鉅大LARGE | 點擊量：518次 | 2021年10月28日
燃料動力電池商業(yè)化前夕：光伏與鋰離子電池歷史能否重演？
自三月十五日氫能源首次被寫入政府工作報告以來，燃料動力鋰電池的風似乎愈刮愈烈，燃料動力鋰電池概念股紛紛上漲，這不禁讓人聯(lián)想到2006年時的光伏和2012年的鋰離子電池。但是，光伏與鋰離子電池的歷史是否能夠重演？燃料動力鋰電池是否具備商業(yè)化應用的條件？
燃料動力鋰電池的商業(yè)化離不開政策的支持，但是歸根結底還是在于技術的成熟和成本的下降。當然，燃料動力鋰電池的種類有很多，應用也很廣泛，這里僅對質子交換膜燃料動力鋰電池（PEMFC）進行討論。下面重要從政策、技術、成本和發(fā)展路線四個方面對燃料動力鋰電池產(chǎn)業(yè)進行討論。
產(chǎn)業(yè)政策
隨著燃料動力鋰電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展逐漸成熟，我國在燃料動力鋰電池領域的規(guī)劃綱要和政策逐漸清晰，政府從發(fā)展路線、產(chǎn)業(yè)規(guī)劃和補貼扶持全方位支持燃料動力鋰電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。2015年我國出臺的《我國制造2025》，有關節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的10年戰(zhàn)略目標，指岀我國燃料動力鋰電池汽車要在三個關鍵方向實現(xiàn)突破：關鍵材料、零部件逐步國產(chǎn)化；燃料動力鋰電池堆和整車性能逐步提升；燃料動力鋰電池汽車運行規(guī)模進一步擴大。2017年四月三部委聯(lián)合印發(fā)《汽車產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃》，進一步明確了以2020年、2025年、2030年為三個關鍵時間節(jié)點的燃料動力鋰電池汽車技術發(fā)展路線。
2019年，燃料動力鋰電池車在過渡期期間給予2018年的0.8倍補貼，后續(xù)政策另行通知。2019年三月十五日氫能源首次被寫入政府工作報告，標志著燃料動力鋰電池產(chǎn)業(yè)得到政府的高度重視；三月二十六日財政部等四部委提出地方補貼需支持加氫基礎設施“短板”建設和配套運用服務。目前燃料動力鋰電池的體量較小，后續(xù)政府有望加強燃料動力鋰電池產(chǎn)業(yè)的政策支持力度，助力產(chǎn)業(yè)跨越式發(fā)展。
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技術現(xiàn)狀
當下制約燃料動力鋰電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要有以下幾點技術問題：1.上游氫氣的制取、存儲、運輸技術；2.燃料動力鋰電池的電堆壽命過短，乘用車壽命需達到5000-10000小時；3.電堆關鍵材料制備技術如鉑碳催化劑中鉑的擔載量。
1）氫氣制取、存儲和運輸及加氫站技術
目前，制備氫氣的幾種重要方式包括氯堿工業(yè)副產(chǎn)氫、電解水制氫、化工原料制氫（甲醇裂解、乙醇裂解、液氨裂解等）、石化資源制氫（石油裂解、水煤氣法等）和新型制氫方法（生物質、光化學等）。其中氯堿工業(yè)副產(chǎn)氫的產(chǎn)量較大，成本低廉，理論上可以支撐243萬輛燃料動力鋰電池車的行駛，保守估計可以供50萬輛燃料動力鋰電池車的使用，這足以滿足燃料動力鋰電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展初期對氫氣的需求。水煤氣法制氫成本低，但是含硫量高，會導致催化劑的中毒，無法滿足燃料動力鋰電池使用需求；石油和天然氣制氫成本與氯堿工業(yè)相近，但是環(huán)保性不強；化工原料制氫、水電解制氫及其他新型制氫方法相對成本較高。而在產(chǎn)業(yè)發(fā)展后期，利用風電、光電及核電的棄電資源電解水制氫將可實現(xiàn)資源的可再生及零排放目標，同時借助于技術的進步和產(chǎn)業(yè)化帶來的成本下降將使得此技術路線制取的氫氣具備成本優(yōu)勢。
圖3不同氫氣制備技術路線
在氫氣的儲存和運輸一塊，目前通用的辦法是通過高壓儲氫罐+拖車的方式進行儲存和運輸，這其中最核心的技術就是儲氫瓶的材料設計。氫瓶重要分為四種類型：全金屬氣瓶（I型）、金屬內膽纖維環(huán)向纏繞氣瓶（II型）、金屬內膽纖維全纏繞氣瓶（III型）及非金屬內膽纖維全纏繞氣瓶（IV型）。國際上大部分燃料動力鋰電池汽車采用的都是IV型瓶（圖19）。國內目前還沒有IV型高壓氫瓶的相應法規(guī)標準。
圖470Mpa車載儲氫瓶（IV型）
2）電池壽命
燃料動力鋰電池乘用車若想能夠商業(yè)化，電堆的壽命至少要超過5000-10000小時。巴拉德和國鴻氫能的9SSL燃料動力鋰電池電堆壽命達到了12000小時，可以滿足乘用車對燃料動力鋰電池壽命的使用要求。但是國產(chǎn)的9SSL電堆使用的是模壓石墨雙極板，這使得電堆的體積功率密度只有1.4KW/L，僅可用于商用車的應用，無法滿足小型乘用車輕量化的需求。豐田的Mirai壽命雖只有5000小時，但是其電堆體積較小，體積功率密度高。下表是國際上幾家重要燃料動力鋰電池堆生產(chǎn)商的電堆性能比較，從表中可以看出目前燃料動力鋰電池堆的使用壽命已經(jīng)可以基本滿足商業(yè)化需求，但是在壽命的提高及材料的輕量化上仍然有很長的一段路要走。
圖5全球重要燃料動力鋰電池產(chǎn)品壽命比較
3）電堆關鍵材料的制備技術
燃料動力鋰電池結構中最核心的兩個部件為MEA和雙極板，MEA是集膜、催化層、擴散層于一體的組合件。MEA重要由電催化劑、固體電解質膜和氣體擴散層組成。
圖6燃料動力鋰電池堆結構示意圖
電催化劑的重要用途是促進氫、氧在電極上的氧化還原過程。目前使用的電催化劑重要為鉑碳催化劑，由于鉑是一種貴金屬元素，材料成本占據(jù)主導地位的鉑碳催化劑無法通過量產(chǎn)來降低成本，使得電堆的成本居高不下。因此，未來燃料動力鋰電池催化劑的研究方向應向低鉑或無鉑催化劑的方向發(fā)展。但是，經(jīng)過多年的發(fā)展，燃料動力鋰電池電催化劑鉑的擔載量已經(jīng)從2012年的0.196mg/cm2下降到2017年的0.125mg/cm2，相信未來隨著技術的進步鉑的擔載量將會進一步降低。
圖7燃料動力鋰電池內鉑金屬含量變化趨勢
車用燃料動力鋰電池中質子交換膜（PEM）是一種固態(tài)電解質膜，其用途是隔離燃料與氧化劑、傳遞質子（H+）。根據(jù)氟含量，可以將質子交換膜分為全氟質子交換膜、部分氟化聚合物質子交換膜、非氟聚合物質子交換膜、復合質子交換膜。其中，由于全氟磺酸樹脂分子主鏈具有聚四氟乙烯（PTFE）結構，因而帶來優(yōu)秀的熱穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性和較高的力學強度；聚合物膜壽命較長，同時由于分子支鏈上存在親水性磺酸基團，具有優(yōu)秀的離子傳導特性，是最先實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的侄子交換膜。全氟類質子交換膜包括普通全氟化質子交換膜、增強型全氟化質子交換膜、高溫復合質子交換膜。重要生產(chǎn)國家有美國、日本、加拿大、比利時和我國的東岳集團。
圖8各類質子交換膜優(yōu)缺點比較
全氟類質子交換膜包括普通全氟化質子交換膜、增強型全氟化質子交換膜、高溫復合質子交換膜。重要生產(chǎn)國家有美國、日本、加拿大、比利時和我國的東岳集團。
圖9全球重要PEM膜生產(chǎn)廠家
氣體擴散層GDL是最容易實現(xiàn)降本的部分，未來規(guī)?；a(chǎn)是發(fā)展的重點。GDL位于流場和催化層之間，其用途是支撐催化層、穩(wěn)定電極結構，并具有質/熱/電的傳遞功能。通常GDL由支撐層（憎水處理過的多孔碳紙或碳布）和微孔層組成（電炭黑和憎水劑構成）。目前重要的氣體擴散層有三種：碳纖維紙、碳纖維布和炭黑紙。
圖10不同種類氣體擴散層的性能指標
雙極板中，石墨雙極板最為成熟，金屬雙極板是未來方向。雙極板重要起到輸送和分配燃料、在電堆中隔離陽極陰極氣體的用途。雙極板占整個燃料動力鋰電池重量的60%，成本的13%。重要功能有：連接單體模塊、分隔反應氣體、收集電流、散熱和排水等。其基體材料需具有強度高、致密性好、導電和導熱性能好等特點，材料的選擇將直接影響燃料動力鋰電池的電性能和使用壽命。石墨雙極板目前最成熟，金屬與復合村料雙極板有較大發(fā)展空間。根據(jù)基體材料的不同，雙極板可以分為石墨雙極板、金屬雙極板和復合材料雙極板，其中石墨雙極板最早被開發(fā)使用，前技術已經(jīng)成熟，并已實現(xiàn)商業(yè)化大規(guī)模應用了。金屬雙極板是替代石墨雙極板的最使選擇，表面改性的多涂層結構金屬雙極板具備較大的發(fā)展空間。金屬雙極板的機械性能、加工性能、導電性等都十分優(yōu)異，易于批量化生產(chǎn)降低成本。
圖11不同雙極板的特點比較
國內量產(chǎn)的燃料動力鋰電池車型重要有榮威950FuelCell，累計產(chǎn)量一共在70臺左右，而豐田Mirai在全球累計銷量已經(jīng)達到7597臺，本田Clarity銷量為2441臺。近年隨著外資車企在燃料動力鋰電池乘用車領域布局不斷加速，涌現(xiàn)了現(xiàn)代ix35，NEXO、奔馳B-F-Cell、通用Equinox等燃料動力鋰電池乘用車。
圖12國內外燃料動力鋰電池乘用車參數(shù)比較
圖13國內外燃料動力鋰電池客車參數(shù)比較
綜上，目前的燃料動力鋰電池從壽命、性能、資源和成本等方面已經(jīng)有了長足的進步：（1）燃料動力鋰電池車輛壽命和運營里程達到傳統(tǒng)汽柴油車水準，在英國和美國均有燃料動力鋰電池公交車（FCEB）運營壽命超過2.9萬小時，無需大修或更換燃料動力鋰電池組；（2）低溫啟動溫度可以達到-30℃；（3）鉑金催化劑用量較小，未來不會引起鉑金資源短缺，目前國際先進催化劑耗鉑水平可達到0.125g/kW，未來單車鉑金用量可以低于5g，與傳統(tǒng)柴油車尾氣催化劑鉑用量相當，并且催化劑在往低鉑和無鉑方向發(fā)展；（4）成本快速下降，日韓燃料動力鋰電池汽車預計2025年能達到傳統(tǒng)內燃機車成本水平；（5）氫耗與油耗成本持平，并且隨著規(guī)模擴大，氫氣成本存在較大下行空間。所以，燃料動力鋰電池汽車從技術層面已經(jīng)初步具備產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的潛力。
成本下降
燃料動力鋰電池車商業(yè)化最大的阻礙之一就是成本，目前燃料動力鋰電池車的成本要遠遠高于目前的燃油車或電動汽車，這重要是由兩點原因造成的，一是燃料動力鋰電池技術的限制，一些關鍵組件如電堆中的電催化劑和雙極板成本高昂，使得燃料動力鋰電池系統(tǒng)價格居高不下，另一方面是燃料動力鋰電池汽車產(chǎn)量較小，但是隨著未來規(guī)?；?，其他一些部件如儲氫系統(tǒng)、燃料供給系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、電驅動系統(tǒng)以及電堆中的氣體擴散層和PEM等都將隨著規(guī)模的擴大，成本急劇的下降。
圖14氫燃料動力鋰電池成本變化趨勢（美元/KW）
有關80kW的汽車聚合物電解質膜（PEM）燃料動力鋰電池系統(tǒng)成本預測：
每年生產(chǎn)10萬件，價格是50美元/千瓦時；
每年生產(chǎn)50萬件，價格是45美元/千瓦時。
與2016年財政年度分析相比，降低系統(tǒng)成本的重要因素是：
?在高表面積碳(HSC)上形成PtCo催化劑，該PtCo催化劑新增功率密度46%
?陰極鉑載量略有降低(7%)
?改進了雙極板沖壓工藝
?根據(jù)行業(yè)投入調整氫傳感器，假定它們是包括在車輛中的，而不是作為燃料動力鋰電池系統(tǒng)的一部分。
預計到2020年和2025年，汽車PEM燃料動力鋰電池系統(tǒng)的成本分別約為：
每年生產(chǎn)10萬件，價格是47美元/千瓦時和40美元/千瓦時；
每年生產(chǎn)50萬件，價格是43美元/千瓦時和36美元/千瓦時。
圖15燃料動力鋰電池系統(tǒng)成本隨產(chǎn)量變化趨勢（美元/KW）
我們再以豐田的Mirai燃料動力鋰電池為例，根據(jù)測算，Mirai燃料動力鋰電池系統(tǒng)的成本達到233美元/W，其中73%的成本為電堆成本以114KW功率為標準,1000臺產(chǎn)量下每臺Mirai的燃料動力鋰電池系統(tǒng)成本為26562美元，2015年Mirai在美售價57500美元，在有補貼政策的情況下，每年銷量為2000多臺。假如產(chǎn)量達到10000臺，燃料動力鋰電池系統(tǒng)成本將有望下降至9000美元，則基本上可以實現(xiàn)商業(yè)化。
圖16Mirai電堆和BOP成本分析
在保證規(guī)模生產(chǎn)的前提下，乘用車燃料動力鋰電池的成本基本可以達到商業(yè)化水準，隨著未來技術的進步，燃料動力鋰電池的成本有望進一步下降。
發(fā)展路線
目前，我國已經(jīng)探討了幾條適合國情的路線：
先商后乘路線：采用在公交車輛，專用工程車輛等商用車率先推廣燃料動力鋰電池，規(guī)?；杀窘档秃笤僭诔擞密囶I域推廣的路線。
一方面，商用車因為應用場景較乘用車輛集中，行駛路徑單一，在制定區(qū)域進行制氫、儲氫、加氫完成度高，可操作性較強。另一方面，燃料動力鋰電池具備低溫運行，大功率動力做功的特性，符合商用車在特定領域的需求。
當商用車規(guī)?；耐茝V將帶動產(chǎn)業(yè)鏈的完善，為后期乘用車的推進奠定基礎。
燃料動力鋰電池（增程式）路徑的提出：針對當前國內小功率燃料動力鋰電池技術上難以滿足中型、重型車輛驅動，大功率燃料動力鋰電池成本過高的情況，采用燃料動力鋰電池用作鋰離子電池增程器的設計可以滿足驅動條件。
不同于乘用車輛，商用車輛較大的空間滿足同時布局兩種動力的條件，協(xié)同相比純電動汽車輛新增續(xù)航里程，又能夠彌補小功率燃料動力鋰電池動力不足的缺陷。
核心觀點
燃料動力鋰電池技術已初步具備商業(yè)化應用條件；
燃料動力鋰電池汽車未來十年將隨著技術的進步和產(chǎn)量的新增成本大幅度降低；
國內加氫站數(shù)量較少，未來隨著政策的引導，加氫站建設速度將會顯著提升；
國內燃料動力鋰電池發(fā)展路線應堅持先商后乘及燃料動力鋰電池增程式的路徑。
2019年將是燃料動力鋰電池商業(yè)化的元年。
雖然當前燃料動力鋰電池車輛存量僅為千余輛，氫能相關基礎設施仍遠不完善。但在政策補貼疊加和技術進步支持下，未來數(shù)年氫能勢必與內燃機、鋰離子電池產(chǎn)業(yè)長期共存并占據(jù)一席之地。
期待未來十年燃料動力鋰電池行業(yè)真正的爆發(fā)。
