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氫燃料電池行業(yè),初步調研報告,1,.,,1,燃料電池概述,2,.,概述,燃料電池汽車是電動汽車的一種，其電池的能量是通過氫氣和氧氣的化學作用，而不是經(jīng)過燃燒，直接變成電能獲得。甲醇、天然氣和汽油也可以替代氫（從這些物質里間接地提取氫），不過將會產(chǎn)生極度少的二氧化碳和氮氧化物。,3,.,各燃料電池參數(shù)表,4,.,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,生成,凈化,壓縮,使用,重整,變壓吸附,高強度壓縮,燃料電池,工作,水資源,能源,燃料電池技術總覽,5,.,按燃料的供應方式不同，燃料電池發(fā)電系統(tǒng)分為直接和間接供氫型。 直接供氫就是直接用氫作燃料，沒有中間重整過程。 間接供氫是通過重整裝置先將氫從其他形式的燃料中分離出來。 車載純氫儲存方法主要分為：高壓氫氣儲存、液態(tài)氫儲存、金屬儲氫、活性炭吸附儲氫和碳納米材料儲氫。 車載制氫需要內部高溫的燃料處理器，通過重整或部分氧化等方式由燃料中獲得氫。醇類：甲醇、乙醇、二甲醚等；烴類：柴油、汽油、甲烷等。,燃料電池技術說明,6,.,,,,,,,,,,,,,,,,,,,electrons,薄膜,4,+,protons氫氣氧氣,氫燃料電池的工作原理?電能 水4-,反應過程： 1）氫氣通過管道或導氣板到達陽極。 2）在陽極催化劑（鉑）的作用下，一個氫分子分解為兩個質子，并釋放出兩個電子。 3）在電池的另一端，氧氣通過管道或導氣板到達陰極，同時，氫離子穿過電解質到達陰極，電子通過外電路也到達陰極。電子在外電路的連接下形成電流。 4）在陰極催化劑的作用下，氧和氫離子與電子發(fā)生反應生成水,7,.,,,,,,,,,,氫燃料電池的優(yōu)勢,氫能豐富，簡單，清潔電子-+質子,氫能強大,氫能轉化為電能…電能較燃油能要方便得多,8,.,制約燃料電池行業(yè)發(fā)展的因素,（一）成本障礙 燃料電池組的成本必須下降，其中主要涉及三個關鍵部件的成本：鉑催化劑、電解質膜和雙極板。 鉑催化劑?，F(xiàn)在的燃料電池組都使用金屬鉑作為催化劑，在未來十年內很可能依舊如此。目前電極載鉑量過高一直是阻礙燃料電池發(fā)展的重要因素。 電解質膜?，F(xiàn)在汽車應用中最常見的質子交換膜是全氟磺酸膜（PFSAs），這種交換膜具有較強的氧化和還原穩(wěn)定性。目前燃料電池所用的納菲薄膜主要依靠進口，其價格在600美元/平方米左右。 雙極板。目前質子交換膜燃料電池最常使用的雙極板是不透性石墨材料。 制造石墨雙極板需經(jīng)過2500℃以上的石墨化，并需經(jīng)過多次浸漬、炭化處理以達到不透性。而且由塊狀石墨加工成雙極板，加工成本過高，加工時間長，不易批量生產(chǎn)。 氫燃料罐的成本較高，從成本和小型輕量化的角度來看，需開發(fā)組合使用輕量低成本氫儲藏材料和高壓氫燃料罐。 電池配件方面，可與純電動汽車和混合動力汽車共同使用其他零部件，從而削減高昂成本。,9,.,制約燃料電池行業(yè)發(fā)展的因素,（二）燃料來源 傳統(tǒng)工業(yè)制氫的方法以化石材料制氫、電解水制氫為主。而隨著對大規(guī)模制氫需求的提高，生物制氫、熱化學制氫和太陽光催化光解制氫等方法也獲得廣泛應用。 從成本角度來看，在燃料電池推廣初期，應以分散式制氫為主，可進一步控制成本，且使用便利。但隨著未來燃料電池規(guī)模化發(fā)展之后，集中制氫的成本和環(huán)保優(yōu)勢將會進一步突出。 （三）配套設施 燃料電池汽車的推廣，其中最主要的制約因素是配套設施的缺失，即加氫站的覆蓋率過小，而其高昂的建設成本也使得加氫站的建設只能作為試驗性經(jīng)營。 （四）儲藏與安全 通常氫氣以三種形態(tài)存儲和運輸：高壓氣態(tài)、液態(tài)和氫化物狀態(tài)。短期內，高壓罐儲氫仍是主要氫氣儲存運輸手段。但從長期來看，更需要具備高儲氫容量、高安全性、吸/放氫速率快、長壽命和低成本的儲氫材料。,10,.,燃料電池的應用,,,,,02,04,03,01,,,,,移動裝置,軍事上,空間領域,運輸上,11,.,燃料電池在移動裝置上的應用,伴隨燃料電池的日益發(fā)展，它們正成為不斷增加的移動電器。微型燃料電池因其具有使用壽命長，重量輕和充電方便等優(yōu)點，比常規(guī)電池具有得天獨厚的優(yōu)勢。目前，美國正在試驗以直接甲醇燃料電池為動力的移動電話，蘋果新型氫燃料電池移動裝置可撐數(shù)周，而德國則在實驗以這種能源為動力的膝上型電腦。,12,.,燃料電池在空間領域的應用,燃料電池在空間領域的應用：燃料電池最早和最成功的應用始于20世紀50年代，它被用作航天飛船的動力源。由于燃料電池相對于其他動力能源來說有很高的效率，因而可極大的減少體積和重量。對于航天器說，減輕重量是很重要的！ 燃料電池沒有同時在其他方面得到應用，主要的原因是當時的燃料電池造價昂貴；因此，降低燃料電池的造價是多年來研究和 開發(fā)的主要內容。,圖“阿波羅11號”飛船,13,.,燃料電池在軍事上的應用,燃料電池可以以多種形態(tài)為絕大多數(shù)軍事裝置，從戰(zhàn)場上的移動手提裝備到海陸運輸提供動力。在軍事上，微型燃料電池要比普通的固體電池具有更大的優(yōu)越性，其增長的使用時間就意味著在戰(zhàn)場上勿需麻煩的備品供應。 此外，對于燃料電池而言，添加燃料也是輕而易舉的事情。 同樣，燃料電池的運輸效能能極大地減少活動過程中所需的燃料用量，在進行下一次加油之前，車輛可以行駛得更遠，或在遙遠的地區(qū)活動更長的時間。 這樣，戰(zhàn)地所需的支持車輛、人員和裝備的數(shù)量便可以顯著的減少。 自20世紀80年代以來，美國海軍就使用燃料電池為其深海探索的船只和無人潛艇提供動力。,14,.,燃料電池在運輸上的應用,在世界各地，國家和地方機構都在立法強迫汽車制造商生產(chǎn)能極大限度地降低排放的車輛。燃料電池可為這種要求帶來實質的機遇。研究指出：當一輛小車使用以天然氣重整的氫為燃料的燃料電池而不用汽油內燃機時，其二氧化碳的排放量可以減少高達72%。燃料電池汽車是由電池和燃料電池提供動力的電力車輛。燃料電池把氫氣和氧氣轉化成電能，它所產(chǎn)生的副產(chǎn)品只有水和熱。它摒棄了復雜的變速箱等動力傳動裝置，4臺由燃料電池驅動的電機直接同車輪相連推動汽車行走。,15,.,,2,燃料電池汽車的發(fā)展,16,.,燃料電池電動汽車的特點,優(yōu)勢： （1）工作效率高 以氫氣為燃料的FCV效率可達到50%——70%左右，甲醇重整產(chǎn)生氫氣的FCV效率可達30%左右，內燃機汽車的效率為11%左右。 （2）節(jié)能、環(huán)保 （3）結構簡單和運行平穩(wěn)面臨問題： （1）造價高 （2）氫氣的儲存、制備和運輸 （3）加氫站等基礎設施建設,17,.,燃料電池汽車發(fā)展現(xiàn)狀,在眾多的新能源汽車中，燃料電池汽車因其具有零排放、效率高、燃料來源多元化、能源可再生等優(yōu)勢而被認為是未來汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展重要方向，是解決全球能源問題和氣候變化的理想方案。 國際燃料電池汽車現(xiàn)已進入技術與市場示范階段。 我國燃料電池汽車面臨著發(fā)展后勁不足，技術創(chuàng)新突破難、產(chǎn)業(yè)化基礎薄弱、專業(yè)人才缺乏等難題，嚴重阻礙了我國燃料電池汽車技術進步。 到目前為止，我國基本掌握了35MPa高壓儲氫和加注系統(tǒng)關鍵技術，實現(xiàn)高壓氫氣瓶等部件國產(chǎn)化開發(fā)，但某些關鍵閥門、傳感器還依賴進口，70MPa氫氣存儲關鍵技術和關鍵部件仍然處在研發(fā)階段，其直接制約了我國燃料電池汽車續(xù)駛里程提高。,18,.,國外燃料電池汽車發(fā)展現(xiàn)狀,國外已經(jīng)由基于傳統(tǒng)車輛平臺改造形成燃料電池車模式走向為燃料電池汽車打造全新整車平臺階段，如本田汽車公司Clarity，豐田汽車公司FCHV，戴姆勒奔馳公司F-Cell和通用公司Chevrolet Equinox。 國外燃料電池汽車產(chǎn)品的可靠性、環(huán)境適應性(如低溫啟動性能)取得了重大突破，示范運行不斷深入，并陸續(xù)推出用于租賃商業(yè)化示范的先進燃料電池汽車，燃料電池汽車進入技術與市場示范階段。產(chǎn)品成本控制與配套基礎設施建設成為制約燃料電池汽車商業(yè)化推廣主要因素。,19,.,部分車企燃料電池車開發(fā)銷售計劃,20,.,中國燃料電池汽車發(fā)展現(xiàn)狀,在國內，以上汽股份、上海大眾、一汽、長安、奇瑞等公司為代表開發(fā)的燃料電池轎車均基于傳統(tǒng)內燃機車輛進行改制，尚未掌握燃料電池汽車專用車身開發(fā)、底盤開發(fā)、底盤動力學主動控制等關鍵技術，與國外存在較大差距。,21,.,中國新能源汽車發(fā)展狀況,2017年以來截至7月31日，工信部累計發(fā)布了7批新能源汽車車型目錄，共有2265款車型入選：客車1391款，占比61.41%;乘用車265款，占比11.70%;專用車609款，占比28.89%。從動力類型看，共有純電動汽車1872款、混合動力汽車386款、燃料電池汽車7款，分別占比82.65%、17.04%、0.31%,可見純電動汽車是目前推廣的重點。,22,.,,3,燃料電池和鋰電池比較,23,.,燃料電池與鋰電池對比,純電動汽車通常采用鋰離子電池作為動力來源，燃料電池汽車則采用氫燃料電池。 鋰離子電池依靠鋰離子在正極和負極之間移動來工作， 氫燃料電池利用氫氧化學反應產(chǎn)生電能，二者都是對環(huán)境污染極小的。鋰離子電池是一種儲能裝置，目前常用的鋰離子電池按正極材料可以分為磷酸鐵鋰（LFP）電池、三元（NCM）電池和錳酸鋰（LMO）電池。燃料電池其本質是一種發(fā)電機，其燃料和氧化劑不經(jīng)過燃燒而直接通過電化學反應轉化成電能。燃料電池作為電能轉化裝置時，它的效率可以達到60%，甚至在作為熱電聯(lián)產(chǎn)裝置時它的效率高達80%。不同類型的燃料電池應用領域和使用環(huán)境不同，質子交換膜燃料電池的使用溫度范圍為室溫至80℃左右，目前在燃料電池車上使用的基本都是這種類型。,24,.,工作原理和組成材料,25,.,優(yōu)勢比較,電動汽車完全以電池作為動力，更強調充電后的續(xù)駛能力，因而更關注電池的能量密度。 鋰離子電池能量密度提升受制于電池材料理論瓶頸。目前，國內電動汽動力型動力電池正極材料以磷酸鐵鋰（LFP）為主，負極材料仍主要采用石墨材料，其比能量約為 90~140Wh/kg 。 燃料電池是一種發(fā)電裝置，能量密度遠高于鋰離子電池。在與能量密度直接對應的整車續(xù)駛里程方面，頂級豪華電動汽車Tesla的續(xù)駛里程剛達到500km；而以豐田Mirai、現(xiàn)代ix35為典型代表的燃料電池車續(xù)駛里程都在500km以上。因此在能量密度方面，燃料電池比鋰離子電池好。,26,.,燃料電池和鋰電池壽命,27,.,限制燃料電池發(fā)展的瓶頸,目前，國內鋰離子電池系統(tǒng)的成本在1800元/kWh左右，燃料電池堆（不含系統(tǒng)中的燃料系統(tǒng)等各種附件）的成本在5000元/kW左右。對于一輛普通轎車，假設是電動汽車，電量配置60kWh（BYDE6配置60kWh）其成本在9.6萬元。如果是燃料電池車，功率配置100kW(豐田Mirai配置114kWh)，電堆成本在50萬左右。燃料電池的成本目前明顯高于鋰離子電池，這是限制燃料電池發(fā)展的瓶頸。一般認為，燃料電池的成本偏高主要是由于使用了貴金屬Pt，而實際Pt的成本計算如下： 目前較高的Pt載量的水平為：0.4mg/cm2，其電性能水平為1600Ma@0.6V/cm2，即0.96W/cm2。對于100kW的燃料電池系統(tǒng)中使用的Pt含量為41.67g。Pt的價格按照500元/g計算，使用的Pt的成本為41.67*500=20833元。對于100kW的燃料電池堆的成本在50萬元以上，Pt的成本只占總成本的4%左右。 目前，減少燃料電池Pt含量的手段主要是改進催化劑結構（例如使用包覆Pt的顆粒取代純Pt顆粒）或者改進催化劑 配方。其最終優(yōu)化目標是在2020年左右將催化劑Pt需求量控制在5g/100kW，一旦實現(xiàn)這一單耗目標并解決報廢系統(tǒng)Pt 回收問題，則燃電和燃油車對Pt的消耗基本在同一水平，產(chǎn)品替代不再產(chǎn)生Pt需求增量，Pt的成本和資源限制將不再 是問題。 燃料電池的成本主要是因為目前材料和系統(tǒng)的工藝都不太成熟，而隨著商業(yè)化的發(fā)展，其成本必然有非常大幅度下降。,28,.,,4,燃料電池汽車技術,29,.,1、集成度 我國轎車用燃料電池發(fā)動機輸出功率等級、功率密度等性能參數(shù)明顯低于國外同類型燃料電池汽車用燃料電池技術性能。 2、環(huán)境適應性 低溫冷啟動性能 3、可靠性及壽命4、成本控制關鍵技術研究國外一方面研究低鉑燃料電池技術，減少催化劑用量，另一方面研究催化劑抗毒性，降低其運行成本，同時還開發(fā)非鉑催化劑來代替貴重金屬Pt。,燃料電池發(fā)動機技術,30,.,燃料電池電動汽車的系統(tǒng)組成和工作原理,燃料電池電動汽車是以燃料電池系統(tǒng)作為動力源或主要動力源的車輛。按照驅動形式：分為純燃料電池驅動和混合驅動。按照燃料電池系統(tǒng)的能量來源：分為車載純氫和燃料重整。,31,.,燃料電池單獨驅動汽車動力系統(tǒng),優(yōu)點： 1）系統(tǒng)結構簡單，便于實現(xiàn)系統(tǒng)控制； 2）系統(tǒng)部件少，有利于整車的輕量化； 3）較少的部件使得整體的能量傳遞效率高，從而提高整車的燃料經(jīng)濟性。 缺點： 1）燃料電池的功率大，成本高； 2）對燃料電池系統(tǒng)的動態(tài)性能和可靠性提出了很高的要求； 3）不能進行制動能量回收。,32,.,燃料電池混合動力電動汽車動力系統(tǒng),組成：燃料電池系統(tǒng)、DC/DC轉換器、輔助動力源、驅動電機以及各相應的控制器，機械傳動與車輛各行駛機構等。 FC+B蓄電池 FC+C 超級電容 FC+B+C 蓄電池+超級電容,33,.,混合動力燃料電池大客車原理,34,.,燃料電池汽車不同動力驅動系統(tǒng)結構特性比較,35,.,,5,燃料電池汽車現(xiàn)狀分析,36,.,幾種主流燃料電池乘用車性能指標對比,37,.,幾種主流燃料電池客車性能指標對比,38,.,2017年燃料電池并購 國內7起,凱恩股份合作成立第一氫電 總投資1億元 6月2日，凱恩股份宣布將以自有資金出資1000萬元與中洋新能、萬木隆投資、湖商智投和洲際新能共同投資設立第一氫電科技有限公司。 東旭光電1億元參股億華通 深拓氫燃料電池車領域 6月15日晚間，東旭光電發(fā)布公告稱，公司與北京億華通科技股份有限公司簽署了《北京億華通科技股份有限公司股份認購合同》，總出資額為1億元。 大洋電機投13.4億元建年產(chǎn)1.7萬套氫燃料電池系統(tǒng) 6月下旬，大洋電機披露，子公司武漢大洋電機在將在湖北省孝昌縣投資建設年產(chǎn)1.7萬套商用車氫燃料電池系統(tǒng)建設項目。 雪人股份2100萬美元收購Hydrogenics Corp17.6%股權 通過與專業(yè)投資機構對外投資認購加拿大氫燃料電池生產(chǎn)商 Hydrogenics Corp不超過17.6%的股權，股權交割已完成，對價支付的2100萬美元支付完畢。 大洋電機投資4.4億元與中通進行燃料電池車生產(chǎn) 7月28日，來自中山大洋電機股份有限公司消息，公司擬投資4.4億萬元與中通客車控股股份有限公司、山東省聊城經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)管委會合資成立通洋燃料電池科技（山東）有限公司。 三碩科技投5億元生產(chǎn)燃料電池發(fā)動機 定南氫燃料電池發(fā)動機項目主要從事氫燃料電池發(fā)動機的生產(chǎn)、研發(fā)和銷售，生產(chǎn)經(jīng)營規(guī)模為年生產(chǎn)3萬臺氫燃料電池發(fā)動機，項目預計今年10月投產(chǎn)，年產(chǎn)值可達90億元以上。 尤夫股份1.1億元試水氫燃料電池 5月2日晚，尤夫股份發(fā)布公告稱，擬用自有資金1.125億元對武漢眾宇動力系統(tǒng)科技有限公司進行增資，從而持有武漢眾宇25%的股權。,39,.,2017年燃料電池并購 國外5起,本田通用聯(lián)手共同投資5.8億元 1月30日，日本汽車制造商本田和美國通用汽車（GM）30日宣布，將合作生產(chǎn)氫動力燃料電池車的新一代系統(tǒng)。兩家公司分別出資4250萬美元（約合人民幣2.9億元）在美國成立生產(chǎn)子公司，力爭2020年左右開始投入量產(chǎn)。英國拿出2300萬英鎊設立基金推動氫燃料汽車 英國政府宣布新創(chuàng)立2300萬英鎊的基金，通過改善氫能源基礎設施來推動氫燃料汽車的推廣?；饘⒈挥糜诩託湔竞推渌案呖萍蓟A設施”項目的建設。亞馬遜收購氫燃料電池廠商Plug Power 4月10日，氫能源龍頭企業(yè)Plug Power Inc公司（簡稱Plug公司）表示，已經(jīng)與網(wǎng)絡電商巨頭亞馬遜達成股權收購協(xié)議，亞馬遜將收購其23%的股權，并開始為亞馬遜旗下零售倉庫中的電動叉車更換Plug公司的燃料電池。德國政府出資6000萬歐元組織寶馬、戴姆勒研究汽車燃料電池 7月初，德國政府組織本國汽車行業(yè)領導企業(yè)成立了一個6000萬歐元、為期三年的聯(lián)盟，研究汽車燃料電池堆的大批量生產(chǎn)。Loop Energy公司獲加拿大政府76萬美元資助研發(fā)燃料電池 Loop Energy公司近日宣布已獲得加拿大創(chuàng)新科學經(jīng)濟發(fā)展部門（ISED）76萬美元的投資。這項投資是由汽車供應商創(chuàng)新計劃（ASIP）提供，用來支持Loop Energy開發(fā)下一代燃料電池堆。,40,.,,6,中國燃料電池汽車未來規(guī)劃,41,.,中國燃料電池汽車發(fā)展思路,近期（5年內)以中等功率燃料電池與大容量動力電池的深度混合動力構型為技術特征，實現(xiàn)燃料電池汽車在特定地區(qū)的公共服務用車領域大規(guī)模示范應用;中期(10年內)以大功率燃料電池與中等容量動力電池的電電混合為特征，實現(xiàn)燃料電池汽車的較大規(guī)模批量化商業(yè)應用；遠期(15年內)以全功率燃料電池為動力特征，在私人乘用車、大型商用車領域實現(xiàn)百萬輛規(guī)模的商業(yè)推廣；以可再生能源為主的氫能供應體系建設與規(guī)模擴大支撐燃料電池汽車規(guī)?；l(fā)展,42,.,發(fā)展目標、路徑和重點,發(fā)展目標,技術路徑,發(fā)展重點,燃料電池車發(fā)展規(guī)模： 2020年：5000輛 2025年：5萬輛 2030年：百萬輛 燃料電池堆比功率 2020年：2 kW/kg 2025年：2.5 kW/kg 2030年：2.5 kW/kg 燃料電池堆耐久性： 2020年：5000小時 2025年：6000小時 2030年：8000小時,燃料電池關鍵材料技術 電堆技術 系統(tǒng)集成與控制技術 動力系統(tǒng)開發(fā)技術 燃料電池汽車的設計與集成技術 提高功率密度 提高耐久性 降低成本 提高載氫安全,新型燃料電池核心材料 先進燃料電池電堆 關鍵輔助系統(tǒng)零部件技術 高性能燃料電池系統(tǒng) 混合型燃料電池動力系統(tǒng) 制氫運氫儲氫及加氫基礎設施,43,.,規(guī)劃表及時間節(jié)點,44,.,中國燃料電池汽車技術路線,45,.,,,THANK YOU,FOR WATCHING,More Info： vicky@changchai.com,PRESENTED BY CHANGCHAI,46,.,