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石油对外依存度在2009年首超50%的警戒线,到2013年该数据上升到了58.10%,能源安全备受关注。
天然气的对外依存度在近几年则呈现更快的增长,从2009年的5.00%上升到2013年的31.60%。
寻找替代能源和节能成为我国当前的重要任务。
*汇率以每年平均值计算
从目前的石油消耗情况来看,国内石油需求增量绝大部分用于满足汽车数量的增长,汽车已成为石油消耗的最大行业。
按照中国每年新增2000万辆汽车来计算,每年将增加3000万吨成品油消费,折合成原油消耗为5000万吨,这已远远超过每年的新增原油消耗量。
中国2013年汽车保有量(不含三轮汽车和低速货车)已达到1.37亿辆,折合成原油消耗为3.4亿吨,占13年原油总消耗的67.5%。
汽车,作为主要的碳排放源和石油消耗源,首当其冲肩负着我国节能减排的重要使命。
怎样降低排放、提高燃油效率、寻找新的动力源成为当前汽车行业的主要发展方向。
2、汽车多技术轨道并行
任何一个产业的发展,从创新角度来看,对技术轨道的把握至关重要。
Nokia的破产、Sony的没落,与把握错了各自产业的技术轨道均有很大关系。
对于汽车产业,之前传统的内燃机汽车是主导产品,但面对环境和能源等多重压力,其作为主导地位正在被挑战,出现了多技术轨道并行的局面:
(1)传统内燃机汽车技术改进,如涡轮增压、缸内直喷发动机、小排量发动机,轻量化;
(2)混合动力汽车,如丰田普锐斯;
(3)纯电动汽车,如比亚迪e6、Tesla;
(4)燃料电池汽车,如现代ix35、本田FCXCalrity。
3、FCEV兼具传统汽车和新能源汽车优点,是未来汽车发展的最理想方向针对
目前多技术轨道并行的局面,主流观点认为:
中短期内传统内燃机汽车仍占据主导地位,内燃机汽车技术的持续改进仍将继续,但在节能减排方面贡献有限;
混合动力汽车在电驱动的同时保留了常规燃料的便利,节能减排效果大于传统内燃机汽车,但也相对有限,属于过渡性产品;
中长期来看,不耗油的电动汽车(包括纯电动汽车和燃料电池汽车)替代传统内燃机汽车成为未来发展趋势,其中零排放及行驶里程可与传统汽车媲美的燃料电池汽车将成为电动车市场的主流。
燃料电池汽车具备电动汽车所有优点的同时兼具传统内燃机汽车性能:
可以在几分钟内补充燃料;
续驶里程达到数百公里;
能量转换效率可高达60%~80%,比内燃机要高2~3倍;
燃料来源多样,不依赖石油燃料可以从可再生能源获得;
整个过程中燃料电池的化学反应主要产物是水,属于零排放或近似零排放。
综合考虑,燃料电池汽车是未来汽车发展最理想方向。
二、燃料电池汽车概况
1、燃料电池汽车工作原理
燃料电池汽车是电动汽车的一种,其通过氢气和氧气发生电化学反应将化学能转化为电能,进而驱动汽车行驶。
其动力系统主要由燃料电池、高压储氢罐、电动机/发电机、动力蓄电池等组成。
燃料电池作为主要能量源发电,并通过电机驱动车辆行驶。
2、燃料电池
按电解质分类,目前的燃料电池主要包括以下五类:
碱性燃料电池(AFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)以及质子交换膜燃料电池(PEMFC)。
从商业化角度来看,目前各类燃料电池中应用最广泛的是熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)和质子交换膜燃料电池(PEMFC)。
其中,MCFC和SOFC主要用于固定式燃料电池电站、家用热电联产,且商业化较为成熟,每年的量在不断增加。
而PEMFC以其功率密度大、体积小、质量轻、室温下即可工作、起动迅速等优点被大量应用于燃料电池汽车领域。
自1993年第一次应用于燃料电池汽车EnergyPartnersConsulier起,PEMFC就被公认为是在燃料电池汽车上最有应用前景的电力能源。
其工作原理是:
氢气与水蒸汽(加湿,防止膜的阳极面过干)的混合气一同输入扩散到阳极催化剂层,在催化剂作用下发生氧化反应,一个氢分子分解为两个氢质子和两个电子。
电子通过外电路形成电流,而氢质子则通过交换膜到达阴极,在阴极催化剂作用下与氧气、电子结合,生成水并释放热量。
其中生成的热量和部分水随气流被带出电池内部,另一部分水则在电渗力等作用下通过膜向阳极方向移动。
3、燃料电池汽车发展历史
1801年,燃料电池诞生,但真正作为动力用于驱动运输机械是在一个多世纪以后的1959年,世界第一款搭载燃料电池的运输机械(Vehicle)——阿利斯?
查尔默斯拖拉机(Allis-ChalmersTractor)问世。
自此,燃料电池汽车便开始出现在公众视野,并向商业化道路迈进。
反观燃料电池汽车50多年的发展历程,大致可分为三个阶段:
技术创新阶段、技术验证阶段和商业化前夕。
(1)技术创新阶段(1959年~1993年)
技术创新阶段最大特点是技术不断更新,不同种类的燃料电池汽车相继出现,处于应用混沌期。
在继第一款燃料电池拖拉机问世之后,1966年通用汽车推出全球第一款燃料电池汽车(Car)——Electrovan。
这是一款改装的通用汽车CHandivan,搭载32kW燃料电池系统,最高速度115公里/小时,最大续驶里程240公里。
1970年,KarlKordesch基于奥斯汀A40推出一款燃料电池混合动力轿车,其动力性和当时的传统汽车相当。
1993年,第一款质子交换膜燃料电池汽车EnergyPartnerConsulier问世,标志着质子交换膜燃料电池正式登上燃料电池汽车的历史舞台,并一直延用至今。
(2)技术验证阶段(1994~2007年)
在技术验证阶段,各大汽车制造商主导了燃料电池汽车的发展,竞相推出各自的燃料电池汽车品牌用于展示和试运行。
其中,戴姆勒最为积极,于1994年推出自己的第一辆燃料电池示范车NECAR。
该车采用50kW质子交换膜燃料电池并装载压缩氢气罐,在之后又进行了四次改版。
在1998年~2000年期间,除戴姆勒之外,本田、日产、福特、大众、宝马、标志和现代等汽车制造商也都推出多款燃料电池汽车用于试运行。
到2000年,各界对燃料电池汽车的关注达到顶峰。
随后由于技术成熟度等原因,持续近十年的燃料电池汽车浪潮被冲高回落,业界逐步转向混合动力和纯电动汽车技术,而对燃料电池汽车研究则从小型轿车转向公共汽车。
虽然进入低谷期,但业界对燃料电池的研究一直没有停止。
2005年、2006年相继出现两款具有深远影响的燃料电池汽车,标志着对燃料电池汽车的研究推广再次兴起。
2005年,日内瓦国际车展上戴姆勒推出一款B级燃料电池汽车,续驶里程达400公里;
2006年,本田推出Honda-FCX燃料电池汽车,续驶里程430公里,最高时速160公里/小时,是当时唯一一辆通过美国环境保护局和加州大气资源委员会鉴定的零排放燃料电池汽车。
(3)商业化前夕(2008年~)
这一时期最大的特点就是各类燃料电池汽车开始小批量商业化运行,同时加速推进配套基础设施(加氢站)的建设。
2008年,本田FCXClarity开始在美国加州采用租赁的方式推广,月租金600美元,是第一款可市场销售的燃料电池汽车,标志着燃料电池汽车商业化迈出新的一步。
同年,在北京奥运会上,20辆上海大众帕萨特领驭燃料电池汽车用于示范运行。
2009年9月,戴姆勒、福特、通用、本田、现代-起亚、日产-雷诺、丰田等七大全球汽车制造商签署谅解备忘录,将2015年作为大举推进燃料电池汽车量产的时间节点,同时强调在2015年之前建造足够的加氢站,以达到燃料电池汽车商业化对基础设施网络的密度要求。
随后的2010年~2013年期间,性能更优的燃料电池汽车被相继推出。
2010年,戴姆勒展示的F800Style最高时速180公里/小时,续驶里程600公里;
现代推出的ix35最高时速160公里/小时,续驶里程594公里。
2011年,戴姆勒再推出一款燃料电池概念车F125!
,其续驶里程提高到1000公里。
同年,丰田推出商业化燃料电池汽车FCV-R,该车续驶里程约为700公里。
2013年,大众开始将燃料电池作为动力在A7上试验。
截至目前,除丰田外、现代也表示将在2015年开始大批量生产其氢燃料电池版途胜,而本田新一代燃料电池汽车也计划于2016年3月上市。
2014年12月15日,丰田燃料电池汽车Mirai在日本国内正式销售,售价为720万日元,扣除补贴后的实际售价为520万日元(折合人民币约27万元)左右。
性能方面,加氢时间仅3min,续驶里程483km,0-96km/h加速时间为9s,最低工作温度为-22℃,与传统汽车相当。
其使用的燃料电池组输出功率密度为3.1kW/L,达到世界最高水平。
2015年夏季,该车将在美国和欧洲上市。
三、燃料电池汽车产业链解析
汽车行业是一个庞大的国家支柱产业,在整个产业链上包括了100多个相关产业。
上游原材料部分有钢铁、橡胶、电子、机械等行业,下游部分则涉及汽车经销、保险、金融、加油站、旅馆等行业。
整车厂处于核心位置。
燃料电池汽车的产业链在传统汽车产业链的基础上进行延伸,形成了一条全新的产业链条。
上游主要增加了燃料电池、储氢罐、电机、电控系统等部件,下游则增加了制氢、加氢站修建、电池回收等产业。
上游燃料电池、电机及电控系统作为燃料电池汽车产业链中最关键、最核心环节,占据了整个产业价值链的高端部分。
在燃料电池汽车的成本构成中,电力驱动系统(包括燃料电池系统和电机驱动系统)的占比最高,是当前发展燃料电池汽车的最大掣肘,其产业链上的任何一个技术突破都将带来整个燃料电池汽车产业的发展。
1、燃料电池产业链分析
如果说发动机是传统内燃机汽车的心脏,那么燃料电池汽车的心脏是燃料电池。
其寿命、成本在很大程度上影响了燃料电池汽车的整体性能和整个行业的商业化进程。
目前在燃料电池汽车上运用最多的电池为质子交换膜燃料电池(PEMFC),其关键部件为膜电极组件(MEA),包括质子交换膜、催化剂、扩散层、双极板(阴、阳极板)。
(1)质子交换膜
质子交换膜作为PEMFC的核心部件,是一种选择透过性膜,主要起传导质子、分割氧化剂与还原剂的作用。
其不仅起到隔膜作用,也是电解质和电极活性物质(电催化剂)的基底。
质子交换膜主要包括酚醛树脂磺酸型膜、聚苯乙烯磺酸型膜、全氟磺酸型膜、高温膜、碱性膜等。
其中,全氟硫酸型膜以机械强度高,化学稳定性好,在湿度大的条件下导电率高,低温时电流密度大、质子传导电阻小等优点成为当前最为商业化的PEMFC电解质膜。
目前,市场上应用最广泛的是由美国杜邦公司研制的Nafion系列全氟硫酸型膜。
(2)催化剂
在质子交换膜燃料电池中对催化剂的要求包括:
高催化活性、高稳定性、大比表面积、适当的载体以及好的导电性。
由于反应分子在催化剂表面的吸附是发生催化的先决条件,铂(Pt)具有的优良分子吸附、离解行为使得铂系材料始终是催化剂的研究重点,早期采用镍(Ni)、钯(Pd),后来使用铂黑,但由于铂黑的粒度较大,分散性较低,导致铂的利用率较低。
目前多采用Pt/C作为阳极反应的催化剂。
由于Pt价格昂贵、资源短缺的问题日益突出,降低Pt的用量,探索非铂系催化剂一直是该领域研究的重点
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