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专题研究 RESEARCH

专题研究

美国燃料电池发展及应用现状专题报告

2017-06-13 572浏览 标签: 燃料电池

一、前言

 

燃料电池是一种使用燃料进行化学反应产生电能的装置。目前,虽然日本的燃料电池技术世界领先,但是,增长最快的燃料电池市场却在美国。

美国的燃料电池应用主要集中在军用和民用两个方面。燃料电池可以在军事上应用主要是因为:首先,燃料电池工作时没有噪音便于隐蔽,这使得燃料电池作为水下无人航行器和潜艇等军事设施动力来源时优势明显。其次,燃料电池的副产品为水,能在孤岛军事行动中提供水源。最后,燃料电池加氢时间短,续航里程长,适合作为军事设施的动力来源。

燃料电池在民用设施上的应用主要出于燃料电池零排放的优点,在燃料电池汽车和燃料电池叉车上应用广泛。

目前,美国燃料电池的发展与日本不同。日本在民用居多,日本丰田的Mirai燃料电池汽车广为人知。美国燃料电池则朝着军用和民用两个方向发展。美国政府近年来大力支持包括燃料电池在内的清洁能源技术的发展,美国能源部、各大州相继出台扶持政策,希望通过政府扶持的举措推进燃料电池的普及。但是在美国,也会存在反对燃料电池的呼声。比如,特斯拉CEO汽车新闻世界会议上就表示,使用氢气存在安全隐患,并且与电动汽车相比燃料电池汽车效率过低。

 

 

二、2016年新增扶持政策

 

(一)美国能源部扶持政策

 

2016年1118日,美国能源部官网公布消息称,将投资3000万美元,用于氢和燃料电池技术的研发。项目的主要研发内容包括,低成本氢生产工艺、车载储氢以及质子交换膜燃料电池。美国希望借助这些研发项目,来加速推动燃料电池电动汽车的商业化进程。研发项目将充分利用美国能源部能源材料网(EMN)在过去一年推出的国家实验室联盟,最终完成能源部的材料研究和先进制造的相关事宜。





(二)各州扶持政策

 

       纽约

2016年1223日,美国纽约绿色银行宣布,为燃料电池制造商Plug Power公司提供2500万美金的高级贷款,以支持未来三年在纽约部署1300个燃料电池系统,便于配送中心的客户,如沃尔玛和家得宝等公司使用。纽约绿色银行是纽约州能源研究和开发局(NYSERDA)的下属部门,是纽约1053亿美元清洁能源基金的关键组成部分,旨在加速清洁能源的使用,减少温室气体的排放,提高能源效率,刺激纽约州的经济发展。

2016年,作为清洁车队纽约试点项目的一部分,纽约环保局、纽约电力局、纽约能源研究发展局及其他机构将会确保至少半数的公务用车为零排放汽车,也包括燃料电池汽车。这些机构将会探索零排放汽车的购买模式,充分利用联邦税收优惠政策,努力降低成本。

 

       加利福尼亚

2016年2月,作为替代和可再生燃料及车辆技术项目提名奖励第6次通告的一部分,加州能源局奖励工业气体供应商Linde公司22万美元,该资金将用于升级和支持圣拉蒙的加氢站设施。

2016年731日,加州空气资源局环保车补贴项目发布了250份燃料电池汽车返利,总计约117万美金。

 

        康涅狄格

“康涅狄格州氢和电动汽车购买返利项目为购买或租赁新型燃料电池汽车而不超过6万美元的本地居民提供返利。当购买或租赁汽车时,可在经销处获得这种销售点(point-of-sale,POS)返利。201671日,燃料电池汽车返利从3000美金增长到5000美金。而康涅狄格州氢和电动汽车购买退税项目也收到了2016年额外的100万美元,以支持其继续进行返利活动。

 

        新泽西

2016年1月,新泽西州参议院通过立法,建立清洁汽车专责小组以评估新泽西低排放和零排放汽车,包括燃料电池汽车。该州为零排放汽车免除销售税。2016年,具有资格的汽车包括丰田的Mirai和现代的Tuscon两款车型。

 

       俄勒冈

俄勒冈州的清洁燃料项目旨在降低温室气体排放,在十年间降低俄勒冈地区10%的气体排放。受监管方必须遵守项目规定,混合低碳生物燃料,或者在注册机构购买积分,其中包括氢燃料。

 

        科罗拉多

科罗拉多州政府20163月发布规定,到201711日,石油和公共安全部主管必须公布关于车用氢燃料销售的规定,规定包括监察、测量和规格。这项规定修改了燃料制品的定义,其中就包括氢燃料。

 

       内布拉斯加

2016年1月,内布拉斯加州发布清洁汽车燃料开发返利计划,限定了清洁汽车燃料性质,并包括了氢燃料电池。购买燃料电池汽车符合要求,租赁则不符合要求。

 

三、美国军用燃料电池现状

 

(一)陆军

 

       燃料电池汽车

2016年103日,通用汽车公司(GM)和美国陆军坦克汽车研究、开发和工程中心(TARDEC)公布了雪佛兰科罗拉多ZH2燃料电池电动汽车,结合了燃料电池技术及车载制水的优势,输出电力并且可安静的运行,具有极端越野性能。科罗拉多ZH2 6.5英尺,超过7英尺宽,具有中型皮卡底盘, 内部和外部具有加强设计,搭载37英寸轮胎和特殊改装过的悬挂,帮助科罗拉多ZH2汽车应对所有地面状况。美国陆军将于2017年测试科罗拉多ZH2在极端野外条件下的性能,以确定氢动力汽车执行军事任务的可行性。科罗拉多ZH2设有一个可导出动力输出单元,允许燃料电池在远离车辆的条件下为行动提供电力,比如难以获得电力的偏远区域。

 

        军用车辆辅助动力装置

根据美国能源部发布的《2014燃料电池技术市场报告》中指出,NexTech Materials公司收到美国陆军坦克汽车研究、发展与工程中心第二阶段的合同,设计开发固体氧化物燃料电池堆叠,并集成到10 kW级军用车辆辅助动力装置中。在第一阶段,NexTech将其耐硫阳极技术整合到堆叠设计中,确保军事后勤燃料的使用。在第二阶段,NexTech将会建立并测试这些堆叠是否符合军用规格。其他的研究方向将会集中于降低堆叠重量和体积,提高堆叠效率并提高耐硫性能。

 

 

(二)海军

 

       可逆式固态氧化物燃料电池

2016年1月,波音公司向美国海军交付第一台新型燃料电池,以进行测试。所谓可逆式固态氧化物燃料电池,就是吸收可再生能源如风能和太阳能,并按需要提供商用和军用、更清洁和更可持续的电源。波音的燃料电池系统开发了16个月,依靠催化剂电解过程,利用微电网的电力分解水或其他材料制氢,之后压缩并储存,以备以后使用。需要电力时,燃料电池自身反向并燃烧氢气发电,产物仅仅是水。波音公司宣称,这是首次把这个循环的两侧综合成一个系统,最简单的输入是阳光和海水,最基本的输出是电力、饮用水和供暖,最适合用于偏僻海岛和军事活动。

 

 

       无人水下航行器

2016年6月,通用汽车、美国海军研究办公室以及美国海军研究实验室宣布,三者将会合作将汽车氢燃料电池系统用于海军下一代无人水下航行器领域。通用近年来一直在研究,如何用氢燃料电池将氢气转化成比蓄电池续航里程更大的发电媒介。目前无人水下航行器有多种用途,包括水域巡逻和侦察勘测。最近,美国海军研究实验室已评估测试了配备通用汽车燃料电池的无人水下航行器样机。

2014年514日,美国海军研究办公室选定UTC宇航系统公司推进长航时无人潜航器推进系统的下一阶段研发。随后UTC将继续为21英寸直径的无人潜航器(UUV)开发基于质子交换膜的燃料电池能源系统(PES)。PES将取代现有电池系统,为美海军提供更久续航力和更高的操纵灵活性。该项目的总目标是完成技术成熟度为6级的燃料电池系统验证。

 

       燃料电池潜艇

根据《Fuel Cells in America 2015 6th Edition》介绍,Proton OnSite公司收到航空航天系统公司(UTC Aerospace Systems)的订单,订购其质子交换膜(PEM)电解槽组,以应用于美国海军的新型潜艇上。该订单将会支持美国Virginia级潜艇的制氧工作。目前,Proton OnSite公司是该领域唯一为国际舰队供货的供应商。

 

       无人机

2016年1219日,美国海军研究实验室化学和战术电子战争部门的研究团队采用新型定制氢燃料电池完成了首次离子虎Ion Tiger)无人机的试飞。离子虎无人机采用了新型定制氢燃料电池驱动,该燃料电池具有5000瓦的容量,采用激光焊接金属箔双极板材工艺,具有节省空间和质轻的优势。

 

四、美国民用燃料电池现状

 

      燃料电池汽车

 

根据美国能源部燃料电池技术办公室于201611月发布的《State of the States: Fuel Cells in America 2016 7th Edition》,美国许多州正在考虑增加部署零排放车辆(ZEV),包括燃料电池汽车(FCV),以减少运输部门的温室气体排放。各州将在提供政策激励和支持方面发挥重要作用以鼓励使用燃料电池车辆并开发公共加氢站。一些州单独行动,另一些州则通过多州ZEV计划以及通过参与H2USA(一项公私合作计划)以促进燃料电池电动车辆在美国的商业引进和广泛采用。

2013年,加利福尼亚州、康涅狄格州、缅因州、马里兰州、马萨诸塞州、新泽西州、纽约州、俄勒冈州、罗德岛以及佛蒙特州签署了一个谅解备忘录承诺到2025年部署330万量电动汽车,其中就包括燃料电池汽车(FCV)。到目前为止,该项ZEV声明已经使各州采取一些列行动来支持FCV的部署。据悉,加利福尼亚州如今已经有大约300FCV,它们可以在公共和私人加氢站补充燃料。

除了轻型燃料电池汽车,燃料电池公共汽车(FCB)取代柴油动力公共汽车也是美国燃料电池的一个应用方向。联邦交通管理局的国家燃料电池公交车计划,正在努力推进公共汽车燃料电池技术的商业化。

2016年7月,加利福尼亚州的南海岸空气质量管理区(South Coast Air Quality Management District)批准100万美元用于10辆燃料电池公共汽车,使它们于2017年底投入运行提供交通运输服务。

2016年4月,俄亥俄州的Stark地区运输管理局从联邦交通管理局LoNo计划中获得了超过400美元用于购买3辆燃料电池公共汽车。

 

      燃料电池发电

 

燃料电池是一种高效可靠的传统发电替代方案。它可以为多种场所提供清洁、可靠的主要或备用电源,包括公司和市政设施,并且也可以为关键基础设施提供支持,例如警察局和消防局、通信网络、铁路设施和医院、处理信用卡以及其他交易的数据中心以及其他设施。

美国东北部的一些州,大风暴和恶劣天气会使电网瘫痪。公共事业部门和市政当局正在将燃料电池集成到微型电网中使之能为必要的公共服务人员和单位提供持续电力,比如急救人员、加油站、老年中心、学校以及应急避难所。

Bloom Energy公司已经在加利福尼亚,康涅狄格和纽约州的客户那里安装了该公司的Bloom Energy Server燃料电池发电机。其客户包括宜家、摩根史坦利和沃尔玛等。

斗山燃料电池美国公司在加利福尼亚州立大学和加利福尼亚Norco学院安装了PureCell® Model 400燃料电池进行发电。

FuelCell Energy公司受委托在加利福尼亚州阿拉米达县的Santa Rita监狱建造一个新的燃料电池系统。这是个老客户,它自2006年以来一直运行着一个FuelCell Energy公司的燃料电池发电站。FuelCell Energy公司还计划在康涅狄格州安装几个燃料电池发电装置:一个是将安装于GrotonPfzer研究设施中的5.6MW的燃料电池系统,第二个位于Bristol市的棕色地带(brownfield site)。

 

      燃料电池材料装卸设备

 

拥有配送中心和仓库的公司持续部署燃料电池材料装卸设备(MHE),以提高运营绩效并降低成本。

当今,有超过11000部燃料电池驱动的叉车在北美运行,分布在美国超过20个州的设施之中。这些州包括:阿拉巴马州、加利福尼亚州、科罗拉多州、佛罗里达州、佐治亚州、伊利诺伊州、印第安纳州、肯塔基州、路易斯安那州、马萨诸塞州、马里兰州、明尼苏达州、密苏里州、北卡罗莱纳州、新泽西州、纽约州、俄亥俄州、宾夕法尼亚州、南卡罗来纳州、田纳西州、德克萨斯州、弗吉尼亚州以及威斯康辛州。

    使用燃料电池技术用于配送操作的公司包括:Ace Hardware、可口可乐、联邦快递、家得宝、Newark Farmer’s Market、克罗格、Lowe’s、宝洁、西斯科、沃尔玛以及Wegmans等等。除此以外还有宝马、本田以及大众的生产设施也使用燃料电池装备进行配送操作。上述公司中很多在美国拥有多个基地,那些基地的材料装卸车队编制中包括燃料电池叉车,有的甚至完全由燃料电池叉车组成装卸车队。

 

 

五、分析总结

 

美国燃料电池市场是目前世界范围内增长最为迅速的市场,在军事领域和民用领域都有所应用,并处在从军用到民用过渡的阶段。

在军事领域,美国陆军、海军都在研究开发新型燃料电池技术。美国海军对燃料电池技术较为重视,希望利用燃料电池工作无噪音的优势确保水下无人航行器和舰艇具有高隐蔽性。此外,还开发燃料电池无人机以扩大燃料电池在军事领域的应用陆军2016年最大的动作无疑是与通用汽车公司合作开发了雪佛兰科罗拉多ZH2燃料电池电动汽车,燃料电池除了可以提供车辆动力来源之外还可以确保在偏远区域的军事行动的电力供应

在民用领域,美国政府近两年大力发展包括燃料电池技术在内的清洁能源技术,除了美国能源部外,包括纽约州、加利福尼亚州、康涅狄格州和新泽西州在内的各大州纷纷出台政策支持燃料电池相关产业。这也使得燃料电池在新能源汽车、发电、装卸设备等领域都有应用。

但是,在美国燃料电池一片大好的情况下也存在一些隐患。外围消息显示,2016年美国运营加氢站68家,但绝大多数集中于加州等少数州的管辖范围内。燃料电池的发展离不开加氢站,就像燃油汽车离不开加油站一样,因此大范围的推广燃料电池离不开加氢站基础设施的建设。此外,与锂电池技术广泛应用于车辆、电子等领域相比燃料电池技术稍显稚嫩,而且还面临着效率不高、催化剂昂贵以及易爆等问题。与燃料电池相比,特斯拉CEO埃隆·马斯克更倾向于锂电池技术。

研究美国燃料电池的发展与应用也会对我国燃料电池的发展提供思路。笔者认为,在海军应用领域我国无需跟美国一样在舰艇上安装燃料电池动力系统,与其花大价钱研究燃料电池在舰艇上的应用,不如开发燃料电池替代技术更行之有效。在陆军应用领域可以利用燃料电池工作产物为水的特点,在如孤岛行动和荒漠行动等缺少水源的地区采用燃料电池供电,提供电力的同时还可获得水源。

在民用领域我国要加强加氢站的建设,目前我国仅有4家加氢站,远落后于美国(68家)、日本(80家)、德国(50家)、韩国(43家)等发达国家。同时,开发非贵金属催化剂,提高效率的同时降低成本。

 


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