氫氧燃料電池的使用范圍

　　氫能源作為一種高效清潔的能源，被認為是人類能源問題的終極解決方案，而隨著技術的進步，氫能源也已越來越多的領域中得到了應用。氫能源的應用有兩種方式：一是直接燃燒（氫內(nèi)燃機），二是采用燃料電池技術， 燃料電池技術相比于氫內(nèi)燃機效率更高，故更具發(fā)展?jié)摿?，氫能源應用以燃料電池為基礎。

　　氫燃料電池的應用領域廣泛，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(zhì)，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。從燃料電池出貨量來看，目前市場主要集中在亞洲和北美，其中北美增長較快，經(jīng)過幾年的發(fā)展已經(jīng)成為全球燃料電池最主要的市場。

　　固定式領域： 出貨量大，增速明顯

　　燃料電池因其效率高、持久性好、環(huán)境適應度強等優(yōu)點被廣泛應用于固定電源、大型熱電聯(lián)產(chǎn)、居民住宅熱電聯(lián)產(chǎn)及備用能源，它還可以作為動力源可以安裝在偏遠位置，如航天器、遠端氣象站、大型公園及游樂園、 通訊中心、農(nóng)村及偏遠地帶，對于一些科學研究站和某些軍事應用非常重要。是目前燃料電池下游應用極大的一塊領域，產(chǎn)業(yè)相對成熟。固定式領域燃料電池出貨量發(fā)展速度快，出貨臺數(shù)年復合增速達到了53%，出貨功率年復合增速 17%。 供應商主要分布在美國、日本、澳大利亞和歐洲。

　　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。像MetroPCS，AT＆T和Sprint等電信公司已經(jīng)開始對燃料電池基站備用電源產(chǎn)生依賴，并且最新的燃料電池系統(tǒng)可方便安裝屋頂。

　　輕質(zhì)屋頂燃料電池解決方案可以輕松安裝，無需使用起重機，也可以從地面重新加注燃料 - 因此無需屋頂燃料運輸。Sprint上周宣布，它將部署這些氫燃料電池備用其屋頂單元塔網(wǎng)絡。燃料電池已經(jīng)占據(jù)了Sprint的通信基站大約四分之一的水平，隨著下一波的安裝，他們將會從能源部（DOE）手中獲得實質(zhì)性的補貼。Sprint已經(jīng)在其網(wǎng)絡中部署了大約500個燃料電池系統(tǒng)。

　　便攜式領域：應用前景廣闊，面向未來市場

　　便攜式燃料電池具備體積小、質(zhì)量輕、效率高、壽命長、運行溫度低、紅外信號低、隱身性能好、運行可靠、噪聲低、污染少等優(yōu)點。此外后勤優(yōu)勢顯著， 因為它的電容量大，能夠極大地減輕電池帶來的后勤負擔。

　　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(chǎn)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；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。

　　不過在軍用領域，燃料電池紅外信號低、隱身性能好、運行可靠、噪聲低和后勤負擔低的優(yōu)勢，具有良好的發(fā)展前景，其發(fā)展或?qū)⒂纱颂幫黄?。美軍燃料電池分類中便攜式占比 38%，比重較大。2012年，美國、德國、加拿大軍方對燃料電池的資金投入都非常大，Ultra Electronics AMI公司向美國陸軍坦克汽車研究、開發(fā)與工程中心（TARDEC）制造了20臺250瓦的PowerPod燃料電池，并在無人地面車輛（UGV）上進行了廣泛測試。

　　交通領域：各國大力布局，蓄力靜待爆發(fā)

　　車用燃料電池作為動力系統(tǒng)有著續(xù)航里程長，加氫時間短和無污染等優(yōu)勢，是目前是爆發(fā)最迅猛，也是關注度最高的應用領域。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。

　　從當前的數(shù)據(jù)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(nèi)各大汽車生產(chǎn)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(chǎn)品，其中Mirai 和 Clarity 當屬燃料電池汽車領域的試水產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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，燃料電池為動力的叉車是燃料電池在工業(yè)應用內(nèi)最大的部門之一。用于材料搬運的大多數(shù) 燃料電池是質(zhì)子交換膜燃料電池提供動力，但也有一些直接甲醇燃料叉車進入市場。目前正在運營的燃料電池車隊有大量的公司，包括聯(lián)邦快遞貨運、西斯科食品、GENCO、H-E-B雜貨店等。

　　國內(nèi)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(nèi)廠商通過合作研發(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 Energy 燃料電池 公司在美國簽署了電驅(qū)動系統(tǒng)產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)品，再將中車電動系統(tǒng)產(chǎn)品運用于美國 OEM 整車廠開發(fā)的純電動內(nèi)場物流拖車。這將成為全球第一臺燃料電池大型物流車。結(jié)合中國的國情， 在互聯(lián)網(wǎng)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。

　　無人機、航空、高速列車：優(yōu)勢明顯，或?qū)⒋蜷_新的市場

　　無人機發(fā)展至今已在很多領域發(fā)揮了巨大的作用，近兩年也逐步進入人們的視野成為市場的熱點，特別是消費級無人機預計將迎來爆發(fā)元年。但是目前無人機大多使 用鋰電池供能，受限于鋰電池容量密度，而無人機不同于汽車， 對質(zhì)量更敏感，需要盡可能減輕起飛重量，無法攜帶大容量電池，因此其續(xù)航能力一直是一個很大的軟肋。

　　通常情況下，無人機續(xù)航在 30-60 分鐘左右，并且每次充電時間長。氫燃料電池具有續(xù)航時間長，加注氫氣時間短幾分鐘就能完成，同時生命周期內(nèi)性能衰減小的絕對優(yōu)勢，成為無人機功能體系的一個強勢可替代選項。

　　2016年4月，科比特航空在深圳發(fā)布了旗下首款產(chǎn)品化氫燃料多旋翼無人機—HYDrone-1800，最長續(xù)航時間長達 273 分鐘，約 4 個多小時。并且續(xù)航根據(jù)氣瓶的不同分為三個層級：5L 大概 90min，9L 大概 180min，14L 大概 270min。 同時科比特會給客戶提供整套的電解制氫的設備。

　　目前也有航空公司在布局航空用氫燃料電池。據(jù)外媒報道，英國易捷航空公司 EasyJet 正計劃測試飛機氫混合燃料系統(tǒng)，希望在飛機上使用氫燃料電池來實現(xiàn)每年節(jié)省 5 萬噸燃料及減少二氧化碳排放的目標。他們研發(fā)的氫混合 燃料系統(tǒng)，可以實現(xiàn)在地面滑行時無須啟動發(fā)動機 ，燃料電池將飛機降落時剎車系統(tǒng)的能量捕捉后在飛機滑行時使用，使低成本滑行和主動減少二氧化碳的排放成為可能。EasyJet 預計采用此系統(tǒng)后可以實現(xiàn)每年節(jié)省 2500 萬-3500 萬美元的燃油費用。EasyJet 預計將于今年試驗這項全新的技術。

　　另外，氫燃料電池目前也已在高速列車上得到了應用，全球首輛氫燃料電池火車在2017年年底開始在德國的布克斯泰胡德-布雷梅爾弗爾德-不來梅港-庫克斯港一線投入運行。德國目前已經(jīng)定購了14列氫燃料電池火車。另外，挪威、丹麥以及荷蘭也對該車表示出興趣。

　　氫氧燃料電池的存在問題

　　據(jù)《日本經(jīng)濟新聞》報道，日產(chǎn)宣布暫停與戴姆勒及福特合作開發(fā)燃料電池車的計劃，將力量集中于發(fā)展電動汽車。曾經(jīng)受到熱捧的氫燃料電池技術，在其大本營日本遭遇了發(fā)展阻礙。

　　無獨有偶，福特汽車發(fā)布聲明稱，其與戴姆勒位于不列顛哥倫比亞省本那比的燃料電池合資公司將于2018年夏季關閉。不過，分分合合乃商家常事，那邊忙著分手，這邊奧迪和現(xiàn)代宣布達成專利交叉許可協(xié)議，將共同開發(fā)氫燃料電池汽車。

　　相比純電動汽車的技術路線，為何氫燃料電池汽車在國際上引發(fā)了如此大的爭議？要解決這個問題，不僅要理解氫燃料電池在技術上的問題和挑戰(zhàn)，還要了解各國政府在推動該技術背后的動因。

　　氫燃料電池汽車為何屢遭拋棄？

　　從技術角度來看，燃料電池是一種能量轉(zhuǎn)化裝置。與一般電池不同的是，氫燃料電池是一種將氫氣和氧氣結(jié)合起來產(chǎn)生電力、水和熱的電化學裝置。其反應產(chǎn)生的廢料除了微量的二氧化碳和氮氧化物外，主要是水。燃料電池的做功比氫氣單純?nèi)紵男室?-3倍，且安靜無污染。

　　但是，具有這么多優(yōu)勢的燃料電池汽車，為何還會連續(xù)被多家車企拋棄呢？這就要從氫能產(chǎn)業(yè)鏈談起。

　　整個氫能產(chǎn)業(yè)鏈構(gòu)成包括氫氣制備、氫氣儲運及加注，和氫氣應用。其中氫氣制備是氫能應用的基礎，氫氣的儲運及加注是氫能應用的核心保障，不同方向的應用是氫能實用化的主要途徑和最佳表現(xiàn)形式。根據(jù)產(chǎn)業(yè)鏈所處位置不同，鏈條上的企業(yè)大致可細分為三個部分：

　　上游，主要包含氫資源的生產(chǎn)、運輸?shù)龋?/p>

　　中游，為燃料電池系統(tǒng)，主要是電堆和氫氣儲存設備及配件；

　　下游，是應用板塊，包括加氫站、新能源汽車應用等。

　　分清了這三個環(huán)節(jié)，下面我們就來看看每個部分所面臨的問題和挑戰(zhàn)：

　　一、關鍵技術難攻克

　　了解燃料電池電堆部件的人，對燃料電池的核心技術質(zhì)子交換膜不會陌生，然而截至目前，全球能夠商業(yè)化供應氫燃料電池質(zhì)子交換膜材料的公司除了美國杜邦，再無他家。日本境內(nèi)也有一家公司同樣可以生產(chǎn)，但出于眾所周知的原因，這家公司拒絕對任何國家銷售該產(chǎn)品。

　　二、成本過高

　　1、燃料電池車相對獨立復雜的動力系統(tǒng)直接導致燃料電池車的成本增加。比如：豐田Mirai售價6.9萬美元，遠高于其他動力形式的同級別車輛。

　　2、數(shù)據(jù)顯示，目前，建成一座加氫能力大于200公斤的加氫站需要1000多萬元，如此高昂的建設成本顯然是加氫站快速發(fā)展的最大障礙。

　　3、在目前技術條件下，氫燃料電池的催化劑是鉑金。鉑金全世界產(chǎn)量很低且價格昂貴（大概是黃金的2倍），全球年產(chǎn)量約為兩百噸，60%還被用作首飾材料。而且鉑作為催化劑對氫氣純度要求較高，需要達到99.99%以上。

　　三、安全問題

　　燃料電池加氫的背后，需要一整套氫能源生產(chǎn)和運輸網(wǎng)絡作為支撐。氫氣本身的安全問題、加注氫燃料時的安全及操作過程中的安全問題都需要解決好。普遍來說，加氫站儲氫裝置應該滿足能承受高壓、具備在線監(jiān)測功能、發(fā)生危險自動報警、良好的經(jīng)濟性要求。顯然，滿足這些要求的加氫站在初期的建設成本不會低。

　　國內(nèi)陸續(xù)出臺燃料電池扶持政策、仍不被專家看好

　　得益于國家的政策利好及支持，中國的燃料電池汽車技術已初步掌握了整車、動力系統(tǒng)與核心部件的核心技術，基本建立了具有自主知識產(chǎn)權的燃料電池轎車與燃料電池城市客車動力系統(tǒng)技術平臺。在產(chǎn)業(yè)鏈配套，我國初步形成了燃料電池發(fā)動機、動力電池、DC/DC變換器、驅(qū)動電機、供氫系統(tǒng)等關鍵零部件的配套研發(fā)體系，實現(xiàn)了百輛級動力系統(tǒng)與整車的生產(chǎn)能力。當前具有動力系統(tǒng)平臺整車適配、電電混合能源動力控制、車載高壓儲氫系統(tǒng)、工業(yè)副產(chǎn)氫氣純化利用的技術特征。

　　在十二五規(guī)劃期間，同濟大學與一汽集團、東風汽車、奇瑞汽車和長安汽車分別打造了燃料電池轎車。2018年6月14日，同濟大學與嘉興市政府、嘉興秀洲區(qū)政府共建新能源汽車產(chǎn)業(yè)基地項目在上海同濟大學簽約。三方將在嘉興市秀洲區(qū)共同推進成立新能源汽車研發(fā)及生產(chǎn)項目。新能源汽車產(chǎn)業(yè)基地包括以下四部分：（一）同濟大學（嘉興）新能源汽車研究院。（二）商用車、乘用車生產(chǎn)制造基地。（三）氫能產(chǎn)業(yè)基地。（四）氫能源應用項目。其中，新能源汽車研究院作為同濟大學二級非獨立法人研究機構(gòu)，將下設5個研發(fā)中心：氫燃料動力總成研發(fā)中心、智能網(wǎng)聯(lián)系統(tǒng)研發(fā)中心、商用車整車研發(fā)中心、乘用車研發(fā)中心、國際氫能源合作研發(fā)中心。

　　上汽集團則制定了燃料電池汽車發(fā)展的五年規(guī)劃，以新源動力為燃料電池電堆供應商，開始投入大量資金研發(fā)燃料電池汽車。據(jù)OFweek產(chǎn)業(yè)研究院統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2017年1月至今，全國共生產(chǎn)150輛氫燃料客車，其中北汽福田汽車股份有限公司和上海汽車商用車有限公司共占據(jù)84%的市場份額。

　　2018年6月14日，廣東省人民政府發(fā)布《關于加快新能源汽車產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的意見》，該意見指出，全力推進公交電動化（含氫燃料電池汽車），這是繼北京、上海、蘇州、武漢等地之后，又一個發(fā)布了氫燃料電池汽車相關政策的省市。同時，大同、青島、揚州等地也正在醞釀扶持氫燃料電池發(fā)展的相關規(guī)劃。

　　同濟大學新能源汽車工程中心張存滿教授表示，中國氫燃料汽車技術落后國外發(fā)達國家510年，起步較晚的中國面臨的一個情況是：國外燃料電池汽車已經(jīng)突破了技術難關，開始攻克成本和服務設施了，而國內(nèi)仍然面臨著技術問題。差距保持在5年左右還有機會追趕，若超過10年，追趕起來就會非常吃力了。

　　盡管學界和產(chǎn)業(yè)界普遍認同氫能將極大的豐富未來的能源體系、各國家層面和企業(yè)層面也都對燃料電池汽車市場抱有很大的熱情和希望，但是不斷清潔化的傳統(tǒng)石化能源以及更多能源儲備的發(fā)掘，都將為氫能的大規(guī)模利用帶來不確定性，而且核心技術、車輛和加氫站的巨大成本、安全問題都是橫跨在政府和企業(yè)面前的一條極難逾越的鴻溝。清華大學汽車研究所所長、博士生導師陳全世教授在接受媒體采訪時表示，政府和車企應該聯(lián)合大學等研究機構(gòu)，把膜、催化劑、極板等基礎問題解決了，而不是做多少輛車。在他看來，燃料電池技術不能替代純電動技術。

責任編輯：YYX