信息咨询中心2019.6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 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CONTENTS目 录 燃料电池汽车概述第一部分 4燃料电池技术原理阳极H2=2H++2e-↓ ↓ 电解质H+ ↓ ↓阴极02+4H++4e-=2H20 氢阳极排放氧（空气）阴极排放催化剂负载 e- e-p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。p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。 p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。 5燃料电池的分类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）35～105100～22030～4015～20300～1000单位面积的功率（W/cm²）0.50.10.20.31～2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、HCH₂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（%）45～6035～6045～6050～60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（°C）50～200180～220600～700750～100025～105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FCEVn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。 6五种燃料电池的优缺点碱性燃料电池（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°C)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°C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°C，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 7我国正式生产的燃料电池车型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750 FCV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200km2016上汽荣威950 FCV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350km2016上汽荣威950 FCV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350km2016上汽荣威750 FCV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200km2015上汽荣威750 FCV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200km2014上汽荣威750 FCV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 8燃料电池专利技术分布中国, 788, 37%日本, 554, 26%美国, 350, 17%德国, 159, 7%韩国, 87, 4%法国, 75, 4%英国, 23, 1%加拿大, 18, 1%瑞士, 15, 1%丹麦, 10, 0%其他, 39, 2%各国燃料电池专利申请情况2951798383766762585352050100150200250300350丰田自动车株式会社现代自动车株式会社本田技研工业株式会社通用汽车环球科技运作公司清华大学通用汽车环球科技运作有限责任...同济大学上海神力科技有限公司上海合既得动氢机器有限公司日产自动车株式会社燃料电池研发领先企业p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。p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。 9燃料电池产业化趋势燃料电池系统, 63%车载储氢系统, 8%电池、电机系统, 9%其他零部件, 20%l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。l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。氢燃料电池汽车动力系统成本具体措施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 我国氢燃料电池汽车技术现状第二部分 11p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。Ø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。Ø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。1.51.882.172.4600.511.522.532014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）我国燃料电池汽车主要应用质子交换膜技术 12p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。p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。关键材料研发质子膜导电机理与降解机理研究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质子膜的成型技术膜电极制备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设计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系统集成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燃料电池技术难点 13p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 B Class本田 Clarity丰田 FCHV通用 Provoq整车整备质量(kg)20941700162518801978百公里加速时间(s)151011/8.5最高车速(km/h)160170160155160续驶里程(km)400600570830483燃料电池发动机峰值功率(kW)50801009088储氢系统压力(MPa)7070707070冷启动温度0-25-30-30-25电机功率/转矩(kW/Nm)110/Na100/290100/26090/260150/Na国内外典型燃料电池乘用车参数对比 14p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。客车货车美 Van Hool美 New Flyer德国奔驰日本日野宇通客车佛山飞驰上汽大通东风汽车燃料电池功率(kW)1201502*602*11430/60853030动力电池能量(kWh)17.447262*1.664.53614.320电机峰值功率(kW)2*852*852*802*113100150100120储氢系统压力(MPa)3535357035353535储氢瓶个数887108823氢气量(kg)4056351825254.46.2耐久性(hr)180008000120005000400010000500012000续驶里程(km)350483250200600300490200冷启动温度(°C)-30-30-25-30-30-15-10-15国内外典型燃料电池商用车参数对比 15燃料电池国外发展现状国内发展现状燃料电池堆体积功率密度高，质量功率密度大，功率高，工况寿命长体积功率密度低，质量功率密度低，功率低，工况寿命长，成本高膜电极（MEA）实现规模化生产，功率高，电池密度大，工况寿命长小规模生产，功率低，电池密度小，工况寿命短，成本高气体扩散层主要采用碳纸，已形成流水生产线科研院所测试生产隔膜全氟磺酸质子交换膜已商业化，已开始向复合膜发展，性能高全氟磺酸质子交换膜小规模生