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(rèn)為是人類能源問題的終極解決方案，而隨著技術(shù)的進(jìn)步，氫能源也已越來越多的領(lǐng)域中得到了應(yīng)用。氫能源的應(yīng)用有兩種方式：一是直接燃燒（氫內(nèi)燃機(jī)），二是采用燃料電池技術(shù)， 燃料電池技術(shù)相比于氫內(nèi)燃機(jī)效率更高，故更具發(fā)展?jié)摿?，氫能源?yīng)用以燃料電池為基礎(chǔ)。

　　氫燃料電池的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，早在 20 世紀(jì) 60 年代就因其體積小、容量大的特點(diǎn)而成功應(yīng)用于航天領(lǐng)域。進(jìn)入70年代后，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，氫燃料電池也逐步被運(yùn)用于發(fā)電和汽車?，F(xiàn)如今，伴隨各類電子智能 設(shè)備的崛起以及新能源汽車的風(fēng)靡，氫燃料電池主要應(yīng)用于三大領(lǐng)域：固定領(lǐng)域、運(yùn)輸領(lǐng)域、便攜式領(lǐng)域。

　　從市場的觀點(diǎn)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(dòng)車、不依賴空氣推進(jìn)的潛艇動(dòng)力源和各種可移動(dòng)電源，同時(shí)也可作為手機(jī)、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(lǐng)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(yīng)度強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)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(dòng)力源可以安裝在偏遠(yuǎn)位置，如航天器、遠(yuǎn)端氣象站、大型公園及游樂園、 通訊中心、農(nóng)村及偏遠(yuǎn)地帶，對(duì)于一些科學(xué)研究站和某些軍事應(yīng)用非常重要。是目前燃料電池下游應(yīng)用極大的一塊領(lǐng)域，產(chǎn)業(yè)相對(duì)成熟。固定式領(lǐng)域燃料電池出貨量發(fā)展速度快，出貨臺(tái)數(shù)年復(fù)合增速達(dá)到了53%，出貨功率年復(fù)合增速 17%。 供應(yīng)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(gè)非常活躍的階段，許多公司計(jì)劃開發(fā)或安裝固定式燃料電池系統(tǒng)，由于現(xiàn)代社會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性及在自然災(zāi)害情況下電力的持續(xù)供應(yīng)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(duì)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(jī)，也可以從地面重新加注燃料 - 因此無需屋頂燃料運(yùn)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(luò)。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(huì)從能源部（DOE）手中獲得實(shí)質(zhì)性的補(bǔ)貼。Sprint已經(jīng)在其網(wǎng)絡(luò)中部署了大約500個(gè)燃料電池系統(tǒng)。

　　便攜式領(lǐng)域：應(yīng)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(yùn)行溫度低、紅外信號(hào)低、隱身性能好、運(yùn)行可靠、噪聲低、污染少等優(yōu)點(diǎn)。此外后勤優(yōu)勢(shì)顯著， 因?yàn)樗?a href="http://www.delux-kingway.cn/tags/電容/" target="_blank">電容量大，能夠極大地減輕電池帶來的后勤負(fù)擔(dān)。

　　便攜式電源市場包括非固定安裝的或者移動(dòng)設(shè)備中使用的燃料電池，適用于軍事、通訊、計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域，以滿足應(yīng)急供電和高可靠性、高穩(wěn)定性供電的 需要，實(shí)際應(yīng)用的產(chǎn)品包括高端手機(jī)電池、筆記本電腦等便攜電子設(shè)備、軍用背負(fù)式通訊電源、衛(wèi)星通訊車載電源等；目前相比鋰電池從價(jià)格和性能兩個(gè)方面來看優(yōu)勢(shì)并不明顯，因此現(xiàn)在對(duì)于便攜式燃料電池的需求相當(dāng)少。

　　不過在軍用領(lǐng)域，燃料電池紅外信號(hào)低、隱身性能好、運(yùn)行可靠、噪聲低和后勤負(fù)擔(dān)低的優(yōu)勢(shì)，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(duì)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(tái)250瓦的PowerPod燃料電池，并在無人地面車輛（UGV）上進(jìn)行了廣泛測(cè)試。

　　交通領(lǐng)域：各國大力布局，蓄力靜待爆發(fā)

　　車用燃料電池作為動(dòng)力系統(tǒng)有著續(xù)航里程長，加氫時(shí)間短和無污染等優(yōu)勢(shì)，是目前是爆發(fā)最迅猛，也是關(guān)注度最高的應(yīng)用領(lǐng)域。交通運(yùn)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(dòng)力的車輛提供的燃料電池，例如特種車輛、物料搬運(yùn)設(shè)備和越野車輛的輔助供電裝置等。

　　從當(dāng)前的數(shù)據(jù)來看，燃料電池技術(shù)有望在汽車領(lǐng)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(jìn)入氫能源汽車領(lǐng)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(dāng)屬燃料電池汽車領(lǐng)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(dá)到了 3000 輛，達(dá)到了預(yù)期銷量 的 750%，海外訂單達(dá)到預(yù)期銷量的 7 倍。從市場表現(xiàn)來看，市場對(duì)燃料汽車的接受程度較好，在政府大力補(bǔ)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(huì)是一片藍(lán)海。

　　物流車領(lǐng)域是交通運(yùn)輸商業(yè)化的另一主要領(lǐng)域，物流運(yùn)輸市場非常巨大，燃料電池為動(dòng)力的叉車是燃料電池在工業(yè)應(yīng)用內(nèi)最大的部門之一。用于材料搬運(yùn)的大多數(shù) 燃料電池是質(zhì)子交換膜燃料電池提供動(dòng)力，但也有一些直接甲醇燃料叉車進(jìn)入市場。目前正在運(yùn)營的燃料電池車隊(duì)有大量的公司，包括聯(lián)邦快遞貨運(yùn)、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(lǐng)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(shí)代電動(dòng)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(dòng)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(yùn)用于中車電動(dòng)核心系統(tǒng)產(chǎn)品，再將中車電動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)品運(yùn)用于美國 OEM 整車廠開發(fā)的純電動(dòng)內(nèi)場物流拖車。這將成為全球第一臺(tái)燃料電池大型物流車。結(jié)合中國的國情， 在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代下，考慮到物流市場的巨大規(guī)模，綜合優(yōu)勢(shì)明顯的物流車將會(huì)是燃料電池的又一藍(lán)海市場。

　　無人機(jī)、航空、高速列車：優(yōu)勢(shì)明顯，或?qū)⒋蜷_新的市場

　　無人機(jī)發(fā)展至今已在很多領(lǐng)域發(fā)揮了巨大的作用，近兩年也逐步進(jìn)入人們的視野成為市場的熱點(diǎn)，特別是消費(fèi)級(jí)無人機(jī)預(yù)計(jì)將迎來爆發(fā)元年。但是目前無人機(jī)大多使 用鋰電池供能，受限于鋰電池容量密度，而無人機(jī)不同于汽車， 對(duì)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(gè)很大的軟肋。

　　通常情況下，無人機(jī)續(xù)航在 30-60 分鐘左右，并且每次充電時(shí)間長。氫燃料電池具有續(xù)航時(shí)間長，加注氫氣時(shí)間短幾分鐘就能完成，同時(shí)生命周期內(nèi)性能衰減小的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，成為無人機(jī)功能體系的一個(gè)強(qiáng)勢(shì)可替代選項(xiàng)。

　　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(jī)—HYDrone-1800，最長續(xù)航時(shí)間長達(dá) 273 分鐘，約 4 個(gè)多小時(shí)。并且續(xù)航根據(jù)氣瓶的不同分為三個(gè)層級(jí)：5L 大概 90min，9L 大概 180min，14L 大概 270min。 同時(shí)科比特會(huì)給客戶提供整套的電解制氫的設(shè)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(bào)道，英國易捷航空公司 EasyJet 正計(jì)劃測(cè)試飛機(jī)氫混合燃料系統(tǒng)，希望在飛機(jī)上使用氫燃料電池來實(shí)現(xiàn)每年節(jié)省 5 萬噸燃料及減少二氧化碳排放的目標(biāo)。他們研發(fā)的氫混合 燃料系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)在地面滑行時(shí)無須啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī) ，燃料電池將飛機(jī)降落時(shí)剎車系統(tǒng)的能量捕捉后在飛機(jī)滑行時(shí)使用，使低成本滑行和主動(dòng)減少二氧化碳的排放成為可能。EasyJet 預(yù)計(jì)采用此系統(tǒng)后可以實(shí)現(xiàn)每年節(jié)省 2500 萬-3500 萬美元的燃油費(fèi)用。EasyJet 預(yù)計(jì)將于今年試驗(yàn)這項(xiàng)全新的技術(shù)。

　　另外，氫燃料電池目前也已在高速列車上得到了應(yīng)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(yùn)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(duì)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(jì)新聞》報(bào)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(jì)劃，將力量集中于發(fā)展電動(dòng)汽車。曾經(jīng)受到熱捧的氫燃料電池技術(shù)，在其大本營日本遭遇了發(fā)展阻礙。

　　無獨(dú)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(guān)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(dá)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(dòng)汽車的技術(shù)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(gè)問題，不僅要理解氫燃料電池在技術(shù)上的問題和挑戰(zhàn)，還要了解各國政府在推動(dòng)該技術(shù)背后的動(dòng)因。

　　氫燃料電池汽車為何屢遭拋棄？

　　從技術(shù)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(xué)裝置。其反應(yīng)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(shì)的燃料電池汽車，為何還會(huì)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(gè)氫能產(chǎn)業(yè)鏈構(gòu)成包括氫氣制備、氫氣儲(chǔ)運(yùn)及加注，和氫氣應(yīng)用。其中氫氣制備是氫能應(yīng)用的基礎(chǔ)，氫氣的儲(chǔ)運(yùn)及加注是氫能應(yīng)用的核心保障，不同方向的應(yīng)用是氫能實(shí)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(xì)分為三個(gè)部分：

　　上游，主要包含氫資源的生產(chǎn)、運(yùn)輸?shù)龋?/p>

　　中游，為燃料電池系統(tǒng)，主要是電堆和氫氣儲(chǔ)存設(shè)備及配件；

　　下游，是應(yīng)用板塊，包括加氫站、新能源汽車應(yīng)用等。

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

　　一、關(guān)鍵技術(shù)難攻克

　　了解燃料電池電堆部件的人，對(duì)燃料電池的核心技術(shù)質(zhì)子交換膜不會(huì)陌生，然而截至目前，全球能夠商業(yè)化供應(yīng)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(duì)任何國家銷售該產(chǎn)品。

　　二、成本過高

　　1、燃料電池車相對(duì)獨(dú)立復(fù)雜的動(dòng)力系統(tǒng)直接導(dǎo)致燃料電池車的成本增加。比如：豐田Mirai售價(jià)6.9萬美元，遠(yuǎn)高于其他動(dòng)力形式的同級(jí)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(shè)成本顯然是加氫站快速發(fā)展的最大障礙。

　　3、在目前技術(shù)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(jià)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(duì)氫氣純度要求較高，需要達(dá)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(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)作為支撐。氫氣本身的安全問題、加注氫燃料時(shí)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(chǔ)氫裝置應(yīng)該滿足能承受高壓、具備在線監(jiān)測(cè)功能、發(fā)生危險(xiǎn)自動(dòng)報(bào)警、良好的經(jīng)濟(jì)性要求。顯然，滿足這些要求的加氫站在初期的建設(shè)成本不會(huì)低。

　　國內(nèi)陸續(xù)出臺(tái)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(shù)已初步掌握了整車、動(dòng)力系統(tǒng)與核心部件的核心技術(shù)，基本建立了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的燃料電池轎車與燃料電池城市客車動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)平臺(tái)。在產(chǎn)業(yè)鏈配套，我國初步形成了燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)、動(dòng)力電池、DC/DC變換器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、供氫系統(tǒng)等關(guān)鍵零部件的配套研發(fā)體系，實(shí)現(xiàn)了百輛級(jí)動(dòng)力系統(tǒng)與整車的生產(chǎn)能力。當(dāng)前具有動(dòng)力系統(tǒng)平臺(tái)整車適配、電電混合能源動(dòng)力控制、車載高壓儲(chǔ)氫系統(tǒng)、工業(yè)副產(chǎn)氫氣純化利用的技術(shù)特征。

　　在十二五規(guī)劃期間，同濟(jì)大學(xué)與一汽集團(tuán)、東風(fēng)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(jì)大學(xué)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(xiàng)目在上海同濟(jì)大學(xué)簽約。三方將在嘉興市秀洲區(qū)共同推進(jìn)成立新能源汽車研發(fā)及生產(chǎn)項(xiàng)目。新能源汽車產(chǎn)業(yè)基地包括以下四部分：（一）同濟(jì)大學(xué)（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(yīng)用項(xiàng)目。其中，新能源汽車研究院作為同濟(jì)大學(xué)二級(jí)非獨(dú)立法人研究機(jī)構(gòu)，將下設(shè)5個(gè)研發(fā)中心：氫燃料動(dòng)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(tuán)則制定了燃料電池汽車發(fā)展的五年規(guī)劃，以新源動(dòng)力為燃料電池電堆供應(yīng)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(jì)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(guān)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(jìn)公交電動(dòng)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(gè)發(fā)布了氫燃料電池汽車相關(guān)政策的省市。同時(shí)，大同、青島、揚(yáng)州等地也正在醞釀扶持氫燃料電池發(fā)展的相關(guān)規(guī)劃。

　　同濟(jì)大學(xué)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(shù)落后國外發(fā)達(dá)國家510年，起步較晚的中國面臨的一個(gè)情況是：國外燃料電池汽車已經(jīng)突破了技術(shù)難關(guān)，開始攻克成本和服務(wù)設(shè)施了，而國內(nèi)仍然面臨著技術(shù)問題。差距保持在5年左右還有機(jī)會(huì)追趕，若超過10年，追趕起來就會(huì)非常吃力了。

　　盡管學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界普遍認(rèn)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(duì)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(chǔ)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(shù)、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(xué)汽車研究所所長、博士生導(dǎo)師陳全世教授在接受媒體采訪時(shí)表示，政府和車企應(yīng)該聯(lián)合大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)，把膜、催化劑、極板等基礎(chǔ)問題解決了，而不是做多少輛車。在他看來，燃料電池技術(shù)不能替代純電動(dòng)技術(shù)。

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