橫向?qū)Ρ葌鹘y(tǒng)燃油車和鋰電池汽車，燃料電池汽車擁有這些優(yōu)點(diǎn)！
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-04-26 20:28
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燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈中，“氫”是核心
本報(bào)告將不再過多贅述燃料電池的技術(shù)，僅就幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)做一下整理。
燃料電池是一種不經(jīng)過燃燒過程直接以電化學(xué)反應(yīng)方式將燃料如氫、天然氣等和氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的高效發(fā)電裝置?，F(xiàn)金主流技術(shù)路徑是質(zhì)子交換膜燃料電池PEMFC，其操作溫度低、啟動(dòng)速度快，是車用燃料電池的首選。
橫向?qū)Ρ葌鹘y(tǒng)燃油車和最近蓬勃發(fā)展的鋰電池汽車，燃料電池汽車（FCV，fuel cell vehicles）具備以下特點(diǎn)：
（1）來源廣，不受地域限制；
（2）可儲(chǔ)存，適應(yīng)中大規(guī)模的儲(chǔ)能；
（3）是可再生能源橋梁，可以將其變成穩(wěn)定能源；
（4）可以做到零污染，零碳，是控制地球溫升的主要能源；
（5）燃料電池所用的氫氣可以像傳統(tǒng)車汽油一樣充裝速度快，只需要幾分鐘時(shí)間；
（6）70 MPa （兆帕）的車載高壓氫瓶，也保證了燃料電池汽車具有較長(zhǎng)的續(xù)駛里程。
（7）燃料電池車輛壽命和運(yùn)營(yíng)里程達(dá)到傳統(tǒng)汽柴油車水準(zhǔn)，低溫啟動(dòng)溫度可以達(dá)到-30℃；
（8）沒有傳統(tǒng)熱機(jī)卡諾循環(huán)的限制，，燃料電池最高能效轉(zhuǎn)化率超過60%，遠(yuǎn)高于內(nèi)燃機(jī)30%-35%的能源轉(zhuǎn)換效率；
（9）電力發(fā)動(dòng)，無明顯機(jī)械震動(dòng)，駕駛體驗(yàn)好
比較來看，燃料電池汽車集合了傳統(tǒng)燃料車和鋰電池車的優(yōu)勢(shì)，成為下一代汽車的發(fā)展方向。
前景是美好的，現(xiàn)階段仍有諸多因素制約著燃料汽車的發(fā)展和普及，最為核心的問題就是解決“氫”的問題。當(dāng)下制約燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展主要有三大瓶頸：加氫站數(shù)量較少、燃料電池整車成本過高，氫氣價(jià)格高企。
從氫產(chǎn)業(yè)鏈上來看，可以分為“制氫”、“運(yùn)氫”、“儲(chǔ)氫”和“用氫”。燃料電池成本的下降需要這幾個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的同步下降。
目前全國(guó)在運(yùn)營(yíng)的加氫站僅19座，在建23座，規(guī)劃44座，加起來尚未過百；反觀全國(guó)的加油站數(shù)量已超過11萬座，由于氫燃料電池的加氫方式可以類比燃油車的加油方式，因此加氫站的建設(shè)，不管是對(duì)于車主的需求，還是產(chǎn)業(yè)鏈的成本降低都十分重要。
低成本、低污染“制氫”，也是不得不考慮的事情。
制氫主要分為五種技術(shù)路線：工業(yè)尾氣副產(chǎn)氫、電解水制氫、化工原料制氫、石化資源制氫和新型制氫方法等。
根據(jù)《中國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展藍(lán)皮書》，我國(guó)的制氫將走一條“淺綠色”到“深綠色”的發(fā)展路徑。目前國(guó)內(nèi)有工業(yè)副產(chǎn)氫氣、煤化工制氫、以及棄電制氫等方式具備一定的經(jīng)濟(jì)性。
氫氣儲(chǔ)運(yùn)是目前相對(duì)技術(shù)比較成熟的環(huán)節(jié)。當(dāng)前小規(guī)模、短距離運(yùn)輸一般采用氣氫拖車；若是大規(guī)模、短距離運(yùn)輸，可采用氣氫管道；而液氫罐車運(yùn)輸適合長(zhǎng)距離運(yùn)輸。我們認(rèn)為更加重要是的通過規(guī)模效應(yīng)迅速降低成本。
【3】國(guó)內(nèi)燃料電池汽車市場(chǎng)開啟，商用車有望先爆發(fā)
根據(jù)中汽中心最近統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2018年全國(guó)燃料電池汽車產(chǎn)量為1619輛，而2030年目標(biāo)為200萬輛，僅為遠(yuǎn)期目標(biāo)的近萬分之一，因此未來十年，燃料電池汽車將具備萬倍的市場(chǎng)空間。
根據(jù)國(guó)家補(bǔ)貼的方向和參照鋰電池新能源車的發(fā)展歷程來看，我們認(rèn)為中國(guó)燃料電池汽車發(fā)展前期通過商用車發(fā)展（如公交車、物流車和重輕卡），借此拉動(dòng)規(guī)?；?，降低燃料電池和氫氣成本，同時(shí)帶動(dòng)加氫站配套設(shè)施建設(shè)，后續(xù)拓展到私人用車領(lǐng)域。
02 燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)崂?/strong>
市場(chǎng)總對(duì)“補(bǔ)貼”行業(yè)另眼相待，經(jīng)常認(rèn)為政府補(bǔ)貼就是不好的，就是沒有競(jìng)爭(zhēng)力的。而實(shí)際上，不管是學(xué)術(shù)界還是政界，對(duì)補(bǔ)貼都尚未形成定論，但至少有一點(diǎn)是肯定的，有些行業(yè)由于個(gè)體做不具備規(guī)模經(jīng)濟(jì)，且技術(shù)外溢的外部性嚴(yán)重，補(bǔ)貼這些行業(yè)具備經(jīng)濟(jì)合理性。
同時(shí)有些行業(yè)不僅僅是為了經(jīng)濟(jì)利益，還要考慮到國(guó)家安全、環(huán)保等因素。因此并不一定要談補(bǔ)生變。其中，新能源板塊就是典型這樣的行業(yè)。
正是備受質(zhì)疑的光伏、風(fēng)電、鋰電池汽車的補(bǔ)貼，讓中國(guó)的這些行業(yè)成長(zhǎng)為了全球第一，而且目前已經(jīng)具備了經(jīng)濟(jì)性或者即將具備經(jīng)濟(jì)性。
而新能源板塊拼圖的下一塊——燃料電池，正是下一個(gè)補(bǔ)貼的重點(diǎn)領(lǐng)域。
2018年發(fā)布《關(guān)于調(diào)整完善新能源汽車推廣應(yīng)用財(cái)政補(bǔ)貼政策的通知》，燃料電池汽車補(bǔ)貼基本保持不變。2019年最新的正式期政策等待官方下一步正式宣布。和動(dòng)力鋰電池一樣，補(bǔ)貼將都是國(guó)補(bǔ)+地補(bǔ)同時(shí)進(jìn)行，未來地補(bǔ)可能力度更大，因?yàn)槿珖?guó)氫能資源分布更加不均勻。作為全球最早研發(fā)燃料電池的汽車生產(chǎn)商之一，本田汽車公司從上世界80年底后期開始著手燃料電池的研發(fā)工作，并自1999年開始進(jìn)行燃料電池車用實(shí)驗(yàn)工作。目前，本田公司旗下最新燃料電池汽車FCV Clarity所搭載的電堆體積功率密度約為3.1kW/L左右，達(dá)到全球領(lǐng)先水平。車用燃料電池對(duì)電堆的體積功率密度和質(zhì)量功率密度都提出了很高的要求。其中，雙極板作為燃料電池核心部件之一，重量占據(jù)電堆質(zhì)量的80%以上，制造成本約占總成本的29%。目前，流場(chǎng)板和雙極板“同一化”是個(gè)趨勢(shì)，即流場(chǎng)板起著導(dǎo)氣、導(dǎo)電、導(dǎo)熱、支撐等全部功能，本田Clarity燃料電池堆就是其中之一。本文將從流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和電堆結(jié)構(gòu)角度對(duì)本田Clarity搭載的燃料電池電堆進(jìn)行深度解析。
現(xiàn)代 ix35
本田FCV Clarity燃料電池汽車的動(dòng)力系統(tǒng)布置形式和現(xiàn)代ix35燃料電池汽車相似，高度集成化的燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)置于引擎蓋下方。燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)的集成化依賴于每個(gè)零部件的高效工作，最大輸出功率103 kW的燃料電池電堆和兩級(jí)增壓空壓機(jī)、加濕器和驅(qū)動(dòng)電機(jī)等附件在動(dòng)力控制單元的系統(tǒng)控制下完成協(xié)同工作。在對(duì)重量和體積要求高的汽車上，高度集成的燃料電池系統(tǒng)需要高體積功率密度和高質(zhì)量功率密度的燃料電池電堆。因此，電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)于電堆的高性能輸出至關(guān)重要。
流場(chǎng)設(shè)計(jì)關(guān)乎到反應(yīng)氣體能否及時(shí)、高效、均勻的輸送到電化學(xué)的反應(yīng)場(chǎng)所-催化層三相界面。此外，流場(chǎng)設(shè)計(jì)的優(yōu)良和燃料電池的水管理能力相關(guān)，比如目前電池的脊(英文rib或land)越來越窄化，以此來優(yōu)化脊下水淹現(xiàn)象和強(qiáng)化氣體傳質(zhì)效果。流場(chǎng)結(jié)構(gòu)或者電池結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)和布局關(guān)系到電堆結(jié)構(gòu)的緊湊性、密封性和輸出性能。
1.電堆輕質(zhì)和緊湊
為了降低電池厚度，有必要減少陰陽極氣體流道和MEA的厚度。根據(jù)公式有氣體流道的深度=液態(tài)水Adhesion force/液態(tài)水Drainage force。當(dāng)氫氣和空氣流道變淺或變薄時(shí)，產(chǎn)物水在氣體流道中的附著力大大增加，導(dǎo)致水在流道中積聚和無法排出，因此氣體傳質(zhì)受阻，性能下降。陰陽極氣體進(jìn)入電池平面內(nèi)主要有三種形式，即順流、逆流和交叉流。在本田公司2006版燃料電池結(jié)構(gòu)中，陰陽極氣體均為自上向下的順流(利用重力)，稱之為V-Flow結(jié)構(gòu)。重力存在有益于液體水的排出，采用V-Flow結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的電池，氣體流道的厚度降低了17 %。
最新一代Clarity車搭載的燃料電池電堆氣體采用水平相向的流動(dòng)方式，2塊MEA與3塊隔板構(gòu)成一個(gè)電池單元，組成獨(dú)特的冷卻結(jié)構(gòu)。如圖7和圖9所示，由于FCV Clarity燃料電池雙極板結(jié)合形式為“三合一”，需要設(shè)計(jì)一段特殊的機(jī)構(gòu)---進(jìn)氣歧管到MEA表面部分，如圖11的resinification部分。此外，通過保持MEA相對(duì)濕度的均一性和降低濕潤(rùn)性水平后，進(jìn)一步降低了電池厚度。該種方法使得產(chǎn)物水無法凝結(jié)成液態(tài)水，極大降低甚至壁面了水在流道中的附著積聚。根據(jù)本田的公開資料顯示，即使在低負(fù)荷(堵水易發(fā)生在低負(fù)荷和高負(fù)荷情況下)下，drainage force也會(huì)消失。
得益于Clarity燃料電池的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，濕潤(rùn)的空氣給進(jìn)口端帶來了充足的水分，產(chǎn)物水向陰極出口方向移動(dòng)，期間把水分帶給MEA；然后水分穿過MEA反擴(kuò)散至陽極側(cè)，濕潤(rùn)陽極側(cè)入口處；陰陽極側(cè)均有水分的循環(huán)管理能力(比如陽極側(cè)的引射器和陰極側(cè)的加濕器等)。通過上述方案使得在發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的MEA表面水分得以循環(huán)、均勻分布。
