新能源汽車是燃料電池未來應用最看好領域？
來源：寶鄂實業(yè)
2019-04-30 12:03
點擊量：次
氫能—未來能源的最佳選擇
氫能源未來有望迎來大爆發(fā):能源發(fā)展是社會發(fā)展的先行者，人類的能源發(fā)展史是一部生產力發(fā)展 的歷史?？v觀人類能源的使用歷史，從木材，秸稈到現(xiàn)在的煤炭，天然氣和石油。貫穿其中的主線 是能量密度的不斷提高，能源結構的不斷轉變，帶動著產業(yè)結構的升級。
順著這個思路，我們推斷為了解決日益嚴重的 “溫室效應”和環(huán)境問題，更加高效清潔的氫能源將在未來 20 年迎來大爆發(fā)，隨著上游制氫技術的不斷獲得突破，中游儲氫加氫從技術到布局的逐漸成熟。下游應用從政策 到企業(yè)的大力布局，近年來隨著從便攜式設備，固定使用和交通運輸領域的商業(yè)化應用逐步落地， 我們預測在未來氫燃料電池將有著廣闊的市場前景。
從現(xiàn)有數(shù)據來看，氫能優(yōu)勢帶動氫能源產業(yè)發(fā)展，短期尋求平穩(wěn)突破，長期迎來加速發(fā)展。
從氫能源產業(yè)中最核心的氫燃料電池產業(yè)來講，2011 年全球氫能與燃料電池市場規(guī)模為 10.3 億美元， 較 2010 年 6.7 億美元增長 54%。日本日經 bp 清潔技術研究所日前發(fā)布的《世界氫能源基礎設 施項目總覽》顯示，在 2015 年包括液化氫基地、管道、固定式燃料電池以及燃料電池車在內的全 球氫能源基礎設施市場規(guī)模只有 7 萬億日元左右，預期在 2015 年到 2020 年，氫能源基礎設施市 場進入平穩(wěn)的發(fā)展時期;而在 2020 年以后該市場會呈現(xiàn)加速增長態(tài)勢，到 2025 年，氫能源基礎 設施家用市場的規(guī)模將超過商用。
也正因為如此，在到 2025 年的 5 年內，該市場規(guī)模將實現(xiàn)倍 增，預計達到約 20 萬億日元;到 2050 年將達到約 160 萬億日元(約合 1.56 萬億美元)
燃料電池——氫能源的載體
燃料電池是把燃料中的化學能通過電化學反應直接轉化為電能的發(fā)電裝置。按其電解質不同，常用的燃料電池包括質子交換膜燃料電池(PEMFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)、熔融碳酸鹽 燃料電池(MCFC)、磷酸燃料電池(PAFC)和堿性燃料電池(AFC)等。
燃料電池具有高轉化率，優(yōu)勢明顯，理論上燃料電池的能量轉化效率可高達85%—90%。實際電池在工作時由于受各種 極化的限制，目前各類燃料電池的能量轉化效率約在40%—60%。若實現(xiàn)熱電聯(lián)供，燃料的總利用 率可達80%以上。零排放，清潔能源的標桿。
當燃料電池以富氫氣體為燃料時，其二氧化碳的排放 量比熱機過程減少40%以上;若以純氫氣為燃料，其化學反應產物僅為水，從根本上消除了CO、NOx、SOx、粉塵等大氣污染物的排放，可實現(xiàn)零排放，同時由于燃料電池生成水的反應是個放熱反應， 在工作中還會產生大量熱水、熱蒸汽，所以不僅可以供電，還可以供暖，同時具有干凈、可靠、能移動、壽命長等優(yōu)點。
其中質子交換膜燃料電池操作溫度低、啟動速度快，是車用燃料電池的首選。燃料電池發(fā)電原理與 原電池或二次電池相似。電解質隔膜兩側分別發(fā)生氫氧化反應與氧還原反應，電子通過外電路作功， 產生電能。質子交換膜燃料電池(PEMFC)電池通過氫氣和氧氣發(fā)生化學反應生成水，在這個過 程中產生電能，首先，氫氣通過管道或導氣板到達陽極。
在陽極催化劑的作用下，1 個氫分子解 離為 2 個氫質子，并釋放出 2 個電子。在電池的另一端，氧氣(或空氣)通過管道或導氣板到 達陰極，在陰極催化劑的作用下，氧分子和氫離子與通過外電路到達陰極的電子發(fā)生反應生成水。 電子在外電路形成直流電。
因此，只要源源不斷地向燃料電池陽極和陰極供給氫氣和氧氣，就可以 向外電路的負載連續(xù)地輸出電能。在整個反應過程中幾乎是零排放，燃料電池特點明顯，考慮到當 前環(huán)境敏感的大環(huán)境，對燃料電池的大力政策扶植短期不會改變，這也必將推動燃料電池下游應用的加速發(fā)展。
電催化劑(catalyst)是燃料電池的關鍵材料之一，其作用是降低反應的活化能，促進氫、氧在電 極上的氧化還原過程、提高反應速率。
氣體擴散層(GDL):在質子交換膜燃料電池中，氣體擴散層位于流場和催化層之間，其作用是 支撐催化層、穩(wěn)定電極結構，并具有質/熱/電的傳遞功能。因此 GDL 必須具備良好的機械強度、 合適的孔結構、良好的導電性、高穩(wěn)定性。
膜電極組件(MEA):膜電極組件(membrane electrode assembly，MEA)是集膜、催化層、 擴散層于一體的組合件，是燃料電池的核心部件之一，其結構如圖 10。目前，國際上已經發(fā)展了3 代 MEA 技術路線:一是把催化層制備到擴散層上(GDE)，通常采用絲網印刷方法，其技術已 經基本成熟;
二是把催化層制備到膜上(CCM)，與第 1 種方法比較，在一定程度上提高了催化 劑的利用率與耐久性;三是有序化的 MEA，把催化劑如 Pt 制備到有序化的納米結構上，使電極呈 有序化結構，有利于降低大電流密度下的傳質阻力，進一步提高燃料電池性能，降低催化劑用量。
雙極板(BP):燃料電池雙極板(bipolar plate，BP)的作用是傳導電子、分配反應氣并帶走生 成水，從功能上要求雙極板材料是電與熱的良導體、具有一定的強度以及氣體致密性等;穩(wěn)定性方 面要求雙極板在燃料電池酸性(pH=2~3)、電位(E=~1.1 V)、濕熱(氣水兩相流，~80°C)環(huán)境 下具有耐腐蝕性且對燃料電池其他部件與材料的相容無污染性;產品化方面要求雙極板材料要易于 加工、成本低廉。
燃料電池電堆是燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的核心，通常為了滿足一定的功率及電壓要求，電堆通常由數(shù)百 節(jié)單電池串聯(lián)而成，而反應氣、生成水、冷劑等流體通常是并聯(lián)或按特殊設計的方式(如串并聯(lián)) 流過每節(jié)單電池。
燃料電池電堆的均一性是制約燃料電池電堆性能的重要因素。燃料電池電堆的均 一性與材料的均一性、部件制造過程的均一性有關，特別是流體分配的均一性，不僅與材料、部件、 結構有關，還與電堆組裝過程、操作過程密切相關。
常見的均一性問題包括由于操作過程生成水累 積引起的不均一、電堆邊緣效應引起的不均一等。電堆中一節(jié)或少數(shù)幾節(jié)電堆的不均一會導致局部 單節(jié)電壓過低，限制了電流的加載幅度，從而影響電堆性能。從設計、制造、組裝、操作過程控制 不均一性的產生，如電堆設計過程的幾何尺寸會影響電堆流體的阻力降，而流體阻力降會影響電堆 對制造誤差的敏感度。
燃料電池下游運用:未來最看好在新能源汽車領域的應用
燃料電池早在 20 世紀 60 年代就因其體積小、容量大的特點而成功應用于航天領域。進入 70 年 代后，隨著技術的不斷進步，氫燃料電池也逐步被運用于發(fā)電和汽車。
現(xiàn)如今，伴隨各類電子智能 設備的崛起以及新能源汽車的風靡，氫燃料電池主要應用于三大領域:固定領域、運輸領域、便攜 式領域。
從市場的觀點來看，燃料電池因其穩(wěn)定性和無污染的特質，既適宜用于集中發(fā)電，建造大、 中型電站和區(qū)域性分散電站，也可用作各種規(guī)格的分散電源、電動車、不依賴空氣推進的潛艇動力 源和各種可移動電源，同時也可作為手機、筆記本電腦等供電的優(yōu)選小型便攜式電源。
固定式領域:目前燃料電池下游應用最大的一塊領域，產業(yè)相對成熟，固定式燃料電池系統(tǒng)的主要 應用領域為固定電源、大型熱電聯(lián)產、居民住宅熱電聯(lián)產及備用能源等。
2014 年初統(tǒng)計結果表明， 固定式燃料電池市場占有率達 70%，并將繼續(xù)引領未來全球燃料電池市場的發(fā)展。根據 Navigant的一份報告顯示，目前固定式燃料電池系統(tǒng)的年出貨量大約為 4 萬套，預計在 2022 年的年出貨量 將達到 125 萬套，其復合年平均增長率達 51.7%。
固定式燃料電池行業(yè)正處于一個非常活躍的階 段，許多公司計劃開發(fā)或安裝固定式燃料電池系統(tǒng)，由于現(xiàn)代社會對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性及在自然災 害情況下電力的持續(xù)供應要求的增加，固定式燃料電池系統(tǒng)作為小型發(fā)電及備用電源系統(tǒng)得以迅速 的發(fā)展。
便攜式領域:應用前景廣闊，面向未來市場。便攜式電源市場包括非固定安裝的或者移動設備中使 用的燃料電池，適用于軍事、通訊、計算機等領域，以滿足應急供電和高可靠性、高穩(wěn)定性供電的 需要，實際應用的產品包括高端手機電池、筆記本電腦等便攜電子設備、軍用背負式通訊電源、衛(wèi) 星通訊車載電源等;
另一方面用作自行車、摩托車、汽車等交通工具的動力電源，以滿足環(huán)保對車 輛排放的要求。預期是運用在手機，無人機，數(shù)碼相機等領域。
目前相比鋰電池從價格和性能兩個 方面來看優(yōu)勢并不明顯，因此現(xiàn)在對于便攜式燃料電池的需求相當少。
交通運輸領域:各國大力布局，蓄力靜待爆發(fā)。
交通運輸市場包括為乘用車、巴士/客車、叉車以 及其他以燃料電池作為動力的車輛提供的燃料電池，例如特種車輛、物料搬運設備和越野車輛的輔 助供電裝置等。
汽車用燃料電池作為動力系統(tǒng)是目前關注度最高的應用領域。這是目前是爆發(fā)最 迅猛，也是關注度最高的應用領域。
從當前的數(shù)據來看，燃料電池技術有望在汽車領域率先爆發(fā)。大型車企的燃料電池汽車研發(fā)如火如 荼，在全球范圍內各大汽車生產廠商紛紛進入氫能源汽車領域,從 2013 年開始陸續(xù)有燃料電池汽車 推出和展出。
從全球市場來看，日韓車企最早推出產品，其中 Mirai 和 Clarity 當屬燃料電池汽車 領域的試水產品，從 Mirai 的訂單規(guī)模來看，日本市場的訂單量達到了 3000 輛，達到了預期銷量 的 750%，海外訂單達到預期銷量的 7 倍。
從市場表現(xiàn)來看，市場對燃料汽車的接受程度較好，在 政府大力補助的條件下，隨著燃料電池產量的提升。歐美車企更多選擇和日本車企合作。車企在解 決自身產能問題后，燃料電池汽車市場將會是一片藍海。
物流車領域是交通運輸商業(yè)化的另一主要領域，物流運輸市場非常巨大，國內以一汽和中車為代表 的企業(yè)正在燃料電池物流車領域發(fā)力。
目前，國內廠商正通過合作研發(fā)的方式，首先在國際市場上 研發(fā)推廣燃料電池物流車。中車株洲時代電動汽車股份有限公司與加拿大 Loop En-ergy 燃料電池 公司在美國簽署了電驅動系統(tǒng)產品開發(fā)協(xié)議。開啟了中國向歐美出口燃料電池系統(tǒng)產品的新篇章。
此次合作由三方共同完成。加拿大 Loop Energy 燃料電池公司將自身燃料電池運用于中車電動核 心系統(tǒng)產品，再將中車電動系統(tǒng)產品運用于美國 OEM 整車廠開發(fā)的純電動內場物流拖車。
這將成 為全球第一臺燃料電池大型物流車。一汽解放與新源動力達成燃料電池合作協(xié)議,計劃 2016-2017年完成 100 輛以上燃料電池物流車的推廣應用,從而實現(xiàn)燃料電池車商業(yè)化應用。結合中國的國情， 在互聯(lián)網時代下，考慮到物流市場的巨大規(guī)模，綜合優(yōu)勢明顯的物流車將會是燃料電池的又一藍海 市場。
十三五”期間燃料電池汽車有望進入商業(yè)化階段
新能源汽車:短期鋰電池占主導;長期燃料電池有望實現(xiàn)后來者居上
短期:新能源鋰電池車占主導
燃料電池成本降低和加氫站的建設是一個逐步推進的過程，短期來看鋰電池仍占主導:從過去到現(xiàn) 在，全球燃料電池汽車走了幾個階段。
第一階段，設想的很樂觀，但燃料電池應用于汽車上之后， 受汽車工況影響，性能衰減很快。
第二階段，主要解決燃料電池的可靠性、耐久性問題。因為工況 比較復雜，這一階段經歷了七八年時間，基本上解決了這些問題，燃料電池壽命也達到了要求。
現(xiàn)在進入了第三階段，即商業(yè)化的導入期，主要是進一步降低成本和鉑(Pt)用量，同時加快加氫站 的建設，目前來看，
1)加氫站的短缺阻礙燃料電池汽車的發(fā)展:加氫站建設成本是加油站的 5 倍， 價格高昂使得加氫站數(shù)量短缺。即便燃料電池的續(xù)航里程可以達到 700 公里左右，但是 700 公里 內不一定會有一個加氫站。
2)燃料電池車的成本仍要遠高于鋰電池車，國外的燃料電池大巴車售 價在 100 萬美元上下，而特斯拉的“貴族”電動車 ModelS 售價也才為 73 萬人民幣，相比之下燃 料電池車價格目前來說高很多。
長期:燃料電池有望實現(xiàn)后來者居上
燃料電池優(yōu)勢明顯:氫是世界上最多的元素，氫氣來源極其廣泛并且是可再生資源，所以用氫氣作 為“燃料”似乎最合適不過。
由于燃料電池是化學能直接轉換為電能，相比內燃機的燃燒作用不會 產生大量廢氣與廢熱，轉化效率更可超過 50%(內燃機轉化效率為 10%)，排放物也只有水，也 不會對環(huán)境溫度造成影響。
使用壽命長于電化學電池并且電池維護工作量很小。相比于純電動車的 充電時間來說，燃料電池加注氫氣的時間很短，幾乎與內燃機汽車添加燃油時間相當，大約在 3-5分鐘左右。
高能量密度是燃料電池能夠有望實現(xiàn)后來者居上的基礎:如果新能源要想顛覆傳統(tǒng)能源長期發(fā)展建 立起來的產業(yè)鏈條和基礎網絡，高能量密度是基礎。
在世界范圍內，新能源鋰電汽車之所以目前占比仍然較低，主要是由于其低能量密度。而氫能源能量密度是汽油及天然氣的 3 倍以上，具有快速發(fā)展的基礎。
隨著技術進步、規(guī)模化生產，燃料電池車成本將逐漸降低，經濟型逐漸體現(xiàn):美國能源部數(shù)據顯示，2012 年，交通運輸用燃料電池系統(tǒng)的成本為 47 美元/千瓦，與 2002 年相比，下降了 82.9%，與2008 年相比，下降了 35.6%，這一數(shù)字已經逐步接近美國能源部設定的 2017 年成本目標:30 美 元/千瓦。
Platinum 集團的金屬鉑(Pt)(用來做催化劑)含量已經降低了 1/5，目前每千瓦的含量 少于 0.2 克，接近美國能源部的目標 0.125 克/千瓦。
此外，燃料電池的耐用性也增加了一倍多， 并自 2007 年以來電解槽的成本減少了 60%。根據英國碳信托咨詢公司的報告，若燃料電池汽車需 要規(guī)?；a，其成本需達到 36 美元/千瓦才能與內燃機汽車競爭。而根據目前 PEMFC 成本的下 降趨勢以及目前的技術進步，該目標價位即有可能在 2017 年之前達成，屆時燃料電池汽車就可以 批量化生產。
長期來看，燃料電池車有望實現(xiàn)后來者居上:不論是從能源安全角度，還是從節(jié)能環(huán)保角度考慮， 新能源汽車都將成為未來的長期發(fā)展趨勢。氫燃料電池技術作為目前排放標準最高，環(huán)保性最強的 新一代新能源動力汽車技術，在新能源汽車產業(yè)化發(fā)展之路中無疑具有里程碑意義。
相比于現(xiàn)階段鋰動力電池技術，氫燃料電池汽車啟航加速快，充氫時間短，續(xù)航里程大，能量密度及功率密度均 具有最優(yōu)異性能，我們認為在未來具有極高的應用價值和商業(yè)化前景。
政策將開啟燃料電池及燃料電池汽車行業(yè)發(fā)展的大潮
隨著世界能源危機的日益突出, 汽車工業(yè)面臨者嚴峻的挑戰(zhàn)。各能源大國對石油的需求量正快速增 長，汽車保有量的增長使車用原油消耗占原油總消耗量的比例逐年加大。車用石油消耗所產生的空 氣污染成為越來越嚴重的問題。
發(fā)展新能源汽車是解決當前交通能源和環(huán)境問題的一項重要手段。發(fā)達國家尤其是汽車強國近年來 加大了在節(jié)能與新能源汽車領域的投入,美國、日本、歐洲等國依據自己的資源條件和產業(yè)技術基 礎, 制定了交通能源戰(zhàn)略和技術發(fā)展路線圖。
中國政府也高度重視能源的可持續(xù)性發(fā)展。氫是世界上最簡單、儲量最豐富、分布最廣的元素。它可以從水、化石燃料、生物質等化合物中制取。以氫 為原料的燃料電池汽車近幾年成為各大汽車公司的研發(fā)熱點, 各國政府紛紛制定出一系列配套政 策和法規(guī), 積極鼓勵和推動其產業(yè)化和商業(yè)化進程。
加氫站建設只是個時間積累的問題，為了推動燃料電池車基礎設施建設，汽車制造商正在同大型能 源公司、初創(chuàng)企業(yè)等合作伙伴在氫燃料供給方面展開合作。例如，在日本，豐田、本田、日產 3家車企，與科斯莫石油公司、巖谷產業(yè)公司、東京燃氣公司等 10 家能源公司宣布共同促進加氫站 建設。
近期，多家企業(yè)聯(lián)合宣布中國加氫站 建設營運計劃于 2016 年 6 月 28 日在上海啟動。各國政府的大力布局，極大的推動了以燃料汽車 為主的下游運用。
