鉅大LARGE | 點擊量：927次 | 2021年12月24日
一篇文章看懂燃料動力電池
燃料動力電池，是一種重要通過氧或其他氧化劑進行氧化還原反應，把燃料中的化學能轉化成電能的電池。豐田燃料動力電池車上市腳步漸近，把燃料動力電池技術的應用再次帶進人們的視野。
燃料動力電池有多種類型，但是它們都有相同的工作模式。它們重要由三個相鄰區(qū)段組成：陽極、電解質和陰極。兩個化學反應發(fā)生在三個不同區(qū)段的接口之間。兩種反應的凈結果是燃料的消耗、水或二氧化碳的出現，和電流的出現，可以直接用于電力設備。
燃料動力電池按燃料類型可分為直接型、間接型和再生型；按電解質種類又可分為堿性燃料動力電池（AFC）、磷酸鹽型燃料動力電池（pAFC）、熔融碳酸鹽型燃料動力電池（MCFC）、固體氧化物型燃料動力電池（SOFC）和質子交換膜燃料動力電池（pEMFC）。
20多年來，燃料動力電池經歷了堿性、磷酸、熔融碳酸鹽和固體氧化物等幾種類型的發(fā)展階段，燃料動力電池的研究和應用正以極快的速度在發(fā)展。在所有燃料動力電池中，堿性燃料動力電池（AFC）發(fā)展速度最快，重要為空間任務，包括航天飛機供應動力和飲用水；質子交換膜燃料動力電池（pEMFC）已廣泛作為交通動力和小型電源裝置來應用；磷酸燃料動力電池（pAFC）作為中型電源應用進入了商業(yè)化階段，是民用燃料動力電池的首選；熔融碳酸鹽型燃料動力電池（MCFC）也已完成工業(yè)試驗階段；起步較晚的固態(tài)氧化物燃料動力電池（SOFC）作為發(fā)電領域最有應用前景的燃料動力電池，是未來大規(guī)模清潔發(fā)電站的優(yōu)選對象，100kW管式SOFC電站已經在荷蘭運行，Siemens和三菱重工都進行了SOFC發(fā)電系統的試驗研究。相比之下，SOFC、MCFC和pEMFC會是最有前景的技術路線。
氫燃料動力電池優(yōu)勢及產業(yè)鏈分析
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
氫燃料動力電池，即使用氫氣作為燃料，利用電解水的逆反應產電的一種燃料動力電池，是目前發(fā)展最好的燃料動力電池。
其工作原理即：將氫氣送到電池的陽極板，通過催化劑的用途，氫原子變成一個正電荷的氫離子和一個負電荷的電子，其中氫離子通過電解質到達陰極板，而電子不能通過電解質，而只能通過外部電路形成電流。電子到達陰極板后，與氧原子和氫離子重新結合為水。
氫燃料動力電池陰極板供給的氧可直接從空氣中獲得，因此僅需不斷給陽極板供應氫氣并及時把水帶走，氫燃料動力電池就可以不斷供應電能。相關于其他能源，氫燃料動力電池的發(fā)電過程無污染，能量轉換效率更高，且其燃料氫氣來源廣泛，可再生。
1、零污染
燃料動力電池屬于清潔能源的一部分，由于其反應過程就是無污染的水反應，反應過程不會出現污染物，其重要污染物來自于燃料，可能存在氮氧化物等污染。相關于普通火力發(fā)電的空氣污染以及傳統電池的重金屬污染而言，燃料動力電池對環(huán)境的污染程度遠遠降低。而氫燃料動力電池，其燃料為純凈無污染的氫氣，相對其他燃料而言，廢氣中也不存在污染物?？梢哉f，氫燃料動力電池就是一個能真正實現零污染的環(huán)保能源。
2、高效的能量轉換效率
燃料動力電池的發(fā)電效率也處于較高水平。在各種發(fā)電方式中，傳統火力發(fā)電效率在30%左右，遠低于燃料動力電池平均的40%-60%效率。而在汽車領域的應用中，燃料動力電池的效率可達60%，也高于目前汽車普遍使用的內燃機效率?？傮w而言，燃料動力電池的能量轉換效率在其類似替代能源中都處于較高水平。
3、易于獲得燃料
氫是宇宙中最常見的元素，氫及其同位素占到了太陽總質量的84%，宇宙質量的75%都是氫。氫分子在地球上不是以天然的氣體存在，大部分氫結合氧存在水中，可以說水資源在一定程度上代表了氫能的儲存量。
制氫的能源和燃料可以來自多種來源例如天然氣、核能、太陽能、風力、生物燃料、煤礦、其他化石燃油、地熱。目前氫氣重要是作為一種中間產品而生產的。重要是由化石能源天然氣（CH4）、原油（烴）或煤等原料，與水蒸汽在高下經蒸汽轉化法、部分氧化法、煤氣化法等工藝生成。
氫燃料動力電池重要包括電池組件和燃料兩個部分。因此其上游重要是氫氣供應以及電池零組件。氫氣供應部分重要是為燃料氫氣而準備的，重要流程包括氫氣生產、輸送和充氣機。而電池零組件部分則重要生產燃料動力電池組、氫氣存儲設備和配件。中游則是將上述組裝，形成一個完整的可投入使用的燃料動力電池系統，每種系統構成都依據其不同的應用領域而有所不同。下游的應用板塊則重要包括了固定、交通運輸和便攜式三個重要領域。
產業(yè)鏈的核心在于中游的燃料動力電池系統，系統的組成必定要對應下游的應用，而在燃料動力電池系統中，燃料動力電池模塊是最為重要的。一般燃料動力電池由電解質、催化劑和雙極板構成，在這三者中，催化劑的有無對燃料動力電池成本的影響最為巨大。關于pEMFC來說，由于其使用昂貴的鉑族金屬作為催化劑，其價格一直居高不下，可以說，催化劑是燃料動力電池價格的決定性因素之一。另一個重要的決定因素這是電解質，不同技術類型的燃料動力電池堆電解質的要求不同，不同的電解質的價格也會有所不同，并最終對燃料動力電池價格出現影響。
固定領域引領氫燃料動力電池市場
氫燃料動力電池早在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，氫燃料動力電池也逐步被運用于發(fā)電和汽車。現如今，伴隨各類電子智能設備的崛起以及新能源汽車的風靡，氫燃料動力電池重要應用于三大領域：固定領域、運輸領域、便攜式領域。
2012年，全球燃料動力電池系統的出貨量近3萬臺，同比上升約34%，相對2008年上升超過321%。而在其中，固定式燃料動力電池的上升最為顯著，從2008年的2000臺迅速上升至2012年的2.5萬臺。交運用燃料動力電池的發(fā)展則相對平穩(wěn)，在未來其發(fā)展的重要看點集中在輕型燃料動力電池電動汽車數量的新增和物料搬運設備市場的大幅上升。
在三個重要領域中，便攜式領域的發(fā)展幾乎處于停滯狀態(tài)，即使目前已有許多公司陸續(xù)推出手機用氫燃料動力電池，但就整體而言，該類產品的商業(yè)化尚未得到實現，未來發(fā)展還需很長時間。日本富士經濟公司針對產業(yè)和商業(yè)、家用、燃料動力電池車、叉車等驅動、便攜和應急以及便攜終端6個領域進行了調查，預測稱到2025年，全球市場總計將達到51843億日元，相當于2011年的74.2倍。
單就氫燃料動力電池產業(yè)來講，根據工研院IEK的統計，2011年全球氫能與燃料動力電池市場規(guī)模為10.3億美元，較2010年6.7億美元成長54%。日本日經bp清潔技術研究所日前公布的《世界氫能源基礎設施項目總覽》顯示，到2015年預計包括液化氫基地、管道、固定式燃料動力電池以及燃料動力電池車在內的全球氫能源基礎設施市場規(guī)模只有7萬億日元左右，但在2015年以后，氫能源基礎設施市場開始緩慢上升；而在2020年以后該市場會呈現加速上升態(tài)勢，到2025年，氫能源基礎設施家用市場的規(guī)模將超過商用。也正因為如此，在到2025年的5年內，該市場規(guī)模將實現倍增，預計達到約20萬億日元；到2050年將達到約160萬億日元（約合1.56萬億美元）。
固定式燃料動力電池市場包括多種尺寸和類型，重要用于各種固定位置的電力供應，包括重要應用于發(fā)電站、樓宇、工程等領域的大型首要電源、備用電源或熱電聯產（CHp），用于家庭住宅和商業(yè)的微型熱電聯產（CHp），以及遠程或基本應用例如電訊塔的首要或備用電源。固定式燃料動力電池重要包括MCpC、SOFC、pAFC和pEMFC。
在美國市場，美國本土的BloomEnergy,FuelCellEnergy，UTCpower和加拿大的BallardpowerSystems是該領域的重要生產公司。隨著各國政府對清潔能源的關注，固定式燃料動力電池近幾年的出貨量不斷攀升，根據pikeResearch的預測，到2022年固定式燃料動力電池的出貨量將達到35萬臺，相關于目前的2.1萬臺有一個巨幅的提升。
目前更多的行業(yè)在考慮使用燃料動力電池，希望在發(fā)生自然災害時，燃料動力電池可以獨立于電網發(fā)電。隨著對電的復原力需求的增強，以及全球越來越快地采用分布式發(fā)電技術，和家庭式熱電聯產的逐步普及，未來10年，固定式燃料動力電池產業(yè)將處于有利的引領地位。
在固定式燃料動力電池的應用中，各地區(qū)略有差別。對亞太地區(qū)而言，輔助電源（Auxpower）是目前占比最大的應用，其他重要應用則是備用電源(Backuppower)和熱電聯產（CHp）。在北美地區(qū)，備用電源（Backup）、熱電聯產（CHp）和分布式發(fā)電（DG）是三類重要的應用領域。無論是在亞太地區(qū)還是在北美地區(qū)，隨著家庭式熱電聯產的逐步普及，CHp的應用占比都將會逐步增大，并成為固定領域中的重要應用。分布式發(fā)電和備用電源則作為輔助應用，共同支撐固定領域發(fā)展。
運輸領域尋求突破
交通運輸領域的燃料動力電池細分有廣泛的應用，重要包括車輛，公交車，小型飛機，船只以及物料搬運設備等，使用的燃料動力電池類型僅僅是質子交換膜（pEMFC）。目前，交運領域實現商業(yè)化的重要是物料搬運設備領域，而全球幾家大型汽車制造商仍在繼續(xù)追求燃料動力電池輕型汽車的應用，并計劃與2015-2017年實現商業(yè)化。北美的plugpower和加拿大BallardpowerSystems是該領域的重要廠商。
高效環(huán)保低成本的氫燃料動力電池叉車為運輸領域的核心應用。叉車是工業(yè)搬運車輛，是指對成件托盤貨物進行裝卸、堆垛和短距離運輸作業(yè)的各種輪式搬運車輛，是物料搬運設備的一種。目前，叉車是交通運輸領域中實現商業(yè)化較為活躍的重要品種。其重要生產商為plugpower公司。
叉車上的動力來源重要是電池。較常用的為鉛酸電池，而目前燃料動力電池正取代鉛酸電池成為電動叉車的重要能量。在高流通量的配送中心和倉庫環(huán)境中，與傳統充電電池系統相比，零排放燃料動力電池叉車體現了經濟、實用、環(huán)保。
燃料動力電池叉車的優(yōu)勢在于：通過恒功率輸出和充氫氣時間短顯著提高叉車的生產率。鉛酸電池的性能有限，過長的充電時間導致其效率低下。與之相比，燃料動力電池由于燃料補給迅速，且具有更長的使用壽命而備受關注。提高生產效率的同時，燃料動力電池叉車還可以降低運營成本。
例如，沃爾瑪超市在加拿大阿爾伯塔省的冷藏配送中心部署了95輛燃料動力電池叉車。與傳統的充電電池動力叉車相比，該項目在7年內將減少運行成本110萬美元。沃爾瑪現在已有超過500輛燃料動力電池叉車運行在包括冷凍設施在內的三個倉庫中運行。其余使用plugpower公司的GenDrive系統的客戶包括：寶潔公司部署在四個站點的340個燃料動力電池叉車系統；思科部署在7個站點的超過600個系統；可口可樂公司部署在2個站點的96個系統。2008年時全美燃料動力電池叉車的總數才幾百輛，而到2012年時在19個州近40個城市共擁有4000多輛，燃料動力電池叉車在美國開始迅猛發(fā)展。
燃料動力電池叉車市場的供應商重要有H2Logic,Hydrogenics,NuveraFuelCells,Oorjaprotonics和plugpower。其中plugpower是最大的供應商，其市場份額約為80%。
使用燃料動力電池叉車的公司目前來看多為大公司，這部分是因為燃料動力電池叉車的售價高于普通叉車。就2012年的重要訂購商來看，重要集中在世界500強公司，其中又以零售業(yè)為主。
作為燃料動力電池叉車大廠商的plugpower公司在2013年第四季度接受了來自沃爾瑪、寶潔、寶馬等公司的訂單，訂單量較以往有較大增幅，截止目前，plugpower公司已累計供應4500多套叉車系統，且隨著2013年第四季度訂單的爆發(fā)，燃料動力電池在叉車領域的應用還將進一步擴展。
燃料動力電池車離產業(yè)化仍有不小距離
成本：發(fā)展的首要阻礙
燃料動力電池車目前普及度非常低，國外的燃料動力電池大巴目前售價在100萬美元上下，而特斯拉的“貴族”電動汽車ModelS售價也才為73萬人民幣，兩廂比較下，燃料動力電池車的價格實在高出許多。但目前豐田、上汽等集團都公布了燃料動力電池車生產宣告，預計將于2015年上市，豐田的目標定價在5萬美元，而上汽的成本預計在50萬人民幣，若屆時能達到目標價位，則燃料動力電池車發(fā)展可待。燃料動力電池車成本中2/3是燃料動力電池系統的花費，目前燃料動力電池系統的成本下降速度很快，也還存在下降空間。全球領先的燃料動力電池技術公司~巴拉德動力系統也已開發(fā)出第7代燃料動力電池電堆HD7，該電堆的成本比上一代的HD6要減少75%。
燃料動力電池車使用的是質子交換膜電池。在pEMFC中，貴重金屬催化劑鉑的使用劑量在逐步降低，再加上電解槽等成本的降低，使得pEMFC的成本不斷降低。根據美國能源部數據，2012年交通運輸用燃料動力電池的成本為47美元/千瓦，相比2002年的估計成本下降了82.9%，且在逐年的下降中，成本價已接近美國能源部設定的2017年的目標價30美元/千瓦。根據英國碳信托咨詢公司的報告，若燃料動力電池汽車要規(guī)模化生產，其成本需達到36美元/千瓦才能與內燃機汽車競爭。而根據目前pEMFC成本的下降趨勢以及目前的技術進步，該目標價位即有可能在2017年之前達成，屆時燃料動力電池汽車就可以批量化生產。
加氫站：要時間積累的必備配套任務
加氫站建設難也是制約燃料動力電池汽車發(fā)展的另一大因素。和建設鋰離子電池電動汽車所需的充電樁不相同，建設加氫站的可操作性難度非常高，除了要較大的空間外，還要做環(huán)評、安評等一系列工作。全球加氫設施的發(fā)展重要集中在三大區(qū)域：北美、歐洲和日本，整個加氫站建設的密度將與燃料動力電池汽車的市場導入量相匹配。目前而言，我國僅有一個加氫站，加氫站不僅遠遠低于美國數量，也遠遠低于臨近的韓國和日本，可以說國內在加氫站建設上還有很長的路要走。
預計到2014年，美國西海岸和東海岸的加氫站將分別達到37個，到2015年西海岸計劃新建68個，東海岸到2020年則要建成100個。歐洲地區(qū)以德國、法國為核心，德國的目標是到2020年要實現加氫站境內全覆蓋。日本則要在2015年將加氫站數目擴大到100個，東京、大阪等四個人口比較集中的城市里加氫站要實現全覆蓋。發(fā)達地區(qū)加氫站的建設與其燃料動力電池車的發(fā)展相匹配，在這些地區(qū)，燃料動力電池車在2015年左右實現將不再是幻想。
氫燃料動力電池VS鋰離子電池：誰是贏家？
鋰離子電池是一類由鋰金屬或鋰合金為負極材料、使用非水電解質溶液的電池，使用以下反應：Li+MnO2=LiMnO2,該反應為氧化還原反應，放電。由于鋰金屬的化學特性非?；顫?，使得鋰金屬的加工、保存、使用，對環(huán)境要求非常高。鋰離子電池的歷史可以追溯到70年代，是目前應用最廣泛的電池，特斯拉電動汽車使用的就是鋰離子電池。
鋰離子電池和燃料動力電池相比較，鋰離子電池的優(yōu)勢在于更安全、成本更低；而燃料動力電池的優(yōu)勢則在于充電時間更短、能量密度更高。從目前的技術看，氫燃料動力電池要新建一個產業(yè)鏈來支撐，這要很長的時間和大量的投資。而鋰離子電池從發(fā)明以來，隨著技術的進步和產業(yè)化的擴充，每年都有小幅度的降價和容量提升。日本在2005年就開發(fā)出來了性能比特斯拉ModelS更優(yōu)異的Eliica，但是當時鋰離子電池的高昂價格注定這個產品只是試驗品。而目前特斯拉電動汽車火爆全球，比亞迪正在開發(fā)性能不遜色于特斯拉ModelS的E9，寶馬混合動力的i3、i8都要上市，保時捷918也已經預訂。這都說明2013年鋰離子電池的價格已經降低到一個可以接受的范圍。未來幾年，隨著鋰離子電池價格的進一步下降和容量的進一步提升，電動汽車的普及度有望進一步提升。總而言之，短時間來看鋰離子電池主導的電動汽車會是重要方向，氫燃料動力電池則要長期的發(fā)展，但有望后來居上。
小結：燃料動力電池車突破只是時間問題
目前多家汽車供應商已將氫燃料動力電池列入計劃，預計最早于2015年將會有氫燃料動力電池車投放市場。通用汽車和豐田等多家車企巨頭各自同合作伙伴簽訂合作開發(fā)燃料動力電池協議，計劃未來數年內推出燃料動力電池車投入實用。
豐田于2011年在東京車展上就亮相了FCV-R氫燃料動力電池概念車，今年東京車展則將展出量產型號，另外豐田公司同寶馬簽署協議在四個領域進行合作，其中就包括于2020年爭取推廣及普及燃料動力電池車。除了豐田，通用汽車和本田汽車宣布將聯合開發(fā)下一代燃料動力電池技術，以便2020年投放到市場。韓國現代汽車已經率先投產燃料動力電池車；2013年一月份戴勒姆、福特與雷諾簽訂協議共同開發(fā)燃料動力電池系統，預計于2017年推出第一款燃料動力電池新車；三月份大眾與Ballard也簽訂合作協議，并于今年八月開始對奧迪A7燃料動力電池汽車進行測試。
各大汽車公司除了紛紛宣告新汽車的推出外，在燃料動力電池車研制領域也在快馬加鞭。根據美國近年來燃料動力電池專利持有情況來看，各大汽車公司在近幾年都加大了對燃料動力電池的研發(fā)投入，專利數目節(jié)節(jié)攀升，2012年豐田公司更是以144項專利位居榜首。激烈的專利競爭為燃料動力電池車的順利推出也奠定了技術基礎，現在要的只是時間，來講技術推向市場。
目前燃料動力電池車仍在開發(fā)及測試階段，距離量產仍有兩三年時間。燃料動力電池車初期售價可能會偏高，不過隨著技術逐步成熟，加上有政府補貼或免稅等優(yōu)惠，價格將會慢慢進入大眾可接受范圍之內?？紤]到燃料動力電池高效、環(huán)保及安全等諸多優(yōu)點，氫燃料動力電池車仍然值得我們期待。
