公司的Gore-Select增强型质子交换膜,就是由其自主开发的工程膨体聚四氟乙烯(ePTFE)材料结合全氟磺酸树脂制备。与传统Nafion膜相比,该膜厚度、脱水收缩率大幅度降低,湿态强度明显提升,虽然由于加入了增强层,Gore-Select膜内离子聚合物含量有所下降,导致该膜室温下质子传导率变低,但由于膜厚的降低使其获得比Nafion膜更低的电阻,综合性能的提升使得现在Gore公司的Select复合膜广泛应用于商业燃料电池。

此外,高温质子交换膜及自增湿型质子交换膜也是研究的热点。高温质子交换膜修饰材料一般为高沸点无机酸或杂多酸,能够解决高温下普通全氟磺酸膜含水量急剧下降造成导电性大幅降低以及化学稳定性不够导致膜的机械强度下降的缺点。而自增湿型质子交换膜修饰材料一般为亲水氧化物,保证低湿度条件下质子交换膜的水含量。

1.国外质子交换膜技术与产业化发展现状

全球质子交换膜的技术发展和供应趋势主要表现为:均质膜向复合膜发展,向低膜厚度发展,向高离子交换当量发展。

目前,全球生产全氟磺酸膜的企业主要有美国Chemours、Dow Chemical、3M和Gore,加拿大的Ballard,日本的旭化成、旭硝子,比利时的Solvay,主要产品如表3.4所示。现阶段,Gore在全球质子交换膜供应领域中处于领先地位。Gore-Select系列质子交换膜性能优异,也得到行业内的广泛认可。近几年来,现场放置的大部分公用固定设备质子交换膜燃料电池演示和商业系统采用的主要是Gore公司的产品,丰田Mirai、本田Clarity和现代ix35均采用Gore的Select系列质子交换膜。

表3.4 全球质子交换膜企业与产品

企业

国家

产品

Gore

美国

Select系列

Chemours

美国

Nafion系列

Dow Chemical

美国

Xus-B204

3M

美国

3M

Ballard

加拿大

BAM系列

旭化成

日本

Alciplex系列

旭硝子

日本

Flemion系列

Solvay

比利时

Solvay系列

资料来源:根据公开资料整理。

自美国杜邦公司于20世纪60年代发明全氟磺酸树脂以来,商业化质子交换膜产品不断革新。质子交换膜的厚度不断降低,比较典型的例如Chemours的第一代产品Nafion117膜、Nafion115膜厚度为178μm、127μm,其后逐步发展到第二代产品如Nafion212膜、Nafion211膜,膜厚度降低到50μm、25μm,再到如今Gore的Select系列ePTFE增强复合质子交换膜,膜厚度达到15μm,最薄可达到10μm。与此同时,全氟磺酸的离子交换当量不断提高,早期Nafion117膜的EW值为1100,3M最新的全氟磺酸产品EW值最低达到700。

2.国内质子交换膜技术与产业化发展现状

我国质子交换膜技术近年来发展迅速。在技术研发方面,大连化学物理研究所和武汉理工大学都在积极研发复合膜技术。在产业化方面,亚洲最大的氟化工企业山东东岳联合上海交通大学实现了复合膜的产业化。近年来开发的DF260膜性能出色,具备规模化生产能力,其采用的ePTFE增强复合膜结构,厚度达到15μm,在OCV情况下耐久性大于600小时;膜运行时间达到6000小时;在干湿循环和机械稳定性方面,循环次数超过2万次。该膜技术已经成熟并已定型量产,二代规划产能20万m2。但总体而言,国内质子交换膜的开发大多还是处于实验室阶段,商业产品与Gore-Select为代表的国际一流产品在综合性能上还存在一定差距。

(二)催化剂

质子交换膜氢燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)是通过电化学反应将化学能直接转化为电能的装置,促使阴阳两极发生电化学反应的即为燃料电池电催化剂。燃料电池电催化剂的作用是降低反应的活化能,提高氢和氧在电极上的氧化还原反应速率。电催化剂是氢燃料电池内部关键材料之一,直接决定着电池的输出能力与稳定性。

贵金属材料Pt系材料因为具有良好的分子吸附解离行为,以及对电极上氧化还原反应具有较低的过电势和较高的催化活性,成为最常用的燃料电池催化材料。目前,丰田公司Pt/C催化剂的质量比活性达到0.16 A/mg,Pt担载量进一步下降到0.4mg/cm2。随着燃料电池汽车的进一步应用和普及,燃料电池用Pt的总量将迅速增加,但全球已探明的Pt资源量仅为2.8万吨左右。在燃料电池领域,通过Pt回收可解决部分Pt需求,低Pt化和无Pt化将成为未来燃料电池催化剂的研发趋势(见表3.5)。

表3.5 催化剂2015年性能现状及2020年目标

名称

单位

2015年现状

2020年目标

铂族金属总含量(两电极)

g/kW

0.16

0.125

铂族金属总负载(两电极)

mg/cm2

0.13

0.125

质量比活性

A/mg

>0.5

0.44

初始催化活性的损失

%

66

<40

在0.8A/cm2时的损失

mv

13

<30

电催化剂稳定性

%

41

<40

在1.5A/cm2时的损失

mv

65

<30

无铂族金属催化剂活性

A/cm2

0.016

>0.044

资料来源:DOE国全证券研究所。

为降低Pt在膜电极上的担载量,美国能源部(DOE)提出0.125g/kW的指标。对于纯Pt,由于其d键中心靠近费米能级,中间产物如OHads在Pt表面具有较强的吸附能力,导致催化活性位减少,因此需要提高Pt原子的利用率。目前,较普遍的方法是采用其他金属原子(如Fe、Cr、Co、Ni、Cu等)元素掺杂改变催化剂中Pt的原子间距,使Pt的d键中心发生偏移,形成Pt基双金属(或三金属)催化剂,通过改变Pt原子的电子结构提高Pt的利用率和对氧还原的催化活性。Pt基合金或核(M)壳(Pt)催化剂电催化活性可达Pt/C的4倍,如PtCo、PtNi等催化剂。例如美国通用汽车公司(GM)研发的PtNi、PtCo去合金催化剂具有较高的氧还原质量比活性,PtNi为0.75A/mgPt、PtCo为0.6A/mgPt,超过了2017年DOE的质量比活性指标0.44 A/mgPt。而且,这两种催化剂也达到了电位循环稳定性要求的指标,在3万圈电位循环后,其质量比活性大于0.26 A/mgPt。美国3M公司合成了阵列导电纤维/PtCoMn核-壳结构催化剂,成功将铂载量降至0.15 mg/cm2(0.19g/kW)。尽管上述研究的Pt基催化剂的催化性能优异,但其批量化生产还未实现,仍需要进一步研究。

1.国外氢燃料电池催化剂技术与产业化发展现状

国外企业在产业化方面处于领先地位,已经能够实现批量化生产,而且性能稳定。目前,较为成熟的燃料电池催化剂仍是Pt/C,部分Pt基合金催化剂开始试用。Pt/C催化剂的国外主流供应商为日本田中贵金属和英国庄信万丰(Johnson Matthey)。日本田中贵金属开发出来的具有优异性能和耐久性的Pt/C催化剂已经应用于本田燃料电池车Clarity,在燃料电池催化剂国际市场中份额占据首位。另外,由其开发的PtCo/C催化剂也开始在燃料电池车上试运行,具体性能还未见公开报道。庄信万丰自20世纪90年代就开始研究燃料电池及各部件,2000年成立燃料电池材料公司,开发产品包括Pt/C、PtRu催化剂以及Pt黑等产品,主要用于氢和甲醇燃料电池。根据DOE数据,目前丰田Mirai燃料电池催化剂Pt含量达到0.175g/kW,本田FCV燃料电池催化剂Pt含量降至0.125g/kW。其他国际贵金属企业如美国E-TEK、德国BASF、比利时Umicore等虽然已开始燃料电池催化剂的产业化布局,但均未实现大规模的生产和销售。

2.国内氢燃料电池催化剂技术与产业化发展现状

与国外相比,国内燃料电池催化剂技术尚处于实验室研制及开发阶段,还未形成有竞争力的产业化产品,大部分产品需求依赖进口。近几年,国内部分企业已经开始燃料电池催化剂的产业化布局。云南贵金属集团与上汽集团联合攻关,积极实现国产催化剂的开发和大批量产业化。目前开发的燃料电池阳极和阴极材料全系列Pt含量的Pt/C催化剂(30%~70%)性能达到国际同类产品先进水平,正在研发的PtCo/C、PtNi/C和PtRu/C系列新型合金催化剂核心制备工艺已经获得突破,性能优异,短期内将有望实现产业化。武汉喜玛拉雅光电科技股份有限公司与清华大学签订技术成果转让合同,并成立了清华喜玛拉雅燃料电池产业化基地,在燃料电池催化剂领域攻克了燃料电池催化剂量产技术,Pt/C催化剂主要包括40wt%、50wt%、60wt%、70wt%几种规格,产能达到1200g/天的规模,并具备大规模工业化生产条件。其催化剂极化性能达到进口JM 70% Pt/C催化剂同等水平;膜电极功率密度可达1.2W/cm2。苏州擎动科技有限公司采用高度石墨化的碳纳米管作为载体所制备的铂八面体三元合金催化剂,其催化质量比活性可达传统Pt/C的4倍以上;优异的耐久性能在20000圈循环后活性仅下降40%;目前尚未大批量生产。昆山桑莱特新能源科技有限公司也在大力开发不同Pt含量的Pt/C和PtRu/C催化剂。

3.未来燃料电池催化剂的技术发展趋势

考虑到铂金的昂贵和稀有,燃料电池催化剂研发及产业化的发展趋势之一是最大限度地降低Pt用量。Pt用量已从10年前的0.8~1.0g/kW降至目前的0.3~0.5g/kW,近期目标是2020年Pt用量降至0.1g/kW左右,并且希望能进一步降低至传统内燃机尾气净化器贵金属用量水平(<0.05g/kW)。降低质子交换膜燃料电池Pt用量,除了提高催化剂的催化活性之外,还可以寻找替代Pt的催化剂。这方面未来主要的研究方向是Pt单原子层催化剂、Pt合金催化剂、Pt核壳结构催化剂、形貌可控的Pt合金催化剂,以及非Pt催化剂替代,包括钯基催化剂和非贵金属催化剂(见表3.6)。

表3.6 未来催化剂发展方向及趋势

名称

定义

优点

举例

Pt-单原子层催化剂

Pt单原子层的核壳结构催化剂

是一种有效降低Pt用量,提高Pt利用率,同时改善催化剂的ORR性能的方式

在金属(Au、Pd、Ir、Ru、Rh等)或非金属表面欠电位沉积一层Cu原子层,然后置换成致密的Pt单原子层

Pt-M合金催化剂

Pt与过渡金属合金催化剂

通过过渡金属催化剂时Pt的电子与几何效应,在提高稳定性的同时,质量比活性也有所提高,同时降低了贵金属的用量,使催化剂的成本大幅降低

如PtCo/C、PtPd/C、PtNi/C等二元合金催化剂

Pt核壳催化剂

利用非Pt材料为支撑核、表面贵金属为壳的结构

可降低Pt用量,提高质量比活性,是下一代催化剂的发展方向

化学还原制备PtCo合金,利用脱合金(de-alloyde)方法制备的PtCo/C核壳电催化剂,质量比活性可达Pt/C的4倍

形貌可控的Pt-M催化剂

控制活性组成的为一定形貌的结构

提高活性组成的原子利用率

如PtNi单晶八面体结构催化剂,活性可以提高到Pt/C的10倍以上

Pt纳米管电催化剂

有序碳层上的单晶Pt纳米线、规则Pt纳米晶等

对氧化还原具有较高的比活性,且解决了关于碳载体的耐久性问题,对于铂溶解和膜化学侵蚀的损耗更小

3M纳米薄膜催化剂(NSTF)

非贵金属催化剂

主要包括过渡金属原子蔟合物、过渡金属螯合物、过渡金属氮化物等

降低成本

如碳载氮协同铁电催化剂Fe/N/C,在电压不小于0.9V时,与Pt载量为0.4mg/cm2的Gore电极性能相当

另外,催化剂也需要进一步提高稳定性和寿命。通过燃料电池衰减机理分析可知,燃料电池在车辆运行工况下,催化剂会发生衰减,如在动电位作用下会发生Pt纳米颗粒的团聚、迁移、流失,在开路、怠速及启停过程中产生氢空界面引起的高电位导致催化剂碳载体的腐蚀,从而引起催化剂流失。

4.针对燃料电池催化剂快速国产化的建议

我国要快速实现燃料电池催化剂的国产化,目前需要解决的关键问题是催化剂的寿命和制备成本的控制。

第一,针对新能源燃料电池核心关键材料制备工艺的产业化和工程化问题,适当给予政策扶持及一定的资金支持,降低企业科研成本,加快国产材料的产业化进程。

第二,加快建立燃料电池电催化剂的测试方法标准和质量评价体系,在相同条件下评判催化剂的性能和一致性。

第三,加强催化剂贵金属铂资源的回收再利用和闭环产业链,降低市场应用成本,保障Pt资源对燃料电池产业的支撑作用。

(三)气体扩散层

1.国外气体扩散层技术与产业化发展现状

目前,在PEMFC中,用碳纤维纸上载碳粉作为微孔层的扩散层是应用最广泛的。市场上生产碳纸及气体扩散层的企业主要来自美国、日本、加拿大、德国和韩国,主要供应商为日本东丽公司、德国SGL、加拿大Ballard、韩国JNTG和德国Freudenberg。

气体扩散层的技术发展趋势主要表现为三个方面。一是降低GDL的厚度,主要是降低基体碳纸的厚度,以提高气体扩散能力,减少电池在高电流密度下的传质问题,提高电池的功率密度。碳纸已由原来的200μm降至100μm左右,目前使用较广泛的东丽碳纸是190μm厚,东丽公司也开发出150μm到100μm厚的碳纸。二是在生产工艺上将片材生产转变为卷材生产,就生产工艺而言,提高材料的生产效率。目前,日本东丽、德国SGL都能大批量供应性能可靠稳定的产品。其中德国SGL的气体扩散层具有很薄的基体层,其微孔层表面有很明显的裂纹,可以提升气体的透过率,使用其组装的电池和电堆都获得很高的输出功率,该气体扩散层在国际上也获得了较高的认可度。SGL集团与韩国现代汽车在燃料电池领域延长了合作,并签订了相关的供应合同。根据合同,SGL集团将向韩国现代汽车提供用于现代新型NEXO汽车的SIGRACET®气体扩散层。三是由于微孔层的加入实现了气体和水在流场和催化层中间的再分配,微孔层对提高扩散层的导电性、稳定性和寿命都具有重要的作用,受到很多企业的重视。例如,丰田的Mirai燃料电池汽车所搭载的膜电极微孔层中加入了氧化铈[1],其目的是提高膜电极的耐久性,减少自由基对膜的攻击,降低膜的降解概率。为了克服碳纤维纸缺乏柔性而碳纤维编织布缺乏尺寸稳定性的弱点,PEMFC电极用气体扩散层基底还可选用碳纤维无纺布。它同时具备一定的机械强度,且有高柔性和尺寸稳定性等优点,从而有利于电极的制作。德国Freudenberg公司制作的碳纤维无纺布具有较好的性能,同时实现了量产的重大突破,生产上将其滚动生产线宽度增加到480mm,从而提高其GDL产品在FC膜电极(MEA)工艺过程中的利用率,最终为用户节省成本。其与宝马、戴姆勒、福特等公司都有合作关系。

2.国内气体扩散层技术与产业化发展现状

中国在“十三五”规划中重点强调了发展燃料电池汽车的必要性,并规划在关键材料、核心部件、燃料电池系统领域加大研发和投入力度。从目前产业链的构成来看,国内在电堆及系统方面已有所布局,但是原材料和零配件方面的相关企业依然较少。原材料对外依存度较高,国内本土的产业链建设力度仍然不够。也有一些企业和研究机构在不断研发中,致力于达到国际水平,早日实现燃料电池原材料的国产化。

碳纤维纸产品在国内尚处于小规模生产阶段。中南大学提出了化学气相沉积(CVD)热解炭改性碳纸的新技术,发明了与变形机制高度适应的异型结构碳纸,采用干法成型、CVD、催化炭化和石墨化相结合的连续化生产工艺,其产品的耐久性和稳定性有所提升。上海河森公司生产的质子交换膜燃料电池专用高性能气体扩散层,具备1000m2/月的生产能力。

目前国内开发的气体扩散层,其原材料多为进口。国内虽有自主开发的材料,但整体的产品状态并不能达到商业化要求。长远来看,气体扩散层作为膜电极关键组成材料之一,其国产化的突破与量产,对降低中国燃料电池成本与推广应用具有重要意义。

二、开发高性能、低成本的金属双极板成为未来发展趋势

双极板是燃料电池中的重要部件,一般具有复杂的微细流场结构,发挥分配水气、支撑其他部件、收集电流等功能,其质量直接影响电堆的输出功率和使用寿命。根据美国能源部2017年发布的燃料电池系统成本报告估计,在燃料电池系统年产量在1000台的情况下,双极板成本占整个系统成本的18%;但是随着系统年产量增至50万台,其成本所占比例将激增至28%(见图3.1)。因此,实现双极板的大批量低成本制造对降低燃料电池汽车成本、推进燃料电池汽车商业化具有重要意义。

(一)双极板发展仍面临不少技术难题

图片关键词 

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图3.1 燃料电池电堆成本比例

双极板分为石墨基材和金属基材两种。石墨双极板的优点在于其耐腐蚀性好,且导热导电性能较强;缺点是强度较低,为满足电堆强度要求制备的极板较厚,且石墨脆性较大,在震动情况下易出现碎裂。因此,石墨双极板一般应用在固定电站、叉车、轻轨列车等对电堆功率密度要求不高、震动较少、工况稳定的情况中。石墨双极板分铣削加工、膨胀石墨压制和石墨复合板三种。铣削加工是指在预先制备的无孔石墨板表面采用铣削的方法加工出所需要的气体和冷却水流道,其优点在于精度很高,但是无孔石墨高温制备、机加工等的成本、耗能、耗时都很高,一般适于精密度要求较高且对成本要求不严格的情况,如航天、军用关键装备等。膨胀石墨压制双极板是将膨胀石墨粉末于高温下在模腔内进行压制成型,此后通过浸渍高分子材料保证其气密性。石墨复合双极板则是首先将高分子溶剂与石墨、碳纤维、碳纳米管等碳基骨架材料混合,通过注塑、成型、固化等工序实现石墨复合双极板的制备。膨胀石墨压制和石墨复合双极板制备相比铣削加工,能够有效提高双极板的制备效率、简化工序,但是由于高分子材料的引入,其导电性、耐热性、气密性等受到不同程度的影响。

在石墨基材双极板制造领域,加拿大Ballard动力系统公司代表了目前的国际一流水平,采用其双极板组装的电堆在美洲、欧洲和国内都有应用,综合性能较好。此外,美国通用电气、洛斯阿拉莫斯实验室、德国SGL公司、韩国现代等都在持续研发石墨复合双极板的制备工艺。国内在铣削石墨双极板加工方面比较有代表性的企业有红枫石墨、黑匣子等,其加工的双极板具有较高的精度和稳定性;在石墨复合双极板加工领域,比较有代表性的企业是新源动力,其制备的量产复合双极板兼具良好的导电性和精度,有望通过生产线量产降低制造成本,实现低成本石墨复合双极板的大规模制造。

金属基材双极板相比石墨双极板有不少优势:第一,金属具有良好的延展性,可采用高精度塑性成形工艺来制备具有复杂微流道特征的双极板,具有高效、高一致性等优点,特别是在大规模加工情况下可最大幅度地降低双极板制造成本,这对燃料电池汽车的推广和商业化尤为关键;第二,金属强度一般比石墨高,因此极板厚度可以大大降低(目前主流极板多采用0.05~0.2mm厚金属板),相比1~2mm厚的石墨双极板可大幅降低电堆的体积和重量,功率密度指标优势突出,特别适用于制作移动电源;第三,金属的韧性较好、不易断裂,因此金属双极板特别适于工作在高振动的复杂动态工况。此外,金属的高导电、高导热特性也使其成为双极板的优良材料。但是金属双极板也存在问题,比较突出的是其耐腐蚀性较差,因此需要对金属双极板表面进行改性处理,以保证其寿命。综合来看,金属双极板由于优势突出,已经成为燃料电池汽车电堆材料的不二之选。

高性能、低成本金属双极板的量产制备,已成为燃料电池汽车应用的核心问题之一。为占领燃料电池汽车高地,世界各大整车和零部件制造商,如丰田、通用、本田、宝马、Intelligent Energy、GenCell、Dana、Nuvera、Oak Ridge National Laboratory、TreadStoneTechnologies.Inc等,均大力开展金属双极板技术的量产开发。为保证市场化的燃料电池汽车能够稳定获得高质量、高可靠性的金属双极板,丰田汽车培育了自己的金属双极板产业链,实现了金属双极板成形、连接、表面改性等多个工艺的集成化制造,不仅降低了生产成本,而且质量、鲁棒性等完全达到了复杂车载工况的要求。本田、日产等也已着力构建自己的金属双极板产业链。相比于后起之秀的日本汽车厂商,通用汽车在经历燃料电池开发的低谷后,再次将重心转移到金属双极板燃料电池,逐步提升金属双极板的设计、精度、寿命等,并开展产业化布局。此外,欧洲作为最早涉及燃料电池的地区之一,形成了整车厂商和金属双极板零部件厂商并驾齐驱的局面。比如,宝马和丰田签署燃料电池汽车合作协议,提升高性能电堆、金属双极板等制造工艺和量产能力。德国DANA公司在新乌尔姆市专门兴建了分公司,用于金属双极板技术的开发。该公司的金属双极板采用冲压成形、激光焊接等技术,并结合集成密封技术,提升金属双极板电池的密封可靠性。目前,金属双极板技术已经成为各大汽车厂商的核心竞争力所在。

(二)高性能、低成本金属双极板量产技术的标志性进展

高性能、低成本金属双极板是支撑燃料电池汽车应用的关键技术,其核心指标包括金属极板设计、一致精密制造、耐久性、批量化制造及成本控制等,目前国内外研究现状如表7所示。

在极板设计方面,随着国内燃料电池电堆技术的积累和进步,极板设计水平不断提高,但是距离世界一流水平仍然有一定差距。中国科学院大连化学物理研究所是国内最早研发燃料电池技术的机构,其在极板设计领域也有多年的工作和技术基础,设计的金属极板已成功应用于多功率级别的商业化电堆。上汽集团联合新源动力、上海交通大学/上海治臻团队设计并开发了多种型号的金属极板并成功应用于10kW、50kW以及百千瓦级商业化电堆,其设计和应用水平在国内处于领先地位。武汉理工大学团队联合国内多家机构,发挥产学研优势开发多型金属极板并应用于成熟的电堆产品,其技术水平也得到了充分验证。值得注意的是,极板设计作为燃料电池电堆的核心关键技术之一,在通用、现代、福特等各大车企中均列为机密信息,因此只能通过电堆技术指标间接估计其设计水平。丰田公司为了促进燃料电池产业的发展,解密了其燃料电池电堆技术的大量信息。通过分析这些信息可以发现,其极板设计水平有独到之处,特别是三维阴极板的结构设计可有效排出阴极积水,提高电堆性能。对比国际一流极板设计水平,我国金属双极板在排水、密封等创新性设计方面仍有很大的进步空间。间。

表3.7 金属双极板主要技术指标及国内外水平比较

关键指标

国内技术状态

国际技术状态

金属极板

设计

在市场和政策的牵引下,上汽集团联合新源动力、上海交大等开发了100KW级300型电堆的金属极板;新源动力联合上海治臻开发了极板,电堆功率达80KW以上,功率密度达2.85KW/L(含端板);另外,武汉理工大学与上海治臻联合开发的金属极板,其电堆功率密度也达到2.7KW/L。此外,大连化物所、航天811所等单位也开发了多型号金属极板并进行了电堆试制,积累了大量实际经验;但目前国内金属极板的流道构型还主要以二维流场为主

目前,各大汽车厂商如丰田、本田、福特、通用、现代等在加大投入开发车用电堆,金属双极板设计为其核心技术机密之一;

丰田公司为了促进燃料电池技术的应用,解密了其商业化Mirai燃料电池汽车的大量技术,其采用新型3D流场的极板

一致精密

制造

随着近年来不断投入研发力量,在金属双极板一致精密制造方面国内技术逐渐达到较高的水平,在高精度成形、焊接热变形控制等方面达到甚至代表了国际上的一流水平,国内有代表性的单位有上海交大/上海治臻团队、武汉理工大学、大连化物所等

目前,金属双极板主流制备工艺为成形-焊接-涂层,现代、通用、日产等均为这种方式实现了金属极板制造并应用于车用电堆生产;丰田公司开发了钛合金高深宽比金属极板的量产制造工艺,代表可该领域的国际水准

耐久性

近年来,国内各研究机构在金属极板表面改性和耐久性提升方面投入了大量科研力量,上海交大、大连理工等研究单位开发了多种复合涂层、并在平衡涂层性能与成本方面做了许多努力,极板性能持续提升。目前上汽集团、新源动力与上海治臻联合开发金属极板量产涂层技术,按乘用车工况经过5010个小时的测试(测试后电阻低于10mΩ.cm2),满足5000小时的寿命要求,基本达到国际一流水准

国际上,最为典型的是日本丰田公司开发了碳纳米涂层,提高了极板耐久性。目前,该涂层已经应用于其商业化车用燃料电池电堆,其设计寿命达5000小时,燃料电池汽车Mirai测试10万KM电堆性能无明显衰减。但是值得注意的是,其涂层成本仍然较高,保性能、降成本仍然是金属极板耐久性提升的关键问题之一

批量化制造及成本控制

国内比较有代表性的单位是上海治臻,其建立了国内首条金属双极板连续生产线,设计产能为50万件/年;目前其量产金属双极板产品在精度、寿命、一致性上都达到上汽集团量产技术要求。但是,极板成本距离美国能源部制定的3美元/KW的指标仍然有距离

丰田公司以商业化Mirai燃料电池轿车、Sora燃料电池大巴为牵引,培育了金属极板产业链。目前Mirai轿车实现了一定程度的批量化制造,年产量在2000辆左右,售价约35万人民币

在极板高精度一致制造方面,国内技术水平也在逐步提高。国内最有代表性的研究机构是武汉理工大学和上海交大/上海治臻团队。武汉理工大学围绕金属极板微细特征的精密成型开展了多种工艺研究,探索了工艺参数对成型结果的影响。上海交大/上海治臻团队开发了高深宽比细密流道超薄金属双极板(见图3.2)成型工艺准则,成型极板流道高度偏差控制在±15μm,达到国际领先水平;研发的具有自主知识产权的激光振镜-柔性随动夹持双极板连接技术抑制了极板焊接热变形。

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图3.2 S05B型车用燃料电池金属双极板(上海治臻)

在金属极板耐腐蚀涂层研发和寿命保证方面,虽然国内外各燃料电池研发机构和企业均进行了多年探索和实践,但是在实际应用中均面临着成本与性能的矛盾难题。国内方面,新源动力-大连化物所-大连理工团队开展了多年的研究工作,采用离子镀、电镀等方法改进金属极板耐腐蚀和导电性能。常州翊迈-大连理工团队开发了自愈合层-超耐蚀层-超导电层复合涂层技术,兼顾燃料电池极板的耐腐蚀性和导电性,其涂层各项综合性能指标达到国内一流技术水平。上汽集团联合国内多家开发团队开发了多种具有自主知识产权的石墨基、钛铬基等纳米复合涂层,并应用于商用金属极板产品,在国内首次通过新源动力5000小时车用电堆的耐久性测试评估,测试后极板性能仍满足设计性能要求。国际上,许多科研机构提出了多种涂层的配方和镀膜方法并申请了专利,如美国橡树岭国家实验室、洛斯阿拉莫斯国家实验室等,但是这些研究多具有耐腐蚀性、导电性、成本低中某一或某两方面的优势,往往难以具备性能和成本的综合优势以应用于实际产品。目前,国际上商业化应用较为成功的涂层技术包括美国福特公司与Treadstone公司合作开发的等离子喷涂氧化钛合金颗粒、瑞典Impact Coating公司开发的MaxPhase涂层溅射工艺、德国DANA公司的保密涂层配方及技术等,这些应用级的涂层技术普遍具备良好的性能和成本优势。其中的佼佼者是日本丰田公司采用PECVD方法开发的非晶碳纳米涂层,该涂层应用于商业化Mirai车用燃料电池电堆,其设计寿命达5000小时,且燃料电池汽车Mirai测试10万km电堆性能无明显衰减。[1]但是值得注意的是,由于市场规模小,目前国内外极板涂层成本普遍较高。这是制约金属极板控成本、提效率的关键瓶颈问题。因此,开发低成本、高性能的极板涂层配方和技术仍然是下一步国内外金属极板开发领域的核心问题之一。

在金属极板批量化制造和成本控制方面,国内仍处于起步阶段,与国外产业化制备的状态相比存在一定差距。在上汽集团、新源动力等多家单位的共同努力下,国内已开发出具有自主知识产权的连续线生产工艺,通过产能的提高可大大降低极板生产成本。但距离丰田等国际车企的成本控制水平尚有差距,金属双极板年制造能力在100万副左右,成本约在100元/副,批量化制造及成本控制技术水平基本可以满足燃料电池汽车商业化应用的需求。但总体来看,目前国内外金属极板整体成本仍然过高,使得电堆供电成本距离美国能源部制定的燃料电池汽车应用路线图中3美元/kW的指标仍然有相当的差距。

(三)金属双极板量产技术发展方向

美国能源部根据保持燃料电池与现有能源技术竞争性的要求,制定了燃料电池金属双极板的性能和成本目标(见表3.8)。

表3.8 美国能源部金属双极板2020年目标

指标

单位

2020年目标

成本

美元/KW

3

重量

Kg/kw

0.4

阳极耐腐蚀

μA/cm²

<1无峰值

阴极耐腐蚀

μA/cm²

<1

电导率

S/cm

>100

区域比电阻

mΩ.cm²

<10

寿命

h

5000

通过对比现有技术状态和目标可以发现,目前金属双极板量产技术主要有以下发展趋势。

1.金属极板要创新性设计及高效制造

为满足车用燃料电池电堆高功率、复杂工况、低温启动等的要求,同时保证电堆装配、密封、排水、水热管理的性能和可靠性,需要在现有极板设计及制造技术的基础上探索新型金属极板的设计和制造模式,提升车用电堆的性能和可靠性。此外,还需要在借鉴国外先进经验及技术的基础上大胆创新,不断优化金属极板的功能性。

2.开发新型低成本、高耐久性的涂层

金属极板的寿命很大程度上由耐腐蚀涂层的性能决定,而涂层工艺占金属极板制备成本的40%~60%,因此降低耐腐蚀涂层的成本非常重要,这也是金属双极板技术突破的关键。平衡涂层的耐腐蚀、导电性与降低制造成本的矛盾,使得开发新型低成本、高耐久性的涂层成为金属极板技术发展需要突破的关键瓶颈问题。

3.金属极板批量化成本控制

目前,困扰燃料电池广泛应用的最主要问题在于成本过高。金属极板作为车用电堆中除膜电极之外成本最高的部件,实现其成本的大幅降低是解决燃料电池汽车商业化问题的重点。而金属极板的制造是一个多工序、多技术的集成制造过程,其成本控制牵扯到多种工艺、技术和管理方法的改进及创新,因此需要投入大量人力物力从宏观到微观、从整体策略到具体技术展开多层面、多角度的深入研究,通过技术创新、工艺创新、管理创新,最终实现极板制造成本降低至商业化的要求。将来,在国家政策支持下,随着产业规模的提升,国内各家企业在量产成本控制方面将越来越有竞争力。

三、空压机向更高效、更节能的方向发展

空压机为燃料电池提供源源不断的高压空气,是燃料电池系统的重要组成部分,其工作效率直接影响燃料电池系统性能。随着燃料电池汽车的发展,国外空压机技术发展成熟,并形成配套生产能力,我国空压机技术也正在迎头赶上。

(一)国外空压机技术及产业化发展现状

国外燃料电池汽车开发历史较长,与之相应的配套供应商起步也较早。整体而言,国外空压机产品技术处于领先地位,在转子、轴承、高速电机、控制机等方面都积累了相当多的经验和专利。同时,这些企业大多拥有丰富的汽车配件开发经验,能针对汽车制造商的需求做针对性开发,产品的均一性较好。

瑞典欧普康开发的螺杆压缩机,排气流量从17g/s到400g/s,压比可达3.2,并且可以自由调节流量以匹配燃料电池车辆的不同工况,已广泛运用于丰田、本田、现代等企业燃料电池汽车产品,同时参与了众多燃料电池汽车示范项目(见图3.3)。

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图3.3 上海世博会燃料电池大巴和瑞典欧普康燃料电池空压机

美国盖瑞特开发的两级电动压缩机采用先进的轴承和电气系统设计,可提高性能,减小尺寸,降低重量和噪音,能在高达20kW的功率下连续运行,供气压力可达3bar。目前已被本田公司采用并装配在燃料电池汽车Clarity上(见图3.4)。

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图3.4 本田公司Clarity和盖瑞特公司燃料电池空气压缩机

丰田自动织机株式会旗下的压缩机事业部为丰田公司的燃料电池车Mirai开发了空气压缩机,配合丰田公司开发的具有3D流场的金属双极板电堆和专利的膜电极,能在达到高能量密度(3.1kW/L)的同时实现自增湿功能。

美国UQM Technologies生产的燃料电池压缩机系统适用于乘用车、中型车辆以及商用车,适配的燃料电池电堆功率可达150kW(见图3.5)。

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图3.5 UQM Technologies开发的空压机和其中的四叶罗茨转子

韩国韩昂自2005年起和现代合作开发车用燃料电池空压机,目前装配在现代量产燃料电池车NEXO上的是该公司的第二代产品(见图3.6),其自主研发的高速电机转速可达每分钟10万转,压缩比1.9。最新规划的新一代产品的电机转速将提高至每分钟12万转,压缩比提升至2.1~2.4,预计将于2020年推出。

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图3.6 韩昂公司开发的空压机和现代公司的NEXO燃料电池汽车

(二)国内空压机技术及产业化发展现状

整体而言,国内燃料电池压缩机起步时间并不晚,西安交通大学、浙江大学等高校承担过多个国家“863”和“973”课题研发燃料电池空压机,开发的样机也不乏亮点,但由于缺乏专业的制造商参与,在产业化方面进展缓慢。随着近两年国内燃料电池产业蓬勃发展,在国外厂商大批涌入的同时也吸引了众多国内公司开发相关产品,国内企业正迎头赶上,目前已经有几家企业实现了批量化生产。比如,福建雪人股份有限公司目前已将AUTOROTOR旗下的部分空压机产品在国内实现量产,佛山广顺电器开发的第二代离心涡轮压缩机也已形成百台级小批量生产。

(三)空压机技术未来发展趋势

综合来看,空压机技术发展将重点围绕以下四个方面。

1.大流量和大压力

采用金属双极板的电堆具有接触电阻低、导热性能优、体积小、机械强度高、阻气性好、易于批量加工成型等优点。采用金属双极板的燃料电池电堆可以达到更高的功率密度,适用于乘用车,是未来电堆发展的趋势。与石墨双极板或复合双极板相比,金属双极板的流道往往比较狭窄,因此需要能克服流道阻力高压缩比的空压机。另外,双极板3D流场可以有效减小传质极化,是未来发展的趋势,但这种设计也会对通过的气体产生较大的阻力。所以未来高压缩比的压缩机将成为更多汽车厂商,特别是乘用车厂商的首选。乘用车对于燃料电池系统的动力性能要求更高,目前已经量产的几款燃料电池轿车所配备的燃料电池动力系统净输出功率普遍在80kW以上(见表3.9),这就要求空压机能够提供更大的流量以保证充足的空气供应。

表3.9 目前几款量产的燃料电池轿车动力输出对比

生产厂家

车型

系统总功率(kW)

系统净功率(kW)

电堆功率密度(kW/L)

日本丰田

Mirai

114

91

3.1

日本本田

Clarity

103

3.1

韩国现代

Nexo

120

100

3.1

资料来源:根据公开资料整理。

2.高集成度

燃料电池空气供应系统一般包含以下部分:空气过滤器、空压机(含电机)、电机控制器、中冷器、增湿器、消声器、温度流量传感器、连接管路等。在早期的燃料电池车辆上,由于上述部件往往是由不同供应商提供的非定制化产品,集成在系统内之后占用空间较大,外部接口较多,使用和维护都不方便。近年来随着燃料电池汽车逐步实现批量化生产,通过和供应商联合开发深度定制化的产品,燃料电池空压机逐渐开始和空气系统内的其他部件以总成的方式呈现。例如丰田织机为Mirai开发的空压机上就集成了中冷器和消声器,同时电机控制器也集成在整车的多合一控制器上,在节省空间的同时也便于整车的生产装配和后期的维护保养。

3.节能高效

燃料电池空压机的动力来源于电堆产生的电能,属于系统的寄生功耗。目前,大多数压缩机消耗的能量占到系统总功率的15%~20%。未来技术的发展,势必要求整个燃料电池系统降低各个部件的寄生功耗,以提高整体效率。戴姆勒公司在其开发的燃料电池系统中采用了集成透平的电动涡轮压缩机,使用从电堆排出的尾气驱动透平回收能量(见图3.7)。类似的,欧普康公司将螺杆膨胀机和螺杆压缩机集成(见图3.8),通过回收尾气中的能量可以将压缩机功耗降低约15%。未来随着能量回收技术的成熟以及各个部件效率的提升,预计动力系统中空压机的寄生功耗占比将降低至10%~15%,甚至低于10%。

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图3.7 梅赛德斯奔驰公司GLC F-Cell搭载的发动机,涡轮压缩机集成透平能量回收装置

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图3.8 欧普康公司集成膨胀机的压缩机系统

4.全工况下快速响应

燃料电池汽车,特别是在市区行驶时会频繁的在启动、怠速、加速、巡航、减速等不同的工况之间切换,与之相对应的燃料电池动力系统需要根据不同的工况调节动力输出。

目前,由于国内燃料电池电堆的性能、成本和寿命还不够理想,而我国动力电池产业较发达,国内绝大多数燃料电池动力系统采用的是“电电混合”的技术路线,即将动力电池和燃料电池并联,由锂电池提供车辆加速、减速等非稳态下所需的大功率,而燃料电池则用来提供稳定工况下的输出功率。这种方案不仅可以解决燃料电池动态响应速度慢的问题,同时还可大大延长燃料电池的寿命。但“电电混合”方案也有缺点,一是大容量的动力电池会增加整个系统的体积和重量,二是动力电池充电放电都会有一定的能量损失。

国外厂商已经开发出全功率的燃料电池动力系统,即将燃料电池作为主要动力驱动,仅搭配极小容量的动力电池在启动和变工况的情况下提供辅助和缓冲功能。例如丰田公司生产的燃料电池轿车Mirai燃料电池动力系统净输出功率为93kW,而与之搭配的仅仅是一组容量为1.6kWh的镍氢电池。

未来随着技术的进步,大部分车用燃料电池系统会从“电电混合”过渡到全功率的方案。这就要求空压机的操作范围要尽可能宽,以适配不同工况下燃料电池对于空气流量的需求,从而达到最优的系统工作效率。

四、车载供氢系统发展要兼顾轻量化和安全性

储氢瓶、供氢管路、加氢口、压力流量调整元件、氢泄漏传感器和相应控制系统组成了车载供氢系统。高压储氢是目前最简单和最常用的车载纯氢储存方法,因此大部分燃料电池汽车供氢系统都选择高压储氢方式。燃料电池大巴、物流车高压供氢的压力通常为35MPa,燃料电池乘用车高压供氢压力通常为70MPa。燃料电池工作时对氢气的流量和压力有很高的要求,储存的氢气需要经过一套压力和流量的调节系统调节后再输送到燃料电池内部。

(一)国外车载供氢系统技术与产业化发展现状

国外目前多为70MPa车载供氢系统,应用以乘用车为主。比较领先的是加拿大的Dynetek公司和美国的Quantum公司。此外,燃料电池汽车厂家对车载供氢系统也进行了详细研究和开发,其中丰田和本田是行业领先者。丰田Mirai的新型70MPa高压储氢系统采用全缠绕Ⅳ型气瓶,铝合金主体的高压瓶口阀和高压调节器能通过表面处理大幅度提高铝合金硬度;通过优化密封结构提升压力控制的稳定性;通过调整不锈钢管道和接头的材料硬度,保证接口的密封可靠性。此外,表面处理后的压力传感器减少了氢环境对传感器的影响;通过改进通信方式和采用预冷加氢工艺,使得最大充装状态(SOC)达到95%。

本田Clarity采用新型70MPa供氢系统。氢气加注时先通过加氢口,然后通过内置电磁阀,再充满两个高压储氢气瓶。储存在高压氢气瓶中的氢气在被供应到燃料电池堆之前,通过内置电磁阀的调节降低其压力。集成止回阀和截止阀的内置式电磁阀可以减少系统重量和零件数量。内置电磁阀采用铝合金材料,可减轻重量并提高疲劳寿命。应用树脂密封技术将温度传感器与氢气隔离开来,减少氢对传感器的影响。树脂密封结构使得整体结构具有高机械强度和耐蠕变性。

在供氢系统的零部件供应方面,国外存在很多具有先进技术的供应商,提供的主要零部件有瓶口阀、减压阀、加氢口和供氢管路。

在瓶口阀方面:意大利OMB提供全系列的高压氢气阀门,涵盖35MPa和70MPa两个压力应用范围,而且可以选择在瓶口阀上集成减压器。OMB与Daimler AG合作,开发了瓶口阀OTV700,用于70MPa供氢系统。加拿大GFI开发的70 MPa H-ITVR瓶口阀同样提供可调的低压输出结构来简化系统。作为氢脆化的对策,多数高压部件与氢接触的部分使用铝合金或不锈钢。

在减压阀方面:Tescom公司专门针对氢气和天然气开发了一系列减压阀,采用直动活塞式结构,最大进口压力分5000psig(合35Mpa)和10000psig(合70MPa)两种,最大出口压力500pisg(合3.5MPa)。此外,美国Swagelok和韩国DK-Lok也开发有减压阀,意大利OMB和加拿大GFI的设计可以将减压元件集成在瓶口阀上。

在加氢口方面:德国WEH是此类零部件的主要供应商,全球大多数最先进的加氢站依赖于WEH的加氢组件。WEH主要提供高压加氢零件,其加氢口满足25MPa、35MPa和70MPa的加注压力要求,流速可达到100~120g/s,还可以编码控制压力范围和气体类型,并具有集成的止回阀系统,其产品能用于公共汽车、卡车和乘用车的氢气加注。

在供氢管路方面:美国Swagelok公司开发有卡套接头、卡套管、单向阀、过流阀、针阀、比例卸荷阀和过滤器等,一般采用316不锈钢,具备抗氢脆性能。卡套接头的独特设计,在-200℃进行氦气检测时,氦检漏率为10-5 std cm3/s。此外,韩国DK-Lok公司也是供氢管路系统的主要供应商,其技术能力与Swagelok相当。

(二)国内车载供氢系统技术与产业化发展现状

1.车载供氢系统的发展现状

虽然国内70MPa的燃料电池乘用车逐渐开始发展起来,但是国内燃料电池汽车还是以公交车和物流车为主,基本都是35MPa的车载供氢系统。在车载氢气供应系统的技术路线上,国内与国外基本一致,都是沿用天然气汽车供气系统的技术和标准。

目前,国内车载供氢系统主要生产厂商有张家港富瑞氢能、派瑞华氢、上海舜华等。富瑞氢能自主开发的35MPa供氢系统,已开始小批量应用。北京天海、沈阳斯林达、北京科泰克、沈阳美托等公司主要集中在零部件的开发方面,均已具备生产复合气瓶的能力。沈阳斯林达还自主开发了35MPa高压氢气瓶口阀。此外,上海瀚氢动力科技有限公司、上海百图低温阀门有限公司等企业也在积极开发供氢系统的集成式瓶口阀及零部件。

2.与国外产品的差距

虽然35MPa车载供氢系统有了一大批供应商,但是自主产品的质量仍存在很大问题,和国外差距比较明显,特别是在瓶口阀和氢气管路阀门组件等零部件的质量方面。虽然目前国内有大批公司对供氢系统进行了研究,但是除了35MPa的全缠绕复合气瓶外,瓶口阀、PRD阀、高压管件等需要承受高压和温度冲击的零部件,因为缺少试验验证条件和批量化应用的数据积累,国内自主产品质量和寿命尚难以定论。进口的阀门零部件仍然占据中国的主流市场,国产高压阀门类产品的可靠性亟待提高。同时,国内35MPa和70MPa的相关集成瓶口阀和零部件仍处在对国外产品的模仿和追随阶段,在阀门的功能性、集成度、轻量化等方面与国外产品还有较大差距。

还要指出的是,目前国内对材料方面的基础研究远远落后于国外,各种实验数据相对缺乏,所以在零部件的选材和制造上缺乏可靠数据提供技术支撑,导致高压精密的零部件质量远远低于国外。如国内虽然生产有瓶口阀、高压管路组件,但是实际应用时往往采取国外的进口产品。除此之外,不够完善的标准体系也是造成我国车载供氢系统技术落后于国外先进水平的一大影响因素。

(三)未来发展趋势

为了增加氢气储存量和供氢系统压力,提高燃料电池车辆里程数,就需要重点解决提高系统重量储氢密度和氢气气密性的问题。这也是相关技术未来发展的方向,具体包括:阀及管路材料改进、密封材料改进、零部件集成。

在阀及管路材料改进方面,目前一般采用不锈钢,而铝合金是未来管路阀件材料的发展趋势。如何在追求轻量化的同时保证材料的硬度和强度,是当今和未来必须研究的课题。

在密封材料改进方面,目前一般采用橡胶材料,而本田公司开发的聚酰胺酰亚胺树脂材料瓶口阀不仅能满足70MPa储氢的要求,同时还提高了气密耐压性。如何开发更可靠的密封方式也是未来研究的一个重点。

在零部件集成方面,各大公司都努力提高车载储氢系统的零部件集成度,如瓶口阀集成有PRD、电磁阀、限流阀、传感器以及减压阀等。如何通过集成在减少零件数量、降低系统复杂性、提高系统安全性的同时降低系统重量,将是未来研究的重点。

附:车载储氢气瓶发展要突破标准与技术的瓶颈


高压气态储氢的存储压力需要达到 35MPa 甚至 70 MPa,才能为汽车提供高效的燃料储存。开发安全、高效的车载储氢瓶一直是燃料电池汽车氢系统的关键技术难题。

为降低气瓶的自重,同时对环向和轴向进行增强,Ⅲ型全缠绕气瓶应运而生。Ⅲ型全缠绕气瓶采用碳纤维替代玻璃纤维使得金属内胆的厚度进一步降低,采用铝合金替代钢材也使得气瓶重量大幅降低。Ⅳ型瓶则以其重量轻、价格低的优势,陆续在日本、美国、德国、加拿大、韩国等得到认可。总的来看,采用碳纤维缠绕的Ⅲ型和Ⅳ型复合高压氢瓶,因具有承压能力高、轻量化的优点得到推广应用。

(一)国外车载储氢瓶发展现状

高强度碳纤维与耐腐蚀性塑料内胆的轻量化开发应用、高耐压等级和长疲劳循环寿命等优良性能的开发,是国外研究机构和大型企业在高压氢瓶应用领域研究的热点。在Ⅲ型和Ⅳ型复合高压氢瓶的研制和开发方面,走在世界前列的公司有:美国Hexagon Lincoln、美国Quantum、美国FIBA Technologies Inc.、加拿大Dynetek、日本SAMTECH、意大利Faber Industries等。

美国Quantum公司是全球率先开发出聚乙烯塑料内胆、碳纤维缠绕Ⅳ型储氢瓶的公司。2000年8月,Quantum与Thiokol公司以及Lavrence Livermore国家实验室合作,首次开发出工作压力35 MPa的Ⅳ型储氢气瓶,并在极端温度、氢循环充装、跌落、火烧、枪击撞击、缺陷评定和材料等方面进行了一系列试验后通过了安全评定。在此基础上,Quantum又于2001年12月开发出工作压力70 MPa的储氢气瓶。美国Hexagon Lincoln公司在2002年7月成功研制了工作压力70MPa的高压储氢气瓶,爆破压力为175MPa,最大储氢密度达到5.7wt%。加拿大Dynetek工业公司致力于生产金属内胆复合材料缠绕Ⅲ型储氢气瓶,储氢密度为4.3~5.1 wt%。日本SAMTECH公司开发了多种材质和规格的高压氢瓶,将钢内胆碳纤维缠绕的Ⅲ型储氢气瓶用于高压加氢站的蓄能器,将铝内胆碳纤维缠绕的大容积Ⅲ型储氢气瓶用于高压氢气运输车和商用车辆储氢系统,将70MPa塑料内胆的Ⅳ型储氢瓶用于乘用车。

世界各大汽车公司也相继推出采用Ⅲ型或Ⅳ型高压储氢气瓶的车型。目前,大巴车等商用车辆多采用35MPa高压氢瓶,已经量产的燃料电池乘用车则多采用70MPa高压氢瓶。丰田公司2014年上市的Mirai燃料电池汽车,采用塑料内胆、碳纤维全缠绕Ⅳ型瓶,储氢压力为70MPa,储氢密度达到5.7 wt%。本田公司2016年上市的燃料电池电动车Clarity,采用70MPa铝内胆碳纤维缠绕的Ⅲ型高压储氢气瓶,续驶里程可达580 km。现代汽车2018年推出的NEXO燃料电池汽车,搭配156.6L的70MPa Ⅳ型储氢瓶,气氢储存量达6.33kg,储存密度达到5.7wt%。

(二)我国车载储氢瓶发展现状与发展瓶颈

1.我国车载储氢瓶发展现状

我国在“十五”期间开始碳纤维缠绕氢瓶的研究,至今已有15年的开发历史。目前,我国已具备了各种尺寸规格35MPa铝内胆纤维全缠绕Ⅲ型高压氢气瓶的设计能力和批量化制造能力,并陆续推广至商用车和乘用车等多种类型的氢燃料电池汽车使用。沈阳斯林达、北京科泰克、北京天海、张家港富瑞氢能等企业都已具备大批量生产35MPa Ⅲ型储氢气瓶的能力。具体生产能力如表3.10所示。

表3.10 国内35MPa储氢Ⅲ型气瓶生产能力

储氢气瓶生产商

工作压力(MPa)

容积(L)

储氢质量密度(wt%)

沈阳斯林达

35

9~307

3.8~4.9

北京科泰克

35

140

4.3

北京天海

35

5~230

3.5~4.0

富瑞氢能

35

70~200

4.0~4.9

此外,在70MPa储氢瓶方面,2016年沈阳斯林达公司率先研制出70MPaⅢ型纤维全缠绕高压储氢气瓶,其中水容积52L的70MPa车用储氢气瓶已经应用于上汽荣威950氢燃料电池汽车,储氢密度可达到3.8wt%。浙江大学郑津洋教授及其所带领的科研团队研制了35MPa、40MPa和70MPa三个压力等级的Ⅲ型高压储氢气瓶,并应用于氢能示范汽车,其中70MPa储氢瓶的单位质量储氢密度已达5.78wt%(在15℃时),接近美国能源部(DOE)提出的6wt%目标。

北京科泰克、北京天海、富瑞氢能等公司也陆续推出了70MPaⅢ型储氢瓶。此外,Ⅳ型储氢瓶的预研和样瓶试制也已经开始。

2.我国车载储氢瓶发展所面临的瓶颈

总体来说,我国高压气瓶和国外存在很大的差距,主要表现在:技术研发、材料、实验能力与数据、标准体系等方面。

(1)碳纤维关键原材料依赖进口

高强度碳纤维是生产复合高压氢瓶的关键原材料,而目前我国使用的碳纤维严重依赖进口,尤其是用于70MPa储氢瓶生产的T800、T1000等高强度碳纤维。碳纤维生产制造领域最先进的国家是日本,我国的研发和产业化技术与日本相比落后10~20年。国内碳纤维的规格主要是T700及以下,高性能碳纤维基本处于技术空白状态,而且存在质量稳定性差、性能离散度高、高质量碳纤维产品的价格远高于国外、批量化生产能力不足等问题,严重制约了车用复合高压氢瓶在我国的发展与推广应用。

(2)70MPa高压氢瓶相关的基础设施配套和产业化成本居高不下

70MPa储氢瓶是乘用车保障长续航里程的重要发展方向。由于当前阶段70MPa加氢站基础设施建设尚未普及,高压压缩机、加氢机、加注冷却系统、控制逻辑与通信协议等问题尚未完全解决,商业化的70MPa加氢站还未建成。这都限制了70MPa储氢瓶在中国的推广,国内一直未能实现量产,使得70MPa氢瓶的成本居高不下。

(3)生产工艺不成熟与国家标准不完善阻碍Ⅳ型高压瓶的开发与推广

塑料内胆纤维全缠绕气瓶(Ⅳ型气瓶)相比于铝内胆纤维全缠绕气瓶(Ⅲ型气瓶)在重量上有明显的优势,且批量化生产的成本更低。但受限于生产工艺的不成熟,早期国产的Ⅳ型气瓶存在一定缺陷。目前,我国GB/T 35544标准仅对Ⅲ型做了规定,尚未有Ⅳ型高压氢瓶的国家标准。为解决这个问题,研发实力较强的企业未来可以通过制定企业标准和技术评审的方式进行试制,逐渐积累试验数据和成果,并最终上升到行业标准和国家标准。

(4)深冷高压氢瓶的开发与标准体系尚未完全建立

深冷高压氢瓶是全球氢燃料电池汽车规模化推广应用后的重要技术方向,而我国目前在此领域的研究包括相关的技术标准仍是空白。深冷高压氢瓶的研发和试制要基于高压氢和液氢的发展,而我国民用液氢产业链尚未建立。这都严重阻碍了氢气储运和加氢站基础设施建设的发展,同时也限制了深冷高压氢瓶的开发。

(三)车载储氢瓶的发展方向

受制于安装空间,再考虑到汽车对续航里程、降耗提速、增强性能等的要求以及氢气特殊的热物理性质,车用储氢气瓶技术的发展趋势主要表现为高压化、轻量化、低成本。因此,常温高压Ⅳ型轻量化储氢瓶和深冷高压高密度储氢瓶,将是车用储氢的发展方向。

提高氢气的储存压力可以有效提高其储能密度。考虑到汽车空间的限制,为了提升燃料电池汽车的竞争力,车用高压储氢气瓶必然要向高压化方向发展。目前加氢站的最高供氢压力已超过100MPa,但一味地提高储氢压力不仅对储氢瓶和配套系统设备提出了更高的耐压要求,还会使加氢站压缩机的增压能耗和氢气加注前预冷的能耗大幅提升,通常并不经济。液氢储氢虽然有较高的储氢密度,但液氢蒸发损失大、长期不用很容易排放,且液氢加注过程的损耗非常高。深冷高压储氢瓶采用超临界低温储氢的方式,规避了液氢的气化风险,同时又能获得比液氢更高的储氢密度,是车载高密度储氢瓶的重要发展方向。美国劳伦斯-利弗摩尔国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory)提出把传统车载液氢容器中工作压力较低的内层容器换成高压储氢中所用的铝内胆碳纤维全缠绕气瓶,开创了车载低温高压复合的超临界储氢方式。到目前为止,劳伦斯-利弗摩尔国家实验室已经推出了第三代超临界储氢气瓶,其体积储氢密度高达0.45kg/L。在相同的传热速率下,超临界储氢容器的维持时间是传统液氢容器的5~10倍,综合储氢成本也低于高压储氢。

在储氢密度上,根据美国能源部(DOE)2009年制定的储氢系统终极技术指标,储氢密度要提高到6 wt%,从而使燃料电池车辆在有限的空间下获得与燃油车相媲美的续航里程。为达到此目标,采用70MPa塑料内胆的Ⅳ型瓶是乘用车储氢瓶的重要发展方向,采用深冷高压超临界储氢方式是商用车储氢瓶的发展方向。

此外,在保证性能的前提下最大限度地降低生产成本,也是未来的发展趋势之一。优化成本占比最高的纤维材料是降低车载储氢瓶成本的最根本所在。若要推广应用Ⅳ型瓶,不仅要大力发展碳纤维材料的制造技术,还需要发展聚酰亚胺等超级工程塑料的先进制造技术,进而降低成本。


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