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燃料电池技术发展现状及应用

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一、燃料电池行业军民融合发展情况

燃料电池是将燃料中的化学能直接转化为电能的装置,所用燃料以氢为主,还可使用甲醇、乙醇等,具有效率高(达60%)、噪声低、污染小、应用广等优点。燃料电池为模块化设计,改变单电池或电堆数量就能形成不同功率等级的动力系统,军民通用性好。

按照电解质类型划分,燃料电池可分为质子交换膜燃料电池(PEMFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)、碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、直接甲醇燃料电池(DMFC)等。其中,质子交换膜燃料电池运行温度低、启动快,适用于潜艇、汽车等需要频繁起停和变工况运行的情况,是目前发展的重点。从近五年数据看,不论是装机容量或交货量,质子交换膜燃料电池均占主要地位。2017年,质子交换膜燃料电池装机容量约490兆瓦,其中近90%用于交通运输。

按照用途划分,燃料电池可用于便携式设备(1W~20kW)、固定式发电(0.5kW~2MW)和交通运输(1kW~300kW)领域。其中,交通运输用燃料电池(汽车、火车、潜艇、无人系统)近年增长迅速,2017年装机容量占总装机容量的50%,约455兆瓦。其中,日本丰田和本田公司、韩国现代公司的产品数量超过3000台,装机容量近350兆瓦,占交通运输用燃料电池装机容量的75%。

氢源是燃料电池应用的关键,目前主要通过石油、天然气、甲烷等裂解制备氢气。此外,还可在合成氨、合成甲醇、石油炼制等过程中,将氢气作为一种副产品生产和分离;或利用甲醇、氨等分解制氢;或利用水电解制氢,目前应用较广、技术比较成熟,但能耗过高。储氢方式包括高压氢气、金属氢化物、液氢三种。高压氢气(使用35Mpa或70Mpa储氢罐)用于汽车、无人机等多数领域;金属氢化物安全性好,多用于潜艇;液氢储存困难,用于火箭发动机,燃料电池使用较少。

(一)燃料电池的军事应用包括潜艇AIP(不依赖空气推进)、无人潜航器、无人机等

燃料电池AIP已装艇使用,占国外潜艇AIP系统使用总量的60%,是潜艇AIP的重要发展方向。德国的212型/214型潜艇、俄罗斯第五代常规艇(在建)、西班牙S80潜艇(在建)、法国“短鳍梭鱼”型潜艇(设计阶段)均已使用或确定使用燃料电池AIP+柴油机动力型式。日本防卫省也在研发潜艇燃料电池动力系统,很可能用于下一代潜艇。

燃料电池AIP在效率、隐身性、续航力等方面具有明显优势。与热气机、闭循环蒸汽轮机等AIP系统相比,燃料电池的优势主要体现在:①效率高达60%,约为其他AIP动力系统的2倍,耗氧量低;②不使用旋转或往复运动系统,机械噪声小,声隐身性好;③质子交换膜燃料电池工作温度低于200℃,排气温度低,红外隐身性好。与锂离子电池相比,只要潜艇携带足够多的氢气(或其他燃料),燃料电池系统的续航力理论上可远高于锂离子电池。

无人潜航器可使用燃料电池代替蓄电池,提高续航力。目前无人潜航器续航力仅为10-40小时,已经成为限制其大规模部署的瓶颈问题,美国海军研究署希望通过燃料电池技术,将无人潜航器续航力提高至70天,相关系统仍处于研发阶段。

燃料电池适用于中小型无人机,可提高续航力、降低故障率。美海军“离子虎”无人机使用550W的燃料电池后,续航力为26小时,是同等重量蓄电池的6.5倍。美军“扫描鹰”无人机换装燃料电池系统后,故障率降低至1/5。

(二)燃料电池的商业应用包括汽车、固定式发电等。

与纯电动车相比,燃料电池汽车的续航里程长、加氢时间短,日本发展最为迅速。已上市的燃料电池汽车包括丰田Mirai燃料电池汽车、本田Clarity燃料电池汽车、现代ix 35燃料电池版。美国通用汽车公司也与陆军装备司令部坦克机动车辆研发与工程中心(TARDEC)联合研发了雪佛兰科罗拉多ZH2燃料电池汽车,用于夏威夷军事基地。此外,戴姆勒、宝马、大众等车企也在研发车用燃料电池。丰田Mirai于2015年上市,是最早开始商业化的燃料电池汽车,有出售和租赁两种销售模式,售价目前约6万美元左右(政府还会补贴约2万美元),续航力约600公里,性能媲美汽油车。

燃料电池固定式发电应用包括发电站、家用热电联产系统、备用电源等。燃料电池发电站以美国、韩国发展最为迅速。韩国建成了多个燃料电池发电厂,其中华城燃料电池园是目前世界最大的燃料电池发电站,配备21座功率为2.8MW的燃料电池(美国燃料电池能源公司提供技术支持),总功率达到59MW,可为13.5万户家庭提供电力。家用热电联产系统从城市煤气中制氢,由燃料电池发电,产生的热量用于加热水,可以不依赖电网独立运行。主要产品包括日本的Ene. Farm系统和欧洲的Ene. Field系统。燃料电池还可用作通信基站或发电厂备用电源,在恶劣天气下保证通信和电力供应。

二、国内外产业发展现状

国外燃料电池供应商主要分布在美国、日本、欧洲、澳大利亚,已经形成了制氢、储(运)氢、燃料电池组件及组装、燃料电池应用的全产业链体系。国外质子交换膜燃料电池巨头包括加拿大巴拉德公司、美国普拉格能源公司等,涵盖固定式发电、叉车和汽车燃料电池等领域;固体氧化物燃料电池公司主要包括美国BE布卢姆能源公司和澳大利亚CFCL公司,涵盖新能源分布式发电和小规模热电联产等领域。车用燃料电池是当前发展热点,以日本丰田为代表的日本、德国、韩国公司已经推出车用燃料电池产品,丰田公司计划至2020年将燃料电池汽车销量提高至3万辆。军用产品方面,德国西门子公司、美国UTC公司、巴拉德公司下属的Protonex公司等已经为潜艇、无人潜航器、无人机发展了燃料电池动力系统,部分已经装备使用。

我国从上世纪50年代开始发展燃料电池,经过“七五”到“十二五”的多年发展,国内在质子交换膜燃料电池的各组件研发方面均取得了较大的进展,其中催化剂(清华大学、长春应用化学研究所等)、质子交换膜(清华大学等)、双极板(天津电源研究所、大连化学物理研究所等)、电解质(吉林大学、上海交通大学等)均有所突破,也初步形成了以大连新源动力、上海神力科技、三环集团等为代表的燃料电池研制生产企业,但总体来看仍存在一些问题。

(一)国内燃料电池核心组件和关键系统辅件仍依赖进口,不具备批量生产能力,成本居高不下。燃料电池的核心组件包括电解质膜、催化剂、气体扩散层、双极板等,系统辅件包括空压机、增湿器、氢循环系统、电源转换器。其中,质子交换膜由美国杜邦公司、3M公司、日本旭化成公司、比利时索尔维公司等国外巨头垄断;燃料电池需使用铂催化剂,且要从美国3M公司、英国庄信万丰公司、德国BASF公司、日本田中公司、比利时优美科公司等进口,成本很高;气体扩散层(碳纸)方面,日本东丽公司、加拿大巴拉德公司、德国SGL公司等厂商已具备流水线生产能力,国内仍未大规模批产;我国在燃料电池系统辅件中的加湿器、氢循环系统方面处于空白状态,全部依赖进口。以目前最常用的杜邦公司Nafion质子交换膜为例,成本约为400美元/m2,一般每辆氢燃料电池汽车需要20m2的质子交换膜,整车仅质子交换膜成本就需8000美元(约5.3万人民币),燃料电池整体成本居高不下。

(二)国产燃料电池的寿命、功率密度、低温冷启动等性能与国外仍有一定差距。目前国产燃料电池寿命目前普遍不足3000小时,而国外可达10000小时;国内燃料电池系统功率密度仅为260W/kg,国外可达650W/kg;国内系统最低启动温度需-10℃,而国外可低至-30℃。

(三)国内生产规模远低于国外。国外质子交换膜燃料电池的主要承包商包括加拿大巴拉德公司、美国普拉格能源公司和加拿大Hydrogenics公司等,业务全面涵盖汽车动力和固定式电源领域,仅巴拉德一家公司的燃料电池年出货容量就达到250MW,而国内仍未形成产业规模,年出货容量不足20MW。

(四)国内军用燃料电池仍处于试验阶段,而国外早已使用。德国早在2005年服役的212级潜艇上就应用了功率为306kW的燃料电池系统,国内常规潜艇使用热气机,“十二五”期间,中船重工712所、大连化物所、上海微系统所开展了60kW级燃料电池的地面试验,但仍未达到装艇应用水平。

文/马晓晨 来源:蓝海星智库

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