燃料电池行业基本情况

燃料电池行业基本情况第一节燃料电池的定义及分类简单地说，燃料电池是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料和空气分别送进燃料电池，电就被奇妙地生产出来。它从外表上看有正负极和电解质等，像一个蓄电池，但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”。它是一种电池，但不需用昂贵的金属而只用便宜的燃料来进行化学反应。这些燃料的化学能也通过一个步骤就变为电能，比通常通过两步方式的能量损失少得多。于是，可以为人类提供的电量就大大地增加了。按照国民经济分类标准，燃料电池行业是电气机械及器材制造业（代码：39）下面的电池制造行业（代码：3940）的子行业之一。燃料电池分类分类方法分类按运行机理分酸性燃料电池，碱性燃料电池按电解质种类不同碱性燃料电池（AFC）、磷酸型燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）及质子交换膜燃料电池（PEMFC）等按燃料类型分氢气、甲醇、甲烷、乙烷、甲苯、丁烯、丁烷等有机燃料，汽油、柴油和HYPERLINK天然气等气体燃料，有机燃料和气体燃料必须经过重整器“重整”为氢气后，才能成为燃料电池的燃料。按燃料电池工作温度分有低温型，温度低于200℃；中温型，温度为200～750℃；高温型，温度高于750℃数据来源：世经未来整理第二节燃料电池行业发展历程一、国外燃料电池行业发展历程发达国家都将大型燃料电池的开发作为重点研究项目，企业界也纷纷斥以巨资，从事燃料电池技术的研究与开发，现在已取得了许多重要成果，使得燃料电池即将取代传统发电机及内燃机而广泛应用于发电及汽车上。值得注意的是这种重要的新型发电方式可以大大降低空气污染及解决电力供应、电网调峰问题，2MW、4.5MW、11MW成套燃料电池发电设备已进入商业化生产，各等级的燃料电池发电厂相继在一些发达国家建成。燃料电池的发展创新将如百年前内燃机技术突破取代人力造成工业革命，也像电脑的发明普及取代人力的运算绘图及文书处理的电脑革命，又如网络通讯的发展改变了人们生活习惯的信息革命。燃料电池的高效率、无污染、建设周期短、易维护以及低成本的潜能将引爆21世纪新能源与环保的绿色革命。如今，在北美、日本和欧洲，燃料电池发电正以急起直追的势头快步进入工业化规模应用的阶段，将成为21世纪继火电、水电、核电后的第四代发电方式。燃料电池技术在国外的迅猛发展必须引起我们的足够重视，现在它已是能源、电力行业不得不正视的课题。受1973年世界性石油危机以及美国PAFC研发的影响，日本决定开发各种类型的燃料电池，PAFC作为大型节能发电技术由新能源产业技术开发机构（NEDO）进行开发。自1981年起，进行了1000kW现场型PAFC发电装置的研究和开发。1986年又开展了200kW现场性发电装置的开发，以适用于边远地区或商业用的PAFC发电装置。富士电机公司是目前日本最大的PAFC电池堆供应商。截至1992年，该公司已向国内外供应了17套PAFC示范装置，富士电机在1997年3月完成了分散型5MW设备的运行研究。作为现场用设备已有50kW、100kW及500kW总计88种设备投入使用。下表所示为富士电机公司已交货的发电装置运行情况，到1998年止有的已超过了目标寿命4万小时。富士电机公司生产的现场用PAFC燃料电池的运行情况容量台数累计运行时间最长累计最长连续>1万h>2万h>3万h50kW66101841133655709854154100kW192740513560769261143500kW343437169104214300在美国，PlugPower公司是最大的质子交换膜燃料电池开发公司，他们的目标是开发、制造适合于居民和汽车用经济型燃料电池系统。1997年，PlugPower模块第一个成功地将汽油转变为电力。最近，PlugPower公司开发出它的专利产品PlugPower7000居民家用分散型电源系统。商业产品在2001年初推出。家用燃料电池的推出将使核电站、燃气发电站面临挑战，为了推广这种产品，1999年2月，PlugPower公司和GEMicroGen成立了合资公司，产品改称GEHomeGen7000，由GEMicroGen公司负责全球推广。此产品将提供7kW的持续电力。GE/Plug公司宣称其2001年初售价为$1500/kW。他们预计5年后，大量生产的燃料电池售价将降至$500/kW。假设有20万户家庭各安装一个7kW的家用燃料电池发电装置，其总和将接近一个核电机组的容量，这种分散型发电系统可用于尖峰用电的供给，又因分散式系统设计增加了电力的稳定性，即使少数出现了故障，但整个发电系统依然能正常运转。50年代初，熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）由于其可以作为大规模民用发电装置的前景而引起了世界范围的重视。在这之后，MCFC发展的非常快，它在电池材料、工艺、结构等方面都得到了很大的改进，但电池的工作寿命并不理想。到了80年代，它已被作为第二代燃料电池，而成为近期实现兆瓦级商品化燃料电池电站的主要研究目标，研制速度日益加快。现在MCFC的主要研制者集中在美国、日本和西欧等国家。被称为第三代燃料电池的SOFC正在积极的研制和开发中，它是正在兴起的新型发电方式之一。美国是世界上最早研究SOFC的国家，而美国的西屋电气公司所起的作用尤为重要，现已成为在SOFC研究方面最有权威的机构。早在1962年，西屋电气公司就以甲烷为燃料，在SOFC试验装置上获得电流，并指出烃类燃料在SOFC内必须完成燃料的催化转化与电化学反应两个基础过程，为SOFC的发展奠定了基础。此后10年间，该公司与OCR机构协作，连接400个小圆筒型ZrO2-CaO电解质，试制100W电池，但此形式不便供大规模发电装置应用。80年代后，为了开辟新能源，缓解石油资源紧缺而带来的能源危机，SOFC研究得到蓬勃发展。西屋电气公司将电化学气相沉积技术应用于SOFC的电解质及电极薄膜制备过程，使电解质层厚度减至微米级，电池性能得到明显提高，从而揭开了SOFC的研究崭新的一页。80年代中后期，它开始向研究大功率SOFC电池堆发展。1986年，400W管式SOFC电池组在田纳西州运行成功。1987年，又在日本东京、大阪煤气公司各安装了3kW级列管式SOFC发电机组，成功地进行连续运行试验长达5000h，标志着SOFC研究从实验研究向商业发展。进入90年代DOE机构继续投资给西屋电气公司6400余万美元，旨在开发出高转化率、2MW级的SOFC发电机组。1992年两台25kW管型SOFC分别在日本大阪、美国南加州进行了几千小时实验运行。从1995年起，西屋电气公司采用空气电极作支撑管，取代了原先CaO稳定的ZrO2支撑管，简化了SOFC的结构，使电池的功率密度提高了近3倍。该公司为荷兰Utilies公司建造100kW管式SOFC系统，能量总利用率达到75%，已经正式投入使用。目前，SiemensWestinghouse宣布有两座250kWSOFC示范电厂很快将在挪威和加拿大的多伦多附近建成。二、国内燃料电池行业发展历程我国对燃料电池的研究较发达国家起步较晚，曾在70年代前后因航天工业的需要掀起了第一次研发热潮，后因国家战略调整而基本停止研究。而近二十年可以说是我国燃料电池的大发展时期，不仅PEMFC基本达到国际先进水平，SOFC、DAFC和MCFC也取得了许多重大突破。“七五”期间，中国科学院长春应用化学研究所1990年承担了中科院PEMFC研究任务，1993年开始进行直接甲醇质子交换膜燃料电池（DMDC）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所、上海硅酸盐研究所、化工冶金研究所及清华大学等国内十几个单位进行了与SOFC有关的研究。“九五”期间，国家科技部与中科院将燃料电池技术列入当期科技攻关计划，投资规模逾1亿元，开始进入燃料电池研究的第二个高潮时期。在这个时期，质子交换膜燃料电池被列为重点，以大连化学物理研究所为牵头单位，在中国全面开展了质子交换膜燃料电池的电池材料与电池系统的研究，并组装了多台百瓦、1kw-2kw、5kw和25kw电池组与电池系统。5kw电池组包括内增湿部分其重量比功率为100W/kg，体积比功率为300W/L。“十五”期间，我国“863”计划曾拨款8.8亿元用于支持混合电动车和燃料电池汽车的研发；主要承担单位包括大连化学物理研究所、同济大学、清华大学和上海神力科技公司、上海燃料电池汽车动力系统有限公司、北京世纪富源燃料电池有限公司、北京飞驰绿能技术有限公司以及大连新源动力有限公司等。与此同时，“973”计划拨款约3000万元用于储氢技术、质子交换膜和催化剂的研发；主要承担单位包括清华大学核能与新能源技术研究院，浙江大学、上海交通大学、香港大学等。也正是在这个时期，中国已与全球环境基金/联合国发展计划署成立了燃料电池合作项目，共同提供约1.98万美元的资金支持中国燃料电池项目开发。“十一五”期间，我国“863”计划、“973”计划和科技支撑计划等重大科技项目对制氢、储氢和加氢技术、燃料电池及其部件和原材料技术的研发继续给予经费支持。其中，燃料电池技术的主要研究内容包括：质子交换膜燃料电池低铂载量膜电极技术；质子交换膜燃料电池水平衡气体扩散层技术；阴极支撑型中温固体氧化物燃料电池技术；熔融碳酸盐燃料电池关键技术；其他新型燃料电池技术。截至目前，我国在燃料电池关键材料、关键技术方面已经取得了许多突破性进展，不仅开发出了60kw、75kw等多种规格的质子交换膜燃料电池组，而且开发出了电动轿车用净输出40kw、城市客车用净输出100kw燃料电池发动机，使中国的燃料电池技术跨入世界先进国家行列。近二十年来，我国燃料电池领域的探索基本涵盖了所有技术类型，但从研究投入、成果和参与单位的数量上来看，主要以PEMFC和SOFC为主，DAFC和MCFC为辅，而对AFC和PAFC的研究较少。分类型来看，我国在AFC和PAFC的研究方面主要局限于催化剂材料的制备和性能分析，尚没有开展系统集成方面研究工作。我国从90年代初才开始MCFC的研究工作，目前已具备了研制数十KW级熔融碳酸盐燃料电池发电系统的能力。我国从事研发的单位主要由中国科学院大连化物所、上海交通大学和北京科技大学等。在“八五”、“九五”期间我国已有十几个单位进行了SOFC相关技术的研究，如大连化物所、中科院上海硅酸盐研究生、中国科技大学等。在材料和部件、工艺方面都取得了较大进展。目前我国已具备了研制数KW级固体氧化燃料电池发电系统的能力。我国质子交换膜燃料电池自行车已研制成功，现已开发出200W电动自行车用燃料电池系统。百瓦级移动动力源和5KW移动通讯基站动力源也已开发成功。千瓦级电池系统作为动力源，已成功地进行了应用试验。由6台5KW电池组构成的30KW电池系统已成功地用作中国首台燃料电池轻型客车动力源，装车电池最大输出功率达46KW。我国目前正在进行大功率质子交换膜燃料电池组的开发和燃料电池发动机系统集成的研究。第三节燃料电池行业发展前景燃料电池发电装置每发电1000kWh排出的污染物小于1盎司，而常规燃烧装置为25磅。2005年全球拥有50万个固定的（静止式）燃料电池装置，到2010年，将有250万户家庭使用燃料电池，同时全球拥有60万台燃料电池汽车，占世界汽车生产量的1%。2005年，从事燃料电池开发的公司总投资额已超过10亿美元。预计到2010年左右，燃料电池在价格上将具备与内燃机竞争的能力。届时，美国市场上以燃料电池为动力的机动车将占美国汽车市场4%的份额，日本和西欧燃料电池汽车将分别占市场份额的4.5%和3.7%。到2020年，燃料电池汽车将占世界汽车市场的25%。美国新一代运输用汽车市场价值单位：百万美元1998年2000年2002年2007年2002-2007年年均增长率(%）燃料电池汽车0.551.102.2547.684.1混合型汽车2.50198.9719.002293.026.1全电动汽车1984.002264.02707.703627.06.0合计1987.052464.03428.955967.6