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技术创新

燃料电池全面分析(二):六大分类,制储运加,洋葱模式!

文字:[大][中][小] 发布时间:2018-11-15  浏览次数:401

燃料电池全面分析系列第二篇,上篇是市场分析,下篇是产业分析

燃料电池全面分析(二):六大分类,制储运加,洋葱模式!

技术路线

5. 技术原理:氧化还原反应

燃料电池主要由正极、负极、电解质三部分组成,原理是氧化还原反应,反应实质是燃料和氧气发生反应生水或者其他产物。

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6. 分类:6 大类,PEMFC 质子交换膜为主

根据工作温度、电池内载流子和前端燃料的不同,燃料电池分为以下 6 大类。

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按照使用温度分类如下

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受益交通应用拉动,PEMFC 质子交换膜燃料电池出现跨越式发展,详细数据请关注本公众号(史晨星 shichenxing1)参照上篇市场分析。

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PEMFC 质子交换膜燃料电池具有高比功率、可快速启动、无腐蚀性、反应温度低、氧化剂需求低等优势,是当前燃料电池汽车的首选。

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AFC 碱性燃料电池:成本偏高,主要应用于航天领域

PAFC 磷酸燃料电池:效率较低(40%),小型电站应用

MCFC 熔融碳酸盐燃料电池:运行温度高(600度),大型电站应用

SOFC 固体氧化物燃料电池:运行温度高(800度),未来潜力较大 

PEMFC 质子交换膜燃料电池:低温运行(80度),主要应用于交通领域

DMFC 甲醇燃料电池:运行温度适中(60~130度),主要应用于消费电子

7. 产业链:上游氢气制备运输储存,中游燃料电池,下游应用

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8. 技术路线图:功率密度 > 2kW/kg,耐久性 > 5000h

欧阳老师的《节能与新能源汽车技术路线图》为我国燃料电池汽车的发展指明了方向:电堆的比功率和寿命是主要的技术参数目标,全产业链均有技术创新需求。

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实施路径图:系统→发动机→电堆→膜电极→催化剂&质子交换膜

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采取“剥洋葱模式”,层层深入,将技术链逐环解耦

第一个层次,研发燃料电池的混合动力系统,发动机外协;

第二个层次,研发了燃料电池发动机,燃料电池的电堆外协;

第三个层次,研发燃料电池电堆,燃料电池膜电极外协;

第四个层次,研发燃料电池膜电极,核心是质子交换膜和催化剂。

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9. 5 种制氢方法:煤气化/焦炉气副产成本最低 10 元/Kg,电解水环保 30 元/Kg

制氢主要分为 5 种技术路线

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全球来看,目前主要的制氢原料 96% 以上来源于传统能源的化学重整,日本盐水电解的产能占所有制氢产能的 63%

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各种制氢方式成本如下

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10. 储氢:高压气态为主,固态合金是未来方向

储氢方式有三种,分别是气态储氢、液态储氢、固态储氢。

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各种储氢方式对比如下

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11. 运氢:大量气态管道运输,小量固液车船运输

常见的运输方式有液化汽车运输、高压气体汽车运输和管道运输(方法一、二、三),目前各国正在研发氢载体方式运输氢(方法四),采用各种基本运输方式的组合运输形式。

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12. 加氢站:三站合一,站内制氢为主,中央制氢补充

加氢站的技术路线有站内制氢技术(电解水制氢、天然气重整制氢)和外供氢技术,我们看好站内制氢加氢方案发展前景

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加氢站、加油站、加气站三站合建,解决城市用地难和安全管理问题。

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氢气压缩机、高压储氢罐、氢气加注机是加氢站系统的三大核心装备。

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截至 2017 年底,全球共有328 座正在运营的加氢站。

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到 2020 年,中国规划建成100座加氢站。

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13. 燃料电池汽车:燃料电池系统/发动机+辅助电池系统+储氢瓶+电机+电控

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14. 燃料电池系统/发动机:电堆、DC/DC、空气系统、氢气系统

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15. 燃料电池堆:占系统成本 50%,核心是膜电极、双极板

原理:利用质子交换膜技术,使氢气在覆盖有催化剂的质子交换膜作用下,在阳极将氢气催化分解成为质子,这些质子通过质子交换膜到达阴极,在氢气的分解过程中释放出电子,电子通过负载被引出到阴极,这样就产生了电能。

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燃料电池堆是电池系统的心脏,成本占电池系统一半以上

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单体燃料电池由双极板、膜电极组件(MEA)、密封圈等部件组成,其中膜电极组件成本占燃料电池堆的 60%,主要是由质子交换膜、催化剂层、气体扩散层组成。

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16. MEA 膜电极:催化剂、质子交换膜、气体扩散层

膜电极(membrane electrode assembly,MEA)是质子交换膜燃料电池发生电化学反应的场所,是传递电子和质子的介质,为反应气体、尾气和液态水的进出提供通道,膜电极是质子交换膜燃料电池的心脏。膜电极通常由 5 部分组成,即中间的质子交换膜、两侧的阳极催化层和阴极催化层,最外侧的阳极气体扩散层和阴极气体扩散层。

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催化剂:单车铂用量 < 10g,国内可小规模生产

催化剂作用于氢气,使电子离开氢原子。目前 Pt/C  载体型催化剂是 PEMFC  最常用的催化剂 剂,由纳米级的 Pt 颗粒(3~5nm)和支撑这些 Pt 颗粒的大比表面积活性炭构成。

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质子交换膜:全氟磺酸膜是主流,国内具备量产能力

质子交换膜的主要作用有两个:一方面为电解质提供氢离子通道,一方面作为隔膜隔离两极反应气体。此外,质子交换膜还需要对催化剂层起到支撑作用。

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质子交换膜类型主要包括全氟磺酸质子交换膜、非全氟化质子交换膜、无氟化质子交换膜、复合膜以及高温膜。 

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全氟磺酸膜成型工艺可分为三类:PESIM挤出成型工艺、溶液浇铸成型工艺和复合成型工艺。

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GDL 气体扩散层:核心是碳纸,国内小规模生产

气体扩散层通常由基底层和微孔层组成,基底层通常使用多孔的碳纤维纸、碳纤维织布、 碳纤维非纺材料及碳黑纸,主要起到支撑微孔层的催化层的作用,微孔层主要是改善基底层孔隙结构的一层碳粉,目的是降低催化层和基底层之间的接触电阻,使得流道气体以及产生水均布分配。


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17. 双极板:石墨板应用广泛,金属板能量密度高,国内小规模生产

双极板是电堆的核心结构零部件,起到均匀分配气体、排水、导热、导电的作用,占整个燃料电池 60% 的重量和 20% 的成本。

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双极板材料主要包括石墨、金属以及复合材料三类。

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18. 空气循环系统:核心是涡轮/螺杆空气压缩机

空气循环系统主要由空气压缩机、膨胀机、电机、连接管道等组成,总成本占燃料电池系统的 22%,工作能耗占燃料电池输出功率的 20~30%。

工作原理:空气通过压缩机增压之后,经过加湿处理送入到燃料电池反应堆,在那里和来自于氢源的氢气发生电化学反应,输出电能用于动力输出。输入气体在消耗了部分氧气之后,排出反应堆,通过分水,去雾之后,通过膨胀器从压力气体中回收部分压力能,将其转化为机械能反馈到空气压缩机,从而节省供气单元所需要的电能。

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19. 氢气供给系统:核心是储氢瓶

车载供氢系统包括压力流量调整元件、氢气泄漏传感器、供氢管路、控制系统、 氢气再循环系统等,核心是储氢瓶

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储氢瓶:70 MPa 是未来趋势,国内已有样品

储氢瓶是车辆续航里程的决定因素,常用的储氢瓶分为 5 种类型。

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70 MPa 储氢瓶 是未来趋势

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20. 专利

专利技术经历高速增长后的回落过程中

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日本引领技术发展,中国国际排名第三

 

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车企掌握产业技术话语权,丰田、日产、本田、松下、东芝居前。


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最后奉上丰田燃料电池系统视频。


(来源:电车资源EV江湖 史晨星)

本文由电车资源【EV江湖】作者撰写,观点仅代表个人,不代表电车资源。