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燃料电池产业发展趋势梳理分析

导读: 影响燃料电池汽车发展最大的因素是居高不下的成本问题,使用昂贵的质子交换膜、贵金属铂作为催化剂、石墨双极板高昂的加工成本等,导致质子交换膜燃料电池成本约为汽油、柴油发动机成本10-20倍。

  按照我们了解到的数据,2015年全球燃料电池销量可能不足2000辆,其中占比最大的是丰田和现代途胜,市场总体规模依然较小。日本调查公司富士经济预测,2030年度燃料电池汽车全球市场规模将超过198万-199万辆,总金额将达4.75万亿日元,而2014年度全球市场规模约为11亿日元,潜力增长空间巨大。那么,现在制约行业发展的主要因素有哪些?解决哪些问题后,燃料电池汽车将大幅放量?

  我们调研后认为,燃料电池系统价格高、氢气储存运输难、加氢站等基础设施配套不完善、燃料电池企业研发投入大、产业化周期长都是阻碍行业发展的不利因素,但这些不利因素都在逐步发生好的变化。

  一、成本较高一直是制约燃料电池汽车发展的最重要原因

  影响燃料电池汽车发展最大的因素是居高不下的成本问题,使用昂贵的质子交换膜、贵金属铂作为催化剂、石墨双极板高昂的加工成本等,导致质子交换膜燃料电池成本约为汽油、柴油发动机成本10-20倍。因此,在所有商业化量产的燃料电池汽车中,最便宜的是丰田的Mirai,在日本售价是700万日元,叠加日本政府补贴后相当于500万日元,对应人民币约30万元。与传统燃油乘用车相比,依然属于价格较高的水平。

  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。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。现在燃料电池组的成本是1000-2000美元/kW,如果未来要取得商业化,并与内燃机汽车竞争,燃料电池的成本必须降到50美元/kW。而降低燃料电池系统核心组件成本,迅速扩大销售规模都是大幅降低燃料电池汽车总成本的主要途径。

  燃料电池产业链研究之趋势篇

  燃料电池组中最重要、成本占比最大的是质子交换膜、电极(催化剂和扩散膜)、双极板。

  1.质子交换膜是燃料电池的核心,也是成本占比最大的组件

  目前国内企业主要向美国杜邦公司采购,每平米质子交换膜成本约为400美金以上,一般每辆氢燃料电池汽车需要20平米以上,整车光质子交换膜成本就需要5万元,按照丰田最新Mirai燃料电池汽车售价30万元来算,光质子交换膜就占到整车成本15%以上。

  燃料电池产业链研究之趋势篇

  2.铂金催化剂成本较高,降低使用量或寻求替代品成为当前的重要研究主题

  催化剂是发生电化学反应的关键成分,目前质子交换膜燃料电池的阴极和阳极有效催化剂仍以铂和铂碳颗粒为主,铂贵金属催化剂用量大和质子交换膜成本高是燃料电池成本居高不下的重要原因。

  2014年丰田氢燃料SUV车型每辆车使用的铂金为100克,预计未来将减少到30克左右,按照GFMS预计,2016年铂金平均价格达到每盎司1,005美元,相当于每辆车的燃料电池系统仅铂金催化剂成本就有2万多元,占目前燃料电池汽车整车成本的6%以上。如果整车的催化剂用量真的能够降低到丰田预期的30克,其对应的成本就能降低到6000多元。

  为了降低铂的使用量,各大公司进行了持续研究,近几十年来,膜电极上催化剂铂的负载量从10mg/cm2降到了0.02mg/cm2,降低了近200倍。比如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。如果未来贵金属催化剂负载量能够大幅降低,或者能被其他成本更低的催化剂取代,那么燃料电池系统放量的机会也将大幅提升。

  质子交换膜的大规模应用及其他燃料电池其他部件优化,都会给燃料电池系统带来较大的成本下降空间。

  3.表面改性的多涂层结构金属双极板将大幅优化镀层成本

  双极板是输送和分配燃料的重要组件。过去主要用石墨制作双极板,它具有良好的导电性、导热性和耐腐蚀性,但石墨的脆性造成了加工困难,因此加工费用非常高,加上比较不易减薄厚度,因此综合成本较高。

  近两年,金属板如不锈钢、铝、钛、镍等材料具有强度高、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双极板。不过金属板在高温及酸性环境下易腐蚀,因此主流做法是在金属双极板表面镀上金属防护层。

  我们认为,表面改性的多涂层结构金属双极板具备更大的发展空间,也能解决石墨双极板存在高成本问题。比如,瑞典Impact Coatings公司推出的一种Ceramic MaxPhase陶瓷涂层,将其涂在不锈钢板上来防腐蚀,该技术在节约成本上体现出显著优势,可将燃料电池的镀层成本降低到每千瓦5美元,并有望提早达到2017年美国能源部目标的每千瓦1美元。

  4.规模化生产也会使得燃料电池系统价格下降

  规模生产也将大幅降低燃料电池成本,因此,成本下降和销量上升是相辅相成的关系。

  根据美国能源部燃料电池技术办公室(FCTO)的研究,当生产1000套质子交换膜燃料电池系统时,燃料电池堆栈的成本为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,燃料电池堆栈的成本大幅下降到了61美元/kW,燃料电池系统大幅下降到103美元/kW。

  以丰田Mirai为例,其燃料电池系统输出功率为114kW,如果年生产1000辆燃料电池汽车,每辆车的燃料电池系统价格为2.4万美金,而生产10000辆燃料电池汽车,每辆车的燃料电池系统价格仅为1.2万美金。

  燃料电池产业链研究之趋势篇

  总之,经过对构成主要成本的关键组件质子交换膜、催化剂和双机板进行成本优化,同时加速推动规模化生产,燃料电池汽车的成本就能大幅下降。以丰田为例,其于2014年12月15日推出的燃料电池汽车Mirai在日本的售价为700万日元左右,享受政府补贴后500万日元,折合人民币29.85万左右,已经达到初步向市场推广的基础。

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