正式開篇之前我們先簡單科普一下現狀燃料電池的基本分類:
1)質子交換膜型(PEMFC):通常以全氟或部分氟化的磺酸型質子交換膜為電解質。(目前國內大多數企業都是該路線)
2)堿性型(AFC):一般以堿性的氫氧化鉀溶液為電解質。
3)磷酸型(PAFC):以濃磷酸為電解質.(韓國斗山就是該方式,在深圳有設立全資子公司)
4)熔融碳酸鹽型MCFC):以熔融的鋰-鉀或鋰-鈉碳酸鹽為電解質。
5)固體氧化物型(SOFC):以氧離子導體固體氧化物為電解質。
國內目前以濰柴以及一些院所機構為主。濰柴曾于2018年5月,收購全球先進的固態氧化物燃料電池(SOFC)供應商英國錫里斯動力控股有限公司(Ceres Power)20%的股份,成為錫里斯第一大股東,并成立合資公司,在固態氧化物燃料電池領域展開全面合作。英國錫里斯動力控股有限公司 (Ceres Power) (AIM: CWR)(所開發的SteelCell?是一項世界領先的低成本固體氧化物燃料電池 (SOFC) 技術。
1)低溫:工作溫度范圍一般是25-100℃,如固體聚合物電解質燃料電池。
2)中溫:工作溫度范圍一般是100-500℃,如磷酸型燃料電池。
3)高溫:工作溫度范圍一般是500-1000℃,這種類型的電池包括熔融碳酸鹽燃料電池和固體氧化物燃料電池。
1)直接型:是指燃料不經過轉化步驟直接參加燃料電池的電極反應,比如氫氧燃料電池,燃料直接使用氫氣。
2)間接型:是指燃料不直接參加電化學反應,而是要通過重整等方法將燃料轉化后再供給燃料電池發電,而是通過某種方法把甲烷、甲醇或其他烴類化合物轉變成氫或含富氫的混合氣后再供給燃料電池。如甲醇燃料電池等。
3)再生型:是指將燃料電池反應生成的水經過某種方式(如熱和光等)分解成氫和氧,再將氫和氧重新輸送給燃料電池進行發電。
4、基于燃料狀態分類,可分為以下兩類:
此外,根據燃料電池使用燃料的種類,可分為氫燃料電池、甲醇燃料電池、乙醇燃料電池等;根據燃料電池運行機理的不同,可分為酸性燃料電池和堿性燃料電池。
在以上分類方式下還有一些基于此分類的細分領域。我們今天討論的就是基于質子交換膜燃料電池(PEMFC)分類下的細分類低溫低壓自增濕燃料電池。低溫的定義上面已經介紹。自增濕或者內增濕是基于一種含有吸濕性氧化物SiO?和TiO2等的復合質子交換膜,可以實現電池運行時的內加濕和自增濕的加濕技術。為何又會分成低壓呢,下面就再基于此做一個簡單的科普。
1)低壓 (30 kPa以下),低壓燃料電池一般用于通信電源、備用電源、無人機等領域;?
2)中壓 (60~100 kPa) ,中壓燃料電池一般應用于客車、物流車等交通領域;?
2)高壓 (150~300 kPa) 燃料電池 。高壓一般配置與乘用車等領域。
為何說因為短視,所以忽視呢?目前在國內大功率,高功率密度硬性指標達標狀況才有可能享受”以獎代補“帶來的補貼政策誘使下,國內廠商都在追求大功率,高功率密度,所以多數企業都跟隨政策走到了中高壓這個路線上去了。下面,我們除了低壓與中高壓使用場景區別之外,從技術層面以及經濟性方面告訴大家為何低壓自增濕路線的燃料電池產品該有其一席之地!
1.工作壓力低,下面看一張基于已經量產30年以上的低壓自增濕燃料電池的實際測繪圖。從下圖可以看出在最大發電電流下空氣端和氫氣端的壓力都沒有超過15KPa。
不同發電電流下空氣和氫氣實測壓力圖
低壓工作有什么優點呢?
1)來自于維持系統工作的空壓機以及氫氣循環泵的寄生功率是非常低的,以31KW系統為例,鼓風機和氫氣循環泵合計最大耗損功率只有1000W左右,即3%左右。
實測某成熟產品低壓系統寄生功率
該圖表是巴拉德基于自身LCS系列集成的HD模塊,寄生功率11.5%
從以上可以看出高壓堆的寄生功率明顯偏高。比低壓堆高出8%左右,以100KW的系統來論,相當于11KW的功率是不能用于產生有效對外做功。
國內我們自行集成的系統很多單單空壓機一個部件就耗掉約10%的功率,其他氫氣循環泵,增濕系統還有額外損耗。盡快國內廠商沒有公布自己系統的寄生功率,但自己應該很清楚是多大的一個比值。
2)空壓機選型更容易。由于不需要更高的工作壓力,所以多數鼓風機都可以達到這個升壓比。(這里叫鼓風機,不叫空壓機)故該空壓機不會像現有的八大件是一個瓶頸點了,也不會價格昂貴。
3)由于較低的工作壓力對于供氫系統可多元化,比如甲醇重整、有機物儲氫、金屬儲氫等釋放出來的氫氣可直接使用,不像中高壓燃料電池需要再次耗能升壓。故可以用更廣泛的使用場景。
2.自增濕。主要基于改性質子交換膜和內控策略。
該優點是沒有中高壓系統繁雜的加濕系統。不需要這部分額外的零部件選型。
3.高壽命。由于一般采用傳統石墨板,且場板流道截面積相對中高壓堆要略大,也有助于內部熱分布均勻,熱交換更有效,熱管理更平衡。有助于耐久性改善。
4.集成簡單。具有零部件選型容易且集成簡單的明顯優勢。以上優勢也會直接體現在成本上。(順便說明一下,高壓堆的集成對于很多國內廠商來說都是拿來炫耀的資本,巴拉德從過去到現在就集成技術服務都要收取幾千萬美金的費用,也間接說明高壓堆的集成是有一定難度的)
二、低壓增濕堆的缺點。
當然低壓堆肯定也有它的缺點和不足。也是目前被各大廠商棄用的原因,低壓堆單體最大目前只能做到50KW,模塊功率密度在450W/Kg,模塊體積功率密度在(500~800)W/L左右,和高壓堆相比是有些差距的。
結語:
大家為了去迎合政策指標,去獲得政府的補貼一窩蜂的涌向高壓路線,一味去增加單體功率,一味提升功率密度。對于未來龐大的電源類場景(儲能調峰、分布式電源、熱電聯供等)應用,高壓堆幾乎是沒有任何競爭優勢的。我們因為短視,所以忽視。除了業內同仁,也請基于價值投資的投資人一起見證!
原文始發于微信公眾號(氫眼所見):因為短視,所以忽視(低壓自增濕PEM氫燃料電池)