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氢氧燃料电池的使用范围及存在问题
  作者:admin     发表时间:2021-11-11     浏览次数: 次    

  氢能源作为一种高效清洁的能源,被认为是人类能源问题的终极解决方案,而随着技术的进步,氢能源也已越来越多的领域中得到了应用。氢能源的应用有两种方式:一是直接燃烧(氢),二是采用燃料电池技术,燃料电池技术相比于氢内燃机效率更高,故更具发展潜力,氢能源应用以燃料电池为基础。

  氢燃料电池的应用领域广泛,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。

  从市场的观点来看,燃料电池因其稳定性和无污染的特质,既适宜用于集中发电,建造大、中型电站和区域性分散电站,也可用作各种规格的分散电源、电动车、不依赖空气推进的潜艇动力源和各种可移动电源,同时也可作为手机、笔记本电脑等供电的优选小型便携式电源。从燃料电池出货量来看,目前市场主要集中在亚洲和北美,其中北美增长较快,经过几年的发展已经成为全球燃料电池最主要的市场。

  燃料电池因其效率高、持久性好、环境适应度强等优点被广泛应用于固定电源、大型热电联产、居民住宅热电联产及备用能源,它还可以作为动力源可以安装在偏远位置,如航天器、远端气象站、大型公园及游乐园、通讯中心、农村及偏远地带,对于一些科学研究站和某些军事应用非常重要。是目前燃料电池下游应用极大的一块领域,产业相对成熟。固定式领域燃料电池出货量发展速度快,出货台数年复合增速达到了53%,出货功率年复合增速17%。供应商主要分布在美国、日本、澳大利亚和欧洲。

  固定式燃料电池行业正处于一个非常活跃的阶段,许多公司计划开发或安装固定式燃料电池系统,由于现代社会对电力系统的稳定性及在自然灾害情况下电力的持续供应要求的增加,固定式燃料电池系统作为小型发电及备用电源系统得以迅速的发展。像MetroPCS,AT&T和Sprint等电信公司已经开始对燃料电池基站备用电源产生依赖,并且最新的燃料电池系统可方便安装屋顶。

  轻质屋顶燃料电池解决方案可以轻松安装,无需使用起重机,也可以从地面重新加注燃料-因此无需屋顶燃料运输。Sprint上周宣布,它将部署这些氢燃料电池备用其屋顶单元塔网络。燃料电池已经占据了Sprint的通信基站大约四分之一的水平,随着下一波的安装,他们将会从能源部(DOE)手中获得实质性的补贴。Sprint已经在其网络中部署了大约500个燃料电池系统。

  便携式燃料电池具备体积小、质量轻、效率高、寿命长、运行温度低、红外信号低、隐身性能好、运行可靠、噪声低、污染少等优点。此外后勤优势显著,因为它的电容量大,能够极大地减轻电池带来的后勤负担。

  便携式电源市场包括非固定安装的或者移动设备中使用的燃料电池,适用于军事、通讯、计算机等领域,以满足应急供电和高可靠性、高稳定性供电的需要,实际应用的产品包括高端手机电池、笔记本电脑等便携电子设备、军用背负式通讯电源、卫星通讯车载电源等;目前相比锂电池从价格和性能两个方面来看优势并不明显,因此现在对于便携式燃料电池的需求相当少。

  不过在军用领域,燃料电池红外信号低、隐身性能好、运行可靠、噪声低和后勤负担低的优势,具有良好的发展前景,其发展或将由此处突破。美军燃料电池分类中便携式占比38%,比重较大。2012年,美国、德国、加拿大军方对燃料电池的资金投入都非常大,UltraElectronicsAMI公司向美国陆军坦克汽车研究、开发与工程中心(TARDEC)制造了20台250瓦的PowerPod燃料电池,并在无人地面车辆(UGV)上进行了广泛测试。

  车用燃料电池作为动力系统有着续航里程长,加氢时间短和无污染等优势,是目前是爆发最迅猛,也是关注度最高的应用领域。交通运输市场包括为乘用车、巴士/客车、叉车以及其他以燃料电池作为动力的车辆提供的燃料电池,例如特种车辆、物料搬运设备和越野车辆的辅助供电装置等。

  从当前的数据来看,燃料电池技术有望在汽车领域率先爆发。大型车企的燃料电池汽车研发如火如荼,在全球范围内各大汽车生产厂商纷纷进入氢能源汽车领域,从2013年开始陆续有燃料电池汽车推出和展出。从全球市场来看,日韩车企最早推出产品,其中Mirai和Clarity当属燃料电池汽车领域的试水产品,从Mirai的订单规模来看,日本市场的订单量达到了3000辆,达到了预期销量的750%,海外订单达到预期销量的7倍。从市场表现来看,市场对燃料汽车的接受程度较好,在政府大力补助的条件下,随着燃料电池产量的提升。欧美车企更多选择和日本车企合作。车企在解决自身产能问题后,燃料电池汽车市场将会是一片蓝海。

  物流车领域是交通运输商业化的另一主要领域,物流运输市场非常巨大,燃料电池为动力的叉车是燃料电池在工业应用内最大的部门之一。用于材料搬运的大多数燃料电池是质子交换膜燃料电池提供动力,但也有一些直接甲醇燃料叉车进入市场。目前正在运营的燃料电池车队有大量的公司,包括联邦快递货运、西斯科食品、GENCO、H-E-B杂货店等。

  国内以一汽和中车为代表的企业正在燃料电池物流车领域发力。目前,国内厂商通过合作研发的方式,首先在国际市场上研发推广燃料电池物流车。中车株洲时代电动汽车股份有限公司与加拿大LoopEnergy燃料电池公司在美国签署了电驱动系统产品开发协议。开启了中国向欧美出口燃料电池系统产品的新篇章。

  此次合作由三方共同完成。加拿大LoopEnergy燃料电池公司将自身燃料电池运用于中车电动核心系统产品,再将中车电动系统产品运用于美国OEM整车厂开发的纯电动内场物流拖车。这将成为全球第一台燃料电池大型物流车。结合中国的国情,在互联网时代下,考虑到物流市场的巨大规模,综合优势明显的物流车将会是燃料电池的又一蓝海市场。

  无人机发展至今已在很多领域发挥了巨大的作用,近两年也逐步进入人们的视野成为市场的热点,特别是消费级无人机预计将迎来爆发元年。但是目前无人机大多使用锂电池供能,受限于锂电池容量密度,而无人机不同于汽车,对质量更敏感,需要尽可能减轻起飞重量,无法携带大容量电池,因此其续航能力一直是一个很大的软肋。

  通常情况下,无人机续航在30-60分钟左右,并且每次充电时间长。氢燃料电池具有续航时间长,加注氢气时间短几分钟就能完成,同时生命周期内性能衰减小的绝对优势,成为无人机功能体系的一个强势可替代选项。

  2016年4月,科比特航空在深圳发布了旗下首款产品化氢燃料多旋翼无人机—HYDrone-1800,最长续航时间长达273分钟,约4个多小时。并且续航根据气瓶的不同分为三个层级:5L大概90min,9L大概180min,14L大概270min。同时科比特会给客户提供整套的电解制氢的设备。

  目前也有航空公司在布局航空用氢燃料电池。据外媒报道,英国易捷航空公司EasyJet正计划测试飞机氢混合燃料系统,希望在飞机上使用氢燃料电池来实现每年节省5万吨燃料及减少二氧化碳排放的目标。他们研发的氢混合燃料系统,可以实现在地面滑行时无须启动发动机,燃料电池将飞机降落时刹车系统的能量捕捉后在飞机滑行时使用,使低成本滑行和主动减少二氧化碳的排放成为可能。EasyJet预计采用此系统后可以实现每年节省2500万-3500万美元的燃油费用。EasyJet预计将于今年试验这项全新的技术。

  另外,氢燃料电池目前也已在高速列车上得到了应用,全球首辆氢燃料电池火车在2017年年底开始在德国的布克斯泰胡德-布雷梅尔弗尔德-不来梅港-库克斯港一线投入运行。德国目前已经定购了14列氢燃料电池火车。另外,挪威、丹麦以及荷兰也对该车表示出兴趣。

  据《日本经济新闻》报道,日产宣布暂停与戴姆勒及福特合作开发燃料电池车的计划,将力量集中于发展电动汽车。曾经受到热捧的氢燃料电池技术,在其大本营日本遭遇了发展阻碍。

  无独有偶,福特汽车发布声明称,其与戴姆勒位于不列颠哥伦比亚省本那比的燃料电池合资公司将于2018年夏季关闭。不过,分分合合乃商家常事,那边忙着分手,这边奥迪和现代宣布达成专利交叉许可协议,将共同开发氢燃料电池汽车。

  相比纯电动汽车的技术路线,为何氢燃料电池汽车在国际上引发了如此大的争议?要解决这个问题,不仅要理解氢燃料电池在技术上的问题和挑战,还要了解各国政府在推动该技术背后的动因。

  从技术角度来看,燃料电池是一种能量转化装置。与一般电池不同的是,氢燃料电池是一种将氢气和氧气结合起来产生电力、水和热的电化学装置。其反应产生的废料除了微量的二氧化碳和氮氧化物外,主要是水。燃料电池的做功比氢气单纯燃烧的效率要高2-3倍,且安静无污染。

  但是,具有这么多优势的燃料电池汽车,为何还会连续被多家车企抛弃呢?这就要从氢能产业链谈起。

  整个氢能产业链构成包括氢气制备、氢气储运及加注,和氢气应用。其中氢气制备是氢能应用的基础,氢气的储运及加注是氢能应用的核心保障,不同方向的应用是氢能实用化的主要途径和最佳表现形式。根据产业链所处位置不同,链条上的企业大致可细分为三个部分:

  了解燃料电池电堆部件的人,对燃料电池的核心技术质子交换膜不会陌生,然而截至目前,全球能够商业化供应氢燃料电池质子交换膜材料的公司除了美国杜邦,再无他家。日本境内也有一家公司同样可以生产,但出于众所周知的原因,这家公司拒绝对任何国家销售该产品。

  1、燃料电池车相对独立复杂的动力系统直接导致燃料电池车的成本增加。比如:丰田Mirai售价6.9万美元,远高于其他动力形式的同级别车辆。

  2、数据显示,目前,建成一座加氢能力大于200公斤的加氢站需要1000多万元,如此高昂的建设成本显然是加氢站快速发展的最大障碍。

  3、在目前技术条件下,氢燃料电池的催化剂是铂金。铂金全世界产量很低且价格昂贵(大概是黄金的2倍),全球年产量约为两百吨,60%还被用作首饰材料。而且铂作为催化剂对氢气纯度要求较高,需要达到99.99%以上。

  燃料电池加氢的背后,需要一整套氢能源生产和运输网络作为支撑。氢气本身的安全问题、加注氢燃料时的安全及操作过程中的安全问题都需要解决好。普遍来说,加氢站储氢装置应该满足能承受高压、具备在线监测功能、发生危险自动报警、良好的经济性要求。显然,满足这些要求的加氢站在初期的建设成本不会低。

  在十二五规划期间,同济大学与一汽集团、东风汽车、奇瑞汽车和长安汽车分别打造了燃料电池轿车。2018年6月14日,同济大学与嘉兴市政府、嘉兴秀洲区政府共建新能源汽车产业基地项目在上海同济大学签约。三方将在嘉兴市秀洲区共同推进成立新能源汽车研发及生产项目。新能源汽车产业基地包括以下四部分:(一)同济大学(嘉兴)新能源汽车研究院。(二)商用车、乘用车生产制造基地。(三)氢能产业基地。(四)氢能源应用项目。其中,新能源汽车研究院作为同济大学二级非独立法人研究机构,将下设5个研发中心:氢燃料动力总成研发中心、智能网联系统研发中心、商用车整车研发中心、乘用车研发中心、国际氢能源合作研发中心。

  上汽集团则制定了燃料电池汽车发展的五年规划,以新源动力为燃料电池电堆供应商,开始投入大量资金研发燃料电池汽车。据OFweek产业研究院统计数据显示,2017年1月至今,全国共生产150辆氢燃料客车,其中北汽福田汽车股份有限公司和上海汽车商用车有限公司共占据84%的市场份额。

  2018年6月14日,广东省人民政府发布《关于加快新能源汽车产业创新发展的意见》,该意见指出,全力推进公交电动化(含氢燃料电池汽车),这是继北京、上海、苏州、武汉等地之后,又一个发布了氢燃料电池汽车相关政策的省市。同时,大同、青岛、扬州等地也正在酝酿扶持氢燃料电池发展的相关规划。

  同济大学新能源汽车工程中心张存满教授表示,中国氢燃料汽车技术落后国外发达国家510年,起步较晚的中国面临的一个情况是:国外燃料电池汽车已经突破了技术难关,开始攻克成本和服务设施了,而国内仍然面临着技术问题。差距保持在5年左右还有机会追赶,若超过10年,追赶起来就会非常吃力了。

  尽管学界和产业界普遍认同氢能将极大的丰富未来的能源体系、各国家层面和企业层面也都对燃料电池汽车市场抱有很大的热情和希望,但是不断清洁化的传统石化能源以及更多能源储备的发掘,都将为氢能的大规模利用带来不确定性,而且核心技术、车辆和加氢站的巨大成本、安全问题都是横跨在政府和企业面前的一条极难逾越的鸿沟。清华大学汽车研究所所长、博士生导师陈全世教授在接受媒体采访时表示,政府和车企应该联合大学等研究机构,把膜、催化剂、极板等基础问题解决了,而不是做多少辆车。在他看来,燃料电池技术不能替代纯电动技术。

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