車輛成本主要通過燃料電池組、氫燃料罐和配件三種主要部件降低,其中燃料電池系統(tǒng)一半成本是燃料電池組。燃料電池組方面,鼓勵(lì)提高發(fā)電電源的輸出功率以及消減Pt催化劑中的Pt用量。
DOE規(guī)定每年量產(chǎn)50萬輛車時(shí)的燃料電池組目標(biāo)成本為45美元/kw,日產(chǎn)預(yù)計(jì)每年量產(chǎn)20萬輛時(shí)的成本已經(jīng)基本相同。
Pt催化劑方面,與2000年初的FCV相比,Pt用量減少到了1/5~1/10,估計(jì)一輛FCV的Pt用量為20~40g左右。
氫燃料罐的成本消減
氫燃料罐的成本消減非常困難,從填充一次的續(xù)航距離最大化和容積最小化的觀點(diǎn)出發(fā),各廠商計(jì)劃2015年上市時(shí)使用70MPa的高壓氫燃料罐,外殼使用的碳纖維強(qiáng)化樹脂的材料成本就需要50萬日元以上。
配件方面,通過與EV和HEV共用燃料電池系統(tǒng)及氫燃料罐以外的部件、消除專用品,從而徹底消減成本。
加氫站制約燃料電池汽車推廣
燃料電池汽車的推廣,加氫站的覆蓋率是制約因素之一,根據(jù)H2stations.org的數(shù)據(jù),2012年全球范圍內(nèi)新增27個(gè)加氫站,加氫站總數(shù)達(dá)到208個(gè),其中歐洲80個(gè)、亞洲49個(gè)、北美76個(gè)、南美3個(gè)。汽車制造商和燃料供應(yīng)商目前正聯(lián)手制定適應(yīng)FCEV引入和推廣的可行體系;
2009年戴姆勒、福特、通用、豐田、本田、現(xiàn)代、日產(chǎn)等7家主要的汽車公司簽署了備忘錄,持續(xù)開展燃料電池汽車研發(fā),計(jì)劃2015年開始商業(yè)化推廣10萬輛燃料電池汽車;
2011年包括豐田、本田、尼桑三大汽車廠商在內(nèi)的日本13家汽車和能源企業(yè)共同簽訂備忘錄,決定到2015年在東京、大阪、名古屋和福岡四大都市圈的市區(qū)和高速公路上建立100座加氫站,并通過完善設(shè)計(jì)、改善生產(chǎn)技術(shù)等方法大幅降低燃料電池汽車生產(chǎn)成本,培育燃料電池汽車市場(chǎng)。
2012年6月德國聯(lián)邦交通部和戴姆勒、林德氣體、空氣產(chǎn)品公司、道達(dá)爾簽訂協(xié)議,2015年前提供2000萬歐元用于建設(shè)50個(gè)加氫站,以滿足燃料電池汽車的初步需求;
2012年8月美國加州發(fā)布燃料汽車商業(yè)化路線圖,為了在2015-2017年實(shí)現(xiàn)燃料汽車的商業(yè)化,在2015年之前建設(shè)68個(gè)加氫站以滿足10000~30000輛燃料電池汽車需求;
家用Micro-CHP燃料電池市場(chǎng)商業(yè)化起步
微型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)主要有4種技術(shù):內(nèi)燃機(jī)、斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)、蒸汽機(jī)和燃料電池系統(tǒng),其中燃料電池系統(tǒng)主要是SOFC和PEMFC;Micro-CHP燃料電池將千瓦級(jí)天然氣制氫、燃料電池發(fā)電及余熱利用有機(jī)結(jié)合在一起,將一部分天然氣的高品質(zhì)化學(xué)能通過氫氣轉(zhuǎn)化為電能,其余低品位的能量用于采暖及生活熱水供應(yīng),可有效提高系統(tǒng)的能量利用程度,發(fā)電效率達(dá)到40%-50%,綜合熱效率達(dá)到90%;Micro-CHP燃料電池系統(tǒng)主要包括天然氣制氫和PEM燃料電池發(fā)電系統(tǒng)兩個(gè)子系統(tǒng)。天然氣經(jīng)過脫硫處理進(jìn)入重整反應(yīng)器,和水蒸氣混合經(jīng)過水氣變化單元使得合成氣中的CO含量降低到1%以下,再經(jīng)過CO優(yōu)先氧化或膜分離單元生成高純度的氫氣,最后進(jìn)入燃料電池發(fā)電,產(chǎn)生的電流經(jīng)過DC-AC轉(zhuǎn)后外供。系統(tǒng)尾氣進(jìn)入尾氣燃燒器,燃燒產(chǎn)生的熱量用于向重整反應(yīng)器供熱及生產(chǎn)熱水;
目前家用Micro-CHP(微型熱電聯(lián)產(chǎn))燃料電池市場(chǎng)主要集中在亞洲市場(chǎng),特別是日本,1臺(tái)額定發(fā)電功率1kW的ENE-FARM大體可以滿足普通日本家庭60%的電力需求及80%的熱水需求;日本在2002年開始啟動(dòng)家用燃料電池示范計(jì)劃,2005年開始補(bǔ)助系統(tǒng)裝置費(fèi)用,在累計(jì)了多年示范應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)后,2009年初以ENE-Farm名稱正式宣布家用燃料電池進(jìn)入商業(yè)化階段。
2009年日本東京燃?xì)?、大阪燃?xì)狻|邦燃?xì)?、西部燃?xì)?、新日本石油及Astomos能源6家公司發(fā)表聯(lián)合宣言,宣稱在全球率先普及2009年度開始銷售的家用燃料電池“ENE-FARM”,目標(biāo)到2015年ENE-FARM年銷售量達(dá)到50000臺(tái)。
2012年9月,歐盟設(shè)立Ene field項(xiàng)目,計(jì)劃投資5300萬歐元,在歐盟12個(gè)國家安裝1000臺(tái)Micro-CHP 燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)系統(tǒng);經(jīng)濟(jì)性是普及的關(guān)鍵,目前售價(jià)200萬日元:過去幾年燃料電池系統(tǒng)價(jià)格雖然經(jīng)歷了較大幅度的下滑,但是包含補(bǔ)貼在內(nèi)的價(jià)格基本維持在200萬元日用元左右,加上施工費(fèi)用的價(jià)格約為250萬日元。而使燃?xì)鈾C(jī)的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)ECOWILL的售價(jià)僅為80萬左右,2013年4月松下推出新型燃料電池Micro-CHP,售價(jià)降至199.5萬日元,各大廠商計(jì)劃到2015年燃料電池Micro-CHP系統(tǒng)的價(jià)格能夠降低到70-80萬日元;
固定式燃料電池電站——數(shù)據(jù)中心成為主要試驗(yàn)場(chǎng)
根據(jù)Fuel Cell Today的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),2012年大型固定式燃料電池電站的安裝量約為128MW,大型的燃料電池電站應(yīng)用主要集中在美國和韓國,IT數(shù)據(jù)中心由于高能耗成為媒體炮轟的對(duì)象,因此IT企業(yè)數(shù)據(jù)中心成為主要的應(yīng)用場(chǎng)所;北美燃料電池電站主要的供應(yīng)商包括Bloom Energy(SOFC),UTC Power(PAFC)和FuelCellEnergy(MCFC),目前Bloom Energy推出的200KW SOFC燃料電池系統(tǒng)售價(jià)約80萬美元,按照北美的電價(jià)和燃?xì)鈨r(jià)格計(jì)算,投資的成本回收期約為8.6年;2012年Apple提交計(jì)劃將位于北卡州的數(shù)據(jù)中心燃料電池廠規(guī)模擴(kuò)大一倍至10MW;Ebay猶他州Quicksilver數(shù)據(jù)中心建設(shè)6MW燃料電池電站,計(jì)劃于2013年2季度投入運(yùn)行;AT&T在加州和科涅狄克州28個(gè)通訊設(shè)施中安裝了17.1MW燃料電池;韓國開始接受燃料電池作為大型電站,2011年當(dāng)時(shí)全球最大的燃料電池電站在大邱運(yùn)行,裝有4個(gè)2.8MW DFC3000燃料電池發(fā)電機(jī)組,裝機(jī)容量11.2W;POSCO計(jì)劃在2013年建設(shè)一個(gè)60MW的MCFC燃料電池電站,同時(shí)首爾市政府表示將在2014年前新建29個(gè)燃料電池電站,總裝機(jī)量達(dá)到230MW;
燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈
燃料電池系統(tǒng)組成
單獨(dú)的燃料電池堆并不能發(fā)電,必須和燃料供給與循環(huán)系統(tǒng)(包括碳?xì)浠衔镛D(zhuǎn)化的重整器)、氧化劑供給系統(tǒng)、水/熱管理系統(tǒng)和使上述系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作的控制系統(tǒng)組成燃料電池發(fā)電系統(tǒng);數(shù)據(jù)顯示,SOFC燃料電池系統(tǒng)的成本主要包含電站輔機(jī)、燃料電池組、熱交換系統(tǒng)、重整器、電力電子和組裝等,其中電站輔機(jī)占比成本的46%、燃料電池組占比成本的17%、熱交換系統(tǒng)和重整器約各占系統(tǒng)成本的12%;天然氣重整器:電站和家用燃料電池一般采用天然氣作為燃料,需要將天然氣重整制氫后參與反應(yīng)。天然氣主要成分是CH4,并含有硫化物,重整反應(yīng)一般包含脫硫處理、催化燃燒、蒸汽重整、CO選擇性催化氧化等;熱交換器:質(zhì)子交換膜燃料電池的工作溫度為80-100℃,而用于SOFC和MCFC燃料電池的工作溫度高達(dá)500-1000℃,因此需要配置熱交換器實(shí)現(xiàn)散熱或熱電聯(lián)產(chǎn);儲(chǔ)氫罐:對(duì)于車用燃料電池系統(tǒng),除了燃料電池組件以外還必須配備儲(chǔ)氫系統(tǒng),交通工具要求儲(chǔ)氫能力必須達(dá)到6.5wt%(重量百分比),為了減小儲(chǔ)氫罐體積,方法是高壓氣態(tài)存儲(chǔ),70MPa高壓儲(chǔ)氫是國內(nèi)外氫能儲(chǔ)存的發(fā)展目標(biāo)和研究重點(diǎn),主要為由碳纖維復(fù)合材料組成的新型輕質(zhì)耐壓儲(chǔ)氫容器,為了達(dá)到500公里的一次續(xù)航里程,采用70Mpa的儲(chǔ)氫壓力,其儲(chǔ)氫系統(tǒng)要有125kg,體積要達(dá)到260L,目前的價(jià)格高達(dá)3萬元;
國內(nèi)燃料電池相關(guān)企業(yè)
新源動(dòng)力成立于2001年,由中科院大連化學(xué)物理研究所等單位發(fā)起設(shè)立,主要從事質(zhì)子交換膜燃料電池及組件的研制生產(chǎn),被國家相關(guān)部委授予“燃料電池及氫源技術(shù)國家工程研究中心”,是目前國內(nèi)燃料電池領(lǐng)域規(guī)模最大的企業(yè),2007 年由新源動(dòng)力提供燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的首輛 “PASSAT-領(lǐng)馭燃料電池轎車”研制成功,2010年公司為世博燃料電池車提供燃料電池堆,A股相關(guān)標(biāo)的包括上汽集團(tuán)、長(zhǎng)城電工、南都電源、新大洲;
上海神力科技有限公司成立于1998年,主要從事質(zhì)子交換膜燃料電池和釩電池的研發(fā)和生產(chǎn),2010年公司作為世博會(huì)燃料電池汽車中的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的主要供應(yīng)商之一,共為30輛轎車,1輛客車提供了燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng),A股相關(guān)標(biāo)的為江蘇陽光、復(fù)新醫(yī)藥、東岳集團(tuán)2007年在香港上市,是中國氟硅行業(yè)龍頭企業(yè),公司堅(jiān)持科技創(chuàng)新,在新環(huán)保、新材料、新能源等領(lǐng)域掌控了大量自主知識(shí)產(chǎn)權(quán),在新型環(huán)保制冷劑、氟硅材料、氯堿離子膜等方面打破了多項(xiàng)國外技術(shù)壟斷,實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化替代。2008年東岳集團(tuán)公司承擔(dān)863項(xiàng)目“燃料電池高溫質(zhì)子交換膜制備”課題,根據(jù)同濟(jì)大學(xué)的測(cè)試數(shù)據(jù),東岳集團(tuán)的中溫質(zhì)子交換膜品質(zhì)已經(jīng)接近杜邦的Nafion112膜。
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