網絡整理 發表於 2021-01-04 14:57:55
氫能源作為一種高效清潔的能源，被認為是人類能源問題的終極解決方案，而隨著技術的進步，氫能源也已越來越多的領域中得到了應用。氫能源的應用有兩種方式：一是直接燃燒（氫內燃機），二是採用燃料電池技術， 燃料電池技術相比於氫內燃機效率更高，故更具發展潛力，氫能源應用以燃料電池為基礎。
氫燃料電池的應用領域廣泛，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於航天領域。進入70年代後，隨著技術的不斷進步，氫燃料電池也逐步被運用於發電和汽車。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，氫燃料電池主要應用於三大領域：固定領域、運輸領域、可攜式領域。
從市場的觀點來看，燃料電池因其穩定性和無汙染的特質，既適宜用於集中發電，建造大、中型電站和區域性分散電站，也可用作各種規格的分散電源、電動車、不依賴空氣推進的潛艇動力源和各種可移動電源，同時也可作為手機、筆記本電腦等供電的優選小型可攜式電源。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，經過幾年的發展已經成為全球燃料電池最主要的市場。
固定式領域： 出貨量大，增速明顯
燃料電池因其效率高、持久性好、環境適應度強等優點被廣泛應用於固定電源、大型熱電聯產、居民住宅熱電聯產及備用能源，它還可以作為動力源可以安裝在偏遠位置，如太空飛行器、遠端氣象站、大型公園及遊樂園、 通訊中心、農村及偏遠地帶，對於一些科學研究站和某些軍事應用非常重要。是目前燃料電池下遊應用極大的一塊領域，產業相對成熟。固定式領域燃料電池出貨量發展速度快，出貨臺數年複合增速達到了53%，出貨功率年複合增速 17%。 供應商主要分布在美國、日本、澳大利亞和歐洲。
固定式燃料電池行業正處於一個非常活躍的階段，許多公司計劃開發或安裝固定式燃料電池系統，由於現代社會對電力系統的穩定性及在自然災害情況下電力的持續供應要求的增加，固定式燃料電池系統作為小型發電及備用電源系統得以迅速的發展。像MetroPCS，AT＆T和Sprint等電信公司已經開始對燃料電池基站備用電源產生依賴，並且最新的燃料電池系統可方便安裝屋頂。
輕質屋頂燃料電池解決方案可以輕鬆安裝，無需使用起重機，也可以從地面重新加注燃料 - 因此無需屋頂燃料運輸。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絡。燃料電池已經佔據了Sprint的通信基站大約四分之一的水平，隨著下一波的安裝，他們將會從能源部（DOE）手中獲得實質性的補貼。Sprint已經在其網絡中部署了大約500個燃料電池系統。
可攜式領域：應用前景廣闊，面向未來市場
可攜式燃料電池具備體積小、質量輕、效率高、壽命長、運行溫度低、紅外信號低、隱身性能好、運行可靠、噪聲低、汙染少等優點。此外後勤優勢顯著， 因為它的電容量大，能夠極大地減輕電池帶來的後勤負擔。
可攜式電源市場包括非固定安裝的或者行動裝置中使用的燃料電池，適用於軍事、通訊、計算機等領域，以滿足應急供電和高可靠性、高穩定性供電的 需要，實際應用的產品包括高端手機電池、筆記本電腦等便攜電子設備、軍用背負式通訊電源、衛星通訊車載電源等；目前相比鋰電池從價格和性能兩個方面來看優勢並不明顯，因此現在對於可攜式燃料電池的需求相當少。
不過在軍用領域，燃料電池紅外信號低、隱身性能好、運行可靠、噪聲低和後勤負擔低的優勢，具有良好的發展前景，其發展或將由此處突破。美軍燃料電池分類中可攜式佔比 38%，比重較大。2012年，美國、德國、加拿大軍方對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、開發與工程中心（TARDEC）製造了20臺250瓦的PowerPod燃料電池，並在無人地面車輛（UGV）上進行了廣泛測試。
交通領域：各國大力布局，蓄力靜待爆發
車用燃料電池作為動力系統有著續航裡程長，加氫時間短和無汙染等優勢，是目前是爆發最迅猛，也是關注度最高的應用領域。交通運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力的車輛提供的燃料電池，例如特種車輛、物料搬運設備和越野車輛的輔助供電裝置等。
從當前的數據來看，燃料電池技術有望在汽車領域率先爆發。大型車企的燃料電池汽車研發如火如荼，在全球範圍內各大汽車生產廠商紛紛進入氫能源汽車領域，從 2013 年開始陸續有燃料電池汽車 推出和展出。從全球市場來看，日韓車企最早推出產品，其中Mirai 和 Clarity 當屬燃料電池汽車領域的試水產品，從 Mirai 的訂單規模來看，日本市場的訂單量達到了 3000 輛，達到了預期銷量 的 750%，海外訂單達到預期銷量的 7 倍。從市場表現來看，市場對燃料汽車的接受程度較好，在政府大力補助的條件下，隨著燃料電池產量的提升。歐美車企更多選擇和日本車企合作。車企在解決自身產能問題後，燃料電池汽車市場將會是一片藍海。
物流車領域是交通運輸商業化的另一主要領域，物流運輸市場非常巨大，燃料電池為動力的叉車是燃料電池在工業應用內最大的部門之一。用於材料搬運的大多數 燃料電池是質子交換膜燃料電池提供動力，但也有一些直接甲醇燃料叉車進入市場。目前正在運營的燃料電池車隊有大量的公司，包括聯邦快遞貨運、西斯科食品、GENCO、H-E-B雜貨店等。
國內以一汽和中車為代表的企業正在燃料電池物流車領域發力。目前，國內廠商通過合作研發的方式，首先在國際市場上研發推廣燃料電池物流車。中車株洲時代電動汽車股份有限公司與加拿大 Loop Energy 燃料電池 公司在美國籤署了電驅動系統產品開發協議。開啟了中國向歐美出口燃料電池系統產品的新篇章。
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用於中車電動核心系統產品，再將中車電動系統產品運用於美國 OEM 整車廠開發的純電動內場物流拖車。這將成為全球第一臺燃料電池大型物流車。結合中國的國情， 在網際網路時代下，考慮到物流市場的巨大規模，綜合優勢明顯的物流車將會是燃料電池的又一藍海市場。
無人機、航空、高速列車：優勢明顯，或將打開新的市場
無人機發展至今已在很多領域發揮了巨大的作用，近兩年也逐步進入人們的視野成為市場的熱點，特別是消費級無人機預計將迎來爆發元年。但是目前無人機大多使 用鋰電池供能，受限於鋰電池容量密度，而無人機不同於汽車， 對質量更敏感，需要儘可能減輕起飛重量，無法攜帶大容量電池，因此其續航能力一直是一個很大的軟肋。
通常情況下，無人機續航在 30-60 分鐘左右，並且每次充電時間長。氫燃料電池具有續航時間長，加注氫氣時間短幾分鐘就能完成，同時生命周期內性能衰減小的絕對優勢，成為無人機功能體系的一個強勢可替代選項。
2016年4月，科比特航空在深圳發布了旗下首款產品化氫燃料多旋翼無人機—HYDrone-1800，最長續航時間長達 273 分鐘，約 4 個多小時。並且續航根據氣瓶的不同分為三個層級：5L 大概 90min，9L 大概 180min，14L 大概 270min。 同時科比特會給客戶提供整套的電解制氫的設備。
目前也有航空公司在布局航空用氫燃料電池。據外媒報導，英國易捷航空公司 EasyJet 正計劃測試飛機氫混合燃料系統，希望在飛機上使用氫燃料電池來實現每年節省 5 萬噸燃料及減少二氧化碳排放的目標。他們研發的氫混合 燃料系統，可以實現在地面滑行時無須啟動發動機 ，燃料電池將飛機降落時剎車系統的能量捕捉後在飛機滑行時使用，使低成本滑行和主動減少二氧化碳的排放成為可能。EasyJet 預計採用此系統後可以實現每年節省 2500 萬-3500 萬美元的燃油費用。EasyJet 預計將於今年試驗這項全新的技術。
另外，氫燃料電池目前也已在高速列車上得到了應用，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-不萊梅港-庫克斯港一線投入運行。德國目前已經定購了14列氫燃料電池火車。另外，挪威、丹麥以及荷蘭也對該車表示出興趣。
氫氧燃料電池的存在問題據《日本經濟新聞》報導，日產宣布暫停與戴姆勒及福特合作開發燃料電池車的計劃，將力量集中於發展電動汽車。曾經受到熱捧的氫燃料電池技術，在其大本營日本遭遇了發展阻礙。
無獨有偶，福特汽車發布聲明稱，其與戴姆勒位於卑詩省本那比的燃料電池合資公司將於2018年夏季關閉。不過，分分合合乃商家常事，那邊忙著分手，這邊奧迪和現代宣布達成專利交叉許可協議，將共同開發氫燃料電池汽車。
相比純電動汽車的技術路線，為何氫燃料電池汽車在國際上引發了如此大的爭議？要解決這個問題，不僅要理解氫燃料電池在技術上的問題和挑戰，還要了解各國政府在推動該技術背後的動因。
氫燃料電池汽車為何屢遭拋棄？
從技術角度來看，燃料電池是一種能量轉化裝置。與一般電池不同的是，氫燃料電池是一種將氫氣和氧氣結合起來產生電力、水和熱的電化學裝置。其反應產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燃燒的效率要高2-3倍，且安靜無汙染。
但是，具有這麼多優勢的燃料電池汽車，為何還會連續被多家車企拋棄呢？這就要從氫能產業鏈談起。
整個氫能產業鏈構成包括氫氣製備、氫氣儲運及加注，和氫氣應用。其中氫氣製備是氫能應用的基礎，氫氣的儲運及加注是氫能應用的核心保障，不同方向的應用是氫能實用化的主要途徑和最佳表現形式。根據產業鏈所處位置不同，鏈條上的企業大致可細分為三個部分：
上遊，主要包含氫資源的生產、運輸等；
中遊，為燃料電池系統，主要是電堆和氫氣儲存設備及配件；
下遊，是應用板塊，包括加氫站、新能源汽車應用等。
分清了這三個環節，下面我們就來看看每個部分所面臨的問題和挑戰：
一、關鍵技術難攻克
了解燃料電池電堆部件的人，對燃料電池的核心技術質子交換膜不會陌生，然而截至目前，全球能夠商業化供應氫燃料電池質子交換膜材料的公司除了美國杜邦，再無他家。日本境內也有一家公司同樣可以生產，但出於眾所周知的原因，這家公司拒絕對任何國家銷售該產品。
二、成本過高
1、燃料電池車相對獨立複雜的動力系統直接導致燃料電池車的成本增加。比如：豐田Mirai售價6.9萬美元，遠高於其他動力形式的同級別車輛。
2、數據顯示，目前，建成一座加氫能力大於200公斤的加氫站需要1000多萬元，如此高昂的建設成本顯然是加氫站快速發展的最大障礙。
3、在目前技術條件下，氫燃料電池的催化劑是鉑金。鉑金全世界產量很低且價格昂貴（大概是黃金的2倍），全球年產量約為兩百噸，60%還被用作首飾材料。而且鉑作為催化劑對氫氣純度要求較高，需要達到99.99%以上。
三、安全問題
燃料電池加氫的背後，需要一整套氫能源生產和運輸網絡作為支撐。氫氣本身的安全問題、加注氫燃料時的安全及操作過程中的安全問題都需要解決好。普遍來說，加氫站儲氫裝置應該滿足能承受高壓、具備在線監測功能、發生危險自動報警、良好的經濟性要求。顯然，滿足這些要求的加氫站在初期的建設成本不會低。
國內陸續出臺燃料電池扶持政策、仍不被專家看好
得益於國家的政策利好及支持，中國的燃料電池汽車技術已初步掌握了整車、動力系統與核心部件的核心技術，基本建立了具有自主智慧財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。在產業鏈配套，我國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，實現了百輛級動力系統與整車的生產能力。當前具有動力系統平臺整車適配、電電混合能源動力控制、車載高壓儲氫系統、工業副產氫氣純化利用的技術特徵。
在十二五規劃期間，同濟大學與一汽集團、東風汽車、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，同濟大學與嘉興市政府、嘉興秀洲區政府共建新能源汽車產業基地項目在上海同濟大學籤約。三方將在嘉興市秀洲區共同推進成立新能源汽車研發及生產項目。新能源汽車產業基地包括以下四部分：（一）同濟大學（嘉興）新能源汽車研究院。（二）商用車、乘用車生產製造基地。（三）氫能產業基地。（四）氫能源應用項目。其中，新能源汽車研究院作為同濟大學二級非獨立法人研究機構，將下設5個研發中心：氫燃料動力總成研發中心、智能網聯繫統研發中心、商用車整車研發中心、乘用車研發中心、國際氫能源合作研發中心。
上汽集團則制定了燃料電池汽車發展的五年規劃，以新源動力為燃料電池電堆供應商，開始投入大量資金研發燃料電池汽車。據OFweek產業研究院統計數據顯示，2017年1月至今，全國共生產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佔據84%的市場份額。
2018年6月14日，廣東省人民政府發布《關於加快新能源汽車產業創新發展的意見》，該意見指出，全力推進公交電動化（含氫燃料電池汽車），這是繼北京、上海、蘇州、武漢等地之後，又一個發布了氫燃料電池汽車相關政策的省市。同時，大同、青島、揚州等地也正在醞釀扶持氫燃料電池發展的相關規劃。
同濟大學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落後國外發達國家510年，起步較晚的中國面臨的一個情況是：國外燃料電池汽車已經突破了技術難關，開始攻克成本和服務設施了，而國內仍然面臨著技術問題。差距保持在5年左右還有機會追趕，若超過10年，追趕起來就會非常吃力了。
儘管學界和產業界普遍認同氫能將極大的豐富未來的能源體系、各國家層面和企業層面也都對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石化能源以及更多能源儲備的發掘，都將為氫能的大規模利用帶來不確定性，而且核心技術、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面前的一條極難逾越的鴻溝。清華大學汽車研究所所長、博士生導師陳全世教授在接受媒體採訪時表示，政府和車企應該聯合大學等研究機構，把膜、催化劑、極板等基礎問題解決了，而不是做多少輛車。在他看來，燃料電池技術不能替代純電動技術。
責任編輯：YYX
打開APP閱讀更多精彩內容聲明：本文內容及配圖由入駐作者撰寫或者入駐合作網站授權轉載。文章觀點僅代表作者本人，不代表電子發燒友網立場。文章及其配圖僅供工程師學習之用，如有內容圖片侵權或者其他問題，請聯繫本站作侵刪。 侵權投訴