饥荒联机版彩蛋:世界氢能及燃料电池产业发展现状(上)(下)

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世界氢能及燃料电池产业发展现状(上)
2007-2-9 11:05:00   点击次数:4128   类型:转载   编辑:ghf
氢能和燃料电池有助于解决能源安全和环境问题,因此氢作为载能体逐渐替代石油是人们提出的“后石油时代”移动能源的解决方案之一。氢除了可以通过化石能源制备之外,还可由生物能、风能、太阳能、水利能等可再生能源或者核能转化而来。而燃料电池是氢的理想的转化装置,是氢能利用的关键技术。近10年来,燃料电池技术得到全球的高度重视,由此逐渐形成了一个新兴的产业。
一、全球氢能及燃料电池产业发展的特点
1.全球燃料电池产业规模持续扩大
根据Fuel Cell Today发布的燃料电池系统全球调查,2005年全球燃料电池应用系统达到14500个,相比于2004年增加了32%(图1)。2005年增加的燃料电池绝大部分是便携式电池和小型固定式电池。
图1  全球燃料电池应用系统的增长(单位:个)

资料来源:Fuel Cell Today。
2.全球燃料电池应用推广速度加快,氢能燃料站持续增加
燃料电池的一个主要的应用领域是交通运输。在这方面,诸如Smart Fuel Cell (SFC)和Hydrocell Oy等公司致力于车用燃料电池的商业化,产品覆盖辅助动力设备(APUs)、军用燃料电池、车用燃料电池、航空航天用燃料电池、机动脚踏两用车、自行车、轮椅,甚至机器人等。在2005年,美、日两国的一些重要公司对公共汽车用燃料电池的研发投入份额较大,如美国的AC Transit重新设计其公共汽车的底盘以利于氢能电池的应用;日本本田汽车株式会社也推出了利用燃料电池的豪华的FCX概念车,并且在2005年8月进入美、日市场。在基础建设方面,在2005年全球新增氢能燃料站30个(图2),其中大部分位于美国加州,在该州的加州燃料电池同业会(CaFCP)以及南海岸空气质量管理区(AQMD)已经投放90多辆由燃料电池驱动的公共汽车等。预计两年内,这个数字将达到300,而由市长施瓦辛格倡导的“氢能高速公路网”计划将使燃料补给站达到50个。
图2  全球氢能燃料站的数量及发展趋势(单位:个)

注:深颜色为正在营运的氢能燃料站,较浅颜色为预测数。
资料来源:Fuel Cell Today。
3.质子交换膜燃料电池应用最广
目前广泛研发的燃料电池有质子交换膜燃料电池(PEMFC)、直接甲醇燃料电池(DMFC)、碱性燃料电池(AFC)、磷酸盐型燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)等。其中,PEMFC因其不经过燃烧直接以电化学反应连续地把燃料和氧化剂中的化学能直接转换成电能,具有能量转换效率高(一般都在40%~50%,而内燃机仅为18%~24%)、无污染、启动快、电池寿命长、比功率、比能量高等优点,成为应用最广的一类燃料电池(图3),尤其是在汽车用燃料方面,PEMFC的应用接近该市场的100%。
图3  各种燃料电池的应用情况

资料来源:Fuel Cell Today。
4.燃料电池生产主要集中在欧美日发达国家和地区
目前,全球燃料电池市场仍然由北美主导,该地区燃料电池的研发与生产最为活跃,其次是欧洲和日本(图4)。除了日本的亚洲其他地区则主要是我国和韩国,近年来对燃料电池的发展投入了巨大的热情。从燃料电池应用和消费的角度来看,日本最为积极,其燃料电池的消费量大于生产量,而欧洲的生产量与消费量基本持平。
图4  2004、2005年全球燃料电池生产数量的区域分布

资料来源:Fuel Cell Today。
世界氢能及燃料电池产业发展现状(下)
2007-2-13 11:18:00   点击次数:2442   类型:转载   编辑:ghf
二、不同地区和国家的氢能及燃料电池发展动态
1.美国
美国政府将氢能和燃料电池确定为维系经济繁荣和国家安全的、至关重要的、必须发展的技术之一。目前,涉及氢能和燃料电池发展两大核心部门分别是能源部(DOE)和国防部(DoD)。
能源部当前的特定目标主要有三个,即:从现有的和未来的资源中获取氢能;自由汽车(FreedomCAR)计划;燃料电池研究。燃料电池研究包括两个项目:一是“氢能、燃料电池和基础设施技术项目”,为大量相对独立的研究活动提供帮助,将氢能生产、储藏和运输方面的技术进行整合,其主要目标是降低氢能生产和配送成本,到2010年降至1.5美元/公斤,开发高效、低成本的燃料电池技术,同时建立高效、低成本的氢能输送基础设施网络;二是“自由汽车和汽车技术项目”,主要将资金集中支持涉及轻型汽车、燃料电池以及相关基础设施等方面的一些基础性的、具有风险的研究项目,包括混合型燃料电池汽车(FCV)的研发、燃料电池补给站网络的建设,以及动力传动系统的研发等。
国防部的研究则主要集中于氢能和燃料电池在军事方面的应用,研究的重点是PEM和SOFC。其核心项目包括“高级电力和能源项目(APEP)”、“热电电力生产”、为SOFC系统的军事应用研发燃料发生器(达到10kW)等。
美国2005财政年度由总统签署的拨款预算中,包括“能源与水预算案(HR4614)”,包括对非化石能源的研究投资。能源供给研发总拨款为5.87亿美元,其中太阳能和可再生能源得到拨款3.25亿美元(包括其他非研发费用拨款则为3.90亿美元),占55%;其他则有电力传输与配送为0.91亿美元,核能研发为1.71亿美元。而3.25亿美元拨款中,大约1亿美元用于氢能和燃料电池相关的项目,而这些款项中38%是属于专款专用的项目,如500万美元用于加州氢能基础设施项目,200万美元用于机车原型的研发等。这一拨款预算案中遭人诟病的是没有有关氢能与燃料电池教育的投入。
2.欧盟
欧盟25国在2003年促成了“欧洲研究区(European Research Area,ERA)”,旨在从共同体的层次来开展更具战略意义的研发活动。该项目涉及诸多领域,包括纳米技术和燃料电池。作为该项目的一项内容,欧盟建立了大量的研发“平台”,其中就有“欧洲氢能和燃料电池技术平台(EHFCP)”。该平台的目的在于向欧盟委员会推荐燃料电池和氢能技术发展的一些关键性领域,从而能够在“第7框架计划(7th Framework Programme(FP),2007~2012年)”中重点攻关。
在ERA之前,欧洲制订了“至2005年欧洲的研发与示范战略”,这是一个为期10年的研发战略,其中明确地提出了2005年欧盟燃料电池研发所要达到的目标,其核心是降低燃料电池的成本(表1)。但从实践的效果来看,这一战略目标太过超前和乐观,且缺乏实质性的措施。因此,在1998年对此进行了修正,将其目标设置得更具弹性:固定式燃料电池系统的成本为<1000~1500欧元/KW、道路交通用燃料电池的成本<100欧元/kW;固定式燃料电池寿命重新设定的目标是>4000小时,而道路交通用燃料电池>5000小时(使用10年)。
表1   欧盟2005年燃料电池研发目标
PAFC
MCFC
SOFC
PEMFC
成本
电池组
<300
<500
<500
<200
(欧元/KW)
电池系统
<1000
<1500
<1500
<1500
寿命(小时)
40000
40000
40000
20000(固定式)
研发活动

a.延长电池使用寿命,降低成本;
a.相关材料的研究,降低成本;
a.开发高级的PEMFC;
b.制造简单的电池组;
b.制造简单的电池组;
b.FC驱动车辆的研发;
c.高温5~10MW网络的可行性研究。
c.高温5~10MW网络的可行性研究。
c.简单PEMFC的制造;
d.高温5~10MW网络的可行性研究。
示范
a.5~10MW网络示范;
a.5~10MW网络示范;
a.5~10MW网络示范;
a.2~5MW城市网络示范;
b.组件生产的改进;
b.现行项目成功即进行推广;
b.支持某些创新,尤其是进行SOFC的内部革新。
b.交通应用经验的推广;
c.达到成本下限即推广应用。
c.电池组生产的改进。
c.低温产品的经验推广。
资料来源:Fuel Cell Today。
欧盟对氢能和燃料电池研发与推广的资金支持主要是在Framework Programme(FP)的框架下进行的。“第6框架计划(2002~2006)”(FP6)第一轮资金支持涉及30个项目,共投入资金1亿欧元,涉及氢能制造(1460万欧元)、氢能贮藏(1070万欧元)、氢能安全及其标准制订(750万欧元)、氢能的传输(2134万欧元)、氢能的最终应用(1350万欧元)、高温燃料电池(1510万欧元)、SOFC燃料电池(1495万欧元)、便携式燃料电池(275万欧元)以及其他通用技术研发(21万欧元)。尽管欧盟对氢能及燃料电池的投入规模较大,但是相对于FP6的175亿欧元资金投入总额,其份额很小,不到1%。
3.日本
日本自1974年由经济产业省(METI)提出“阳光工程(Sunshine Project)”以来,对各种新能源开发一直非常活跃。1993年进一步提出了新的阳光工程,主要致力于太阳能、风能、燃料电池、洁净煤技术的研发,并且寻求国际合作共同致力氢能系统的开发。
目前,就各种燃料电池而言,PAFC和MCFC在日本已经得以应用。而应用于汽车领域的PEMFC也进入了实用阶段,SOFC的应用相对滞后一些,但在不远的未来也将投入商业化应用。
从市场规模来看,2005年日本PEMFC的产值达到69.6亿日元,是2004年的3.1倍(图5)。致力PEMFC研发与生产的企业主要有松下电子,Ebara Ballard,日本石油(Nippon Oil)、Idemitsu Kosan,丰田汽车、日立、东芝等,其中丰田汽车公司在“2005世博会”(爱知县)上展出了该公司与Hino汽车公司合作研发的大型FCHV-BUS2,这一通勤车采用混合燃料电池系统,以纯氢为燃料,安装有两个90KW的燃料电池组(stacks),还采用了备用的镍-氢电池。
图5  2004、2005年日本各种燃料电池的市场规模

资料来源:根据“Japan’s Fuel Cell Industry”数据编制。
对PAFC进行研发的公司主要有富士电子高技术公司、东芝燃料电池电力系统公司、三菱电子等三个公司,其中只有前两个公司提供PAFC产品。富士电子高技术公司2005年开发的一款新的PAFC燃料电池使用寿命达到40000~60000小时,该产品的出现激发了新的市场需求。
2005年日本MCFC的市场规模为8.5亿日元。在MCFC研发中占主导地位的是石川岛-播摩重工(IHI)和Marubeni公司。IHI在2005年爱知“世博会”上展示了他们开发的300kW和1000kW的燃料电池组件。
4.韩国
韩国是当前世界上第十大能源消费国。在经过40年的高技术增长之后,韩国政府在1999年提出了两项计划,其一为“2025年科技发展长期远景”,涉及约40项任务;其二为“21世纪前沿科学计划”,提出了10年内主攻的科学技术领域,包括脑科学、降低二氧化碳、植物多样性、干细胞研究、智能机器人,以及氢能。氢能研发与2003年正式启动。另一方面,燃料电池研究则在“能源技术研发的10年计划”框架下展开。
主导氢能与燃料电池研发的政府机构包括科技部(MOST)和商业、产业和能源部(MOCIE),在两部门之间共同组建了“国家氢能与燃料电池研发组织”。2003年,科技部在“21世纪前沿科学计划”项目的资助下成立了“氢能研发中心”。该中心针对韩国未来10年内氢能的发展,将发展目标分解为三个阶段,即2003~2005年基础研究阶段、2006~2008年示范阶段、2009~2012年推广执行阶段,每个阶段均涉及氢能生产、氢能贮藏和氢能利用三方面的内容(表2)。
表2  韩国氢能研发中心的研发计划
第一阶段
第二阶段
第三阶段
目标
基础研发
示范
推广执行
年限
2003~2005
2006~2008
2009~2012
氢的生产
天然气蒸汽改良
20Nm3/hr氢气站示范
采用自然能源进行氢能生产的技术;
水的热化学裂解
核心技术发展的有效性
5Nm3/hr规模体系示范;
PEM/高温电解的水裂解
PEM/高温电解安全的和新技术
氢能操作体系的最优化
基础生物技术
可靠技术的系统化
光化学水裂解
物质合成的安全性
氢的贮藏
压缩气体技术及基础设施
高压气体贮藏罐的研发
规模生产与应用(32kg/m3,压力700巴以上);
复合金属氢化物
有效储藏技术的研发
安全技术的推广及商业应用(2~6wt%,最大45kg/m3)
化学氢化物
运输中氢能贮藏
纳米材料
技术的有效性评价
氢的利用
氢能电力系统
高性能电力系统示范
建立高效氢能电力系统
高灵敏度氢泄漏传感器
安全技术涉及的传感器
安全监测传感器的规模化生产
氢能安全分析
氢技术的标准与规范
标准/规范/安全教育
资料来源:Fuel Cell Today。
在燃料电池方面,韩国长期以来集中研究MCFC和PAFC在大型固定式电池方面的应用。目前,韩国政府认识到燃料电池技术是关系到国家未来经济增长的关键技术,因此将研发的范围进行拓展,研究燃料电池在交通运输以及移动电话领域的应用,并且致力于PEMFC和SOFC的研究,还制订了“韩国燃料电池研发路线图”,详细地提出了阶段性目标,以及不同应用领域的燃料电池拟达到的性能指标(表3)。
表3  韩国不同应用领域燃料电池拟达到的性能指标
手机、PDA等用燃料电池
交通工具用燃料电池
固定式燃料电池
能量密度
1000Wh/kg
1kW/L(体积)

1kW/kg(重量)
电量
600mW-1kW
75kW
10kW(私人用)
100kW-MW(大中型,MCFC、PAFC、SOFC)
电池充电时间
<1min
0.5s

启动时间

0.1min

使用寿命
5年
5000hr
>40000hr非连续所用
>10000hr累积使用
电力产生效率

50%
>40%;>80%(加热状态)
价格(成本)
1美元/1W电池
20美元/kW
<3000美元/kW(2005年)
<1000美元/kW(商业化)
资料来源:根据Fuel Cell Today相关资料汇总。
在资金投入方面,在1990~2003年间政府与企业双方的投入规模相当。当前,政府对氢能及燃料电池的研发投入强度加大,2003~2019年通过科技部投入的研发资金将累计达到15亿美元,其中60%以上将投入氢能领域。韩国2005财政年度有关“新能源和可再生能源”预算为3.219亿美元,其中包括对氢能、太阳能、风能、热能以及生物质能。
韩国氢能及燃料电池研发的资金的另一渠道是企业,尽管没有更为详细的数据,但是很多大型企业涉及氢能和燃料电池研发与生产的事实是非常明显的,如,三星(Samsung)主攻PEM和DMFC、现代(Hyundai)主攻FCV。此外,LG-化工和LG-电子则分别从事MEA、DMFC和PEM、DMFC的研发。
来源:上海情报服务平台网