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氫燃料電池行業發展研究報告

發布者:管理員  2019/7/31 16:43:45


一、燃料電池概述

1.1 燃料電池的定義

燃料電池的定義及工作原理

燃料電池是一種以電化學反應方式將氫氣與空氣(氧氣)的化學能轉變為電能的能量轉換裝置。由于不經過高溫燃燒過程,唯一的排放產物是水,沒有污染物排放;同時只要能保障氫氣的供給,燃料電池將會持續輸出電能。

其工作原理是H2在陽極催化劑作用下被氧化成H+和e-,H+通過質子交換膜達到政正極,與O2在陰極反應生成水,e-通過外電路達到陰極,連續不斷的反應就產生了電流。燃料電池雖帶有“電池”二字,卻不是傳統意義上的儲能設備,而是一種發電設備,這是燃料電池與傳統電池最大的區別。

 燃料電池原理示意圖


燃料電池是理想的“內燃機替代者”。氫氣是燃料電池主要燃料,從燃料安全性上看,氫氣無毒無害,反應物為水,無毒無害,綠色清潔。氫氣密度小,高壓氫氣泄漏燃燒時形成向上火炬,不向周圍擴散。因此氫氣安全性是高于天然氣和石油等化石燃料。從性能上看,燃料電池能量轉化效率為50-70%,功率密度約3kW/L,柴油機功率密度約1.3 kW/L,是理想的“內燃機替代者”。燃料電池的能量密度可達500 Wh/kg,循環壽命4000次以上,性能優于鋰電池。

性能

FC

(燃料電池)

LFP

(磷酸鐵鋰)

LMO(錳酸鋰)

LTO

(鈦酸鋰)

LCO

(鈷酸鋰)

NCA

(鎳鈷鋁三元鋰電池)

NCM

(鎳鈷錳三元鋰電池)

能量密度(Wh/kg

500-700

150

170

90

170

300

270

功率密度(kW/L

3.1

1.5

1.4

1.5

1.6

1.4

1.2

單體電壓(V

0.6-0.7

3.2-3.3

3.8

2.3-2.3

3.6-4.5

3.6

3.6-3.7

循環壽命(次)

4200

2000

>500

>4000

>700

>1000

1000-4000

工作溫度(

-30~120

-20~60

-20~60

-40~60

-20~60

-20~60

-20~55


1.2燃料電池的分類

燃料電池根據運行機理不同可分為酸性燃料電池和堿性燃料電池。具體來說,根據電解質的不同分為堿性燃料電池、磷酸燃料電池、固體氧化物燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池和質子交換膜燃料電池等五大類。

其中堿性燃料電池最早成功開發,穩定應用于航天領域;磷酸燃料電池屬于第一代燃料電池,其技術最成熟、商業化程度最高,在美日廣泛應用于大型電站;熔融鹽和固體氧化物燃料電池分別是第二、三代技術,多用于發電廠;質子交換膜燃料電池應用前景最廣闊,未來預計將成為汽車領域主流燃料電池技術。

各類燃料電池性能對比

性能

堿性燃料電池

磷酸燃料電池

熔融碳酸鹽

燃料電池

固體氧化物

燃料電池

質子交換膜

燃料電池

比功率(W/kg

35-105

100-200

30-40

15-20

300-750

功率密度(W/cm2

0.5

0.1

0.2

0.3

1-2

燃料種類

H2

H2、天然氣

H2、天然氣、沼氣

H2、天然氣、沼氣

H2、甲醇、天然氣

正極氧化物種類

O2

空氣

空氣

空氣

空氣

催化劑

鎳為主

非貴金屬

非貴金屬

電解質

KOH

H3PO4

Li2CO3-K2CO3

ZrO2

全氟硫酸膜

發電效率(%

45-60

35-50

50-60

50-70

50-60

啟動時間

幾分鐘

2-4小時

>10h

>10h

幾分鐘

電荷載體

OH-

H+

CO32-

O2-

H+

反應溫度(

80-120

180-220

600-700

750-1000

25-105

代表公司

AFC EnergyAkzoNobel

富士電機

FuelCell Energy

Westinghouse

Balard

主要應用領域

航天器

發電廠為主

發電廠

發電廠,戶用側

汽車

質子交換膜燃料電池得益于工作溫度低,并且體積小、發電單元模塊化,可靠性高,因此組裝和維修都很方便,目前研究和應用最為廣泛。根據TheFuel Cell Industry Review的統計,2014-2017年質子交換膜電池出貨量一直遠超其他類型的燃料電池, 2018年出貨量占比約57%。目前車用燃料電池也基本走質子交換膜路線,因此本文針對燃料電池產業鏈的討論也圍繞燃料電池車及質子交換膜電池展開。

2014-2018年按種類全球燃料電池出貨量(千組)

 

2014

2015

2016

2017

2018E

質子交換膜燃料電池

58.4

53.5

44.5

43.7

42.6

直接甲醇燃料電池

2.5

2.1

2.3

2.8

3.7

磷酸鹽型燃料電池

0

0.1

0.1

0.2

0.2

固體氧化物型燃料電池

2.7

5.2

16.2

23.7

27.8

熔融碳酸鹽型燃料電池

0.1

0

0

0

0

堿性燃料電池

0

0

0.1

0.1

0

總計

63.6

60.9

63.2

70.5

74.3

質子交換膜燃料電池占比

92%

88%

70%

62%

57%

1.3 燃料電池的應用領域

堿性燃料電池(AFC)是最早開發的燃料電池技術,在20世紀60年代就成功的應用于航天飛行領域。磷酸型燃料電池(PAFC)也是第一代燃料電池技術,是目前最為成熟的應用技術,已經進入了商業化應用和批量生產。由于其成本太高,目前只能作為區域性電站來現場供電、供熱。熔融碳酸型燃料電池(MCFC)是第二代燃料電池技術,主要應用于設備發電。固體氧化物燃料電池(SOFC)以其全固態結構、更高的能量效率和對煤氣、天然氣、混合氣體等多種燃料氣體廣泛適應性等突出特點,發展最快,應用廣泛,成為第三代燃料電池。

目前正在開發的商用燃料電池還有質子交換膜燃料電池(PEMFC)。它具有較高的能量效率和能量密度,體積重量小,冷啟動時間短,運行安全可靠。另外,由于使用的電解質膜為固態,可避免電解質腐蝕。燃料電池技術的研究與開發已取得了重大進展,技術逐漸成熟,并在一定程度上實現了商業化。作為21世紀的高科技產品,燃料電池已應用于汽車工業、能源發電、船舶工業、航空航天、家用電源等行業,受到各國政府的重視。


2.燃料電池的相關政策及標準

2.1  國家政策

我國對燃料電池發展政策方面的支持由來已久。2015年5月國務院發布的《中國制造2025》,強調了要大力推動重點領域突破發展,燃料電池汽車屬于七大領域之一,繼續支持電動汽車、燃料電池汽車發展,并明確要求到2020年要生產1000輛左右的燃料電池汽車,并進行示范運行。在國內多項政策扶持下,各研發機構和企業積極加大對燃料電池的研發。

日期

政策

政策內容

2009年3月

《節能與新能源汽車示范推廣財政補助資金管理暫行辦法》

中央財政對試點城市購置混合動力汽車、純電池動車和燃料電池汽車給予一次性定額補助。其中低排放、低能耗混合電動車:0.4萬元-42萬元不等的成本差價財政補貼;零排放純電動和燃料電池汽車:6萬元-60萬元不等的成本差價財政補貼。

2011年2月

《中華人民共和國船稅法》

純電池動車、燃料電池汽車和插電式混合動力汽車免征車船稅,其它混合動力汽車按照同類車輛使用稅額減半征稅。

2014年8月

《關于免征新能源汽車車輛購置稅的公告》

從2014年9月1日到2017年12月31日,對購置的新能源汽車免征車輛購置稅。對免征的車輛購置的新能源汽車,由工信部、國家稅務總局通過發布《免征車輛購置稅的新能源汽車車型目錄》實施管理。

2014年11月

《關于新能源汽車充電設施建設獎勵的通知》

對符合國家技術要求標準且日加氫能力不少于200公斤的新建燃料電池汽車加氫站每個站獎勵400萬元

2015年5月

《中國制造2025》

明確提出將新能源汽車作為重點發展領域,未來國家將繼續支持電動汽車、燃料電池汽車的發展。對燃料電池汽車的發展戰略,提出三個發展階段:第一是在關鍵材料零部件方面逐步實現國產化;第二是燃料電池和電堆整車性能逐步提升;第三方面是要實現燃料電池汽車運行規模進一步擴大,達到1000輛的運行規模,到2025年,制氫、加氫等配套基礎設施基本完善,燃料電池汽車實現區域小規模運行。

2016年6月

國家發改委和國家能源局在系統內部發文

提出15項重點創新任務,其中包括氫能與燃料電池技術創新。

2016年10月

《中國氫能產業基礎設施發展藍皮書(2016)》

首次提出了我國氫能產業的發展路線圖:到2020年,加氫站數量達到100座;燃料電池車輛達到10000輛;氫能軌道交通車輛達到50列;到2030年,加氫站數量達到1000座;燃料電池車輛保有量達到200萬輛;到2050年,加氫站網絡構建完成,燃料電池車輛保有量達到1000萬輛。

2018年2月

《關于調整完善新能源汽車推廣應用財政補貼政策的通知》

四部委聯合發布《關于調整完善新能源汽車推廣應用財政補貼政策的通知》,燃料電池補貼政策基本不變,力度不減。

2018年4月

《汽車動力蓄電池和氫燃料電池行業白名單暫行管理辦法》

在企業、生產條件、技術能力、產品、質量保證能力等方面做出了明確的要求。中國汽車動力電池產業創新聯盟將對企業愛名單實施動態管理,每3年對白名單內企業進行復評,白名單企業如有違規將被撤銷其白名單資格。

2019年1月

十城千輛節能與新能源汽車示范推廣應用工程

氫燃料電池汽車有望在2019年正式實施時“十城千輛”推廣計劃。

2.2. 地方政策

近年來,寧夏提出大力推進節能減排,積極倡導清潔消費,促進能源傳統消費方式向現代消費方式轉變,強化工業、交通、建筑節能和需求側管理,打造能源利用新模式,推動能源消費革命。其中,《寧夏回族自治區能源發展“十三五”規劃(修訂本)》明確提出,推進分布式能源應用。推廣新一代光伏、大功率高效風電、生物質能、氫能與燃料電池、智能電網、新型儲能裝置等技術,發展分布式新能源技術綜合應用體,擴大新能源利用范圍,提高新能源在能源消費中的比重。

2.3 相關標準

燃料電池涉及的產業鏈比較長,相關的標準化技術委員會也比較多,但是鑒于燃料電池此前一直處于實驗室階段,真正制定燃料電池相關標準的技術委員會并不多,主要是幾個與燃料電池直接相關的標準化技術委員會,包括:全國燃料電池及液流電池標準化技術委員會(SAC/TC 342)、全國氫能標準化技術委員會(SAC/TC 309)、全國汽車標準化技術委員會電動車輛分技術委員會(SAC/TC 114/SC 27)、全國氣瓶標準化技術委員會車用高壓燃料氣瓶分技術委員會(SAC/TC 31/SC 8)。

全國燃料電池及液流電池標準化技術委員

全國燃料電池及液流電池標準化技術委員(以下簡稱“燃料電池標委會”)會于2008年經國家標準化管理委員會批復正式成立,編號為:SAC/TC 342,負責燃料電池和液流電池技術領域的標準化工作,對口國際電工委員會燃料電池標準化技術委員會(IEC/TC 105),秘書處掛靠在機械工業北京電工技術經濟研究所,由中國科學院大連化學物理研究所衣寶廉院士任主任委員。目前為第二屆,共有委員56人。

現有燃料電池領域國家標準36項,國家標準指導性技術文件3項,團體標準2項,詳見下表。

序號

標準號/計劃號

標準名稱

1

20141030-T-339

燃料電池電動汽車  燃料電池堆安全要求

2

20151724-T-604

變電站用質子交換膜燃料電池供電系統

3

20173719-T-604

車用質子交換膜燃料電池發電系統耐久性測試方法

4

20173720-T-604

無人機用氫燃料電池發電系統

5

GB/T 28816-2012

質子交換膜燃料電池  第1部分術語

6

GB/Z 21742-2008

便攜式質子交換膜燃料電池發電系統

7

GB/T 30084-2013

便攜式燃料電池發電系統-安全

8

GB/T 34872-2017

質子交換膜燃料電池供氫系統技術要求

9

GB/T 34582-2017

固體氧化物燃料電池單電池和電池堆性能試驗方法

10

GB/T 20042.1-2017

質子交換膜燃料電池 第1部分:術語

11

GB/T 20042.2-2008

質子交換膜燃料電池 電池堆通用技術條件

12

GB/T 20042.3-2009

質子交換膜燃料電池 第3部分:質子交換膜測試方法

13

GB/T 20042.4-2009

質子交換膜燃料電池 第4部分:電催化劑測試方法

14

GB/T 20042.5-2009

質子交換膜燃料電池 第5部分:膜電極測試方法

15

GB/T 20042.6-2011

質子交換膜燃料電池 第6部分:雙極板特性測試方法

16

GB/T 20042.6-2014

質子交換膜燃料電池 第7部分:炭紙特性測試方法

17

GB/T 29838-2013

燃料電池 模塊

18

GB/T 27753-2011

質子交換膜燃料電池膜電極工況適應性測試方法

19

GB/T 28817-2012

聚合物電解質燃料電池單電池測試方法

20

GB/T 31886.1-2015

反應氣中雜質對質子交換膜燃料電池性能影響的測試方法 第1部分:空氣中雜質

21

GB/T 31886.2-2015

反應氣中雜質對質子交換膜燃料電池性能影響的測試方法 第2部分:氫氣中雜質

22

GB/T 31035-2014

質子交換膜燃料電池電堆低溫特性試驗方法

23

GB/T 33979-2017

質子交換膜燃料電池發電系統低溫特性測試方法

24

GB/T 23751.1-2009

微型燃料電池發電系統 第1部分:安全

25

GB/T 23751.2-2017

微型燃料電池發電系統 第2部分: 性能試驗方法

26

GB/T 23751.3-2013

微型燃料電池發電系統 第3部分:燃料容器互換性

27

GB/T 33978-2017

道路車輛用質子交換膜燃料電池模塊

28

GB/T 23645-2009

乘用車用燃料電池發電系統測試方法

29

GB/T 25319-2010

汽車用燃料電池發電系統 技術條件

30

GB/T 28183-2011

客車用燃料電池發電系統測試方法

31

GB/T 31037.1-2014

工業起升車輛用燃料電池發電系統 第1部分:安全

32

GB/T 31037.2-2014

工業起升車輛用燃料電池發電系統 第2部分:技術條件

33

GB/T 31036-2014

質子交換膜燃料電池備用電源系統 安全

34

GB/T 27748.1-2017

固定式燃料電池發電系統 第1部分:安全

35

GB/T 27748.2-2013

固定式燃料電池發電系統 第2部分:性能試驗方法

36

GB/T 27748.3-2017

固定式燃料電池發電系統 第3部分:安裝

37

GB/T 27748.4-2017

固定式燃料電池發電系統 第4部分:小型燃料電池發電系統性能試驗方法

38

GB/T 33983.1-2017

直接甲醇燃料電池系統 第1部分:安全

39

GB/T 33983.2-2017

直接甲醇燃料電池系統 第2部分:性能試驗方法

40

T/CEEIA 264-2017

無人機燃料電池發電系統技術規范

41

T/CEEIA 265-2017

無人機燃料電池燃料系統技術規范

全國氫能標準化技術委員會

序號

標準號/計劃號

標準名稱

1

20170463-T-469

壓力型水電解制氫系統安全要求

2

20170464-T-469

積分球法測量懸浮式液固光催化制氫反應

3

20162680-T-469

壓力型水電解制氫系統技術條件

4

20140621-T-469

氫氣儲存輸送系統 第3部分:金屬材料氫脆敏感度試驗方法

5

20140620-T-469

氫氣儲存輸送系統 第2部分:金屬材料與氫環境相容性試驗方法

6

20110832-T-469

質子交換膜燃料電池汽車用燃料  氫氣

7

GB/T34540-2017

甲醇轉化變壓吸附制氫系統技術要求

8

GB/T34541-2017

氫能車輛加氫設施安全運行管理規程

9

GB/T34539-2017

氫氧發生器安全技術要求

10

GB/T34540-2017

氫氣儲存輸送系統 第1部分:通用要求

11

GB/T34542.1-2017

小型燃料電池車用低壓儲氫裝置安全試驗方法

12

GB/T34544-2017

加氫站用儲氫裝置安全技術要求

13

GB/T34583-2017

加氫站安全技術規范

14

GB/T34584-2017

車用壓縮氫氣天然氣混合燃氣

15

GB/T34537-2017

氫化物可逆吸放氫壓力-組成-等溫線(P-C-T)測試方法

16

GB/T33291-2016

燃料電池備用電源用金屬氫化物儲氫系統

17

GB/T31138-2014

汽車用壓縮氫氣加氣機

18

GB/T31139-2014

移動式加氫設施安全技術規范

19

GB/T 30719-2014

液氫車輛燃料加注系統接口

20

GB/T 30718-2014

壓縮氫氣車輛加注鏈接裝置

21

GB/T 29729-2013

氫系統安全的基本要求

22

GB/T 29412-2012

變壓吸附提純氫用吸附器

23

GB/T 29411-2012

水電解氫氧發生器技術要求

24

GB/T 26915-2011

太陽能光催化分解制氫體系的能量轉化效率與量子產率計算

25

GB/T 26916-2011

小型氫能綜合能源系統性能評價方法

26

GB/T 24499-2009

氫氣、氫能與氫能系統術語

27

GB/T 19774-2005

水電解制氫系統技術要求

28

GB/T 19773-2005

變壓吸附提純氫氣系統技術要求

29

T/CECA-G 0015-2017

質子交換膜燃料電池汽車用燃料氫氣

電動車輛分委會

全國汽車標準化技術委員會電動車輛分技術委員會(以下簡稱“電動車輛分委會”)于1998年經國家標準化管理委員會批復正式成立,編號為:SAC/TC 114/SC 27,負責電動車輛等專業領域標準化工作,對口國際標準化組織汽車技術委員會電動汽車分技術委員會(ISO/TC 22/SC 37),秘書處掛靠在中國汽車技術研究中心,由天津清源電動車輛有限責任公司吳志新總經理任主任委員。目前為第四屆,共有委員51人。

截止到2017年12月31日,已發布燃料電池汽車方面的標準共計14項,具體為:

序號

標準號/計劃號

標準名稱

1

20162462-T-339

燃料電池電動汽車定型試驗規范

2

20140520-T-339

燃料電池電動汽車  安全要求

3

20140521-T-339

燃料電池電動汽車  整車氫氣排放測試方法

4

GB/T 35178-2017

燃料電池電動汽車  氫氣消耗量測量方法

5

GB/T 34593-2017

燃料電池電動發動機氫氣排放測試方法

6

GB/T 34425-2017

燃料電池電動汽車  加氫槍

7

GB/T 29123-2012

示范運行氫燃料電池電動汽車技術規范

8

GB/T 29124-2012

燃料電池電動汽車示范運行配套設施規范

9

GB/T 29126-2012

燃料電池電動汽車   車載氫系統試驗方法

10

GB/T 26779-2011

燃料電池電動汽車  加氫口

11

GB/T 26990-2011

燃料電池電動汽車  車載氫系統 技術條件

12

GB/T 26991-2011

燃料電池電動汽車  最高車速試驗方法

13

GB/T 24548-2009

燃料電池電動汽車  術語

14

GB/T 24554-2009

燃料電池發動機性能試驗方法


三、 國外燃料電池商業化進程

燃料電池的發展進程中,歐美日燃料電池商業化走在前列。無論是政策支持還是技術實力,都要優于我國。

3.1 國際市場概況

燃料電池國際市場情況

按照出貨規模統計,2017年全球燃料電池出貨7.3萬套(+12%),共670MW(+40%),功率增速比系統數量增速高,說明單體容量提升;2012-2017年累計出貨量約37.3萬套,累計規模2511MW,CAGR為32%。從地區分布來看,2016年亞洲、北美的燃料電池出貨量分別占世界的83%、11%,相較2011年的燃料電池出貨量分別增長了217%、121%,其增長勢頭迅猛。目前全球燃料電池主要集中在亞洲、北美和歐洲。2016年,亞洲、北美、歐洲及其他地區燃料電池系統出貨量分別為53.9、7.3、3.5和0.5千件,裝機規模分別為245.9、209.1、22.0和1.6MW,可以看出亞洲與北美是燃料電池市場的絕對主力。其中由于應用領域的差異,亞洲地區在出貨量上遙遙領先,而出貨規模與北美地區相差不大。

日韓三款燃料電池車型已投入市場量產,豐田Mirai、本田Clarity銷量向好。現已投入市場量產的燃料電池車有豐田Mirai、本田Clarity、現代ix35FCV,截至2018年其銷量分別為7518、1277、255臺,占比83%、14%、3%。其中2018年銷量分別為2300、1277、225臺。其中:

(1)豐田于2014年末推出Mirai,其最大輸出功率為114千瓦,可在9.6秒內從靜止狀態加速至100公里/小時,單次充氫后新車續航里程可達到483公里,憑借優異的性能Mirai在推出首年的銷量就達到了496臺,作為率先入局的行業巨頭,豐田搶先布局并于2018年占據了燃料電池車超過80%的市場。

(2)本田燃料電池車旗艦Clarity于2016年3月在日本正式上市銷售,售價約合人民幣43.8萬元,最大續航里程700km,約3到5分鐘即可充滿,其全球銷量從2016年的113輛持續增長到2018年的624輛,同比增長20%。

(3)現代ix35FCV于2013年2月開始量產,但由于價格居高不下(發行日售價14.4萬美元,約合當時人民幣85.5萬元),銷量持續低迷。

歐洲/美國車企采取與日本合作,三大聯盟漸形成。雖然在燃料電池核心技術研發進展上與日本齊頭并進,但在規模化量產的決策上,歐美的確落后了一步。但由于擁有龐大的潛在市場,豐田的Mirai燃料電池車、現代途勝的燃料電池車,以及本田的Clarity燃料電池車都不約而同將美國尤其是加州作為車型推廣的前沿陣地。歐美各大汽車廠商也不甘落后,紛紛采取和日車廠合作的模式,盼后來居上。在燃料電池汽車的研發推廣過程中,市場上逐漸形成三大汽車集團聯盟:戴姆勒/福特/雷諾-日產聯盟、寶馬/豐田聯盟、通用/本田聯盟。

3.2 日本分布式發電和汽車領域應用同步發展

日本燃料電池出貨量和裝機規模占全球60%以上。從2009年開始,日本政府便通過購置補貼、免費加氫、放寬行業標準、制定長期規劃等手段,鼓勵燃料電池產業的發展。根據日本2014年公布的《氫燃料電池戰略發展路線圖》,在2025年前的第一階段,將快速擴大氫能的使用范圍,以促進燃料電池的裝置數量在2020年和2030年分別達到140萬臺和530萬臺;在2020-2030年的第二階段,日本將全面引入氫發電和建立大規模氫能供應系統,將購氫價格降至30日元/m3;在2040年的第三階段,將通過收集和儲存二氧化碳,全面實現零排放的制氫、運氫、儲氫。

 日本燃料電池支持政策

時間

支持政策

2009

發布15萬億日元經濟刺激方案,為包括燃料電池在內的可再生能源發電項目提供資金。同時為購買包括混合動力車在內的環保汽車的業主提供10-25萬日元的補貼,為購買Ene-Farm CHP的企業或個人提供約50%費用減免

2009

隸屬于經產省的燃料電池商業化組織發布《燃料電池汽車和加氫站2015年商業化路線圖》,明確指出2011-2015年開展燃料電池汽車技術驗證和市場示范,隨后進入商業化示范推廣前期。

2011

計劃在5年內斥資2090億日元開發以天然氣為原料的液體合成燃料技術、車用電池,以及氫燃料電池科技。

2012

經濟產業省向議會遞交一項300億日元的提案,其中部分用于開發高效的氫氣儲存系統,發展日本燃料電池電動汽車,旨在通過該方案減少日本對進口石油的依賴。

2013

METI啟動了對商業化加氫站的補貼計劃,每個加氫站可以獲得最高相當于投資成本50%的政府資金補貼,僅當年就有5個公司的19個新建加氫站計劃申請獲得了補貼

2013

通過NEDOMETI對氫和燃料電池的投入359.6億日元;在燃料電池固定式應用方面,METI通過ENE-FARM計劃推動燃料電池家用熱電聯供系統在日本的商業化應用。日本計劃于2014年將ENE-FARM計劃推進至德國。

2014

發布《氫燃料電池車普及促進策略》,引入氫燃料電池車國際技術標準作為國內行業標準。修改《高壓氣體保安法》,將每次補給的氫燃料壓力上限由大約700個大氣壓提升至875個大氣壓,擴大氫氣罐容量,將續駛里程提升20%

2014

日本自民黨提交議案《實現氫社會政策建言》,提出具體的氫燃料電池車普及目標和政策支持措施。如每座加氫站最高補貼2億日元;2017年前免費供應氫燃料;2017 年前氫燃料電池車免費在高速公路上行駛;2020年使氫燃料電池車年銷量達到4萬輛;2030 年使氫燃料電池車年銷量達到40萬輛,累計銷售200萬輛;2025年使氫燃料電池車售價與目前的混合動力車持平(即200萬日元);2025年前,購買一輛氫燃料電池車補貼200萬日元等。

2014

為了在日本本土市場大力推廣燃料電池車,日本政府將為每輛燃料電池車提供至少200萬日元的補貼

2014

日本氫能/燃料電池戰略協會對外公布日本《氫能/燃料電池戰略發展路線圖》,第一階段從當前到2025年,快速擴大氫能的使用范圍,旨在將日本戶用燃料電池裝置的數量分別在2020年和2030年提高到140萬臺和530萬臺,2015年燃料電池車加氫站增加到100座。第二階段2020年中—2030年底,全面引入氫發電和建立大規模氫能供應系統,旨在從海外購氫的價格降到30日元/立方米,擴大日本商業用氫的流通網絡。第三階段從2040年開始,旨在通過收集和儲存二氧化碳,全面實現零排放的制氫、運氫、儲氫。

2016

日本經濟產業省于20146月制定,并于20163月修訂的《氫與燃料電池戰略路線圖》也提出,要全面加速氫燃料的使用。為此,日本經濟產業省修訂了各種技術標準。日本經濟產業省還修改了一些細則規定,使日本標準與國際標準在細節上接軌,這樣一來,日本車企制造的燃料電池車更易于出口到海外。

2017

日本政府發布了《氫能源基本戰略》,將氫能源視為保障能源安全與應對氣候變化的殺手锏,提出:到2030年實現氫燃料發電商用化發電容量達到1GW,發電成本控制在17日元/千瓦以內;到2050年,燃料電池汽車全面普及、燃料汽車全面停售,發點容量增至15-30GW,成本進一步降低至12日元/千瓦時。

目前日本的燃料電池主要應用于家用熱電聯供和汽車兩大領域。

日本通過家用燃料電池熱電聯供(ENE-FARM)計劃,在2005-2009年建設家用燃料電池示范項目3300臺套,并在2009年進行大規模商業化推廣。2009年后,在日本政府補貼政策和松下、東芝等廠商大力推廣下,家用燃料電池系統順利開啟商業化應用階段;截至2017年,日本共安裝使用家用燃料電池系統約25萬套,規模效應明顯,成本迅速降至120萬-150萬日元/套(約8萬元/套),12年成本下降80%以上,逐步減少補貼依賴。ENE-FARM計劃2020年、2030年分別實現家用燃料電池累計裝機量達140萬套和530萬套,對應成本有望進一步下降到50萬日元/套(約3萬元/臺套)左右。

日本豐田在2015年率先推出Mirai燃料電池汽車,其能量密度達350Wh/kg,功率密度達3.1kW/L,加氫時間僅3分鐘,容量約5-6L,對應續航里程達500-600km。該車不含補貼售價僅約39萬人民幣,含日本政府30%補貼售價約27萬人民幣,價格已逼近與純電動汽車售價。2015年,豐田已交付燃料電池汽車約500輛,據豐田預測,到2025-2030年,燃料電池汽車銷量將達20萬-80萬輛。

根據日本對燃料電池加氫站的規劃,將首先在東京、大阪、名古屋、福岡等人口密集的主要地區建立100座,并對加氫站建設進行50%的補貼。目前日本已建成加氫站數量約80座,大型氫氣生產設施2個以上。按照規劃方案,日本將大規模鋪開加氫站建設,到2025年預計建設加氫站800座。截至2017年底,日本已經建成了91座公用加氫站。

3.3 美國燃料電池汽車增速高

美國政府對燃料電池在內的新能源公司提供資金支持和稅收減免,其中,對于燃料電池和任何氫能基礎設施建設實施30%-50%的稅收抵免。2012年,美國聯邦政府向能源部撥款63億美元用于清潔能源的研究開發示范,到2012年已進入第三階段,即按照3000美元/kWh補貼燃料電池系統,只要達到30%效率便可享受30%的稅收抵免。2014年7月,包括加州在內的8個州簽署了“零排放車輛合作協議”,力爭到2020年區域內330萬輛機動車尾氣排放目標為0,零排放機動車占比汽車總銷量達22%。

美國燃料電池支持政策

時間

支持政策

2007

南加州對氫燃料電池的生產和研究的設備實行稅收全免政策;Ohio州為250kW以下的燃料電池系統實行稅收全免政策,但對250kW以上的系統征收替代稅。

2010

加州宣布為零排放、輕量型汽車提供15750元的回扣激勵措施。加州自給自足激勵計劃項目(SGIP)延長至2014年底,每年為加州CHP,風能、廢熱循環利用和儲能項目提供5.229億元資金支持。

2012

2013財年政府預算向美國能源部撥款63億美元,用于燃料電池、氫能、車用替代燃料等清潔能源的研究、開發、示范和部署等活動。奧巴馬在繼續為燃料電池公司、新能源公司提供資金支持的同時,承諾在可再生能源項目上進行一系列的能源營業稅改革,包括可再生能源發電的永久稅抵免以及氫燃料電池汽車、純電動汽車、混合插電式汽車等新能源產業的稅務補貼。

2012

修訂后ITC燃料電池稅收抵免政策主要包括:第一層次,5000美元/kWh的燃料電池系統,實現至少70%的效率轉換對應50%的稅收抵免;第二層次,4000美元/kWh的燃料電池系統,實現至少60%的效率轉換對應40%的稅收抵免;第三層次(現行的氫燃料電池政策),3000美元/kWh任何燃料電池系統,只要達到30%的效率轉換就可進行30%的稅收抵免。重新修訂的燃料電池政策還包括了HFV以及儲氫、制氫以及加氫站等基礎設施的獎勵政策,根據新法案的規定,任何氫能基礎設施的運行均可享受30%-50%的稅收抵免。

2013

加州立法機關通過了一項價值達20億美元的延長純凈汽車和燃料補貼到2023年的法案(AB8)。該法案要求每年大約建設2000萬美元的加氫站,直到至少在加州有100個公用的加氫站。

2016

加州能源委員會的替代和可再生燃料及車輛技術項目(ARFVTP)必須在202411日之前每年撥款至多2000萬美元,用于氫氣站的開發,直到至少有100個氫氣站。

2016

紐約州SB-6408C20164月簽署成為法律,它指示紐約州能源研究和開發管理局(NYSERDA)開發和管理一項輕型零排放和插入式電動汽車退稅計劃,該計劃將為購買或租賃一輛符合條件的新車輛提供最高2000美元的回扣,包括電動汽車、插入式混合動力電動汽車或fcv

2016

馬薩諸塞州宣布為電動汽車項目提供1200萬美元的資金,這是該州能源資源部(Doer)今年1月做出的200萬美元資金承諾的補充。在購買或租賃超過25輛符合條件的新型電動汽車(包括混合動力汽車(Mor-EV)的電池電動汽車、插頭-以及符合條件的FCVs等符合條件的新型電動汽車,可獲得2500美元的折扣率,可獲得750-2500美元的折扣。 

     作為美國燃料電池發展的核心地區,加州從2007年起便對氫燃料電池實行減免稅,2010年宣布為輕型車提供15750元的回扣激勵措施。同時,根據加州的ZEV法案,燃料電池汽車在加州最高可獲得9 ZEV積分,每個積分最高價值為5000美元,且最高可獲得約4萬美元的補貼。

     另外,加州2013年通過ABB法案,要求每年建設約2000萬美元的加氫站,且2024年之前至少建設100個公共加氫站。根據加州加氫站規劃圖,截止2017年底,已建成加氫站達40個,規劃進展和地理布局較為合理,為未來燃料電池汽車的迅速推廣打下基礎。

3.4 歐洲著力完善加氫站布局

     歐盟2008年出臺了燃料電池與氫聯合行動計劃項目(FCH-JU),2008-2013年共投入9.4億元歐元用于燃料電池和氫能的研究和發展;2011年又啟動“H2 moves Scandinavi”和歐洲城市清潔氫能項目(CHIC),出臺CPT項目,投入1.23億歐元建設77個加氫站,并針對15個已有加氫站的國家,實現國與國之間的互通互聯。

歐洲燃料電池支持政策

時間

支持政策

2008

歐盟出臺燃料電池與氫聯合行動計劃(FCH-JU),在2008-2013年至少斥資9.4億歐元用于燃料電池和氫能的研究和發展,項目包括氫氣車隊項目、ZERO-REGIO項目和小型車輛氫氣鏈項目的公開實驗。

2011

FCH-JU運營基本正常,正在進行的項目44個涉及250家合作伙伴。新調用27個項目,投資約7RMB,于2011年底正式啟動,其中兩個大規模車輛示范項目“H2 moves Scandinavi”和歐洲城市清潔氫能成為全球典范。

2012

實施Ene-field項目,包含12個歐盟成員國,9家燃料電池系統制造商和接近1000套微型CHP系統。項目至少持續3年,可能延續到2017年,計劃投資5300萬歐元

2013

TEN-T項目提供大約350萬歐元的資助,用以支持對荷蘭和丹麥加氫站當前運營狀態的分析以及制定擴大其應用的新策略。該項目將提出一個在TEN-T道路網沿線將氫作為長距離替代燃料的部署提案,幫助決策者和基礎設施管理者發展和使用有效的支持方案,以實現歐盟區氫基礎設施的拓展和實用化

2013

FCH-JU項目運營基本正常,2013年投入經費約6300萬歐元。2014年至2020年,歐盟將啟動Horizon 2020計劃,氫和燃料電池的投入預算可能達到220億歐元。歐盟還在評估討論CPT項目,計劃投入1.23億歐元建設77個加氫站,針對15個已建加氫站的成員國實現互聯互通,最終,歐洲大部分將建成連貫的氫氣基礎設施網絡。

2017

2017年底,歐洲將有100輛燃料電池大巴投入使用,2020年這一數字將增加到1000輛。目前已有越來越多的歐洲城市在考慮禁止使用內燃機大巴,這種情況對于燃料電池汽車來說是一個很好的發展機會。

2018

芬蘭VTT技術研究中心正在協調一個價值超過1000萬歐元、為期5年的歐洲合作項目,該項目名為ComSos(商業規模SOFC系統),致力于開發SOFC燃料電池技術的商業應用。其目標是實現低排放電力和熱量的可靠生產。這個為期五年的項目(2018-2020)預算為10,2 M,并已根據第779481號撥款協議獲得燃料電池和氫氣聯合承諾的7.4 M資金。該聯合承諾得到了歐盟Horizon 2020研究和創新計劃,Hydrogen EuropeHydrogen Europe研研究會的支持。 

2017新增加氫站數量

2017新增加氫站數量居首,德國成為歐洲燃料電池發展標桿。德國是歐盟中加氫站建設最多的國家,2017年已建設56座以上,其中45座為公用加氫站,預計到2018年將達100座,2020年將達400座,2025年將1000座。此外,英國等國家也將加快加氫站建設。

 歐洲各國加氫站建設規劃(單位:座)

國家

2015

2017

2020E

德國

50

56

400

荷蘭

2-4

4

20

法國

~5

15

40

英國

9

14

70

瑞典、芬蘭、丹麥、挪威

10

24

40

奔馳推出性能優異的新款燃料電池車

奔馳推出性能優異的新款燃料電池車。奔馳2014年推出的B級F-Cell是歐洲燃料電池汽車的代表車型,采用其研制的第三代燃料電池電堆,燃料電池系統體積和形狀與傳統發動機相當,可直接在現有燃油汽車車型上替代發動機,為燃料電池汽車的設計提供便利。2017年奔馳又推出了GLC級F-CELL,氫燃料儲量4.4kg,最大續航里程達到437公里。


四、燃料電池產業鏈發展情況

國外燃料電池支持政策

國內

國外

燃料電池承運車

上汽

豐田、本田、日產、現代

燃料電池客車

北汽福田、宇通客車

戴姆勒、現代、日野

燃料電池發動機

億華通、重塑科技

豐田、本田,現代,通用,戴姆勒

燃料電池點堆

上海神力、新源動力

巴拉德、HydrogenicsPlug Power公司,豐田、本田,ITM powerintelligent energy 公司

關鍵材料

質子交換膜

大連新源動力、上海神力、武漢理工新能源

杜邦公司、旭化學工業株式會社、AGC旭硝子株式會社

氣體擴散層

日本東麗、加拿大巴拉德和德國SGL

雙極板

鑫能石墨、滬江科技、聯強碳素、喜麗碳素

瑞典的cellimpact、德國的Dana Grabener、美國的treadstone 公司

制氫企業

神華集團、凱美特氣和華特氣體公司

日本LNG 株式會社(SakaiLNG)、巖谷產業、JX Holdings,美國Praxair,加拿大Hydrogenics 公司,法國AirLiquide,德國林德公司(Linde

4.1 燃料電池客車示范情況

世界范圍內,多個國家都啟動了燃料電池客車示范,其中,美國在2006年專門啟動了國家燃料電池公共汽車計劃(National Fuel Cell City Bus Program,NFCBP),2011年美國燃料電池混合動力公共汽車實際道路示范運行單車壽命超過1.1萬小時;德國戴姆勒集團參與“Hy FLEET:CUTE(2003-2009)”項目,36輛梅賽德斯-奔馳Citaro燃料電池客車已由20個交通運營商使用,運營時間超過14萬小時,行駛里程超過220萬km;韓國現代從2002開始研發燃料電池汽車,2012年推出了第3代燃料電池SUV和客車,開始全球示范。

根據各地燃料電池客車示范分析,燃料電池公交車和城際客車核心系統PEMFC壽命已達1 萬小時,最高能夠達到2 萬小時,可靠性逐漸提高,但車輛采購成本較高。在客車性能方面,國內外的差距不大,甚至在氫燃料消耗方面還具有領先優勢。

4.2 氫燃料電池乘用車發展現狀


      世界幾大汽車集團正在進行車用燃料電池和燃料電池汽車的研發工作,都推出了相應的產品,如豐田汽車、本田汽車、日產汽車、現代汽車等多家公司。隨著發達國家燃料電池乘用車技術趨于成熟,國內外乘用車性能水平差距逐漸拉大,主要性能參數如表所示。

現階段,國外燃料電池乘用車的核心零部件如電堆,均由企業自主研發,但燃料電池客車的核心零部件大多來自零部件供應商。

4.3 燃料電池及關鍵材料發展現狀

燃料電池

燃料電池電堆主要由單體燃料電池構成,其中,單體燃料電池包括雙極板、密封圈和膜電極,而膜電極又分為質子交換膜、催化劑層和氣體擴散層。

到目前為止,質子交換膜燃料電池均使用鉑及其合金作為有效的催化劑,鉑資源的匱乏和成本昂貴直接制約了燃料電池大規模商業化應用。從全球范圍來看,現階段應用于質子交換膜燃料電池的鉑催化劑生產企業主要有英國的JM,德國的巴斯夫股份公司(BASF),比利時的Umicore,日本的TKK,美國的E-TEK 等,目前中國的企業還未實現實質性突破,主要以研究機構為代表,如中國的大化所、長春應用化學所、天津大學和中山大學等。、

質子交換膜是氫燃料電池最核心的零部件之一,是燃料電池電解質和催化劑進行電化學反應的基礎,質子交換膜性能要求極高,目前在氫燃料電池中使用的質子交換膜主要采用全氟化聚合物材料合成,具有穩定性好及長壽命的特點,同時具有良好的阻氣性能,但開發和生產難度高,現階段主流的生產企業有美國的杜邦公司,另外,還有日本的旭化學工業株式會社(Asahi Chemical)及日本AGC旭硝子株式會社(Asahi Glass)生產的aciplex膜及flemion膜。中國的生產商主要有大連新源動力、上海神力及武漢理工新能源有限公司。

氣體擴散層是支撐催化劑層、收集電流、為化學反應提供電子通道、氣體通道及排水通道的隔層,由碳布/碳網和防水劑聚四氟乙烯組成,其材料和制備技術影響著燃料電池性能的優劣,也是決定燃料電池成本的關鍵零部件之一,目前主流的生產企業有日本東麗、加拿大巴拉德和德國SGL等。

雙極板在燃料電池中主要起輸送和分配燃料的作用,在電堆中負責隔離陰陽兩極的氣體,目前廣泛采用的雙極板材料有無孔石墨板、金屬板及復合材料雙極板。其中,石墨雙極板的主流生產商有美國的POCO 公司、SHF 公司、Graftech 和,以及日本的藤倉gomu 工業株式會社、日本九州耐火煉瓦株式會社(Kyushu Refractories CO.LTD),英國的Bac2 以及加拿大巴拉德等。另外,金屬雙極板的主要生產企業有瑞典的cellimpact、德國的Dana 和Grabener、美國的treadstone公司等,國內主要有鑫能石墨、滬江科技、聯強碳素以及喜麗碳素等。

電堆即為滿足使用需求將多個單體組合起來的電池組。根據工作電壓的不同單體電池的數量也不同,又因重量與體積比功率不同而呈現出各種電堆產品。目前主流的燃料電池電堆生產企業有加拿大的巴拉德、Hydrogenics,美國的Plug Power 公司,日本的豐田及本田公司,英國的ITM power、intelligent energy 公司,中國的上海神力及新源動力。

關鍵材料及零部件盡管我國的氫燃料電池技術取得了重大的突破,但是與國外先進水平相比,在關鍵材料方面仍在存在一定的差距,如催化劑和質子交換膜等,目前主要以進口為主,不僅價格昂貴,而且壟斷性極強。上汽通過產學研結合,研發出的新型催化劑活性是國外商業催化劑的3倍,成本降低了25%。開發出的金屬雙極板可使燃料電池電堆體積功率密度提高1倍。具體情況見下表。

4.4 燃料電池系統及輔助系統

國內在燃料電池發動機的壽命和環境適應性方面與國外先進水平相比,仍然存在一定的差距,其原因在于國內相關研究較少。

燃料電池輔助系統國內外對比

國外

國內

燃料電池系統的低溫啟動

國外汽車廠商如奔馳、豐田等已經實現-30℃的低溫起動,并在加拿大北部嚴寒地區進行了試車實驗。

國內燃料電池發動機實現-10℃低溫起動,清華大學節能與新能源汽車工程中心進行了-15℃環境下低溫啟動的試驗

燃料電池系統的耐久性

燃料電池質子交換膜>7300h

國內生產的燃料電池車用燃料電池系統在車用環境下壽命在1000小時左右,很少超過2000小時

轎車用電堆實驗室壽命>5000h

公交車用燃料電池系統>7000h

4.5 制氫企業

      從燃料電池的全產業鏈來看,制氫、加氫及車載儲氫的發展和經濟性都可影響氫燃料電池汽車行業的發展。制氫方面,又因制氫方式的不同存在經濟型差異,采用煤氣化、石油裂解、天然氣重整制氫等傳統化石燃料制氫的方式仍為主流,也是成本比較低的方案,但從長期發展來看,采用生物燃料、太陽能、風能、核能電解水制氫的方式正在逐步發展。目前主流的氫氣生產企業有日本的堺LNG 株式會社(SakaiLNG)、巖谷產業、JX Holdings,美國的Praxair,加拿大的Hydrogenics 公司,法國的Air Liquide,德國的林德公司(Linde),以及中國的神華集團、凱美特氣和華特氣體公司。

     制氫企業的制造氫氣設備有些為自產、有些則來自制氫設備制造商,前者的代表企業主要有日本的巖谷產業、德國的林德公司,后者這種單純的設備制造方主要有中國的七一八研究所、大陸制氫、北京氫璞創能等。總體來看,我國的氫氣設備制造方尚與國外制造方存在差距。

     燃料電池發動機與內燃機同樣都有冷卻循環系統、空氣供給系統、燃料供給系統和復雜的電子控制系統,其系統的效率隨溫度和功率的變化而變化,是影響氫燃料電池汽車性能的關鍵核心零部件;現階段燃料電池發動機的生產企業主要分為兩類,一類是燃料電池汽車制造商,另外一類是零部件制造商,前者的代表企業有日本的豐田及本田,韓國的現代,美國的通用,以及德國的戴姆勒,后者的代表企業有中國的億華通和重塑科技。


五、中國車用氫燃料電池產業現狀

5.1 中國燃料電池發展現狀

氫能研發起步早 體系不完善

       我國對氫能的研究與開發可追溯到20世紀60年代。2000年科技部啟動973基礎研究項目,內容為氫能的規模制備、儲運和燃料電池的相關研究,該項目針對氫能領域的若干科學命題和核心技術開展基礎性研究。2001-2005年,國家科技部863電動汽車重大專項設立課題,以期在燃料電池、燃料電池發動機以及整車系統方面形成一套擁有自主知識產權的核心技術,最終開發成功燃料電池公交車和燃料電池轎車。

       目前我國已經形成從基礎研究到示范演示的全方位格局,初步形成一支由高等院校、科研院所、石油化工及汽車工業等部門為主的從事氫能研究、開發和應用的專業隊伍。我國燃料電池汽車產業鏈的研發體系以大學為主,清華大學、同濟大學以及大連化學物理研究所承擔大量的研發工作,而燃料電池汽車的生產體系建設較為緩慢,只有上汽集團參與相關建設工作。2012年,清華大學、同濟大學、中科院大連物理化學研究所、上汽、一汽等發起成立中國燃料電池汽車技術創新戰略聯盟。國內燃料電池研發與生產體系仍需要不斷的完善,才能更好的推動我國氫能源產業快速發展。

技術突破 但關鍵技術落后

      經過多年努力,我國在氫能和燃料電池技術領域取得了較大進展。在氫制備、儲運等技術領域,我國的制氫工業以引進技術為主,技術相對成熟,與發達國家的差距不大;在燃料電池技術領域,我國已經掌握了諸如電催化劑、質子交換膜、雙極板材料等關鍵技術,與國外先進水平保持同步,但在關鍵零部件規模生產和電堆批量組裝及相關性能指標,我國還落后于世界先進國家。

產業整體處于研發示范階段

      目前我國已經自行設計、制造、實驗了多種不同型號的燃料電池樣車。研制的燃料電池發動機和汽車亦在2008 年北京奧運會和2010年上海世博會進行示范運行,均取得圓滿成功。上汽也于2013年舉辦實現燃料電池汽車中國萬里行活動,充分驗證了燃料電池汽車的環境適應性。

      但與美歐日等西方發達國家相比,我國在氫能與燃料電池產業化和商業化進程方面滯后。國外燃料電池產業鏈各環節均已實現產業化,但國內的產業化程度還很低,且研發主體基本多為高校、可研機構和中小企業,商業化產品寥寥無幾。總體來看,我國與國外水平差距明顯,基本停留在技術示范階段。

核心專利少 創新能力不足

       在氫能與燃料電池專利技術上,我國與美日德存在較大差距。從全球優先權專利申請來看,燃料電池汽車專利技術主要集中在日本、韓國、美國和德國。其中,日本優先權專利數量達到10454個專利族,占71%,各大關鍵技術均處于絕對領先地位。此后依次是韓國(1225)、美國(1089)與德國(949),差別不大,中國(317)以2%排名第五。

      我國氫燃料電池技術和產業基礎薄弱,資金和技術力量投入不足,參與機構數量較少,導致我國氫燃料電池技術創新能力不足。“十二五”期間,科技部預算計劃投入2億多元用于燃料電池汽車研發,但與發達國家數億美元的投入相比略顯不足。

加氫站技術成熟但建設滯后

       加氫站建設方面,我國的35MPa加氫站技術已趨于成熟,加氫站的設計、建設以及三大關鍵設備如45MPa 大容積儲氫罐、35MPa 加氫機和45MPa隔膜式壓縮機均已實現國產化。目前,我國已經開始主攻70MPa加氫站技術。截止2016年7月,我國運行的加氫站共有5座,分別位于北京、上海、佛山、大連和鄭州,加氫站建設較為滯后。

5.2 國內燃料電池與氫能的建設成績

      近年來,我國在燃料電池方面的投入也不斷加大,經過三個“五年規劃”及“863”等科技項目攻關,基本建立起具有自主知識產權的燃料電池轎車與燃料電池城市客車動力系統技術平臺,也初步形成了燃料電池發動機、動力電池、DC/DC變換器、驅動電機、供氫系統等關鍵零部件的配套研發體系。我國燃料電池汽車正處于商業化示范運行考核與應用的階段,已在北京奧運燃料電池汽車規模示范、上海世博燃料電池汽車規模示范、UNDP 燃料電池城市客車示范以及“十城千輛”、廣州亞運會、深圳大運會等示范應用中取得了相對良好的社會效益。

燃料電池汽車

      基于燃料電池轎車和客車動力系統技術平臺,目前已開發出3 款燃料電池客車、5款燃料電池轎車,已具備開發百輛級燃料電池汽車動力系統平臺與整車生產能力以及進入國外市場的競爭力。成功在北京奧運會、上海世博會、全球環境基金與聯合國發展計劃署(GEF/UNDP)共同支持的燃料電池城市客車商業化示范區、新加坡青奧會、美國加州等活動和區域進行了示范運行。

      燃料電池轎車最高車速達150km/h,0~100km/h的加速時間14秒,一次加氫續駛里程300km,氫氣消耗0.912kg/100km。動力系統平臺應用于“上海牌”、“帕薩特”、“奔騰”、“志翔”、“東方之子”等車型,先后完成了2008年北京奧運會、2009年美國加州、2010年上海世博會和廣州亞運會等示范和運行。

      2016年9月,全國首條氫能源城市公交車示范線路正式開通,由上海重塑能源科技和佛山飛馳客車共同研制的12臺燃料電池大巴車正式投入運營。

燃料電池車用動力總成

我國已經攻克了車用燃料電池動力系統集成、控制和適配等關鍵難點,形成了燃料電池系統、動力電池、DC/DC變換器、驅動電機、儲氫與供氫系統等關鍵零部件配套研發體系,實現了綜合技術的跨越,總體技術接近國外先進水平。

以同濟大學新能源汽車工程中心為主的燃料電池轎車動力系統研發團隊和以清華大學汽車安全與節能國家重點實驗室為主的燃料電池客車動力系統研發團隊在車用燃料電池動力系統平臺技術方面取得重要進展。轎車動力系統技術平臺采用燃料電池-動力電池混合驅動的構型方案,形成了千套級燃料電池轎車動力系統平臺的集成能力。燃料電池客車形成的燃料電池-動力電池動力系統技術平臺,攻克了制動能量回收、蓄電池系統熱電管理技術、雙燃料電池堆獨立運行等瓶頸技術,建立了碰撞-氫-電等多因素構成的新的汽車安全技術體系,完成了國內第一例客車用氫-電系統的整車碰撞試驗。

燃料電池系統

我國在車用燃料電池系統技術方面,初步掌握了燃料電池的材料、部件及電堆的關鍵技術,基本建立了具有自主知識產權的車用燃料電池技術平臺。我國車用燃料電池電堆的功率密度已達2.0kW/L,掌握了-20℃低溫啟動技術,燃料電池轎車道路工況運行壽命超過3000h。國內從事車用燃料電池技術研究的機構包括大連化學物理研究所、武漢理工大學、清華大學、上海交通大學、同濟大學、中南大學等諸多高校和科研院所,經過國家科技計劃的支持,在車用燃料電池關鍵材料、部件及電堆研究等方面都取得了明顯的進展,從發表的研究結果來看,在催化劑、炭紙、膜電極和雙極板的關鍵技術指標接近國外先進水平。

國內從事車用燃料電池系統產品開發的單位主要有新源動力股份有限公司、上海神力科技有限公司、武漢理工新能源有限公司。質子交換膜、催化劑、炭紙、膜電極和雙極板的關鍵技術指標接近國外先進水平,但是從這些技術和材料在燃料電池汽車開發中的應用效果來看,存在著技術開發不充分、產品實現方面能力不足、缺乏批量生產能力等問題。在產業層面上,我國還不具備完整的燃料電池電堆產業鏈,燃料電池關鍵材料主要依賴進口,從事燃料電池電堆相關業務的企業數量少、投入小,技術開發和制造能力與國外先進水平差距比較明顯。

氫氣基礎設施

我國已具備設計建設70MPa加氫站的能力(包括固定站和移動站),關鍵設備國產化取得重大進展,相關標準法規也在逐步完善中。目前國內運行的加氫站有5座,分別位于北京,上海、佛山.大連和鄭州。北京加氫站具備站外供氫、站內天然氣重整制氫和站內電解水制氫三種供氫方式,加注壓力為35MPa;上海加氫站采用外供氫方式,以上海地區的工業副產氫氣為氣源,加注壓力70MPa。

從氫能的來源方面,目前我國存在的焦爐氣和工業副產氣中含有大量的氫,同時可再生能源,如棄風棄電棄水,也可以作為制取氫氣的來源。


六、燃料電池汽車及產業化發展趨勢分析

6.1 燃料電池汽車發展趨勢

車用燃料電池技術發展方向逐漸明確,各大汽車廠商繼續進行新一代燃料電池技術的研發,目標是降低制造成本和提高可靠性與耐久性。燃料電池汽車技術發展的趨勢表現為:

燃料電池模塊化和系列化

為了便于提高可靠性和壽命,并降低成本,燃料電池發展出現模塊化趨勢。單個燃料電池模塊的功率范圍被界定在一定的范圍之內,通過模塊的組裝,實現不同車輛對燃料電池功率等級的要求。

燃料電池汽車動力系統混合化

在目前的燃料電池汽車動力系統中,已經不再采用最初的動力方案,而是燃料電池系統與動力蓄電池混合驅動的方式。這種混合動力驅動方案最早被我國科技人員采用,可有效提高燃料電池的壽命、降低車輛成本,已被國外廣泛采納。

車載能源載體氫氣化 來源多樣化、

經過對各種能源載體的比較和考核,基本摒棄了基于車載各種化石燃料重整制氫的技術途徑,更多得采用了車輛直接儲存氫氣的方案,儲存方式以高壓氣態為主;而氫氣制取在制氫站完成,采取了基于本地資源特點的多種制氫途徑。

燃料電池汽車產業聯盟化

在汽車制造行業,燃料電池技術通常是自己研發,但目前燃料電池汽車產業發展正在突破這種常規發展模式。目前,汽車整車生產企業與燃料電池生產廠家加強了技術整合。汽車整車生產廠商與燃料電池生產企業的合作共贏成為了燃料電池汽車發展的一種重要模式。

6.2 產業化發展趨勢

氫能源優勢突出,是未來能源綠色體系的重要組成。作為一種戰略性高效清潔能源,氫能源產業的發展受到世界各國廣泛關注和重視。

目前,世界各國紛紛制定和出臺一系列的政策、規劃,明確氫能產業發展路線圖,投入巨額財政資金用于氫能與燃料電池技術的研發,同時啟動氫能與燃料電池的示范應用項目,并不斷完善配套加氫站等基礎設施的建設。伴隨著燃料電池商業化進程加快,世界各國愈加重視氫能與燃料電池產業的發展,政策導向性更加明確。另外,為了推動氫能產業發展,各國開始加強聯盟合作,如荷蘭、丹麥、瑞典、法國、英國與德國六國已經達成共同開發推廣氫能源汽車的協議,這些國家間聯盟合作或成為國外氫能產業合作的新趨勢。

氫燃料電池汽車開啟產業化

從技術方面來看,歐美日等發達國家大多已完成燃料電池汽車基本性能的研發階段,解決了若干關鍵技術問題,在整車性能、可靠性、壽命和環境適應性等方面均與傳統汽車相當。成本方面,燃料電池系統成本持續下降,整車成本從2005年之前的100 萬美元到現在的5-10萬美元,在可接受范圍。基礎設施方面,各國政府和企業紛紛制定相應的加氫站建設計劃,以保障燃料電池汽車加氫需求。綜合來看,氫燃料電池汽車產業化條件已經具備。

目前,世界主要汽車制造商均設定了燃料電池汽車的商業化時間,其中豐田已于14年12月15日在日本國內開始銷售其燃料電池汽車Mirai,并計劃2015年登陸歐美市場。通用、福特、奔馳都將在3年內推出量產車型,寶馬和日產均有2020年前推出氫燃料電池商品車計劃。因此,2015年被視為氫燃料電池汽車的市場化元年,產業化黎明到來,2020年被看作市場啟動年,屆時將大規模生產氫燃料電池汽車。

氫燃料電池汽車開啟產業化

工業化和商業化的絕大多數問題都可以歸結到成本之上,燃料電池亦不例外。近10 年來,燃料電池的成本控制一直是研究機構和實業界最重要的目標之一。根據DOE的估算,基于2013 年的技術水平,在年產50000套的規模下,車用80kW功率的PEMFC 燃料電池成本降低到55美元/kW,較之2002年的275美元/kW下降了80%,這一數字已經逐步接近美國能源部設定的2017年成本目標:$30/kW。

預計隨著氫能與燃料電池、關鍵材料等技術的逐步成熟,氫燃料電池系統的成本繼續呈現下降趨勢,將更加有利于氫燃料電池系統產品的產業化和商業化。

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