燃料电池的发展前景

1. 燃料电池的发展前景

燃料电池运行时必须使用流动性好的气体燃料。低温燃料电池要用氢气，高温燃料电池可以直接使用天然气、煤气。我国的天然气储量是十分丰富的，现已探明陆地上储量为1.9万亿m3，专家认为我国已探明天然气储量为30万亿m3。中国还将利用丰富的邻国天然气资源，俄罗斯西西伯利亚已探明天然气储量为38.6万亿m3，可向我国年供气200~300亿m3；俄罗斯的东西伯利亚已探明天然气储量3.13万亿m3，可向我国年供气100~200亿m3；俄远东地区、萨哈林岛探明天然气储量1万亿m3，可向我国东北年供气100亿m3以上。中亚地区的哈萨克斯坦、乌兹别克斯坦和土库曼斯坦三国探明的天然气储量6.77万亿m3，可向外供气300亿m3。我国规划在2010年以前铺设天然气管线9000km，届时有望在全国形成“两纵、两横、四枢纽、五气库”的格局，形成可靠的供气系统。其中的两纵是南北的输气干线，即萨哈林岛--大庆--沈阳干线和伊尔库茨克--北京--日照--上海输气干线。目前我国的生产能力约为300亿m3/a，2010年为700亿m3，2020年为1000～1100亿m3。天然气主要成分为CH4（占90%左右），热值高（每立方米天然气热值为8600～9500千卡），便于运输，在3000公里的距离内运用管道输送都是十经济的。燃料电池是一种正在逐步完善的能源利用方式。其投资正在不断的降低，PEMFC的中国国外商业价格为$1500/kW，PAFC的价格为$3000/kW。中国国内富源公司公布其PEMFC接受订货的价格为10000元/kW。其他燃料电池国内暂无商业产品。燃料电池发电与常规的火电投资比较不能单考虑电源投资，还应将长距离输电、配电投资与厂用电、输电能耗和两种能源转换装置的效率考虑在内。

2. 燃料电池的前景

便携式电子设备厂家多年来受LIB的困扰,苦于没有出路,汽车领域里燃料电池的曙光激发出开发小巧燃料电池,一发不可收拾。最先投入研究与开发的是欧美风险企业,日本便携式电子设备制造商跟随其后,紧追不舍,这些厂家参与燃料电池开发,**澎湃,各自大胆采用新材料,并且相继获得突破性进展,于2001年里分别发表小巧燃料电池试制品。日本便携式电子机器厂家普遍认为,小巧燃料电池已经达到可以取代LIB的水平。技术燃料电池研究与开发集中在四大技术方面：（1）电解质膜;（2）电极;（3）燃料;（4）系统结构。日美欧各厂家开发面向便携电子设备的燃料电池,尤其重视（1）～（3）方面的材料研究与开发,图2列出一些重要的燃料电池研究课题。燃料电池中仅次于电解质膜的构件材料便是电极材料,通过它可提取出由甲醇溶液经过分解反应生成的H+（质子）和电子。在电极处的反应,Pt发挥催化作用。反应速度是与Pt粒子的表面成正比,所以力求Pt的粒子直径要小,争取每单位重量有更大的表面积。实践证明,Pt粒子的直径一小下来,会出现多个Pt颗粒凝聚而降低催化能力的问题。NEC公司基础研究所发现碳原子纳米锥状结构（Carbon Nano-horn）上可附着2nm直径的Pt颗粒（Pt原子直径为0.3～0.4nm）,并且Pt不含凝聚。于是,NEC利用Carbon Nano-horn材料作为电极试制出以甲醇为燃料的燃料电池。燃料电池汽车的车用储氢器必须具有较高的单位质量储氢密度。美能源部认为，车用高压储氢的单位质量密度至少应为6%，即每立方米储存60公斤氢气。为了满足汽车480公里续航能力的要求，一次需储氢大约4到7公斤。目前小型汽车的车用储氢方式大多采用高压储氢，工作压力为70兆帕（Mpa）的碳纤维储氢瓶是目前家用汽车的最佳选择，其售价大约为3000美元。研究人员正在致力于开发新的材料和制造工艺，以进一步降低储氢气瓶成本。目前正在进行的另一研究方向是，通过采用高表面积材料研究低压吸附储存氢气。

3. 燃料电池的前景

燃料电池是将燃料具有的化学能直接变为电能的发电装置。根据电解质种类不同，燃料电池基本分为五种：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）。 燃料电池具有以下优点：能量转换效率高；无污染零排放；模块化结构，维护保养成本低； 燃料来源广泛，通过多种方式制备。
    质子交换膜燃料电池凭借其特性主要应用于新能源汽车。对比其他几种燃料电池， 质子交换膜电池输出功率密度高，质量功率高，可在室温条件下工作，同时起动迅速，主要应用于新能源汽车。


质子交换膜电池主要由质子交换膜、催化剂，双极板等构成。当它工作时，氢气进入阳极扩散层，并在催化剂的作用 下转化为质子和电子；氧气进入阴极扩散层，并在催化剂的作用下得到电子转变为 O2- 离子；质子通过质子交换膜到达阴极与 O2-作用形成水，电子则通过外电路回到阴极，在这个过程中产生并提供电能。
    一、电池系统
    电池系统是燃料电池汽车产业链的核心环节，而电池堆是其重要组成部分。燃料电 池汽车产业链包括上游矿产等相关资源，中游的电池系统、电机电控以及下游的整车厂、 加氢站及服务等。燃料电池电池系统分为两大部分：一是电池堆，包括质子交换膜、催化剂、扩散层和双极板；二是其他部件，包括空压机、储氢瓶。
    电池堆包括质子交换膜、催化剂、扩散层和双极板。其中质子交换膜直接影响燃料 电池的使用寿命；催化剂决定电极反应的效率；扩散层起到支撑催化层，收集电流，传导 气体和排出水作用；双极板则负责把燃料和空气分配到两个电极表面以及电池堆散热。

4. 燃料电池前景的介绍

便携式电子设备厂家多年来受LIB的困扰,苦于没有出路,汽车领域里燃料电池的曙光激发出开发小巧燃料电池,一发不可收拾。最先投入研究与开发的是欧美风险企业,日本便携式电子设备制造商跟随其后,紧追不舍,这些厂家参与燃料电池开发,**澎湃,各自大胆采用新材料,并且相继获得突破性进展,于2001年里分别发表小巧燃料电池试制品。日本便携式电子机器厂家普遍认为,小巧燃料电池已经达到可以取代LIB的水平。  技术  燃料电池研究与开发集中在四大技术方面：（1）电解质膜;（2）电极;（3）燃料;（4）系统结构。日美欧各厂家开发面向便携电子设备的燃料电池,尤其重视（1）～（3）方面的材料研究与开发,图2列出一些重要的燃料电池研究课题。  燃料电池中仅次于电解质膜的构件材料便是电极材料,通过它可提取出由甲醇溶液经过分解反应生成的H+（质子）和电子。在电极处的反应,Pt发挥催化作用。反应速度是与Pt粒子的表面成正比,所以力求Pt的粒子直径要小,争取每单位重量有更大的表面积。实践证明,Pt粒子的直径一小下来,会出现多个Pt颗粒凝聚而降低催化能力的问题。NEC公司基础研究所发现碳原子纳米锥状结构（Carbon Nano-horn）上可附着2nm直径的Pt颗粒（Pt原子直径为0.3～0.4nm）,并且Pt不含凝聚。于是,NEC利用Carbon Nano-horn材料作为电极试制出以甲醇为燃料的燃料电池。  燃料电池汽车的车用储氢器必须具有较高的单位质量储氢密度。美能源部认为，车用高压储氢的单位质量密度至少应为6%，即每立方米储存60公斤氢气。为了满足汽车480公里续航能力的要求，一次需储氢大约4到7公斤。目前小型汽车的车用储氢方式大多采用高压储氢，工作压力为70兆帕（Mpa）的碳纤维储氢瓶是目前家用汽车的最佳选择，其售价大约为3000美元。研究人员正在致力于开发新的材料和制造工艺，以进一步降低储氢气瓶成本。目前正在进行的另一研究方向是，通过采用高表面积材料研究低压吸附储存氢气。

5. 燃料电池的发展现状和前景

在中国的燃料电池研究始于1958年原电子工业部天津电源研究所最早开展了MCFC的研究。70年代在航天事业的推动下，中国燃料电池的研究曾呈现出第一次高潮。其间中国科学院大连化学物理研究所研制成功的两种类型的碱性石棉膜型氢氧燃料电池系统（千瓦级AFC）均通过了例行的航天环境模拟试验。1990年中国科学院长春应用化学研究所承担了中科院PEMFC的研究任务，1993年开始进行直接甲醇质子交换膜燃料电池（DMFC）的研究。电力工业部哈尔滨电站成套设备研究所于1991年研制出由7个单电池组成的MCFC原理性电池。“八五”期间，中科院大连化学物理研究所、上海硅酸盐研究所、化工冶金研究所、清华大学等国内十几个单位进行了与SOFC的有关研究。到90年代中期，由于国家科技部与中科院将燃料电池技术列入"九五"科技攻关计划的推动，中国进入了燃料电池研究的第二个高潮。在中国科学工作者在燃料电池基础研究和单项技术方面取得了不少进展，积累了一定经验。但是，由于多年来在燃料电池研究方面投入资金数量很少，就燃料电池技术的总体水平来看，与发达国家尚有较大差距。我国有关部门和专家对燃料电池十分重视，1996年和1998年两次在香山科学会议上对中国燃料电池技术的发展进行了专题讨论，强调了自主研究与开发燃料电池系统的重要性和必要性。近几年中国加强了在PEMFC方面的研究力度。 2000年大连化学物理研究所与中科院电工研究所已完成30kW车用用燃料电池的全部试验工作。北京富原公司也宣布，2001年将提供40kW的中巴燃料电池，并接受订货。科技部副部长徐冠华在EVS16届大会上宣布，中国将在2000年装出首台燃料电池电动车。此前参与燃料电池研究的有关概况如下：
1：PEMFC的研究状况
中国最早开展PEMFC研制工作的是长春应用化学研究所，该所于1990年在中科院扶持下开始研究PEMFC，工作主要集中在催化剂、电极的制备工艺和甲醇外重整器的研制已制造出100WPEMFC样机。1994年又率先开展直接甲醇质子交换膜燃料电池的研究工作。该所与美国CaseWesternReserve大学和俄罗斯氢能与等离子体研究所等建立了长期协作关系。 中国科学院大连化学物理所于1993年开展了PEMFC的研究，在电极工艺和电池结构方面做了许多工作，现已研制成工作面积为140cm2的单体电池，其输出功率达0.35W/cm2。

6. 燃料电池发展前景及其应用

燃料电池是一种电化学电池，它通过一对氧化还原反应将燃料（通常是氢）和氧化剂（通常是氧气）的化学能转化为电能。燃料电池不同于大多数电池，它需要连续的燃料和氧气（通常来自空气）来维持化学反应，而在电池中，化学能通常来自金属及其离子或氧化物，这些通常已经存在于电池中，流动电池除外。只要燃料和氧气供应充足，燃料电池就可以连续发电。

根据QYResearch的数据分析，预计2020-2025年全球燃料电池市场规模将实现市场增长，2020-2025年预计复合年增长率为16.64％，2025年将达到90.5亿美元美元。清洁能源需求的增长是推动预测期内市场增长的关键因素。

本报告研究全球与中国燃料电池的发展现状及未来发展趋势，分别从生产和消费的角度分析燃料电池的主要生产地区、主要消费地区以及主要的生产商。重点分析全球与中国的主要厂商产品特点、产品类型、不同产品类型产品的价格、产量、产值及全球和中国主要生产商的市场份额。

主要生产商包括：

Bloom Energy

Panasonic

Toshiba ESS

Aisin Seiki

Plug Power

Ballard Power Systems

Doosan

FuelCell Energy

POSCO Energy

Hydrogenics

SOLIDpower

Ceres Power

Horizon Fuel Cell Technologies

按照不同产品类型，包括如下几个类别：

质子交换膜燃料电池

固体氧化物燃料电池

熔融碳酸盐燃料电池

磷酸燃料电池

其他类型

按照不同应用，主要包括如下几个方面：

运输

固定领域

便携式

重点关注如下几个地区:

北美

欧洲

韩国

日本

东南亚

7. 燃料电池的发展是什么？

近些年，各国越来越重视对燃料电池的开发与研究，燃料电池的研究技术也不断进步，并取得了很大的成效。

8. 燃料电池车的发展前景

燃料电池车渐被重视在EV逐步成为主流的时代，FCV被边缘化，但并没有被放弃，欧美日、甚至中国车企都一直在FCV研发上努力。现在EV遇到了瓶颈，FCV被寄予了更多的期待。2013年一开年，全球汽车厂家间合作开发FCV(燃料电池汽车)的项目也骤然增多。1月24日，丰田与宝马宣布合作。丰田将于2015年发布FCV，而宝马将为其提供基础技术，丰田与大众宣布共同开发2020款车型的基础系统以及电池。1月28日，日产表示将与戴姆勒、福特合作开发FCV(燃料电池汽车)。戴姆勒将与福特共同开发FCV的心脏燃料电池。3家公司将在2017年分别发售FCV的量产车。如果这些合作开发富有成果，FCV将会在2、3年后开始在市场上销售。