新能源燃料電池介紹

———自動化設備配套及自動化進程升級

翔耀自動化在過去一年里，與多家新能源燃料電池開發及生產單位進行過自動化設備配套的研討，并參與了部分在新能源燃料電池生產過程中遇到的具體問題的方案解決。

對于燃料電池生產過程的了解及不斷的學習，使得翔耀自動化掌握了新的一個領域的自動化設備的解決方案，并在自動化配套過程中，在多次的參與過程中，對新能源燃料電池從開發到投產階段的自動化進程有了相當熟悉的把握。

燃料電池是一個高效的發電裝置，是將電化學能轉換成電能的裝置，它將氫氣，也就是它的燃料和氧氣的化學能連接不斷的轉換為電能，氫氣在陽級催化劑的影響下被氧化成氫離子和電子，氫離子通過質子交換膜達到正級，和氧氣在陰級生成水，與傳統電池最大的不同之處，燃料電池實際上是一個發電設備，而不是一個儲電設備，它是一個發電裝置，或者我們稱之為燃料電池堆。
　　目前可能大家非常關心的問題是安全性，這塊因為大家可能對氫氣本身的特性了解或者接觸不多，很多人一提到氫就覺得這個東西是不是安全性會有問題，目前我們來看，整個氫這塊的安全性相對于汽油和天然氣來看，它的燃燒極限包括它的爆炸極限，以及它最適宜的燃燒比例，氫氣是相對于汽油和天然氣是比較安全的，目前來看它是一個無毒無害的氣體，非常容易擴散，在高壓氫氣泄露時形成的火焰它是向上的，直接向上在空氣中燃盡而不向周圍擴散，而像汽油或者是天然氣汽車會向四周爆炸，所以從這個角度來說，其實氫氣的安全性相對來說還是比較高的，所以很多氫氣業內的專家指出來氫氣比汽油更安全，右下角是我們最易燃燒比例，氫氣在29%，也就是接近30%，汽油最易燃燒比例2%，天然氣還在9%左右，整體來說氫氣并不像我們想象的那么不安全，而且氫氣、氧氣和天然氣在我們工業中應用的量是非常大，包括化肥等等產業里面，這塊相對來說還是一個比較常見的通用的氣體。
　　這里是燃料電池的性能和其他的對比，我們可以發現燃料電池有一個顯著的特性，第一個它的轉化效率比較高，50%到70%，目前我們內燃機包括汽油機和柴油機轉換效率只有10%到20%之間，這個是遠遠高于我們目前內燃機的效率，另外它的能量密度可以達到每公斤350瓦時，像特斯拉用的也就是80到200。每升能做功的能量的大小，這個3.1kw/L功率密度已經很接近我們傳統內燃機車的功率密度，這是對于我們整個燃料電池的應用是有一個決定性意義的，因為人類活動發展到現在，其實我們大部分都是以內燃機的功率密度來做一個門檻值，我們在我們很多的人類活動當中，尤其是在移動設備當中，包括我們飛機、潛艇、地面的各種運輸車輛，其實功率密度是考核的非常重要的指標，這也是未來燃料電池有可能帶來的氫能源革命的根本原因，我達到了和內燃機相匹敵的功率密度之后，我的效率又超過內燃機的三到五倍，未來我可能會帶領人類在能源的使用段進入清潔能源的時代。
　　目前不同應用領域循環壽命的要求是不一樣的，在乘用車領域可以達到4200次左右，普通的電池基本上都是在500至1000到2000次左右，工作溫度從負30到120度之間，范圍還是比較寬的。未來可能燃料電池有可能在未來五年之后或者更長的時間，是內燃機的替代，這塊對整個人類在使用能源上是有比較大的變化的。
　　這是燃料電池的種類，它按照三大類來分，按照運行機理可以分為酸性燃料電池和堿性燃料電池，按照電解質可以分為五大類，最早的是堿性燃料電池AFC，目前商業化最多的是磷酸燃料電池PAFC，目前主要是做固定式的發電裝置，現在研究的最時髦的或者說在未來乘用動力系統當中涉及比較多的是質子交換膜電池，PEMFC，它的小型化在交通運輸車輛上應該有比較大的潛力。新一代的固體氧化物電池目前在一些大型發電系統當中也有所涉及。
　　按照用途比較簡單，一個是固定式的發電裝置，還有一個車用動力系統，第三個是便攜式能源，包括單兵作戰武器，包括作戰設備里面，這塊涉及的比較多，可以跟大家講一個簡單例子，燃料電池的重量只有三到六鎊，可以大幅度的降低電池的負重，對提高戰士的靈活性和減少體能消耗是有效的。
　　AFC是最早開發成功的產品，適用于航空、低溫產品，嘗試用于便攜式電源，效率在50%，工作溫度低，可以使用非鉑催化劑，代表性的公司包括AFC Energy。PAFC是目前技術最成熟、商業化程度最高的燃料電池，鉑為電級，工作溫度在150—200度，電池效率在40%，美國、日本已經建成了千瓦到兆瓦級的發電工廠，對二氧化碳的容忍度高，可以直接利用重整天然氣提供燃料，商業化程度也比較高。它要解決的問題或者缺點是什么，需要用鉑和高溫加速氧化反應，電解也對電堆腐蝕性比較強。
　　MCFC這塊，目前來看優點是工作溫度高，余熱可以利用，可以采用非鉑的材料作為電機，適用于大型電站，PEMFC這塊是應用前景最為廣闊的燃料電池，適用于汽車等移動交通工具，而且整個運行的溫度在120度左右，不算太高，工作溫度低，啟動快，結構相對簡單，缺點是成本較高，技術難度大，直接使用氫氣為燃料，目前代表性的公司就是BALARD，美股代碼BLDP，昨天晚上這個公司漲幅達到40%多，主要原因是它經過20多年的研發，近期拿到了中國的一個多億美金的大單，未來三到五年要持續交付幾百臺用于大巴車的燃料電池核心組件，燃料電池堆，這對未來的業務發展拉動比較大。當然目前BALARD在國內也設定了眾多子公司，包括在佛山設立的一家公司，推動產品在國內的銷售，以及組裝可能會在國內實施。
　　這是固體氧化物電池，屬于第三代燃料電池，采用固態電解質，一般是鉆石氧化物，電池工作溫度在1000度，效率在80%以上，簡化設備，主要缺點是中低溫的情況工作效率低下。這是我們對不同技術路線的總結，我們認為就新能源車尤其是乘用車和未來交通工具領域，最主要關注的是質子交換膜燃料電池也就是PEMFC，這塊相比較其他幾類電池，它的比功率可以達到300到750，遠遠高于前幾類電池的，使用的反應溫度大概在25到105度之間，溫度比較合適，目前在交通工具領域是應用首選的電池類型。
　　第二部分介紹一下海外燃料電池現在發展的狀態，總體來看我們覺得經過25年左右的發展，海外燃料電池已經開始逐步進入商業化應用推廣階段，從之前十年二十年前的概念期、萌芽期逐步轉向了初步放量的階段，這塊是值得我們重點關注的，任何一個新興產業特別一個新的事物，新的商業模式，從它的萌芽期轉換到高速增長期的拐點上，往往是最具備價值發現能力的，同時最具備投資價值的，這也是為什么我們關注燃料電池的一個原因。
　　在過去五年間，整個燃料電池的增速達到了30%，2015年全球燃料電池的出貨量大概是7.15萬套，同比增長了12%，燃料電池出貨的容量為342兆瓦，同比增長了85%，這說明套數增加只有12%，但是我的容量增加了85%，說明我們每套的出貨量的單體容量值在增加。在10到15年期間燃料電池累計出貨量是29萬套，增長率為32%，容量出貨量達到了1110.6兆瓦，增長率為30%。
　　目前來看在所有的出貨量當中PEMFC占比最高，增速也是最快的，到2010年到2015年整個PEMFC系統出貨量復合增長率達到了42.4%，同期SOFC系統出貨量復合增速近兩年也是非?？?，達到122%。2015年PEMFC系統出貨量年復合增長率達到21.6%。
　　這是目前全球來看燃料電池行業發展的分布示意圖，我們可以看到其實主要集中在亞洲日本，歐洲德國，北美地區，目前來看亞洲北美歐洲和其他地區的出貨量去年的分布是0.83、1.57、4.66和0.09萬臺套，這個不是它的容量，是出貨量的臺套。同時各地裝機規模分別是28.5、139.7、172.2和2.2兆瓦，日本、德國和美國是應用的主要三個國家。

　　這個是日本燃料電池發展狀況，可以看到其實日本燃料電池出貨量裝機規模占到了全球的60%，主要有兩塊應用，包括分布式發電和汽車領域，分布式這塊它提供了一個ENE—FARM計劃，2005到2009年家用燃料電池示范項目3300臺套，2009年大規模商業化推廣，截止到2015年已經累計安裝12萬套，主要使用PEMFC和SOFC這套系統。
　　在汽車領域日本豐田在2015年已經推出了MIRAI，所謂的燃料電池車，它的能量密度每公斤是350瓦時，功率密度是每升3.1kw，它整個加氫時間，就類似充天然氣的時間是3分鐘，續航里程5到6升可以續航500到600公里，售價不含補貼的情況下是39萬人民幣，含日本政府30%的補貼大概是26萬人民幣，其實和純電動車的價格是差不多的。和我們純電動車的代表商特斯拉比較，快充模式下在40分鐘，500公里行駛里程，黃色部分是加氫罐，前面是燃料電池反應堆。預計到2025年到2030年燃料汽車達到20到80萬輛，這是日本豐田目前的規劃，在2015年大概交付了500輛，2025年大規模的加氫建設應該鋪開，目標在日本建設320座加氫站。
　　這是目前日本燃料電池的加氫站規劃，在四個主要的人口密集區建立了一百個加氫站，包括東京、大阪、福岡、愛知，日本政府對加氫站的建設補貼在50%。目前來看整個加氫站的進度預算確定的項目有75個，兩個大型的氫氣生產設施。在福岡地區有12個加氫，這是加氫站的分布示意圖，大阪地區在12個左右，名古屋地區在15個，整個布局還是先布局在人口密集的地區。這是日本燃料電池成本下降的示意圖，我們可以看到在11年前的時候，成本大概在48萬人民幣，到09年的時候下降到350萬日元，到2015年的時候，按照五萬臺套的產量的時候，它的成本已經從48萬下降到了9萬人民幣，下降幅度還是非?？斓?，下降了80%，他們整個日本未來的目標是到2020年到2030年，整個燃料電池反映堆的價格下降到三萬塊錢左右人民幣，這是什么概念呢，現在我們一個20萬左右的車，它的發動機的成本大概是在五到六萬左右，十萬塊錢的車發動機成本在兩到三萬，相當于對應咱們傳統汽車的發動機，現在成本下降的速度還是非?？斓?，在2015年左右，五萬臺套產量的時候，燃料電池整個堆的反應成本在九萬塊錢左右，其實已經低于我們很多動力電池純電池車電池堆組的價格。比如說比亞迪(002594,股吧)6，整個電池成本在15萬左右，其他車型都基本上占40%到50%，所以燃料電池未來電池堆的成本下降速度是比較快的，隨著量的增加，而且它有望和傳統車發動機的成本相比擬，這是一個非?？上驳姆较?。
　　日本燃料電池產業的發展，也是它相關政策大力支持的結果，我們這張PPT把所有的從09年到現在的相關重要政策都梳理了一遍，包括從09年為購買混合動力車在內的環保車的業主提供10到25萬日元的補貼，大家可以算一下大概一萬多塊錢，為購買ENE—FARM CHP的企業或個人提供了大約50%的費用減免，減少日本對石油的依賴，這是它的國策。每個加氫站可以獲得當時建設成本50%的政府資金補貼，今年有五個公司和19個加氫站申請獲得了補貼。到2014年的時候為了提高燃料電池車的行駛里程，修改了《高壓氣體保安法》，對氫燃料壓力的上限由700個大氣壓提升到875個大氣壓，提升了175個大氣壓，整個續航里程可以提高20%。整體這塊對它的里程增加，一次充氫以后里程增加又提供了多的20%。2014年又出臺了政策，2017年年免費提供氫燃料，就像咱們到加油站免費加油，或者加天然氣一樣免費加天然氣，2017年前氫燃料電池免費在高速公路上行駛，他們預期到2030年氫氣燃料電池銷售達到40萬輛，累計銷售達到200萬輛，2014年為了加快燃料電池產業的發展，公布了日本的《氫燃料電池戰略發展路線圖》，第一階段是到2025年，快速擴大氫能的使用范圍，在日本用燃料電池的裝置數量分別在2020年和2030年達到140萬臺和530萬臺，整體這塊規劃和數量還是比較具體的。

這塊是歐洲的燃料電池的發展狀況，08年的時候出臺了燃料電池與氫聯合的行動計劃叫FCH—JU計劃，08年到13年投入了9.4億歐元用于燃料電池和氫能的研究發展。從11年啟動了H2計劃，目前來看，又投入了大概1.23億歐元，建設了77個加氫站，對15個已經有加氫站的國家實現國與國之間的互通互聯，目前來看建設最多的是德國，到2018年達到100個，2020年達到400個，其次包括英國等等也在加速推進，這個是奔馳的乘用車，包括它已經是第三代的燃料電池反應堆，它的外形跟我們傳統的汽車發動機是差不多的。就相當于咱們一個發動機的大小。這有一個什么好處呢，未來我可以直接用現有的車型把發動機替代掉。
　　整個歐洲燃料電池的政策發展情況也是比較具體的，包括它08年到13年投入9.4億元用于燃料電池的研發，比如啟動了Horizon燃料電池計劃，氫和燃料電池的計劃可以達到220億歐元，目前來看整個歐洲也是在加緊推進燃料電池項目。這是美國燃料電池發展情況，主要是在加州，包括州政府對燃料電池和相關產業還是比較重視的，美國政府是對燃料電池在內的新能源公司提供資金支持和稅收減免，ZEV計劃在加州最高可獲得最高9ZEV積分，每個積分最高價值五千美元，最高可以獲得27萬人民幣的補貼。2014年7月8個州簽署了零排放車輛合作協議，到2020年整個區域內330萬輛機動車尾氣排放量目標為零，占比22%。這是它目前已經建成或者正在建設的加氫站的示意圖，布局的點數還是比較多。綠色的是已經投運的，黃色的是正在開發中的，開發的節點、布局上還是相對來說比較合理的。
　　目前來看美國南加州對氫燃料電池的發展在07年就開始實行減免稅，2010年的時候加州宣布輕量型汽車提供15750元的回扣獎勵措施，包括后面美國2012年的時候，聯邦政府向美國能源部撥了3億美元用于清潔能源的研究開發示范，到12年的時候，進入了第三階段，每千瓦時進行三千美元的燃料電池系統補貼，只要達到30%的效率就可以享受30%的稅收抵免。2013年的時候加州每年建設兩千萬美元左右的加氫站，至少在加州有一百個公用的加氫站。
　　前面是講國外的情況，目前歐洲、日本、美國推進的都還不錯，我們也把國內的情況給大家進行了梳理。每一個格代表五年，目前國外處于市場導入期，大概2020年到大規模商業化階段，過去五年間國外主要做的是降低成本，提升性能，國內還處在技術驗證階段，從技術驗證到市場導入，從目前技術水平單就國內的技術而言，可能還相差三到五年左右，還沒有到降低成本，性能提升這個階段，所以目前涉及燃料電池核心的電池堆，包括材料等等，還是以進口為主，但是國內游一些企業也在涉及，后面我們有一個產業鏈的圖。
　　國內燃料電池發展的政策，在過去七年間最早是能源局在《節能與新能源汽車推廣示范財政補助資金管理暫行辦法》當中提到了零排放純電動車和燃料電池補貼6到60萬元不等，到2012年的時候國務院《節能與新能源汽車產業發展規劃》上提到，燃料電池汽車，開展燃料電池電堆、發動機及其關鍵材料核心技術的研究，把握世界新能源汽車發展動向，對其他類型的新能源汽車技術加大研究力度，到2015年的時候，財政部、科技部、工信部、發改委出臺了《關于16到20年新能源汽車推廣應用財政支持政策的通知》，除燃料電池汽車外其他的車型補助標準適度退坡，這塊相對來說對燃料電池產業的發展起到了一個更大的推進作用。
　　目前的技術指標來看，國外的水平，從價格上每千瓦時國外在大批量生產的情況下在55美元左右，美國能源部的目標是2020年達到40美元，最終目標達到30美元，這是什么概念呢，就跟現在咱們傳統車的內燃機的價格差不多。目前是在55，基本上還貴了80%左右，國內現在因為沒有大批量的生產，所以現在估算的水平大概是超過500美元每千瓦。整個功率密度，國外目前的水平大概是3.1kw/L，DOE2020年的指標是2.5，最終目標也是2.5，現在來看3.1已經完全提前完成了這個目標。在峰值能量的效率上，2015年海外這塊大概60%，國內大概做到50%左右，目標是2020年65%，最終目標70%，這塊也接近達到未來的最終目標。使用壽命上因為不同的車，其實燃料電池堆的壽命是不一樣的，像轎車理想的目標是五千小時，是個什么概念呢，如果我們的平均時速是30到40公里每小時的話，5000小時對應大概是15萬到20萬公里，對應咱家庭用戶的話，用七到十年，這塊是基本上就是一個發動機的壽命，然后提出來DOE的目標是五千小時，目前國外基本上能做到4500小時左右，基本也達到了這個目標。這個對于客車來說，DOE的目標是希望未來能達到兩萬五千小時左右，這也是最終目標，目前來看國外能做到接近兩萬小時，國內的目標自產在三千小時左右，主要跟隔膜等等材料相關，無輔助的冷啟動目前要求低溫下，這個對低溫性能尤其在北方使用是有要求的，國外目前能做到零下30度，國內在零下20度是沒問題的。這塊已經達成了目標。包括鉑的消耗量，在2014、2015年，鉑的消耗量大概是100克，未來整個鉑的消耗量大概是在50克左右，而現在咱們傳統車包括內燃機車，汽油車、柴油車，鉑的消耗量是20克到30克之間，所以開始有些人擔心未來如果全部搞燃料電池的話，整個鉑的消耗量太大，全球的鉑可能造成緊張，國外一家公司也進行測算，如果未來整個用量下降到50，甚至下降到20到30的時候，其實跟我們傳統車的鉑的消耗量是差不多的，而且這個鉑可以實現99%的回收利用，所以這塊不應該是成為整個產業約束發展的核心障礙。
　　目前來看，國內電池發展狀況來看，燃料電池的系統成本包括電堆、燃料重整、空壓機系統和公路調節器分別占成本比重67%、24%、6%和3%，燃料重整就是制氫這個環節，占到24%，加起來接近90%，在電堆當中催化劑占比最大，達到49%，未來依靠降低貴金屬使用量的方式來降低催化劑在成本中的占比，用量從之前每套系統用一百克下降到50克，甚至還可以再進一步下降到20到30克，這樣的話最終實現和傳統內燃機車20克每臺的水平相當。這是整個占比的示意圖。
　　燃料電池價格其實它是跟未來燃料電池的出貨量是密切相關的，目前來看，我們也跟國外的一些專家老師也進行溝通，在年出貨量約50萬套系統的情況下，比08年的成本預測下降30%，比06年的成本預測下降50%，預計燃料電池加氫站的投資在一千萬到兩千萬左右，左邊是燃料電池的成本下降的情況，右邊這塊是燃料電池的產量，和它的價格變動因素，我們可以看到在所謂的三萬臺套之前，其實它的價格是相對來說比較高的，等到下降到8萬臺套之后，整體來說價格下降就進入一個相對來說平緩的階段。
　　大家提到燃料電池汽車，肯定會想到跟內燃機車相對應的汽油占，目前加氫的價格怎么樣，大概是每升4.99美元，合人民幣33塊錢，未來的目標是下降到4塊錢，基本上24塊錢左右，其實氫氣的成本中壓縮這塊的成本是占比最大的，占到65%，冷卻占到10%，儲藏大概是11%左右。所以這三塊的成本未來通過各種方式把它進行降低，是降低加氫價格的主要手段，
　　這塊是產業結構圖，包括上游的材料，中游組裝，下游應用，上游材料包括氫氣供應，氫氣生產，這塊大家目前看不用擔心，是大型的工業化生產，包括在高溫下進行反應，包括天然氣的生產，另外一塊是氫氣的運輸和分散，這塊目前是要重視的，另外包括充氣機，電池組件這塊包括前端的氫氣的儲存設備和配件，包括燃料電池堆，燃料電池堆又包括雙極板，催化劑，質子交換膜，膜電極，氣體擴散層，國外掌握的都比較好，國內的企業在陸續切入，但是成熟的產品一般還是用途比較多，如果哪些企業在這些領域能進行突破的話，我覺得未來還是值得我們重點關注的。
　　在下游應用這塊包括固定式的發電裝置，交通運輸設備還有便攜式的設備。中游組裝這塊主要是燃料電池系統組裝，目前國內做燃料電池系統組裝的企業都比較多，主要是買國外的電池堆或者國內某些的電池堆進行組裝，這塊進入的人比較多一點，下游的應用現在也有一些企業，包括整車企業也開始往里面切。
　　全球燃料電池汽車行業發展呈現加速之勢。歐日美政府加大燃料電池產業的政策扶持，國內2020年前燃料電池汽車維持高強度補貼力度，寶馬、奔馳、奧迪、福特、大眾、雪弗蘭、凱迪拉克的多款車型將在2016~2020年集中投放。根據國家能源署的展望，燃料電池汽車2020年開始進入產業化階段，2050年燃料電池乘用車保有量將達1億臺。

　　歐美日燃料電池技術已具備產業化條件。燃料電池系統是燃料電池汽車的核心，成本占比52.9%，其次是高壓儲氫罐（33.7%），目前掌握在歐美日廠商手中，國內正在進行研發中。電機及控制系統、整車控制系統已經實現國產化；國內加氫站技術已經趨于成熟。
　　空氣循環系統是燃料電池堆關鍵零部件，決定燃料電池的能量轉化效率?？諝庋h系統成本占電池堆成本的22%，為了保證燃料電池具有良好的工作特性，空氣循環系統必須滿足結構緊湊，重量輕，噪聲低，可靠性高，能量可回收等要求，目前廣泛應用的工業壓縮機達不到要求。渦輪和雙螺桿空氣循環系統是目前主流技術路線，分別由美國HoneyWell公司和瑞典OPCON AB公司主導。