苏州市翔耀精密自动化设备有限公司
新能源燃料电池介绍
———自动化设备配套及自动化进程升级
翔耀自动化在过去一年里,与多家新能源燃料电池开发及生产单位进行过自动化设备配套的研讨,并参与了部分在新能源燃料电池生产过程中遇到的具体问题的方案解决。
对于燃料电池生产过程的了解及不断的学习,使得翔耀自动化掌握了新的一个领域的自动化设备的解决方案,并在自动化配套过程中,在多次的参与过程中,对新能源燃料电池从开发到投产阶段的自动化进程有了相当熟悉的把握。
燃料电池是一个高效的发电装置,是将电化学能转换成电能的装置,它将氢气,也就是它的燃料和氧气的化学能连接不断的转换为电能,氢气在阳级催化剂的影响下被氧化成氢离子和电子,氢离子通过质子交换膜达到正级,和氧气在阴级生成水,与传统电池最大的不同之处,燃料电池实际上是一个发电设备,而不是一个储电设备,它是一个发电装置,或者我们称之为燃料电池堆。
目前可能大家非常关心的问题是安全性,这块因为大家可能对氢气本身的特性了解或者接触不多,很多人一提到氢就觉得这个东西是不是安全性会有问题,目前我们来看,整个氢这块的安全性相对于汽油和天然气来看,它的燃烧极限包括它的爆炸极限,以及它最适宜的燃烧比例,氢气是相对于汽油和天然气是比较安全的,目前来看它是一个无毒无害的气体,非常容易扩散,在高压氢气泄露时形成的火焰它是向上的,直接向上在空气中燃尽而不向周围扩散,而像汽油或者是天然气汽车会向四周爆炸,所以从这个角度来说,其实氢气的安全性相对来说还是比较高的,所以很多氢气业内的专家指出来氢气比汽油更安全,右下角是我们最易燃烧比例,氢气在29%,也就是接近30%,汽油最易燃烧比例2%,天然气还在9%左右,整体来说氢气并不像我们想象的那么不安全,而且氢气、氧气和天然气在我们工业中应用的量是非常大,包括化肥等等产业里面,这块相对来说还是一个比较常见的通用的气体。
这里是燃料电池的性能和其他的对比,我们可以发现燃料电池有一个显著的特性,第一个它的转化效率比较高,50%到70%,目前我们内燃机包括汽油机和柴油机转换效率只有10%到20%之间,这个是远远高于我们目前内燃机的效率,另外它的能量密度可以达到每公斤350瓦时,像特斯拉用的也就是80到200。每升能做功的能量的大小,这个3.1kw/L功率密度已经很接近我们传统内燃机车的功率密度,这是对于我们整个燃料电池的应用是有一个决定性意义的,因为人类活动发展到现在,其实我们大部分都是以内燃机的功率密度来做一个门槛值,我们在我们很多的人类活动当中,尤其是在移动设备当中,包括我们飞机、潜艇、地面的各种运输车辆,其实功率密度是考核的非常重要的指标,这也是未来燃料电池有可能带来的氢能源革命的根本原因,我达到了和内燃机相匹敌的功率密度之后,我的效率又超过内燃机的三到五倍,未来我可能会带领人类在能源的使用段进入清洁能源的时代。
目前不同应用领域循环寿命的要求是不一样的,在乘用车领域可以达到4200次左右,普通的电池基本上都是在500至1000到2000次左右,工作温度从负30到120度之间,范围还是比较宽的。未来可能燃料电池有可能在未来五年之后或者更长的时间,是内燃机的替代,这块对整个人类在使用能源上是有比较大的变化的。
这是燃料电池的种类,它按照三大类来分,按照运行机理可以分为酸性燃料电池和碱性燃料电池,按照电解质可以分为五大类,最早的是碱性燃料电池AFC,目前商业化最多的是磷酸燃料电池PAFC,目前主要是做固定式的发电装置,现在研究的最时髦的或者说在未来乘用动力系统当中涉及比较多的是质子交换膜电池,PEMFC,它的小型化在交通运输车辆上应该有比较大的潜力。新一代的固体氧化物电池目前在一些大型发电系统当中也有所涉及。
按照用途比较简单,一个是固定式的发电装置,还有一个车用动力系统,第三个是便携式能源,包括单兵作战武器,包括作战设备里面,这块涉及的比较多,可以跟大家讲一个简单例子,燃料电池的重量只有三到六镑,可以大幅度的降低电池的负重,对提高战士的灵活性和减少体能消耗是有效的。
AFC是最早开发成功的产品,适用于航空、低温产品,尝试用于便携式电源,效率在50%,工作温度低,可以使用非铂催化剂,代表性的公司包括AFC Energy。PAFC是目前技术最成熟、商业化程度最高的燃料电池,铂为电级,工作温度在150—200度,电池效率在40%,美国、日本已经建成了千瓦到兆瓦级的发电工厂,对二氧化碳的容忍度高,可以直接利用重整天然气提供燃料,商业化程度也比较高。它要解决的问题或者缺点是什么,需要用铂和高温加速氧化反应,电解也对电堆腐蚀性比较强。
MCFC这块,目前来看优点是工作温度高,余热可以利用,可以采用非铂的材料作为电机,适用于大型电站,PEMFC这块是应用前景最为广阔的燃料电池,适用于汽车等移动交通工具,而且整个运行的温度在120度左右,不算太高,工作温度低,启动快,结构相对简单,缺点是成本较高,技术难度大,直接使用氢气为燃料,目前代表性的公司就是BALARD,美股代码BLDP,昨天晚上这个公司涨幅达到40%多,主要原因是它经过20多年的研发,近期拿到了中国的一个多亿美金的大单,未来三到五年要持续交付几百台用于大巴车的燃料电池核心组件,燃料电池堆,这对未来的业务发展拉动比较大。当然目前BALARD在国内也设定了众多子公司,包括在佛山设立的一家公司,推动产品在国内的销售,以及组装可能会在国内实施。
这是固体氧化物电池,属于第三代燃料电池,采用固态电解质,一般是钻石氧化物,电池工作温度在1000度,效率在80%以上,简化设备,主要缺点是中低温的情况工作效率低下。这是我们对不同技术路线的总结,我们认为就新能源车尤其是乘用车和未来交通工具领域,最主要关注的是质子交换膜燃料电池也就是PEMFC,这块相比较其他几类电池,它的比功率可以达到300到750,远远高于前几类电池的,使用的反应温度大概在25到105度之间,温度比较合适,目前在交通工具领域是应用首选的电池类型。
第二部分介绍一下海外燃料电池现在发展的状态,总体来看我们觉得经过25年左右的发展,海外燃料电池已经开始逐步进入商业化应用推广阶段,从之前十年二十年前的概念期、萌芽期逐步转向了初步放量的阶段,这块是值得我们重点关注的,任何一个新兴产业特别一个新的事物,新的商业模式,从它的萌芽期转换到高速增长期的拐点上,往往是最具备价值发现能力的,同时最具备投资价值的,这也是为什么我们关注燃料电池的一个原因。
在过去五年间,整个燃料电池的增速达到了30%,2015年全球燃料电池的出货量大概是7.15万套,同比增长了12%,燃料电池出货的容量为342兆瓦,同比增长了85%,这说明套数增加只有12%,但是我的容量增加了85%,说明我们每套的出货量的单体容量值在增加。在10到15年期间燃料电池累计出货量是29万套,增长率为32%,容量出货量达到了1110.6兆瓦,增长率为30%。
目前来看在所有的出货量当中PEMFC占比最高,增速也是最快的,到2010年到2015年整个PEMFC系统出货量复合增长率达到了42.4%,同期SOFC系统出货量复合增速近两年也是非常快,达到122%。2015年PEMFC系统出货量年复合增长率达到21.6%。
这是目前全球来看燃料电池行业发展的分布示意图,我们可以看到其实主要集中在亚洲日本,欧洲德国,北美地区,目前来看亚洲北美欧洲和其他地区的出货量去年的分布是0.83、1.57、4.66和0.09万台套,这个不是它的容量,是出货量的台套。同时各地装机规模分别是28.5、139.7、172.2和2.2兆瓦,日本、德国和美国是应用的主要三个国家。
这个是日本燃料电池发展状况,可以看到其实日本燃料电池出货量装机规模占到了全球的60%,主要有两块应用,包括分布式发电和汽车领域,分布式这块它提供了一个ENE—FARM计划,2005到2009年家用燃料电池示范项目3300台套,2009年大规模商业化推广,截止到2015年已经累计安装12万套,主要使用PEMFC和SOFC这套系统。
在汽车领域日本丰田在2015年已经推出了MIRAI,所谓的燃料电池车,它的能量密度每公斤是350瓦时,功率密度是每升3.1kw,它整个加氢时间,就类似充天然气的时间是3分钟,续航里程5到6升可以续航500到600公里,售价不含补贴的情况下是39万人民币,含日本政府30%的补贴大概是26万人民币,其实和纯电动车的价格是差不多的。和我们纯电动车的代表商特斯拉比较,快充模式下在40分钟,500公里行驶里程,黄色部分是加氢罐,前面是燃料电池反应堆。预计到2025年到2030年燃料汽车达到20到80万辆,这是日本丰田目前的规划,在2015年大概交付了500辆,2025年大规模的加氢建设应该铺开,目标在日本建设320座加氢站。
这是目前日本燃料电池的加氢站规划,在四个主要的人口密集区建立了一百个加氢站,包括东京、大阪、福冈、爱知,日本政府对加氢站的建设补贴在50%。目前来看整个加氢站的进度预算确定的项目有75个,两个大型的氢气生产设施。在福冈地区有12个加氢,这是加氢站的分布示意图,大阪地区在12个左右,名古屋地区在15个,整个布局还是先布局在人口密集的地区。这是日本燃料电池成本下降的示意图,我们可以看到在11年前的时候,成本大概在48万人民币,到09年的时候下降到350万日元,到2015年的时候,按照五万台套的产量的时候,它的成本已经从48万下降到了9万人民币,下降幅度还是非常快的,下降了80%,他们整个日本未来的目标是到2020年到2030年,整个燃料电池反映堆的价格下降到三万块钱左右人民币,这是什么概念呢,现在我们一个20万左右的车,它的发动机的成本大概是在五到六万左右,十万块钱的车发动机成本在两到三万,相当于对应咱们传统汽车的发动机,现在成本下降的速度还是非常快的,在2015年左右,五万台套产量的时候,燃料电池整个堆的反应成本在九万块钱左右,其实已经低于我们很多动力电池纯电池车电池堆组的价格。比如说比亚迪(002594,股吧)6,整个电池成本在15万左右,其他车型都基本上占40%到50%,所以燃料电池未来电池堆的成本下降速度是比较快的,随着量的增加,而且它有望和传统车发动机的成本相比拟,这是一个非常可喜的方向。
日本燃料电池产业的发展,也是它相关政策大力支持的结果,我们这张PPT把所有的从09年到现在的相关重要政策都梳理了一遍,包括从09年为购买混合动力车在内的环保车的业主提供10到25万日元的补贴,大家可以算一下大概一万多块钱,为购买ENE—FARM CHP的企业或个人提供了大约50%的费用减免,减少日本对石油的依赖,这是它的国策。每个加氢站可以获得当时建设成本50%的政府资金补贴,今年有五个公司和19个加氢站申请获得了补贴。到2014年的时候为了提高燃料电池车的行驶里程,修改了《高压气体保安法》,对氢燃料压力的上限由700个大气压提升到875个大气压,提升了175个大气压,整个续航里程可以提高20%。整体这块对它的里程增加,一次充氢以后里程增加又提供了多的20%。2014年又出台了政策,2017年年免费提供氢燃料,就像咱们到加油站免费加油,或者加天然气一样免费加天然气,2017年前氢燃料电池免费在高速公路上行驶,他们预期到2030年氢气燃料电池销售达到40万辆,累计销售达到200万辆,2014年为了加快燃料电池产业的发展,公布了日本的《氢燃料电池战略发展路线图》,第一阶段是到2025年,快速扩大氢能的使用范围,在日本用燃料电池的装置数量分别在2020年和2030年达到140万台和530万台,整体这块规划和数量还是比较具体的。
这块是欧洲的燃料电池的发展状况,08年的时候出台了燃料电池与氢联合的行动计划叫FCH—JU计划,08年到13年投入了9.4亿欧元用于燃料电池和氢能的研究发展。从11年启动了H2计划,目前来看,又投入了大概1.23亿欧元,建设了77个加氢站,对15个已经有加氢站的国家实现国与国之间的互通互联,目前来看建设最多的是德国,到2018年达到100个,2020年达到400个,其次包括英国等等也在加速推进,这个是奔驰的乘用车,包括它已经是第三代的燃料电池反应堆,它的外形跟我们传统的汽车发动机是差不多的。就相当于咱们一个发动机的大小。这有一个什么好处呢,未来我可以直接用现有的车型把发动机替代掉。
整个欧洲燃料电池的政策发展情况也是比较具体的,包括它08年到13年投入9.4亿元用于燃料电池的研发,比如启动了Horizon燃料电池计划,氢和燃料电池的计划可以达到220亿欧元,目前来看整个欧洲也是在加紧推进燃料电池项目。这是美国燃料电池发展情况,主要是在加州,包括州政府对燃料电池和相关产业还是比较重视的,美国政府是对燃料电池在内的新能源公司提供资金支持和税收减免,ZEV计划在加州最高可获得最高9ZEV积分,每个积分最高价值五千美元,最高可以获得27万人民币的补贴。2014年7月8个州签署了零排放车辆合作协议,到2020年整个区域内330万辆机动车尾气排放量目标为零,占比22%。这是它目前已经建成或者正在建设的加氢站的示意图,布局的点数还是比较多。绿色的是已经投运的,黄色的是正在开发中的,开发的节点、布局上还是相对来说比较合理的。
目前来看美国南加州对氢燃料电池的发展在07年就开始实行减免税,2010年的时候加州宣布轻量型汽车提供15750元的回扣奖励措施,包括后面美国2012年的时候,联邦政府向美国能源部拨了3亿美元用于清洁能源的研究开发示范,到12年的时候,进入了第三阶段,每千瓦时进行三千美元的燃料电池系统补贴,只要达到30%的效率就可以享受30%的税收抵免。2013年的时候加州每年建设两千万美元左右的加氢站,至少在加州有一百个公用的加氢站。
前面是讲国外的情况,目前欧洲、日本、美国推进的都还不错,我们也把国内的情况给大家进行了梳理。每一个格代表五年,目前国外处于市场导入期,大概2020年到大规模商业化阶段,过去五年间国外主要做的是降低成本,提升性能,国内还处在技术验证阶段,从技术验证到市场导入,从目前技术水平单就国内的技术而言,可能还相差三到五年左右,还没有到降低成本,性能提升这个阶段,所以目前涉及燃料电池核心的电池堆,包括材料等等,还是以进口为主,但是国内游一些企业也在涉及,后面我们有一个产业链的图。
国内燃料电池发展的政策,在过去七年间最早是能源局在《节能与新能源汽车推广示范财政补助资金管理暂行办法》当中提到了零排放纯电动车和燃料电池补贴6到60万元不等,到2012年的时候国务院《节能与新能源汽车产业发展规划》上提到,燃料电池汽车,开展燃料电池电堆、发动机及其关键材料核心技术的研究,把握世界新能源汽车发展动向,对其他类型的新能源汽车技术加大研究力度,到2015年的时候,财政部、科技部、工信部、发改委出台了《关于16到20年新能源汽车推广应用财政支持政策的通知》,除燃料电池汽车外其他的车型补助标准适度退坡,这块相对来说对燃料电池产业的发展起到了一个更大的推进作用。
目前的技术指标来看,国外的水平,从价格上每千瓦时国外在大批量生产的情况下在55美元左右,美国能源部的目标是2020年达到40美元,最终目标达到30美元,这是什么概念呢,就跟现在咱们传统车的内燃机的价格差不多。目前是在55,基本上还贵了80%左右,国内现在因为没有大批量的生产,所以现在估算的水平大概是超过500美元每千瓦。整个功率密度,国外目前的水平大概是3.1kw/L,DOE2020年的指标是2.5,最终目标也是2.5,现在来看3.1已经完全提前完成了这个目标。在峰值能量的效率上,2015年海外这块大概60%,国内大概做到50%左右,目标是2020年65%,最终目标70%,这块也接近达到未来的最终目标。使用寿命上因为不同的车,其实燃料电池堆的寿命是不一样的,像轿车理想的目标是五千小时,是个什么概念呢,如果我们的平均时速是30到40公里每小时的话,5000小时对应大概是15万到20万公里,对应咱家庭用户的话,用七到十年,这块是基本上就是一个发动机的寿命,然后提出来DOE的目标是五千小时,目前国外基本上能做到4500小时左右,基本也达到了这个目标。这个对于客车来说,DOE的目标是希望未来能达到两万五千小时左右,这也是最终目标,目前来看国外能做到接近两万小时,国内的目标自产在三千小时左右,主要跟隔膜等等材料相关,无辅助的冷启动目前要求低温下,这个对低温性能尤其在北方使用是有要求的,国外目前能做到零下30度,国内在零下20度是没问题的。这块已经达成了目标。包括铂的消耗量,在2014、2015年,铂的消耗量大概是100克,未来整个铂的消耗量大概是在50克左右,而现在咱们传统车包括内燃机车,汽油车、柴油车,铂的消耗量是20克到30克之间,所以开始有些人担心未来如果全部搞燃料电池的话,整个铂的消耗量太大,全球的铂可能造成紧张,国外一家公司也进行测算,如果未来整个用量下降到50,甚至下降到20到30的时候,其实跟我们传统车的铂的消耗量是差不多的,而且这个铂可以实现99%的回收利用,所以这块不应该是成为整个产业约束发展的核心障碍。
目前来看,国内电池发展状况来看,燃料电池的系统成本包括电堆、燃料重整、空压机系统和公路调节器分别占成本比重67%、24%、6%和3%,燃料重整就是制氢这个环节,占到24%,加起来接近90%,在电堆当中催化剂占比最大,达到49%,未来依靠降低贵金属使用量的方式来降低催化剂在成本中的占比,用量从之前每套系统用一百克下降到50克,甚至还可以再进一步下降到20到30克,这样的话最终实现和传统内燃机车20克每台的水平相当。这是整个占比的示意图。
燃料电池价格其实它是跟未来燃料电池的出货量是密切相关的,目前来看,我们也跟国外的一些专家老师也进行沟通,在年出货量约50万套系统的情况下,比08年的成本预测下降30%,比06年的成本预测下降50%,预计燃料电池加氢站的投资在一千万到两千万左右,左边是燃料电池的成本下降的情况,右边这块是燃料电池的产量,和它的价格变动因素,我们可以看到在所谓的三万台套之前,其实它的价格是相对来说比较高的,等到下降到8万台套之后,整体来说价格下降就进入一个相对来说平缓的阶段。
大家提到燃料电池汽车,肯定会想到跟内燃机车相对应的汽油占,目前加氢的价格怎么样,大概是每升4.99美元,合人民币33块钱,未来的目标是下降到4块钱,基本上24块钱左右,其实氢气的成本中压缩这块的成本是占比最大的,占到65%,冷却占到10%,储藏大概是11%左右。所以这三块的成本未来通过各种方式把它进行降低,是降低加氢价格的主要手段,
这块是产业结构图,包括上游的材料,中游组装,下游应用,上游材料包括氢气供应,氢气生产,这块大家目前看不用担心,是大型的工业化生产,包括在高温下进行反应,包括天然气的生产,另外一块是氢气的运输和分散,这块目前是要重视的,另外包括充气机,电池组件这块包括前端的氢气的储存设备和配件,包括燃料电池堆,燃料电池堆又包括双极板,催化剂,质子交换膜,膜电极,气体扩散层,国外掌握的都比较好,国内的企业在陆续切入,但是成熟的产品一般还是用途比较多,如果哪些企业在这些领域能进行突破的话,我觉得未来还是值得我们重点关注的。
在下游应用这块包括固定式的发电装置,交通运输设备还有便携式的设备。中游组装这块主要是燃料电池系统组装,目前国内做燃料电池系统组装的企业都比较多,主要是买国外的电池堆或者国内某些的电池堆进行组装,这块进入的人比较多一点,下游的应用现在也有一些企业,包括整车企业也开始往里面切。
全球燃料电池汽车行业发展呈现加速之势。欧日美政府加大燃料电池产业的政策扶持,国内2020年前燃料电池汽车维持高强度补贴力度,宝马、奔驰、奥迪、福特、大众、雪弗兰、凯迪拉克的多款车型将在2016~2020年集中投放。根据国家能源署的展望,燃料电池汽车2020年开始进入产业化阶段,2050年燃料电池乘用车保有量将达1亿台。
欧美日燃料电池技术已具备产业化条件。燃料电池系统是燃料电池汽车的核心,成本占比52.9%,其次是高压储氢罐(33.7%),目前掌握在欧美日厂商手中,国内正在进行研发中。电机及控制系统、整车控制系统已经实现国产化;国内加氢站技术已经趋于成熟。
空气循环系统是燃料电池堆关键零部件,决定燃料电池的能量转化效率。空气循环系统成本占电池堆成本的22%,为了保证燃料电池具有良好的工作特性,空气循环系统必须满足结构紧凑,重量轻,噪声低,可靠性高,能量可回收等要求,目前广泛应用的工业压缩机达不到要求。涡轮和双螺杆空气循环系统是目前主流技术路线,分别由美国HoneyWell公司和瑞典OPCON AB公司主导。