燃料电池PK二次电池 发展中的共生与超越

燃料电池在日本主要应用于汽车领域,在国际上的应用更加广泛,已不断开发出在叉车、无人机、列车上的应用产品。全球企业不断开发燃料电池产品,快速占领市场的趋势引人关注。

■预测FC全球市场规模2030年是2018年的23倍

2019年1月富士经济公布了FC系统(燃料电池系统)的市场预测报告,据悉2030年的FC全球市场规模约是4.9万亿日元,约是2018年的23倍。若将补给氢能的基础设施市场包含在内,市场规模将更大。

FC系统全球市场规模预测(富士经济)

根据对燃料电池组不同技术市场前景的预测结果,固体高分子型燃料电池(PEFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)的市场规模在发展前期呈现出的状态基本相同,但后期的发展趋势将发生显著变化,据数据显示2030年PEFC的市场占有率将超过90%。

PEFC与SOFC市场前景对比(富士经济)

这看似乐观的市场预测果真如此吗?在此有必要对竞争技术——液态锂离子二次电池(后统称LIB)做到知己知彼方可避免盲从。

■FC对比LIB

据下表综合对比来看,燃料电池(后统称FC)的明显优势在于能量密度高、充电时间短、大容量化的成本低。

(1)重量能量密度方面,在考虑了燃烧效率的前提下,包括有电池组、高压罐、调节器等的FC系统的重量能量密度约是LIB的5倍以上。

(2)充电时间方面,FC具有强大优势。虽LIB可缩短充电时间,但会伴有发热、早期劣化、输送超高电压等副作用。充电时间的差异化影响在巴士、卡车等大型车上更加明显。FC卡车20分钟即可完成加氢补给,EV卡车即使使用快速充电系统(50KW),充电耗时至少在10小时以上,换成150KW,充电耗时也要3个半小时以上。据下图分析可知,续航距离越长EV卡车在开工率方面的差距越大。

长距离行驶对比

(3)大容量化的成本低,此优势在于续航里程越远成本越低。将FC电池组大型化时仅需加大氢气罐或增加数量即可。尽管FCV配备的氢气罐体积大,但因原材料多采用树脂或碳纤维,所以重量上有优势。氢本身的质量是 5kg(丰田FCV –MIRAI),即使将此数值乘以10倍,也比LIB电池包的重量轻很多。

■LIB对比FC

貌似完美的FC实际上也存在着不足:(4)短距离使用时电能利用效率低(5)负荷响应性低(6)难以进行高功率输出(7)补给基础设施少——现有加氢站数量明显不足。但乐观的是这些不足有望解决。

(4) FC的电能利用效率低,仅为LIB的一半。LIB可在充电后直接输出电能,而FC电能利用效率低的原因在于它的输出过程,首先需要将电力转换为氢、再将氢压缩或液化后搬运、使用时再由氢转换为电能。

FC与LIB电池组效率对比

(原图:由日经 xTECH根据英国Riversimple公司资料制作而成)

续航距离与效率的关系 (已考虑车辆重量等因素)

(原图:由日经 xTECH根据英国Riversimple公司资料加工而成)

为提高EV的续航距离而配置上大容量电池的话,因电池在搬运中会耗费较多电能,所以实际效率将低于FCV。这一点在无人机上体现得更明显,如果电池重量能量密度低,增加容量反而会使续航时间缩短。因此对长途汽车来说,(4)反而是FC的优势。

短距离运行时FC的效率低、(5)负荷响应性低、(6)难以进行高功率输出,也许不是马上就能解决的问题,但最近推出的很多FCV已通过搭载与小型EV同等或以上容量的LIB、双电层电容器解决了这些问题。因此近期的FCV实际为混合动力,使用LIB的目的在于弥补FC弱项。

(7)FCV补给设施少,在补给设施方面LIB存在明显优势。在用途上各有特点:LIB适用于短途汽车。FCV适用于长途大巴/卡车、无人机/飞机等。

EV与FCV用途特点

随着自动驾驶技术及移动服务“MaaS”的普及,未来FC在汽车上的使用依然将成为主流。顺应趋势,美国Plug Power公司已开始与本国大学科研团队合作共同研究为FCV自动供给氢能的机器人。

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参考日本报道原文:http://uee.me/aSFnP

2019全固态电池实用里程碑之年

全固态电池的实用化已近在眼前。全固态电池具有良好安全性及易于大容量化等特点。日本电子元件生产商TDK公司计划近期内批量生产小容量小型产品,同时预计到2020年前期将在汽车上配置大容量产品,有望取代锂离子二次电池。虽然完全普及还需要一段时间,但纵观全局今年将是全固态电池实用的里程碑之年。

目前的锂离子电池机理上是通过锂离子来回于充满液体电解质的正极和负极之间的“水槽”进行充放电。与此相对,全固态电池的电解质为固体,突出的优势主要有:

目前,最接近实用的是一种在电解质中使用了陶瓷材料的小型电池。这种电池由电子零部件企业利用层合陶瓷电容器等技术进行开发。TDK公司已开发贴装在基板上的芯片型固态充电电池,名为“CeraCharge”,官方表示“如果置换为纽扣电池,可使搭载设备小型化,也可进行充电”, 目前这款电池每月生产3万件样品,计划今年内正式批量生产。同一领域,富士通旗下电子零部件制造商FDK公司也从去年12月开始了样品供货,村田制作所也预计在2019年度投产。虽然各厂商电池在容量上多少有些差异,但在产品方向上都主要瞄准了小型IoT(物联网)及可穿戴设备。

TDK公司芯片型固态充电电池

另一方面,使用含有硫化物的无机电解质材料的电池也已开始实用,首当其冲的厂商是日立造船。该公司开发了厚度仅为0.3毫米的薄片电池,目标2019年度内实现商品化并已启动样品供货。该公司利用子公司的压力机技术,确立了粉末电解质压固技术。与现有将液体多次干燥形成固体的方法相比可省略工程、降低成本。官方表示“将首先向特殊用途方向出售产品,例如在宇宙空间使用的电子设备等。”预计将来还将向大需求市场的汽车行业提供产品。

日立造船生产的薄片电池

丰田汽车于2017年10月在东京车展上就已宣布将在2020年前期完成全固态电池的商品化。计划到2030年为止将在车载电池开发及生产上投资1.5万亿日元,目前正与东京工业大学等开展相关研发项目,在去年12月宣布的与松下的合作内容中也包括了全固态电池的开发及生产。

目前,美国在电池领域的风险投资发展显著,中国势头也很猛进,时下世界范围内的开发竞争十分激烈,日本虽在材料等方面拥有最尖端的技术,但能否继续由日本掌握主导权目前还是个未知数。据富士经济表示,全固态电池市场在2017年仅为21亿日元,到2035年预计将扩大到2兆7877亿日元。能否在这个极具潜力的市场中生存下去,关键在于今后几年的不断努力。

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参考日本报道原文:http://suo.im/5iSQwX

 

 

本田发售“CLARITY PHEV”  EV巡航距离为114公里

7月19日,本田宣布将于7月20日发布插电式混合动力汽车(PHEV)“Clarity PHEV”。 由于电池容量高,因而实现了114.6公里的EV巡航范围。它还具有轿车和货物空间等生活空间。 价格约588万日元(含税)(约3613万人民币)。

作为本田首款发售的PHEV,其与燃料电池汽车(FCV)“Clarity”共享一个车身。采用“SPORT HYBRID i-MMD插件”,结合两个电动马达和一个1.5升直列四缸阿特金森循环发动机。实现了184PS,315Nm的电动机输出的强大驱动以及在使用充电功率时1114.6km的巡航距离。

在快速充电方面,这款电动汽车可以在约30分钟内充到完全充电量的80%。通过减小集成有高容量/高输出电池与高压设备的供电装置的厚度并将其放置在地板下,并将线束和12伏DC-DC转换器存储在中央通道中,实现了轿车的内部空间和较低的车辆高度。

这款电动汽车配备通讯功能,可让驾驶员通过专用的智能手机应用程序检查可巡航的范围、剩余电池电量等。也可以使用标准配备的汽车导航系统,从而可以轻松搜索充电器的安装位置。

继北美之后,丰田在日本市场推出CLARITY PHEV,并推动快速充电器的部署,以便全面展开电动汽车业务。

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电动汽车充放电装置 特開2018-057081

电池状态估计装置和电池状态估计方法 特開2017-223537

电源装置、电源装置的控制方法以及控制装置 特開2017-175866

二次电池控制装置 特許6198352

外部供电装置、输送设备以及监视方法 特開2018-019571

 

夏普开发住宅用蓄电系统 一半时间即可快速满充电

夏普从2018年7月6日开始依次发售了与快速充电相应的住宅用“云蓄电池系统” ( JH – WBP 67A / JH – WBP70A ) ,希望零售价格为291万日元不含税起步,计划月产台数250台。

在该云电池系统中,具备对由太阳能面板发电的电力进行蓄电的8.4 kWh (千瓦时)的锂离子蓄电池。与快速充电相对应的,将满充电所需的时间缩短到以往装置一半时间的约2.5小时,从而高效地储存电力。主体尺寸为700 × 360 × 605mm (毫米),质量约135kg (千克) 。

系统所包含的混合动力电力调节器(额定输出4.2 / 5.5 kW、千瓦)的最大转换效率为96.0%,在同公司的现有装置中将最大1.5 kW停电时的自主运转时的输出扩大至最大2.0 kW。除了确保照明、冰箱等在生活中不可缺少的设备的电源外,还能够同时使用电水壶和电风扇等,主体尺寸为666 × 201 × 429mm,质量约24kg。

 

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电力系统和电力系统的控制方法 特開2016-171683

电源调节器、其控制装置以及电力系统 特開2016-096661

电源调节器及其控制装置 特開2016-096660

蓄电系统的维护管理系统 特開2015-060775

平衡器电路及使用该平衡器电路的蓄电池单元 再表2014-

065031

 

EV新型快速充电系统,充电15分钟可行驶500公里

日本电产于2018年6月宣布,意大利的子公司日本电产ASI(NASI)开发了一种充电时间极短且降低电网负荷的EV快速充电系统。

被称为超快速充电器(UFC)的快速充电系统搭载了最新的电力控制系统和160kWh的电池,安装在充电站和现有的电网之间。

UFC可以提供超过电网6倍的电力进行充电。 因此,即使连接到现有的低、中压配电网并以320kW对汽车充电,电网上的负载也只有50kW。 因此,如果是搭载在EV中的标准电池,即可在短至15分钟或更短的时间内充电至80%,行驶约500公里。

此外,还可以同时为2台EV充电,也可以逐个进行3个连续的充电。 此时的电力效率高达95%,并且将充电期间的损耗控制到最小范围。 系统尺寸为2.48 m3,结构紧凑,易于安装。

除现有的配电网外,UFC还可以利用太阳能等可再生能源。 此外,还可以适用于从车辆到配电网供电的“V2G(Vehicle to Grid)”系统。

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相关专利下载文件链接:

便携式电子设备、发电装置以及发电用支承装置 特开2012-44606

充电器 特开平8-223813

充电装置 特开平3-285523

风力发电装置 特开2013-162687

风力发电装置 再表2013_027699