【国金燃料电池】国产的燃料电池寿命够用吗?

（以下内容从国金证券《【国金燃料电池】国产的燃料电池寿命够用吗?》研报附件原文摘录）
　　国产的燃料电池寿命够用吗？ 核心观点：现如今制约国产燃料电池发展的已经不是技术上的问题，而是核心零部件能否国产化、成本能否下降以及应用场景是否足够多的问题。主流国产电堆目前均可满足示范城市补贴政策提出的商用车最低运行20万公里的寿命要求。燃料电池电堆的寿命究竟是如何测试的？公开的燃料电池寿命数据可信度又有多少？本文将为您一一解答。 一、燃料电池寿命下降的“危”与“机” 01 燃料电池寿命下降的危害 我们说燃料电池的寿命结束（包括锂电池），并不是说电池已经无法再继续使用，而是说它发出的功率已经无法满足功率需求。观察下图可以发现，随着运行时间的增长，相同电流对应的输出电压是逐渐下降的，功率是电压与电流的乘积，因此输出功率也逐渐下降，导致整车的动力性、经济性下降，最终造成燃料电池已经不满足车载的使用条件。 图：随运行时间增长单电池输出伏安特性的变化 来源：2009, Investigation of dynamic driving cycle effect on performance degradation and micro-structure change of PEM fuel cell 影响燃料电池电堆寿命的因素有很多，本文我们只讨论运行工况对燃料电池寿命的影响（实际上燃料电池的寿命与材料、结构、工艺还有环境因素等息息相关）。 造成燃料电池随运行时间增加而寿命较少的原因归根结底就一个——变载。变载即负载的变化，可以通俗的理解为需求功率的变化。车用燃料电池在使用中必然会遇到频繁启停、爬坡等功率变化突然的工况，此时就需要燃料电池的输出功率及时跟踪工况的变化，极易造成燃料电池内的水含量失衡以及动态响应跟不上功率的变化。 图：变载引起燃料电池寿命的下降 1）水含量失衡的危害：水含量失衡会导致膜脱水或水淹。膜脱水会导致膜上产生机械应力，进而导致膜的降解（裂缝和撕裂），加速膜电极的化学降解；水淹阻塞流道和气体扩散层的空隙，导致反应气体缺气，会进一步加速Pt溶解沉淀和碳载体的腐蚀。 图：水淹和干膜发生的区域 2）动态响应慢：我们常说燃料电池的输出特性“偏软”，实际上指气体的动态响应跟不上功率的动态响应，因为加载往往是瞬间的变化，而气体的含量变化往往要慢很多。动态响应能力差很容易导致变载过程中的阳极或者阴极缺气，增加燃料电池局部的电压，进而加速碳载体的腐蚀和铂催化剂的流失。 02 燃料电池寿命下降的“机会” 水淹、干膜和缺气会加速膜电极的降解、碳载体的腐蚀以及附着其上的铂催化剂的流失，导致电堆的输出功率下降，最终无法满足车载需求，那功率下降的燃料电池还能用吗？ 观察下图，A-B-C-D是新电堆的伏安曲线，G-F是寿命结束时电堆的伏安曲线，可以发现两条线同一电流对应下的输出电压有明显的下降。浅蓝色线是等功率线，从右上到左下功率逐渐减小（因为电流电压的乘积减少）。 图：燃料电池的梯次利用 燃料电池在满足性能要求的情况下也可以实现梯次利用。上图粉色为大功率区，此功率区内的燃料电池可以应用于重型汽车；绿色为中功率区，此功率区内的燃料电池可以应用于乘用车；黄色为小功率区，此功率区内的燃料电池可以应用于储能。倘若燃料电池的效率在可接受范围内，使用在重型汽车上的燃料电池在寿命衰减到一定程度后完全可以继续在乘用车或者储能领域使用。 二、寿命不是“测”出来的而是“估”出来的 目前燃料电池电堆的寿命计算一般采用预测方法，即通过试验方法计算短时间内（国标60小时）基准电压的压降，然后进行线性外推预测出燃料电池电堆的最终寿命。但在国标发布之前每家电堆企业都有自己寿命预测方法，因此彼此间寿命差别很大。 2020年12月《车用质子交换膜燃料电池堆使用寿命测试评价方法》国标正式实施，一改之前电堆性能测试标准不统一的混乱局面。 该国标也采用了寿命预测的方法，将燃料电池电堆运行的典型工况分成了怠速工况、额定工况、变载工况和启停工况，然后分别计算出每小时怠速工况和额定工况下造成的电堆压降以及每次变载工况和启停工况带来的压降，最终预测出电堆的寿命。 来源：国标的燃料电池寿命测试工况 此外，国标还规定了车用燃料电池堆使用寿命的终止指标，即平均每节燃料电池电压下降不得大于10%。目前主流燃料电池单体（一片膜电极和两侧的双极板组成一个燃料电池单体）的基准电压一般在0.7V左右，即国标要求燃料电池压降不得小于0.07V。国标的施行也为行业的寿命检测订立了一个标准。 三、国产燃料电池寿命可以满足补贴要求吗？ 这也许是下游整车企业最关心的问题。 电堆企业公布的寿命一般为最理想寿命。下图是主流电堆企业官网公布的自家燃料电池寿命数据（仅列出可以查询到寿命数据的企业），可以看到电堆寿命最大可以相差4倍。但鉴于国标是去年年底才正式执行，主流的国产电堆并没有统一采用国标的寿命测试方法，因此横向比较意义很小。 图：主流国产电堆的寿命 来源：公司官网数据 此外实际车载工况和试验室台架工况条件不同，实际电堆使用寿命会比公布寿命再短一些，这主要原因是： 1）试验室环境温度5℃~40℃，而实际使用过程环境温度一般在-10℃~40℃； 2）国标要求的性能衰减不得大于10%，但实际测试时性能衰减会略大于10%； 3）实际的空气质量会略差于试验室空气质量，也会影响电堆寿命。 因此普遍认为实际寿命会比公布的寿命少10%。不过即使这样国产电堆也还是可以满足补贴细则中对燃料电池寿命的相关要求。 补贴要求燃料电池乘用车企业提供不低于12万公里的质保，商用车企业提供不低于20万公里的质保。我们以更严苛且更符合燃料电池应用场景的商用车质保公里作为目标，假设商用车在高速和城市道路中的平均配速为40公里/小时，则跑满20万公里至少需要燃料电池的寿命达到5000小时，可以看到目前所有国产电堆的寿命均是高于此项要求。况且燃料电池因其输出特性“偏软”的特点，必须辅以动力电池应对某些急加速工况，因此动力电池也会驱动车辆运行。依此看来补贴的寿命要求对大部分国产电堆企业都“绰绰有余”。 现如今制约国产燃料电池发展的问题已经不是性能上的问题，而是核心零部件能否国产化、成本能否下降以及应用场景是否足够多的问题。伴随着3年燃料电池补贴政策的实施，产业链成本下降迅速，下游整车逐渐放量，相信很快会看到越来越多的燃料电池车辆上路。 关注新兴产业观察者，带你了解燃料电池 往期推荐 01 ●【国金燃料电池】管理规范落地，碳交易市场启动渐近 ？ 点击阅读 02 ●【国金电新&汽车_周报】能源局风光政策示暖意之白话再解读，电池材料创新空间仍巨大 ？ 点击阅读 03 ● 半路杀出的“钠离子电池“，搅局者还是颠覆者？ ？ 点击阅读 04 ● 燃料电池行业周报速览 ？ 点击阅读 >>>END<<<

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