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车用燃料电池产业全景

2020-08-11    浏览:1075    来源:方德信基金

 

锂离子电池和燃料电池被视为两种清洁的车用供能方式而广受关注,但两者存在本质区别。锂电池是储能器件,燃料电池是发电装置,作用类似于发动机,需配套储氢罐(类似油箱)。


在车用场景中,燃料电池可解决锂电池里程焦虑,且燃料电池充氢时间短,在重载、长距离场景中优势明显。但目前燃料电池仍存在政策还未落地、基础设施建设不完善(加氢站建设不足)、产业链不成熟(成本高、循环衰减性能差)等问题,我国市场仍处于导入期


一、锂离子电池与燃料电池对比


1、工作原理


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电池、三元电池和锰酸锂电池等。以磷酸铁锂电池为例:放电时正极中的磷酸铁和从负极经过电解液传到过来的锂离子以及外部电路传导过来的电子结合生成磷酸铁锂,负极石墨层中所嵌的锂脱出,变成锂离子和电子分别经过电解液和外部电路传导到正极。


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。因此,燃料电池不受卡诺循环的限制,能量转化效率高。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%。


燃料电池按照其电解质的不同分为碱性燃料电池,磷酸型燃料电池,固体氧化物燃料电池,熔融碳酸盐燃料电池,质子交换膜燃料电池。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。


以质子交换膜燃料电池为例,发电时,正极氧气和从负极传导过来的氢离子以及外部电路传导过来的电子结合生成水,负极氢原子失去电子变成氢离子和电子分别经过电解质和外部电路传到正极。



2、技术特征


(1)性能


锂离子电池和燃料电池内部发生的化学反应已经决定了电池的可逆电动势。在标准状态下燃料电池的可逆电动势为1.25V左右,可逆电动势随温度升高而降低。而对于锂离子电池,由于在反应过程中正负极材料的结构不断发生变化,因此其可逆电动势也不断变化,电池的可逆电动势与反应发生的程度有对应的关系,因此可以根据OCV-SOC曲线,通过测量OCV判断电池的荷电状态。



(2)能量密度


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和三元材料为主,负极材料仍主要采用石墨材料,其比能量约为90-140Wh/kg。


而燃料电池是一种发电装置,燃料电池结合氢瓶后的综合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。


(3)寿命


燃料电池和锂离子电池的性能都会随着电池使用程度的加深而变差。并且汽车的起停和加减速工况占总工况的很大一部分,这使得电池工作电流区间跨度大,且电流变化率也非常大,这无疑会缩短电池寿命。因此,对动力型燃料电池和锂离子电池的寿命成为其使用关键问题之一。



(4)安全性


动力电池的安全性是电动汽车发展过程中首先需要考虑和解决的问题。动力型锂离子电池安全性的提高需要建立从材料、电池及关键部件到系统安全保障等一系列技术措施。随着单体电池的大型化和成组化使用,动力型锂离子电池系统安全问题面临着新的挑战。


而燃料电池的燃料是氢气,属于易燃易爆气体,因此市场普遍担心其的安全性问题,而实际上氢气的安全性相较于汽油和天然气并不差。单体层级燃料电池的安全设计少于锂离子电池。系统集成层级燃料电池系统比锂离子电池系统复杂。由于使用了可燃气体氢气,多了对氢气的泄露保护设计。由于需要防止质子交换膜润湿不充分带来的影响,需要通过监控内阻来监控内部湿度的变化。


动力型锂离子电池的还原剂和氧化剂都存储在同一个装置中,之间仅有一层微米级别厚度的隔膜,而燃料电池的还原剂和氧化剂在电池外部分开放置。从原理上讲,燃料电池的安全性优于锂离子电池。通过一系列的安全防护,两种电池的安全性都在可接受的程度。


3、应用情况


20世纪中后期,新能源汽车的技术研究逐步得到了各个国家的高度重视,但由于每个国家的出发点和汽车产业的发展水平的不同,形成了以美国、日本、欧盟为代表的三大发展方向和路线



2019年,我国新能源汽车产销分别完成124.2万辆和120.6万辆,同比分别下降2.3%和4.0%。其中纯电动汽车生产完成102万辆,同比增长3.4%;销售完成97.2万辆,同比下降1.2%;插电式混合动力汽车产销分别完成22.0万辆和23.2万辆,同比分别下降22.5%和14.5%;燃料电池汽车产销分别完成2833辆和2737辆,同比分别增长85.5%和79.2%。




二、燃料电池技术路径


1、总述


燃料电池的种类有很多,从电解质的类型、电极材料、工作温度到应用领域也有明显的区别。大型发电端更多采用高温的燃料电池。车用燃料电池系统现在使用的质子交换膜燃料电池(PEMFC),原因是因为PEMFC具有电解质无腐蚀性,可以不使用纯氧作为氧化剂,工作温度较低,启动时间快等优点。



2、PEMFC


(1)作用原理

质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,英文简称PEMFC)是一种燃料电池,在原理上相当于水电解的“逆”装置。其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成,阳极为氢燃料发生氧化的场所,阴极为氧化剂还原的场所,两极都含有加速电极电化学反应的催化剂,质子交换膜作为电解质。工作时相当于一个直流电源,其阳极即电源负极,阴极为电源正极。


由于质子交换膜只能传导质子,因此氢质子可直接穿过质子交换膜到达阴极,而电子只能通过外电路才能到达阴极。当电子通过外电路流向阴板时就产生了直流电。以阳极为参考时,阴极电位为1.23V。也即每一单电池的发电电压理论上限为1.23V。接有负载时输出电压取决于输出电流密度,通常在0.5~1V之间。将多个单电池层叠组合就能构成输出电压满足实际负载需要的燃料电池堆(简称电堆)。



PEMFC的电极常被称为膜电极组件,它是指质子交换膜和其两侧各一片多孔气体扩散电极(涂有催化剂的多孔碳布)组成的阴、阳极和电解质的复合体。


电堆由多个单体电池以串联方式层叠组合而成。将双极板与膜电极三合一组件(MEA)交替叠合,各单体之间嵌入密封件,经前、后端板压紧后用螺杆紧固拴牢,即构成质子交换膜燃料电池电堆,如附图所示。叠合压紧时应确保气体主通道对正以便氢气和氧气能顺利通达每一单电池。电堆工作时,氢气和氧气分别由进口引入,经电堆气体主通道分配至各单电池的双极板,经双极板导流均匀分配至电极,通过电极支撑体与催化剂接触进行电化学反应。


电堆由多个单体电池以串联方式层叠组合而成。将双极板与膜电极三合一组件(MEA)交替叠合,各单体之间嵌入密封件,经前、后端板压紧后用螺杆紧固拴牢,即构成质子交换膜燃料电池电堆,如附图所示。叠合压紧时应确保气体主通道对正以便氢气和氧气能顺利通达每一单电池。电堆工作时,氢气和氧气分别由进口引入,经电堆气体主通道分配至各单电池的双极板,经双极板导流均匀分配至电极,通过电极支撑体与催化剂接触进行电化学反应。


电堆的核心是MEA组件和双极板。MEA是将两张喷涂有Nafion溶液及Pt催化剂的碳纤维纸电极分别置于经预处理的质子交换膜两侧,使催化剂靠近质子交换膜,在一定温度和压力下模压制成。


(2)优缺点



(3)应用现状


质子交换膜燃料电池发电作为新一代发电技术,其广阔的应用前景可与计算机技术相媲美。经过多年的基础研究与应用开发,质子交换膜燃料电池用作汽车动力的研究已取得实质性进展,微型质子交换膜燃料电池便携电源和小型质子交换膜燃料电池移动电源已达到产品化程度,中、大功率质子交换膜燃料电池发电系统的研究也取得了一定成果。


采用质子交换膜燃料电池氢能发电将大大提高重要装备及建筑电气系统的供电可靠性,使重要建筑物以市电和备用集中柴油电站供电的方式向市电与中、小型质子交换膜燃料电池发电装置、太阳能发电、风力发电等分散电源联网备用供电的灵活发供电系统转变,极大地提高建筑物的智能化程度、节能水平和环保效益。


3、AFC


(1)作用原理


碱性燃料电池(Alkaline Fuel Cell,AFC)是该技术发展最快的一种电池,主要为空间任务,包括航天飞机提供动力和饮用水。



(2)优缺点



(3)应用现状


AFC是最早开发并获得成功的燃料电池,早在20世纪60年代就被用于宇宙飞船和登月飞行。碱性燃料电池采用KOH等碱性溶液为电解质,用H2或NH3、N2H2裂解的H2为燃料,空气或O2为氧化剂,使用贵金属(如Pt、Ag等)和过渡金属(如Ni等)或者由它们组成的合金等作为催化剂。碱性燃料电池具有稳定、耐久等优点,具有较高的电效率(60%~90%),迄今为止,它仍是最适合于太空使用的燃料电池。


碱性燃料电池分为中温(工作温度约为523K)和低温(工作温度低于373K)两种。中温碱性燃料电池被用于航天飞行和太空项目上的电源,经过几十年的使用,被证明为安全可靠的太空电源;低温碱性燃料电池是今后开发重点,其应用目标是便携式电源和交通工具用动力电源。


碱性燃料电池与其他燃料电池相比,碱性燃料电池系统具有较高的电效率(60%~90%),可以在室温下快速启动,并迅速达到额定负荷,而且电池的本体材料选择广泛,电池造价较低。因此,碱性燃料电池作为高效且价格低廉的成熟技术,若应用于便携式电源和交通工具用动力电源,具有一定的发展和应用前景。


碱性燃料在实际使用中,往往采用空气作为氧化剂,空气中的CO2会毒害碱性电解质生成碳酸根离子,对电池的效率和使用寿命造成影响,使得碱性燃料电池系统需要复杂的CO2脱除装置,而且只能用纯H2为燃料;此外,碱性燃料电池的催化剂一般采用贵金属Pt才能获取电池的高性能,且需要一个控制体系保持电解质浓度的恒定。这些造成碱性燃料电池系统的复杂化,成本增高,导致其不适于民用、与其他燃料电池相比竞争力降低。


20世纪90年代以来,众多汽车生产商都在研究使用低温燃料电池作为汽车动力的可行性。由于低温碱性燃料电池存在易受CO2毒化等缺陷,使其在汽车上的应用受到限制,因此,除少数机构还在研究碱性燃料电池外,大多数汽车厂商和研究机构都在质子交换膜燃料电池(PEMFC)和直接甲醇燃料电池(DMFC)上寻求突破。然而PEMFC和DMFC都以贵金属Pt为主催化剂,一旦PEMFC和DMFC达到真正的批量生产阶段,将被迫面临Pt的匮乏。碱性燃料电池可以不采用贵金属作催化剂,如果采用CO2过滤器或碱液循环等手段去除CO2,克服其致命弱点后,用于汽车的碱性燃料电池将具有现实意义。因此,碱性燃料电池领域近年的研究重点是CO2毒化解决方法和替代贵金属的催化剂。


4、PAFC


(1)作用原理


磷酸燃料电池(Phosphoric Acid Fuel Cell,PAFC)是以浓磷酸为电解质,以贵金属催化的气体扩散电极为正、负电极的中温型燃料电池。可以在150~220℃工作。具有电解质稳定、磷酸可浓缩、水蒸气压低和阳极催化剂不易被CO毒化等优点,是一种接近商品化的民用燃料电池。


燃料气体或城市煤气添加水蒸气后送到改质器,把燃料转化成H2、CO和水蒸气的混合物,CO和水进一步在移位反应器中经触媒剂转化成H2和CO2。经过如此处理后的燃料气体进入燃料堆的负极(燃料极),同时将氧输送到燃料堆的正极(空气极)进行化学反应,借助触媒剂的作用迅速产生电能和热能。



(2)优缺点




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