2019年新能源汽车氢燃料电池汽车产业发展研究报告

氢燃料电池汽车产业发展研究报告 中国汽车技术研究中心有限公司汽车技术情报研究所 信息咨询中心2019.6 目录 CONTENTS 一．燃料电池汽车概述 二．我国氢燃料电池汽车技术现状三．国内氢燃料电池汽车企业的发展 四．燃料电池汽车与纯电动汽车分析对比五．氢燃料电池商用车现状及发展趋势 六．国家与地方政策不断推进燃料电池汽车产业发展七．氢燃料电池汽车的战略布局与基础设施规划 八．燃料电池全产业链规划路线图 第一部分 燃料电池汽车概述 燃料电池是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。 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，进而产生电能。 伴随着电池反应，电池向外输出电能。只要保持氢气和氧气的供给，该燃料电池就会连续不断地产生电能。 阳极排放 e- 负载 e- 阴极排放 阴极02+4H++4e-=2H20 ↓↓电解质H+↓↓ 阳极H2=2H++2e- 氢 氧（空气） 催化剂 5 在燃料电池中，磷酸燃料电池(PAFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)可以冷起动和快起动，可以用作为移动电源，适应燃料电池电动汽车(FCEV)使用的要求，更加具有竞争力。 燃料电池的类型 碱性燃料电池（AFC） 酸性燃料电池 （PAFC） 熔融碳酸盐燃料电池（MCFC） 固体氧化物燃料电池（SOFC） 质子交换膜燃料电池（PEMFC） 比功率（W/kg） 35～105 100～220 30～40 15～20 300～1000 单位面积的功率（W/cm²） 0.5 0.1 0.2 0.3 1～2 燃料电极的燃料种类 H₂ 天然气、甲醇液化石油气 天然气、液化石油气 H₂、CO、HC H₂ 氧电极的氧化物种类 O₂ 空气 空气 空气 空气 电解质 有腐蚀、液体氢氧化钾 有腐蚀、液体磷酸水溶液 有腐蚀、液体碳酸锂/碳酸钾 无腐蚀氧化锆系陶瓷系 无腐蚀、固体稳定氧化锆系 发电效率（%） 45～60 35～60 45～60 50～60 启动时间 几分钟 2～4h ≥10h ≥10h 几分钟 电荷载体 OH¯ H+ CO₃¯ O¯ 反应温度（℃） 50～200 180～220 600～700 750～1000 25～105 应用情况 应用于宇宙飞船 应用广泛发展迅速 有可能用于大型发电厂 有可能用于大型发电厂 发展迅速可用于FCEV 碱性燃料电池（AFC） 酸性燃料电池 （PAFC） 熔融碳酸盐燃料电池（MCFC） 固体氧化物燃料电池 （SOFC） 质子交换膜燃料 电池（PEMFC） 优点 1.可在一个宽温度(80～230℃)和压力[(2.2-45)×105Pa范围内运行2.具有较高的效率(50%～55%)3.性能可靠、成本最低4.可用非贵金属作催化剂5.通过电解液完全的循环，电解液被用作冷却介质，易于热管理 1.不易被CO毒化2.技术成熟 1.非贵金属催化剂2.高品位余热可用于热电联供 1.催化剂为非贵金属2.高品位余热可用于热电联供3.较高功率密度 1.直接甲醇燃料电池期望工作温度为120℃以下，其效率为40%左右2.无重整、转化装置，体积小、质量轻、系统简单、燃料丰富、价格低廉、储存方便 缺点 1.电解液易受二氧化碳的毒化，不适合大气环境使用2.循环电解液的利用，增加了泄漏的风险 1.冷启动时间久2.不适合中小型移动电源，仅适合固定式发电站 1.二氧化碳(CO₂)必须再循环2.电解质具有腐蚀性3.材料昂贵 1.启动时间长，操作温度在650～1000℃，为保护电池组件，升温速率不能太快2.原料成本高3.固体氧化物燃料电池在高温运行下的寿命仍需考证 1.存在甲醇渗透问题2.与氢燃料电池相比，其电流密度低、使用寿命短 生产年份 车型 燃料种类 电池单体电压（V） 电池单体企业 续驶里程 （工况法） 2016 上汽荣威750FCV 燃料电池 0.68/3.2,0.68/3.2 大连新源动力股份有限公司上海航天电源技术有限责任公司 200km 2016 上汽荣威950FCV 燃料电池 0.68/3.7 新源动力股份有限公司南京乐金化学新能源电池有限公司 350km 2016 上汽荣威950FCV 燃料电池 0.68/3.7 新源动力股份有限公司南京乐金化学新能源电池有限公司 350km 2016 上汽荣威750FCV 燃料电池 0.68/3.2,0.68/3.2 大连新源动力股份有限公司上海航天电源技术有限责任公司 200km 2015 上汽荣威750FCV 燃料电池 0.68/3.2,0.68/3.2 大连新源动力股份有限公司上海航天电源技术有限责任公司 200km 2014 上汽荣威750FCV 燃料电池 0.68/3.2,0.68/3.2 大连新源动力股份有限公司上海航天电源技术有限责任公司 200km 截至目前，在燃料电池领域已公开的专利中，发明专利有2551件，占比77.18%，实用新型专利有754件，占比22.82%。研究方向主要聚焦在燃料电池电极部件、燃料电池电动车辆的动力装置、燃料电池无机化合物生产、燃料电池氢能源的分离和净化、燃料电池电能存储系统以及燃料电池分隔件等方面。 燃料电池专利申请人排名中，日本丰田以295项专利居首位。同时，中国、日本、美国、韩国也在积极布局，是燃料电池研发成果最多的国家。 其他,39, 2% 加拿瑞丹士麦,,150,, 英国,23, 1% 1% 大10%,8, 中国,788, 37% 法国,75, 4% 韩国,87, 4% 德国,159, 7% 日本,554, 26% 美国,350, 17% 日产自动车株式会社上海合既得动氢机器有限公司上海神力科技有限公司 同济大学通用汽车环球科技运作有限责任… 清华大学通用汽车环球科技运作公司本田技研工业株式会社 现代自动车株式会社 丰田自动车株式会社 52 53 58 62 67 76 83 83 179 295 0 50100150200250300350 各国燃料电池专利申请情况 燃料电池研发领先企业 从氢燃料电池汽车动力系统成本构成来看，占比最大的是燃料电池系统，其造价约占总成本的三分之二，还有氢气储存系统和其他配件。 要降低燃料电池系统成本，首要问题就是降低燃料组电池成本。 具体措施 氢燃料电池汽车动力系统成本 其他零部件,20% 车载储氢系统,8% 电池、电机系统,9% 燃料电池系统,63% 降低质子交换膜成本 •质子交换膜成本占整车成本15% 降低铂金催化剂使用量或寻求替代品 •铂金催化剂成本占整车成本6% •为了降低铂的使用量，各大公司持续研究，膜电极上催化剂铂的负载量从10mg/cm2降到0.02mg/cm2 •美国能源部燃料电池技术办公室FCTO用新的d-PtNi催化剂替代了NSTFPtCoMn催化剂，使得燃料电池系统的价格下降了1.85美元/kW；丰田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 表面改性的多涂层结构金属双极板将大幅优化镀层成本 •金属板强度高、加工性能好、导电导热性强、成本低等优点，开始在部分领域替代石墨。不过金属板在高温及酸性环境下易腐蚀，因此在金属双极板表面镀上金属防护层 规模化生产也会使得燃料电池系统价格下降 •根据FCTO的研究，当生产1000套质子交换膜燃料电池系统时，燃料电池堆的成本为154美元/kW，燃料电池系统的成本为216美元/kW；而生产10000套质子交换膜燃料电池时，燃料电池堆的成本大幅下降到61美元/kW，燃料电池系统大幅下降到103美元/kW 第二部分我国氢燃料电池汽车技术现状 目前国内市场上能提供质子交换膜燃料电池技术的公司主要有上海神力科技有限公司和新源动力股份有限公司。2013-2017年，中国质子交换膜燃料电池行业市场规模呈现不断增长的趋势。其中，2013年市场规模为1.50亿元，到2017年增长至2.46亿元。 3 2.5 2 单以技术而言，我国质子交换膜燃料电池技术已接近国外先进水平，阻碍其大规模商业化应用的原因主要有两点，一是价格过高，二是寿命问题。开发新材料是解决这两大问题的必经之路，也是目前质子交换膜燃料电池研究的热点。 预计未来几年，伴随着行业的进一步发展，我国质子交换膜燃料电池行业市场规模将呈现出逐年增长态势，到2022年行业市场规模有望达到5亿元。 2.46 2.17 1.88 1.5 1 0.5 0 1.5 2014年2015年2016年2017年 2014-2017年中国质子交换膜燃料电池市场规模分析（单位：亿元） 燃料电池的关键材料主要包括催化剂、质子交换膜、双极板、绝缘端板等，质子交换膜作为燃料电池系统的另一类重要核心材料，是影响电池性能和寿命的关键因素。膜电极作为电化学反应场所，是燃料电池系统的核心功能部件。 燃料电池堆的设计上承系统运行要求，下接关键材料性能，同时还要考虑反应气流体力学行为与电化学反应过程，是基础研究与工程设计结合的产物。 关键材料研发 膜电极制备 电池堆设计 系统集成 质子膜导电机理与降解机理研究 质子膜的成型技术 具有化学与机械稳定性、导电性、自加湿能力的高性能质子膜材料的开发 增强膜电极三相反应界面及其稳定性 单片膜电极制备的均一性和膜电极批量生产的一致性 膜电极中催化剂的腐蚀与质子膜的降解 膜电极破坏机理研究与寿命衰减测试 商业化膜电极制备技术及其性能可靠性 电池堆运行的可靠性，包括运行的稳定性，安全性及寿命 电池堆发电效率、功率密度的提高和成本的减控 电池堆批量生产过程中的质量监控和成本降低 电池堆与系统内其它模块间的热量耦合及散热处理 系统水气管理与循环利用系统的快速启动与响应 附属部件与系统电能输出的能量管理以及系统故障实时检测与自修复功能 我国自主开发的燃料电池汽车在车型开发、整车动力性、续驶里程、燃料电池发动机功率、低温启动等方面与国外存在一定差距，在等效燃料经济性水平和车辆噪声水平与国外基本处于同一水平。 上汽荣威950 戴姆勒BClass 本田Clarity 丰田FCHV 通用Provoq 整车整备质量(kg) 2094 1700 1625 1880 1978 百公里加速时间(s) 15 10 11 / 8.5 最高车速(km/h) 160 170 160 155 160 续驶里程(km) 400 600 570 830 483 燃料电池发动机峰值功率(kW) 50 80 100 90 88 储氢系统压力(MPa) 70 70 70 70 70 冷启动温度 0 -25 -30 -30 -25 电机功率/转矩(kW/Nm) 110/Na 100/290 100/260 90/260 150/Na 我国燃料电池商用车与国外燃料电池商用车的性能差异主要体现在燃料电池发动机功率，冷启动、耐久性方面。 美VanHool 客车 美NewFlyer 德国奔驰 日本日野 宇通客车 佛山飞驰 货车 上汽大通 东风汽车 燃料电池功率(kW) 120 150 2*60 2*114 30/60 85 30 30 动力电池能量(kWh) 17.4 47 26 2*1.6 64.5 36 14.3 20 电机峰值功率(kW) 2*85 2*85 2*80 2*113 100 150 100 120 储氢系统压力(MPa) 35 35 35 70 35 35 35 35 储氢瓶个数 8 8 7 10 8 8 2 3 氢气量(kg) 40 56 35 18 25 25 4.4 6.2 耐久性(hr) 18000 8000 12000 5000 4000 10000 5000 12000 续驶里程(km) 350 483 250 200 600 300 490 200 冷启动温度(℃) -30 -30 -25 -30 -30 -