燃料电池系统技术门槛、成本双高
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燃料电堆和储氢装置是和电池汽车主要区别,技术和成本仍存较高门槛。氢燃料车动力系统的核心是氢反应电堆,是氢燃料车的动力来源。加上车载储氢罐等,形成整体氢燃料电源系统,这是与电池电动车的主要区别。电堆能量密度等技术发展和成本是当前制约燃料车发展的主要因素。
质子交换膜燃料电堆组成

车载储氢瓶由多层特殊材料组成

燃料电堆是核心,产业链催生系列市场机会。燃料电堆串联了上百个燃料电芯,单个燃料电芯由质子交换膜、碳纤维膜(扩散层)、铂催化剂、双极板等关键部件组成。
催化剂:用于提升氢气和氧气的反应速度,当前铂催化剂较为常见。由于铂价格高昂,业界研发方向一方面尝试减少铂用量,另一方面也在努力寻找其他替代品。
扩散层:一般由碳纸和聚四氟乙烯组成,为化学反应发生通道。
质子交换膜:电堆中最核心的部件。质子交换膜仅允许质子通过,留下的电子吸附在双极板上形成电流。可理解为电池的电解质。当前国内质子交换膜已逐步获得突破,质量和成本上还有待逐步提升。
双极板:主要由石墨或金属构成,形成燃料电池的电芯封装。
储氢罐对安全性及轻量化有较高要求。氢燃料车的储氢罐,不仅要重量轻、硬度高,还需通过特殊材料防止渗漏。丰田Mirai目前采用三层结构,内层起密封氢气作用,中层提供耐压强度,表层是保护层面。
整体燃料系统占整车成本近7成,国内技术不及全球1/3。以上汽集团的荣威950为例,其电堆功率密度不及丰田Mirai的15%,主要由于膜电极尤其是质子交换膜和催化剂的技术尚存较大差距。当前燃料电池+储氢系统占整车成本近7成。我国当前电堆中的铂用量远高于国外,降低催化剂中的铂用量是重点要攻克的方向之一。燃料电池系统中的阀、泵的小型精密部件,国内产品的成本也有待大幅下降。
燃料电池车成本结构图

关键部件研发仍是重点,下一步待市场转化。由于对市场的重视和看好,美国能源部对于氢燃料电池的研发经费逐年提高。但从分布上可看出,对于关键部件的研发仍是近年的重点,市场转换和经营还是下一步。电堆上,美国催化剂和电极已取得突破,2016年的投入大幅减少;储氢罐和材料的研发投入也略有减少,说明这方面的进展已逐步到位。
美国能源部氢燃料产业链研发投入分布

美国能源部氢燃料电池研发投入

美国能源部制氢输氢研发投入

美国能源部储氢系统研发投入

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