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而在其中,固定式燃料电池的增长最为显著,交运用燃料电池的发展则相对平稳,在未来其发展的主要看点集中在轻型燃料电池电动汽车数量的增加和物料搬运设备市场的大幅增长。
在三个主要领域中,便携式领域的发展几乎处于停滞状态,即使目前已有许多公司陆续推出手机用氢燃料电池,但就整体而言,该类产品的商业化尚未得到实现,未来发展还需很长时间。
日本富士经济公司针对产业和商业、家用、燃料电池车、叉车等驱动、便携和应急以及便携终端6个领域进行了调查,预测称到2025年,全球市场总计将达到51843亿日元,相当于2011年的74.2倍。
固定式燃料电池市场包括多种尺寸和类型,主要用于各种固定位置的电力供应,包括主要应用于发电站、楼宇、工程等领域的大型首要电源、备用电源或热电联产(CHP),用于家庭住宅和商业的微型热电联产(CHP),以及远程或基本应用例如电讯塔的首要或备用电源。
在美国市场,美国本土的Bloom
Energy,FuelCellEnergy,UTCPower和加拿大的BallardPowerSystems是该领域的主要生产公司。
运输领域寻求突破
交通运输领域的燃料电池细分有广泛的应用,主要包括车辆,公交车,小型飞机,船只以及物料搬运设备等,使用的燃料电池类型仅仅是质子交换膜(PEMFC)。
目前,交运领域实现商业化的主要是物料搬运设备领域,而全球几家大型汽车制造商仍在继续追求燃料电池轻型汽车的应用,并计划与2015-2017年实现商业化。
北美的Plugpower和加拿大BallardPowerSystems是该领域的主要厂商。
高效环保低成本的氢燃料电池叉车为运输领域的核心应用。
叉车是工业搬运车辆,是指对成件托盘货物进行装卸、堆垛和短距离运输作业的各种轮式搬运车辆,是物料搬运设备的一种。
目前,叉车是交通运输领域中实现商业化较为活跃的主要品种。
其主要生产商为Plugpower公司。
叉车上的动力来源主要是电池。
较常用的为铅酸电池,而目前燃料电池正取代铅酸电池成为电动叉车的主要能量。
在高流通量的配送中心和仓库环境中,与传统充电电池系统相比,零排放燃料电池叉车体现了经济、实用、环保。
燃料电池叉车的优势在于:
通过恒功率输出和充氢气时间短显著提高叉车的生产率。
铅酸电池的性能有限,过长的充电时间导致其效率低下。
与之相比,燃料电池由于燃料补给迅速,且具有更长的使用寿命而备受关注。
提高生产效率的同时,燃料电池叉车还可以降低运营成本。
例如,沃尔玛超市在加拿大阿尔伯塔省的冷藏配送中心部署了95辆燃料电池叉车。
与传统的充电电池动力叉车相比,该项目在7年内将减少运行成本110万美元。
沃尔玛现在已有超过500辆燃料电池叉车运行在包括冷冻设施在内的三个仓库中运行。
其余使用Plugpower公司的GenDrive系统的客户包括:
宝洁公司部署在四个站点的340个燃料电池叉车系统;
思科部署在7个站点的超过600个系统;
可口可乐公司部署在2个站点的96个系统。
燃料电池叉车市场的供应商主要有H2Logic,Hydrogenics,NuveraFuelCells,OorjaProtonics和Plugpower。
其中Plugpower是最大的供应商,其市场份额约为80%。
使用燃料电池叉车的企业目前来看多为大公司,这部分是因为燃料电池叉车的售价高于普通叉车。
燃料电池车离产业化仍有不小距离
成本:
发展的首要阻碍
加氢站:
需要时间积累的必备配套任务
氢燃料电池VS锂电池:
谁是赢家?
锂电池是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池,使用以下反应:
Li+MnO2=LiMnO2,该反应为氧化还原反应,放电。
由于锂金属的化学特性非常活泼,使得锂金属的加工、保存、使用,对环境要求非常高。
锂电池的历史可以追溯到70年代,是目前应用最广泛的电池,特斯拉电动车使用的就是锂电池。
锂电池和燃料电池相比较,锂电池的优势在于更安全、成本更低;
而燃料电池的优势则在于充电时间更短、能量密度更高。
从目前的技术看,氢燃料电池需要新建一个产业链来支撑,这需要很长的时间和大量的投资。
而锂电池从发明以来,随着技术的进步和产业化的扩充,每年都有小幅度的降价和容量提升。
日本在2005年就开发出来了性能比特斯拉ModelS更优异的Eliica,但是当时锂电池的高昂价格注定这个产品只是试验品。
而目前特斯拉电动车火爆全球,比亚迪正在开发性能不逊色于特斯拉ModelS的E9,宝马混合动力的i3、i8都要上市,保时捷918也已经预订。
这都说明锂电池的价格已经降低到一个可以接受的范围。
未来几年,随着锂电池价格的进一步下降和容量的进一步提升,电动车的普及度有望进一步提升。
总而言之,短期来看锂电池主导的电动车会是主要方向,氢燃料电池则需要长期的发展,但有望后来居上。
2国内外燃料电池汽车产业
2.1北美地区
美国和加拿大是燃料电池研发和示范的主要区域。
在美国能源部(DOE)、交通部(DOT)和环保局(EPA)等部门的支持下,燃料电池技术近年来取得了很大的进步,通用、福特、丰田、戴姆勒奔驰、日产、现代等整车企业都在美国加州参加了燃料电池电动汽车的技术示范运行,并培育了联合技术公司(UTC,美国)、巴拉德(Ballad,加拿大)等国际知名的燃料电池研发和制造企业。
通用曾经于2007年投放了100辆雪佛兰Equinox燃料电池电动汽车直接给消费者使用,2009年达到了100多万英里的行驶里程。
在降低成本和提升燃料电池的性能上,通用新一代燃料电池体积比雪佛兰Equinox缩小了一半,重量减轻了220磅,使用的铂金仅为原来的1/3。
预计到2017年,100kW燃料电池发动机的铂金用量将下降到10~15g,达到传统内燃机三效催化剂的铂金用量水平,将为量产做好准备。
下表为美国能源部对轿车燃料电池成本的估计,预计到2020年,在年生产量20万辆的条件下,随着燃料电池技术的进步(100kW电堆铂用量下降到10g),燃料电池轿车成果将低于3万美元。
美国能源部橡树岭国家实验室对燃料电池轿车成本的预测
2.2欧洲地区
欧洲的燃料电池客车示范计划(HYFLEET-CUTE)从2003年至2010年在10个城市示范运行了30辆第一代戴姆勒燃料电池客车,累计运行130万英里。
这些车辆采用“电池+12kW的氢燃料电池”的动力形式。
在此基础上,欧洲燃料电池客车示范项目(CHIC:
CleanHydrogeninEuropeanCities)在5个城市开展了26辆第二代燃料电池公共汽车示范运行,期限从2011年至2017年,目标是实现燃料电池电动汽车性能达到目前燃油汽车的标准。
该项目由联合技术倡议(JTI:
JointTechnologyInitiative’s)燃料电池及氢能合作计划(FCH-JU)和相关企业资助。
在德国,主要的汽车和能源公司与政府一起承诺:
到2015年建立广泛的全国氢燃料加注网络。
2013年初,宝马公司决定与丰田汽车公司合作,由丰田公司向宝马公司提供燃料电池技术。
2.3日本和韩国
从全球范围看,日本和韩国的燃料电池研发水平目前处于全球领先的水平,尤其是丰田、日产和现代汽车公司,在燃料电池电动汽车的耐久性、寿命和成本等方面逐步超越了美国和欧洲。
2014年12月,丰田发布当今最具成本优势、性能最先进的Mirai燃料电池电动汽车。
新车售价723.6万日元(约37.8万人民币);
日本政府补贴后,实际价格520万日元(约27.1万人民币)。
根据丰田的官方数据,在参照日本JC08燃油模式测试的情况下,Mirai的巡航里程达到650公里,完成单次氢燃料补给仅需约3分钟,10秒内可以完成百公里加速,完全能够应付平常的行车需求。
日产汽车也投入巨资开展燃料电池电堆和轿车的研发。
2012年,日产汽车公司研发的电堆功率密度就达到了2.5kW/L的国际先进水平。
本田新开发的FCXClarity燃料电池电动汽车,能够在-30℃顺利启动,续驶里程达到620公里。
2014年,本田宣布其燃料电池堆功率密度也达到3kW/L。
为推进燃料电池汽车的产业化,丰田公司2015年1月在拉斯维加斯消费电子展上宣布公开与燃料电池汽车相关的5680件专利,包括燃料电池组1970项、高压储氢290项,燃料电池控制系统3350项,加氢站70项。
其中与氢基础设施相关的专利会无限期无偿提供;
和车辆相关的专利,针对汽车公司设置了截止到2020年使用期限。
韩国从2002开始研发燃料电池电动汽车,2013年,韩国宣布提前2年开展千辆级别的燃料电池SUV(现代的ix35)生产,在全球率先进入燃料电池电动汽车千辆级别的小规模生产阶段。
该SUV采用了100kW燃料电池、24kW锂离子电池和100kW电机,70MPa的氢瓶可以储5.6kg氢气,NEDC循环工况续驶里程588km,最高车速160km/h。
2015年,美国华德公司(Ward)将该燃料电池发动机评为北美年度十佳量产的发动机之一,这是燃料电池首次入选。
2015年北美十佳发动机清单
2.4全球发展趋势总结
从美洲、欧洲和日韩等发达国家的燃料电池电动汽车发展现状看,全球主要汽车公司大都已经完成了燃料电池电动汽车的基本性能研发阶段,解决了若干关键技术问题,其整车性能、可靠性、寿命和环境适应性等各方面均已基本达到了和传统汽车相媲美的水平。
据美国能源部预测,2017年燃料电池系统的成本将下降到30美元/kW,达到和内燃机成本同样的水平。
为了实现该目标,世界各国纷纷制定了各自的加氢站建设规划以配合燃料电池电动汽车的推广应用。
日本目前在名古屋、东京、大阪和福冈四个城市之间拟建造100座加氢站,在2025年前扩大到1000个加氢站;
到2030年计划建成覆盖全国的加氢站,数量达到5000个,燃料电池电动汽车的比例超过10%。
韩国到2015年已经建设了13座加氢站,预计到2020年建设168座加氢站,沿韩国高速公路建设成氢高速公路。
美国计划于2017年建成至少84座加氢站,达到单站日产500公斤以上的氢气产量。
虽然计划十分恢宏,但是各国加氢站的实际建设进度并没有预计的那么快。
加氢站的建设成本是加油站的5倍,且加氢站在城市中建设还面临一系列诸如土地和安全法规的限制。
日本经产省通过发布《氢燃料电池车普及策略》、修正《高压气体保安法》等措施为日本的燃料电池电动汽车及加氢站的规划打下政策基础,也为其他国家促进燃料电池电动汽车发展的提供了相关法律法规及政策支持的参考。
2.5中国方面政策推动燃料电池发展
我国从2001年就确立了“863计划电动汽车重大专项”项目,确定三纵三横战略,以纯电动、混合电动和燃料电池汽车为三纵,以多能源动力总成控制、驱动电机和动力蓄电池为三横。
近年来,由于锂动力电池汽车补贴较高及比亚迪等一批纯电动车厂成功走出来,国内以锂电池作为汽车动力应用的厂商数量剧增,相比其他国家,我国在燃料电池领域的扶持力度还不够大,但在燃料电池领域的规划纲要和战略定调已经出现苗头。
2015年《中国制造2025》规划纲要出台,其中包括未来国家将继续支持燃料电池汽车的发展。
对燃料电池汽车的发展战略,提出三个发展阶段:
第一是在关键材料零部件方面逐步实现国产化;
第二是燃料电池和电堆整车性能逐步提升;
第三方面是要实现燃料电池汽车的运行规模进一步扩大,达到1000辆的运行规模,到2025年,制氢、加氢等配套基础设施基本完善,燃料电池汽车实现区域小规模运行。
近日,国家发改委和国家能源局在系统内部印发《能源技术革命创新行动计划(2016-2030年)》,并同时发布了《能源技术革命重点创新行动路线图》,提出了15项重点创新任务,其中包括氢能与燃料电池技术创新。
3燃料电池产业链---车企
1966年,通用汽车首次推出全球第一款燃料电池汽车,这是一款由通用汽车CHandivan改装的汽车,被命名为Electrovan,它是燃料电池动力向汽车应用探索落地的第一步,并由此开启了燃料电池汽车的大时代。
近一两年,丰田、本田、奔驰、通用、现代、福特、宝马等国际车厂纷纷推出燃料电池汽车计划,推出并研发了多个车型,燃料电池新车型将在2016-2018年密集上市销售。
如果说此前的燃料电池汽车还只是概念车型的话,近两三年以来,燃料电池汽车商业化开始被逐步推动。
3.1丰田或将引导新一轮燃料电池汽车起飞
2013年底,丰田在质子交换膜燃料电池领域取得了重大技术突破,大大降低了车用燃料电池成本,这一技术突破成为里程碑式的事件,带动了它在整个燃料汽车产业的研发进展;
2014年12月份,丰田推出了首款燃料电池汽车Mirai,加上日本政府补贴后,已经比最早量产的现代途胜燃料电池汽车便宜了一多半以上,无论是性能指标的提升还是价格成本的大幅下降,Mirai的推出对于燃料电池汽车产业来说都是革命性的跨越。
丰田于2014年12月15日推出的燃料电池汽车Mirai,其燃料电池效率比丰田2008年的燃料电池效率提升了2.2倍。
它在3-5分钟可以将储氢罐加满,续航里程可达到600km左右,加氢时间和续航里程与传统汽车无异。
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。
3.2现代途胜是全球第一辆量产版的氢燃料电池车
韩国现代也是积极布局燃料电池的汽车厂商之一。
2013年,现代就公布了其全新第三代燃料电池车技术,并把这套新系统装配在了现代ix35之上,汽车被命名为途胜燃料电池汽车。
这款汽车拥有可提供134马力的最大功率、同时搭配21kwh容量的电池组,其能使整车的最高时速达到160km/h,最大航程则为650公里,这是目前纯电动汽车主流150公里的航程所无法比拟的;
与此同时,与此前的第二代燃料电池车系统想比,现代全新的三代燃料电池系统在体积上缩小了25%,能比老系统多存储2.1公斤重的氢燃料。
同时,车辆在零下25摄氏度的环境下,也可以正常工作。
现代汽车此前计划2015年全球销售燃料电池汽车途胜达到1000辆,但是截至2015年5月,现代途胜氢燃料电池汽车全球销量是273辆,虽然相比2014年全年128辆的销量增加了很多,但是全年总销售量没有达成预期。
3.3各车厂都积极进行燃料电池技术储备并推出新车型
本田,就在丰田推出燃料电池汽车Mirai不久,本田推出了首款燃料电池汽车CLARITY。
该款车充满储氢罐只需3分钟,续航里程超700公里,于2015年10月底再东京车展亮相,将于2016年3月在日本市场上市。
该款车的美国版本为“CLARITYFUELCELL”,将于2016年底在美国加州销售,销售价格为6万美元,同时采用出租的形式,月租金500美元。
2013年通用和本田宣布将在氢燃料电池车领域展开合作研发。
通用曾经于2007年投放了100辆雪佛兰Equinox燃料电池汽车直接给消费者使用,2009年达到了100多万英里的行驶里程2。
在降低成本和提升燃料电池的性能上,通用新一代燃料电池体积比雪佛兰Equinox缩小了一半,重量减轻了220磅,使用的铂金仅为原来的1/3。
预计到2017年,100kW燃料电池发动机的铂金用量将下降到10~15g,达到传统内燃机三效催化剂的铂金用量水平,将为量产做好准备。
奥迪在2016年北美车展上发布了一款燃料电池汽车h-tronquattro,4分钟充满储氢罐,续航里程高达600公里,百公里加速时间为7秒,最高车速可达每小时200公里。
奥迪新任研发总监StefanKnirsch力挺燃料电池,他认为,相比纯电动汽车,燃料电池汽车采用更小巧、更便宜、更轻便的电池提升车辆性能,而且仅用几分钟即可加满燃料,而纯电动汽车充满电通常需花上数小时,即便是目前研发中的800V充电技术也只能将时间缩短到15分钟。
奥迪将引领大众集
团环保型氢燃料电池汽车的研发,打造创新先锋的品牌形象。
奔驰从1994年起就对氢燃料方向进行研发,并推出了第一辆氢燃料原型车Necar1。
2017年法兰克福车展有望推出首款氢燃料电池汽车量产车型,命名为奔驰GLCF-Cell,预售价格为5万英镑,约合47.4万人民币。
该车3分钟可充满储氢罐,续航里程为402-483公里。
福特汽车最早于上世纪90年代初便开始研发燃料电池汽车,随后推出了代号为P2000的燃料电池车。
2016年,戴姆勒宣布同福特、雷诺-日产结成战略合作伙伴关系,共同加快氢燃料电动汽车技术的商业化,三方共同研发的氢燃料电池汽车将于2017年推出。
日产曾在2012年巴黎车展上展示过一款叫做Terra的氢燃料电池电动概念SUV,氢燃料电池将为三个电动马达提供能源,并有一套可在两驱和四驱间切换的四驱系统,负责把动力高效地传递到车轮上。
起亚曾透露计划研发一辆氢燃料电池汽车,该车将搭载一个规模相当于2.0L内燃机的燃料电池堆。
预计2020年发布,计划每年量产1000辆。
此外,斯巴鲁、宝马等等国际大型车厂都在全力研发燃料电池汽车,以尽快上市,占领燃料电池汽车市场。
国内乘用车厂商如上汽集团等在燃料电池领域也进行了积极的准备。
上汽集团,持有新源动力34%股权,在国内氢燃料车领域处于领先地位。
公司在2008年为北京奥林匹克运动会提供20辆氢燃料电池轿车,2010年为上海世博会生产68辆燃料电池轿车,100辆氢燃料电池观光车。
在2011年世界氢燃料电池车的必比登挑战赛上,上汽集团的氢燃料电池车得到了"
6A"
的好成绩。
此外,上汽集团宣布在2013年产生50燃料电池车供上汽工作人员试用,并与世界汽车巨头同步;
在2015年生产1000辆燃料电池客车,为实施该计划,上汽集团已安排超过2.7亿元人民币开发资金。
此外,上海大众、长安汽车、一汽奔腾和奇瑞等厂商也分别推出了燃料电池乘用车。
预计未来随着燃料电池汽车厂商阵营不断扩大,技术持续提升,以及燃料电池汽车量产开始具备规模效应,燃料电池汽车的单位成本将会有较大的下降空间,这将进一步带动燃料电池汽车市场空间的扩大。
3.4燃料电池客车开始大力推广
如我们在第二章所说,2015年6月17日,日本《产经新闻》数据显示,日本东京都交通局宣布将于7月下旬开始对丰田汽车与日野汽车开发的计划于2016年度上市销售的“丰田燃料电池巴士”进行试运行考核,考核其在东京市中心区域拥堵及频繁变更车道行驶工况下的行驶性能等。
东京都为了在2020年东京奥运会期间,实现建立“氢能社会示范区”的目标,除准备推广6000辆燃料电池乘用车外,还将逐步将东京的“都营巴士”替换为燃料电池客车,进一步推动燃料电池巴士的应用和产业化。
此外,美国的VanHool、NewFlyer及德国的戴姆勒等车厂也推出了燃料电池客车。
国内宇通客车、福田汽车、金龙汽车等多家客车生产企业均已生产出燃料电池客车。
4燃料电池产业链---技术路线
电动汽车的关键能源动力技术包括电池系统、电机技术、控制器。
电池系统、电机技术和控制器是电动汽车所特有的技术,也是对车厂来说需要掌控的技术核心。
电池系统是电动汽车的动力源泉,也是一直制约电动汽车发展的关键因素。
电动汽车用电池的主要性能指标是比能量(E)、能量密度(Ed)、比功率(P)、循环寿命(L)和成本(C)等。
要能与燃油汽车进行竞争,最关键的就是要做出比能量高、比功率大、使用寿命长、重量轻的高效能电池。
电动汽车用电池经历了三代的发展,从早期的铅酸电池到现在大热的锂离子电池,再到燃料电池。
目前广泛应用于燃料电池汽车的是质子交换膜燃料电池PEMFC(也叫氢燃料电池),它以纯氢为燃料,具备能量转换效率高、噪音低、无污染、寿命长、启动迅速、比功率大和输出功率可随时调整等性能优势。
全球以燃料电池为主营业务的厂商不多,主要集中在欧美国家和日本。
除此之外,各大车厂都有燃料电池研发和生产部门,为燃料电池汽车配套。
根据XX图片及数据,主流的燃料电池厂商包括美国FuelCellEnergy、美国BE布鲁姆能源、加拿大Ballard、美国PlugPower等。
4.1氢燃料电池是燃料汽车动力应用的主流路线
就燃料电池本身来说,其主要是通过电解质区分。
根据电解质的不同,常用的燃料电池可以分为五大类:
质子交换膜燃料电池、碱性燃料电池、固体氧化物燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池和磷酸燃料电池。
4.1.1质子交换膜燃料电池(氢燃料电池)
质子交换膜燃料电池(PEMFC)使用固体聚合物作为电解质,含有铂或者铂合金催化剂的多孔碳作为电极,由于其主要采用氢气作为燃料,因此又被成为氢燃料电池。
与其他燃料电池相比,质子交换膜燃料电池可以在相对较低的温度(大约80℃)下运行,使得其能够更快的启动、对其他部件损害小,因此拥有更长的使用寿命。
此外,燃料电池还具有较高的能量密度,较轻的重量和较小的体积。
质子交换膜燃料电池主要应用在交通运输和一些固定式的应用,特别适用于乘用车。
质子交换膜燃料电池是继碱性燃料电池、磷酸盐燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池之后,迅速发展起来的温度最低、比能最高、启动最快、寿命最长、应用最广的第五代燃料电池。
但是质子交换膜电池需要贵金属铂作为催化剂,来分离氢的原子核和电子。
并且铂催化剂对一氧化碳非常敏感,如果使用碳氢化合物作为燃料的话,燃料电池系统中还需要增加反应器,这都增加了质子交换膜燃料电池的成本,考虑到清洁环保性及燃料电池系统中的反应器成本等各因素,目前各个质子交换膜燃料电池厂商主要将氢气作为燃料,欧美日韩政府也出台政策鼓励修建加氢站。
目前这一路线由于反应温度较低,综合性能最好,最清洁环保,是最主流的汽车燃料电池的技术路线。
全球主流的质子交换膜燃料电池厂商
Ballard是全球最大的质子交换膜燃料电池厂商之一。
BallardPowerSystems位于加拿大,是一家研发、生产和销售质子交换膜燃料电池的企业,是拥有国际领先燃料电池技术的企业,截止目前,其生产的氢燃料电池总容量约为150MW。
其主要产品是固定式电源系统、燃料电池动力模块和燃料电池堆。
PlugPower是全球最大的叉车用质子交换膜燃料电池厂商。
其前身是于1997年由数据终端设备能源公司EdisonDevelopmentCorp.和MechanicalTechnologyInc.组成的合资公司,公司位于美国。
目前主要设计和开发利用质子交换膜燃料电池制造的能源产生系统。
其燃料电池产品主要用于室内叉车,其用户包括耐克、宝马、沃尔玛、家得宝、梅赛德斯、克罗格等。
HydrogenicsCorp是一家位于加拿大