一篇文章看懂燃料电池

2014-10-07 19:33:21来源: 互联网

    燃料电池,是一种主要通过氧或其他氧化剂进行氧化还原反应,把燃料中的化学能转化成电能的电池。丰田燃料电池车上市脚步渐近,把燃料电池技术的应用再次带进人们的视野。

    燃料电池有多种类型,但是它们都有相同的工作模式。它们主要由三个相邻区段组成:阳极、电解质和阴极。两个化学反应发生在三个不同区段的接口之间。两种反应的净结果是燃料的消耗、水或二氧化碳的产生,和电流的产生,可以直接用于电力设备。

    燃料电池按燃料类型可分为直接型、间接型和再生型;按电解质种类又可分为碱性燃料电池(AFC)、磷酸盐型燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC)、固体氧化物型燃料电池(SOFC)和质子交换膜燃料电池(PEMFC)。

    20多年来,燃料电池经历了碱性、磷酸、熔融碳酸盐和固体氧化物等几种类型的发展阶段,燃料电池的研究和应用正以极快的速度在发展。在所有燃料电池中,碱性燃料电池(AFC)发展速度最快,主要为空间任务,包括航天飞机提供动力和饮用水;质子交换膜燃料电池(PEMFC)已广泛作为交通动力和小型电源装置来应用;磷酸燃料电池(PAFC)作为中型电源应用进入了商业化阶段,是民用燃料电池的首选;熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC)也已完成工业试验阶段;起步较晚的固态氧化物燃料电池(SOFC)作为发电领域最有应用前景的燃料电池,是未来大规模清洁发电站的优选对象,100kW管式SOFC电站已经在荷兰运行,Siemens和三菱重工都进行了SOFC发电系统的试验研究。相比之下,SOFC、MCFC和PEMFC会是最有前景的技术路线。

氢燃料电池优势及产业链分析

    氢燃料电池,即使用氢气作为燃料,利用电解水的逆反应产电的一种燃料电池,是目前发展最好的燃料电池。

    其工作原理即:将氢气送到电池的阳极板,通过催化剂的作用,氢原子变成一个正电荷的氢离子和一个负电荷的电子,其中氢离子通过电解质到达阴极板,而电子不能通过电解质,而只能通过外部电路形成电流。电子到达阴极板后,与氧原子和氢离子重新结合为水。

    氢燃料电池阴极板供给的氧可直接从空气中获得,因此仅需不断给阳极板供应氢气并及时把水带走,氢燃料电池就可以不断提供电能。相对于其他能源,氢燃料电池的发电过程无污染,能量转换效率更高,且其燃料氢气来源广泛,可再生。

1、零污染

    燃料电池属于清洁能源的一部分,由于其反应过程就是无污染的水反应,反应过程不会产生污染物,其主要污染物来自于燃料,可能存在氮氧化物等污染。相对于普通火力发电的空气污染以及传统电池的重金属污染而言,燃料电池对环境的污染程度远远降低。而氢燃料电池,其燃料为纯净无污染的氢气,相对其他燃料而言,废气中也不存在污染物。可以说,氢燃料电池就是一个能真正实现零污染的环保能源。

2、高效的能量转换效率

    燃料电池的发电效率也处于较高水平。在各种发电方式中,传统火力发电效率在30%左右,远低于燃料电池平均的40%-60%效率。而在汽车领域的应用中,燃料电池的效率可达60%,也高于目前汽车普遍使用的内燃机效率。总体而言,燃料电池的能量转换效率在其类似替代能源中都处于较高水平。

3、易于获得燃料

    氢是宇宙中最常见的元素,氢及其同位素占到了太阳总质量的84%,宇宙质量的75%都是氢。氢分子在地球上不是以天然的气体存在,大部分氢结合氧存在水中,可以说水资源在一定程度上代表了氢能的储存量。

    制氢的能源和燃料可以来自多种来源例如天然气、核能、太阳能、风力、生物燃料、煤矿、其他化石燃油、地热。目前氢气主要是作为一种中间产品而生产的。主要是由化石能源天然气(CH4)、原油(烃)或煤等原料,与水蒸汽在高下经蒸汽转化法、部分氧化法、煤气化法等工艺生成。

    氢燃料电池主要包括电池组件和燃料两个部分。因此其上游主要是氢气供应以及电池零组件。氢气供应部分主要是为燃料氢气而准备的,主要流程包括氢气生产、输送和充气机。而电池零组件部分则主要生产燃料电池组、氢气存储设备和配件。中游则是将上述组装,形成一个完整的可投入使用的燃料电池系统,每种系统构成都依据其不同的应用领域而有所不同。下游的应用板块则主要包括了固定、交通运输和便携式三个主要领域。

    产业链的核心在于中游的燃料电池系统,系统的组成必定要对应下游的应用,而在燃料电池系统中,燃料电池模块是最为重要的。一般燃料电池由电解质、催化剂和双极板构成,在这三者中,催化剂的有无对燃料电池成本的影响最为巨大。对于PEMFC来说,由于其使用昂贵的铂族金属作为催化剂,其价格一直居高不下,可以说,催化剂是燃料电池价格的决定性因素之一。另一个重要的决定因素这是电解质,不同技术类型的燃料电池堆电解质的要求不同,不同的电解质的价格也会有所不同,并最终对燃料电池价格产生影响。

固定领域引领氢燃料电池市场

    氢燃料电池早在20世纪60年代就因其体积小、容量大的特点而成功应用于航天领域。进入70年代后,随着技术的不断进步,氢燃料电池也逐步被运用于发电和汽车。现如今,伴随各类电子智能设备的崛起以及新能源汽车的风靡,氢燃料电池主要应用于三大领域:固定领域、运输领域、便携式领域。

    2012年,全球燃料电池系统的出货量近3万台,同比增长约34%,相对2008年增长超过321%。而在其中,固定式燃料电池的增长最为显著,从2008年的2000台迅速上升至2012年的2.5万台。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。

    单就氢燃料电池产业来讲,根据工研院IEK的统计,2011年全球氢能与燃料电池市场规模为10.3亿美元,较2010年6.7亿美元成长54%。日本日经bp清洁技术研究所日前发布的《世界氢能源基础设施项目总览》显示,到2015年预计包括液化氢基地、管道、固定式燃料电池以及燃料电池车在内的全球氢能源基础设施市场规模只有7万亿日元左右,但在2015年以后,氢能源基础设施市场开始缓慢增长;而在2020年以后该市场会呈现加速增长态势,到2025年,氢能源基础设施家用市场的规模将超过商用。也正因为如此,在到2025年的5年内,该市场规模将实现倍增,预计达到约20万亿日元;到2050年将达到约160万亿日元(约合1.56万亿美元)。

    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。固定式燃料电池主要包括MCPC、SOFC、PAFC和PEMFC。

    在美国市场,美国本土的Bloom  Energy,Fuel Cell Energy,UTC Power和加拿大的Ballard PowerSystems是该领域的主要生产公司。随着各国政府对清洁能源的关注,固定式燃料电池近几年的出货量不断攀升,根据Pike Research的预测,到2022年固定式燃料电池的出货量将达到35万台,相对于目前的2.1万台有一个巨幅的提升。

    目前更多的行业在考虑使用燃料电池,希望在发生自然灾害时,燃料电池可以独立于电网发电。随着对电的复原力需求的增强,以及全球越来越快地采用分布式发电技术,和家庭式热电联产的逐步普及,未来10年,固定式燃料电池产业将处于有利的引领地位。

    在固定式燃料电池的应用中,各地区略有差别。对亚太地区而言,辅助电源(Aux Power)是目前占比最大的应用,其他主要应用则是备用电源(Backup Power)和热电联产(CHP)。在北美地区,备用电源(Backup)、热电联产(CHP)和分布式发电(DG)是三类主要的应用领域。无论是在亚太地区还是在北美地区,随着家庭式热电联产的逐步普及,CHP的应用占比都将会逐步增大,并成为固定领域中的主要应用。分布式发电和备用电源则作为辅助应用,共同支撑固定领域发展。

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Ballard PowerSystems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Plug power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Plug power公司的Gen Drive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。2008年时全美燃料电池叉车的总数才几百辆,而到2012年时在19个州近40个城市共拥有4000多辆,燃料电池叉车在美国开始迅猛发展。

    燃料电池叉车市场的供应商主要有H2Logic,Hydrogenics,NuveraFuelCells,OorjaProtonics和Plug power。其中Plug power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。就2012年的主要订购商来看,主要集中在世界500强企业,其中又以零售业为主。

    作为燃料电池叉车大厂商的Plug power公司在2013年第四季度接受了来自沃尔玛、宝洁、宝马等公司的订单,订单量较以往有较大增幅,截止目前,Plug power公司已累计提供4500多套叉车系统,且随着2013年第四季度订单的爆发,燃料电池在叉车领域的应用还将进一步扩展。

燃料电池车离产业化仍有不小距离

    成本:发展的首要阻碍

    燃料电池车目前普及度非常低,国外的燃料电池大巴目前售价在100万美元上下,而特斯拉的“贵族”电动车ModelS售价也才为73万人民币,两厢对比下,燃料电池车的价格实在高出许多。但目前丰田、上汽等集团都发布了燃料电池车生产宣告,预计将于2015年上市,丰田的目标定价在5万美元,而上汽的成本预计在50万人民币,若届时能达到目标价位,则燃料电池车发展可待。燃料电池车成本中2/3是燃料电池系统的花费,目前燃料电池系统的成本下降速度很快,也还存在下降空间。全球领先的燃料电池技术公司~巴拉德动力系统也已开发出第7代燃料电池电堆HD7,该电堆的成本比上一代的HD6要减少75%。

    燃料电池车使用的是质子交换膜电池。在PEMFC中,贵重金属催化剂铂的使用剂量在逐步降低,再加上电解槽等成本的降低,使得PEMFC的成本不断降低。根据美国能源部数据,2012年交通运输用燃料电池的成本为47美元/千瓦,相比2002年的估计成本下降了82.9%,且在逐年的下降中,成本价已接近美国能源部设定的2017年的目标价30美元/千瓦。根据英国碳信托咨询公司的报告,若燃料电池汽车需要规模化生产,其成本需达到36美元/千瓦才能与内燃机汽车竞争。而根据目前PEMFC成本的下降趋势以及目前的技术进步,该目标价位即有可能在2017年之前达成,届时燃料电池汽车就可以批量化生产。

    加氢站:需要时间积累的必备配套任务

    加氢站建设难也是制约燃料电池汽车发展的另一大因素。和建设锂电池电动车所需的充电桩不一样,建设加氢站的可操作性难度非常高,除了需要较大的空间外,还要做环评、安评等一系列工作。全球加氢设施的发展主要集中在三大区域:北美、欧洲和日本,整个加氢站建设的密度将与燃料电池汽车的市场导入量相匹配。目前而言,中国仅有一个加氢站,加氢站不仅远远低于美国数量,也远远低于临近的韩国和日本,可以说国内在加氢站建设上还有很长的路要走。

    预计到2014年,美国西海岸和东海岸的加氢站将分别达到37个,到2015年西海岸计划新建68个,东海岸到2020年则要建成100个。欧洲地区以德国、法国为核心,德国的目标是到2020年要实现加氢站境内全覆盖。日本则要在2015年将加氢站数目扩大到100个,东京、大阪等四个人口比较集中的城市里加氢站要实现全覆盖。发达地区加氢站的建设与其燃料电池车的发展相匹配,在这些地区,燃料电池车在2015年左右实现将不再是幻想。

    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Model S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Model S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2013年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。

小结:燃料电池车突破只是时间问题

    目前多家汽车供应商已将氢燃料电池列入计划,预计最早于2015年将会有氢燃料电池车投放市场。通用汽车和丰田等多家车企巨头各自同合作伙伴签订合作开发燃料电池协议,计划未来数年内推出燃料电池车投入实用。

    丰田于2011年在东京车展上就亮相了FCV-R氢燃料电池概念车,今年东京车展则将展出量产型号,另外丰田公司同宝马签署协议在四个领域进行合作,其中就包括于2020年争取推广及普及燃料电池车。除了丰田,通用汽车和本田汽车宣布将联合开发下一代燃料电池技术,以便2020年投放到市场。韩国现代汽车已经率先投产燃料电池车;2013年1月份戴勒姆、福特与雷诺签订协议共同开发燃料电池系统,预计于2017年推出第一款燃料电池新车;3月份大众与Ballard也签订合作协议,并于今年8月开始对奥迪A7燃料电池汽车进行测试。

    各大汽车公司除了纷纷宣告新汽车的推出外,在燃料电池车研制领域也在快马加鞭。根据美国近年来燃料电池专利持有情况来看,各大汽车公司在近几年都加大了对燃料电池的研发投入,专利数目节节攀升,2012年丰田公司更是以144项专利位居榜首。激烈的专利竞争为燃料电池车的顺利推出也奠定了技术基础,现在需要的只是时间,来讲技术推向市场。

    目前燃料电池车仍在开发及测试阶段,距离量产仍有两三年时间。燃料电池车初期售价可能会偏高,不过随着技术逐步成熟,加上有政府补贴或免税等优惠,价格将会慢慢进入大众可接受范围之内。考虑到燃料电池高效、环保及安全等诸多优点,氢燃料电池车仍然值得我们期待。

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编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/qcdz/2014/1007/article_9787.html
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