鉅大LARGE | 點擊量：620次 | 2022年09月06日
一篇文章看懂燃料動力鋰電池
燃料動力電池，是一種重要通過氧或其他氧化劑進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，把燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)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(shù)的應(yīng)用再次帶進(jìn)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(zhì)和陰極。兩個化學(xué)反應(yīng)發(fā)生在三個不同區(qū)段的接口之間。兩種反應(yīng)的凈結(jié)果是燃料的消耗、水或二氧化碳的出現(xiàn)，和電流的出現(xiàn)，可以直接用于電力設(shè)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(zhì)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(zhì)子交換膜燃料動力電池（pEMFC）。
20多年來，燃料動力電池經(jīng)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(yīng)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(wù)，包括航天飛機供應(yīng)動力和飲用水；質(zhì)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(yīng)用；磷酸燃料動力電池（pAFC）作為中型電源應(yīng)用進(jìn)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(lǐng)域最有應(yīng)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(jīng)在荷蘭運行，Siemens和三菱重工都進(jìn)行了SOFC發(fā)電系統(tǒng)的試驗研究。相比之下，SOFC、MCFC和pEMFC會是最有前景的技術(shù)路線。
氫燃料動力電池優(yōu)勢及產(chǎn)業(yè)鏈分析
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
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(yīng)產(chǎn)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(fù)電荷的電子，其中氫離子通過電解質(zhì)到達(dá)陰極板，而電子不能通過電解質(zhì)，而只能通過外部電路形成電流。電子到達(dá)陰極板后，與氧原子和氫離子重新結(jié)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(yīng)氫氣并及時把水帶走，氫燃料動力電池就可以不斷供應(yīng)電能。相關(guān)于其他能源，氫燃料動力電池的發(fā)電過程無污染，能量轉(zhuǎn)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(yīng)過程就是無污染的水反應(yīng)，反應(yīng)過程不會出現(xiàn)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(guān)于普通火力發(fā)電的空氣污染以及傳統(tǒng)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(xiàn)零污染的環(huán)保能源。
2、高效的能量轉(zhuǎn)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(tǒng)火力發(fā)電效率在30%左右，遠(yuǎn)低于燃料動力電池平均的40%-60%效率。而在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用中，燃料動力電池的效率可達(dá)60%，也高于目前汽車普遍使用的內(nèi)燃機效率?？傮w而言，燃料動力電池的能量轉(zhuǎn)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(zhì)量的84%，宇宙質(zhì)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(jié)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(fēng)力、生物燃料、煤礦、其他化石燃油、地?zé)?。目前氫氣重要是作為一種中間產(chǎn)品而生產(chǎn)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(jīng)蒸汽轉(zhuǎn)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(yīng)以及電池零組件。氫氣供應(yīng)部分重要是為燃料氫氣而準(zhǔn)備的，重要流程包括氫氣生產(chǎn)、輸送和充氣機。而電池零組件部分則重要生產(chǎn)燃料動力電池組、氫氣存儲設(shè)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(tǒng)，每種系統(tǒng)構(gòu)成都依據(jù)其不同的應(yīng)用領(lǐng)域而有所不同。下游的應(yīng)用板塊則重要包括了固定、交通運輸和便攜式三個重要領(lǐng)域。
產(chǎn)業(yè)鏈的核心在于中游的燃料動力電池系統(tǒng)，系統(tǒng)的組成必定要對應(yīng)下游的應(yīng)用，而在燃料動力電池系統(tǒng)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(zhì)、催化劑和雙極板構(gòu)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(guān)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(zhì)，不同技術(shù)類型的燃料動力電池堆電解質(zhì)的要求不同，不同的電解質(zhì)的價格也會有所不同，并最終對燃料動力電池價格出現(xiàn)影響。
固定領(lǐng)域引領(lǐng)氫燃料動力電池市場
氫燃料動力電池早在20世紀(jì)60年代就因其體積小、容量大的特點而成功應(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，氫燃料動力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(shè)備的崛起以及新能源汽車的風(fēng)靡，氫燃料動力電池重要應(yīng)用于三大領(lǐng)域：固定領(lǐng)域、運輸領(lǐng)域、便攜式領(lǐng)域。
2012年，全球燃料動力電池系統(tǒng)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(shù)量的新增和物料搬運設(shè)備市場的大幅上升。
在三個重要領(lǐng)域中，便攜式領(lǐng)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(chǎn)品的商業(yè)化尚未得到實現(xiàn)，未來發(fā)展還需很長時間。日本富士經(jīng)濟公司針對產(chǎn)業(yè)和商業(yè)、家用、燃料動力電池車、叉車等驅(qū)動、便攜和應(yīng)急以及便攜終端6個領(lǐng)域進(jìn)行了調(diào)查，預(yù)測稱到2025年，全球市場總計將達(dá)到51843億日元，相當(dāng)于2011年的74.2倍。
單就氫燃料動力電池產(chǎn)業(yè)來講，根據(jù)工研院IEK的統(tǒng)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(jīng)bp清潔技術(shù)研究所日前公布的《世界氫能源基礎(chǔ)設(shè)施項目總覽》顯示，到2015年預(yù)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(nèi)的全球氫能源基礎(chǔ)設(shè)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(chǔ)設(shè)施市場開始緩慢上升；而在2020年以后該市場會呈現(xiàn)加速上升態(tài)勢，到2025年，氫能源基礎(chǔ)設(shè)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(nèi)，該市場規(guī)模將實現(xiàn)倍增，預(yù)計達(dá)到約20萬億日元；到2050年將達(dá)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(yīng)，包括重要應(yīng)用于發(fā)電站、樓宇、工程等領(lǐng)域的大型首要電源、備用電源或熱電聯(lián)產(chǎn)（CHp），用于家庭住宅和商業(yè)的微型熱電聯(lián)產(chǎn)（CHp），以及遠(yuǎn)程或基本應(yīng)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(lǐng)域的重要生產(chǎn)公司。隨著各國政府對清潔能源的關(guān)注，固定式燃料動力電池近幾年的出貨量不斷攀升，根據(jù)pikeResearch的預(yù)測，到2022年固定式燃料動力電池的出貨量將達(dá)到35萬臺，相關(guān)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(zāi)害時，燃料動力電池可以獨立于電網(wǎng)發(fā)電。隨著對電的復(fù)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(shù)，和家庭式熱電聯(lián)產(chǎn)的逐步普及，未來10年，固定式燃料動力電池產(chǎn)業(yè)將處于有利的引領(lǐng)地位。
在固定式燃料動力電池的應(yīng)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(yīng)用，其他重要應(yīng)用則是備用電源(Backuppower)和熱電聯(lián)產(chǎn)（CHp）。在北美地區(qū)，備用電源（Backup）、熱電聯(lián)產(chǎn)（CHp）和分布式發(fā)電（DG）是三類重要的應(yīng)用領(lǐng)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(lián)產(chǎn)的逐步普及，CHp的應(yīng)用占比都將會逐步增大，并成為固定領(lǐng)域中的重要應(yīng)用。分布式發(fā)電和備用電源則作為輔助應(yīng)用，共同支撐固定領(lǐng)域發(fā)展。
運輸領(lǐng)域?qū)で笸黄?/strong>
交通運輸領(lǐng)域的燃料動力電池細(xì)分有廣泛的應(yīng)用，重要包括車輛，公交車，小型飛機，船只以及物料搬運設(shè)備等，使用的燃料動力電池類型僅僅是質(zhì)子交換膜（pEMFC）。目前，交運領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)商業(yè)化的重要是物料搬運設(shè)備領(lǐng)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(yīng)用，并計劃與2015-2017年實現(xiàn)商業(yè)化。北美的plugpower和加拿大BallardpowerSystems是該領(lǐng)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(lǐng)域的核心應(yīng)用。叉車是工業(yè)搬運車輛，是指對成件托盤貨物進(jìn)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(shè)備的一種。目前，叉車是交通運輸領(lǐng)域中實現(xiàn)商業(yè)化較為活躍的重要品種。其重要生產(chǎn)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(tǒng)充電電池系統(tǒng)相比，零排放燃料動力電池叉車體現(xiàn)了經(jīng)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(chǎn)率。鉛酸電池的性能有限，過長的充電時間導(dǎo)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(guān)注。提高生產(chǎn)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(tǒng)的充電電池動力叉車相比，該項目在7年內(nèi)將減少運行成本110萬美元。沃爾瑪現(xiàn)在已有超過500輛燃料動力電池叉車運行在包括冷凍設(shè)施在內(nèi)的三個倉庫中運行。其余使用plugpower公司的GenDrive系統(tǒng)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(tǒng)；思科部署在7個站點的超過600個系統(tǒng)；可口可樂公司部署在2個站點的96個系統(tǒng)。2008年時全美燃料動力電池叉車的總數(shù)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(yīng)商重要有H2Logic,Hydrogenics,NuveraFuelCells,Oorjaprotonics和plugpower。其中plugpower是最大的供應(yīng)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(yīng)4500多套叉車系統(tǒng)，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(lǐng)域的應(yīng)用還將進(jìn)一步擴展。
燃料動力電池車離產(chǎn)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(chǎn)宣告，預(yù)計將于2015年上市，豐田的目標(biāo)定價在5萬美元，而上汽的成本預(yù)計在50萬人民幣，若屆時能達(dá)到目標(biāo)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(tǒng)的花費，目前燃料動力電池系統(tǒng)的成本下降速度很快，也還存在下降空間。全球領(lǐng)先的燃料動力電池技術(shù)公司~巴拉德動力系統(tǒng)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(zhì)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(jù)美國能源部數(shù)據(jù)，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(shè)定的2017年的目標(biāo)價30美元/千瓦。根據(jù)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(chǎn)，其成本需達(dá)到36美元/千瓦才能與內(nèi)燃機汽車競爭。而根據(jù)目前pEMFC成本的下降趨勢以及目前的技術(shù)進(jìn)步，該目標(biāo)價位即有可能在2017年之前達(dá)成，屆時燃料動力電池汽車就可以批量化生產(chǎn)。
加氫站：要時間積累的必備配套任務(wù)
加氫站建設(shè)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(shè)鋰離子電池電動汽車所需的充電樁不相同，建設(shè)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(shè)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(shè)的密度將與燃料動力電池汽車的市場導(dǎo)入量相匹配。目前而言，我國僅有一個加氫站，加氫站不僅遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于美國數(shù)量，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于臨近的韓國和日本，可以說國內(nèi)在加氫站建設(shè)上還有很長的路要走。
預(yù)計到2014年，美國西海岸和東海岸的加氫站將分別達(dá)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(biāo)是到2020年要實現(xiàn)加氫站境內(nèi)全覆蓋。日本則要在2015年將加氫站數(shù)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(xiàn)全覆蓋。發(fā)達(dá)地區(qū)加氫站的建設(shè)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(xiàn)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(fù)極材料、使用非水電解質(zhì)溶液的電池，使用以下反應(yīng)：Li+MnO2=LiMnO2,該反應(yīng)為氧化還原反應(yīng)，放電。由于鋰金屬的化學(xué)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(yīng)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(shù)看，氫燃料動力電池要新建一個產(chǎn)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(shù)的進(jìn)步和產(chǎn)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(dāng)時鋰離子電池的高昂價格注定這個產(chǎn)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(jīng)預(yù)訂。這都說明2013年鋰離子電池的價格已經(jīng)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(jìn)一步下降和容量的進(jìn)一步提升，電動汽車的普及度有望進(jìn)一步提升?？偠灾?，短時間來看鋰離子電池主導(dǎo)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(jié)：燃料動力電池車突破只是時間問題
目前多家汽車供應(yīng)商已將氫燃料動力電池列入計劃，預(yù)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(xié)議，計劃未來數(shù)年內(nèi)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(chǎn)型號，另外豐田公司同寶馬簽署協(xié)議在四個領(lǐng)域進(jìn)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(lián)合開發(fā)下一代燃料動力電池技術(shù)，以便2020年投放到市場。韓國現(xiàn)代汽車已經(jīng)率先投產(chǎn)燃料動力電池車；2013年一月份戴勒姆、福特與雷諾簽訂協(xié)議共同開發(fā)燃料動力電池系統(tǒng)，預(yù)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(xié)議，并于今年八月開始對奧迪A7燃料動力電池汽車進(jìn)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(lǐng)域也在快馬加鞭。根據(jù)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(shù)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(shù)基礎(chǔ)，現(xiàn)在要的只是時間，來講技術(shù)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(chǎn)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(shù)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(jìn)入大眾可接受范圍之內(nèi)?？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。
