燃料电池深度研究报告

燃料电池工作方式与内燃机相类似,除了燃料电池电堆之外,还包括燃料供应子系统、氧化剂供应子系统、水热管理子系统及监控子系统等。

车载空压机是车用燃料电池重要部件之一,其作用是提供燃料电池发电所需要的氧化剂(空气中的氧气),要求空压机能够提供最高功率所需要的空气。如果按照空气化学计量比2.0计算,100kw的燃料电池系统大约需要300Nm3/h的空气。

增湿器是燃料电池发电系统的另一重要部件,这是因为质子交换膜传导质子需要有水的环境,反应气通过增湿器把燃料电池反应所需的水带入燃料电池内。

氢气回流泵的作用是是燃料电池发电系统氢气回路上把未反应氢气从燃料电池出口直接泵回燃料电池入口,与入口反应气汇合后进入燃料电池。

氢瓶在燃料电池汽车上相当于传统汽车的油箱。为了达到一定的续驶里程,目前国内外开发的燃料电池汽车大多采用70Mpa高压气态储氢技术,其中高压氢瓶是关键技术。

在对目前氢气上游产业链进行分析和研究后,我们认为氢气来源和加氢站的建设运营的商业化进程正在逐步提速、成本经济性也逐渐合理化,因此,本篇报告将聚焦于燃料电池车的购置成本降低路线和燃料电池的耐久性问题(以PEMFCV质子交换膜燃料电池汽车为例)。

燃料电池车的购置成本主要取决于燃料电池系统成本,包括燃料电堆成本和系统主要部件成本。燃料电池系统成本约占燃料电池车成本的64%,其中,燃料电堆的成本约占整个燃料电池系统成本的47%。

美国能源部(DOE)氢和燃料电池项目对每年氢燃料电池系统的成本进行了测算,以80kw的质子交换膜电池为样本,以大规模生产(50万个/年)为测算条件。结果表明,氢燃料电池系统成本已经从2006年的124美元/kw降至2015年的53美元/kw(下降近60%)。

DOE认为质子交换膜燃料电池系统成本有望于2020年降至40美元/kw,最终目标是实现30美元/kw。

另一方面,燃料电池的耐久性问题涉及面广,挑战大,是目前燃料电池汽车产业化的棘手问题。

通过研究燃料电池汽车的示范运营情况,业内普遍认为燃料电池汽车的关键材料和部件的劣化模式主要有四种:

(1)频繁的启停引起的高电位造成催化剂碳载体的腐蚀;

(2)反复加减速引起的电位循环造成的催化剂铂颗粒粗大化;

(3)低负荷运行导致质子交换膜分解;

(4)低温循环所伴随的胀缩造成膜电极机械损伤。