燃料电池行业投资潜力分析

燃料电池行业投资潜力分析一、我国目前的技术情况（一）我国高温燃料电池技术进展我国自20世纪90年代以来，中国科学研究院大连化物所、上海交通大学等单位均对MCFC进行过深入研究，在电解质及其粉体制备、电池堆组装及运行方面积累了大量的经验，并进行了千瓦级的发电试验。中国华能集团公司于2005年实施绿色煤电计划，研究开发并示范推广以煤气化制氢、氢气轮机联合循环发电和燃料电池发电为主，并能对CO2进行回收和封存的煤基能源系统，使其达到污染物和CO2的近零排放。绿色煤电计划一期将建造100kW的高温燃料电池示范电站，在2020年前将建成兆瓦级的高温燃料电池电站。由于MCFC在制造成本、电池堆容量、材料体系等方面比SOFC更成熟，应为我国优先发展的高温燃料电池发电技术。2008年西安热工研究院有限公司成功完成了大面积MCFC双极板组装电池堆的发电试验，大大提高了MCFC单电池的发电功率。目前，国内已具备了进行大容量MCFC电池堆开发的基础。因此，高温燃料电池的发展路线应为近期优先发展MCFC发电技术，尽快实现MCFC的大型化与产业化。（二）我国PEMFC燃料电池技术进展我国对PEMFC也十分重视，多家研究机构一直致力于此领域的研发。从“八五”计划开始启动PEMFC领域的研究，在“十五”、“863”计划等开始进行大规模的资助。在“九五”期间，国家科技部组织燃料电池研制项目重点攻关，经过研究人员的协作努力，在质子交换膜燃料电池研究上取得突出成绩，特别是在200W、1kW、30kW燃料电池组及相关生产工艺技术、甲醇重整制氢技术、质子交换膜原材料国产化、驱动与控制系统等方面都取得重要进展。我国计划到2010年世博会期间，将投入运行20辆燃料电池公交车、300辆燃料电池出租车、1000辆电动汽车以及一批燃料电池场地车和邮政车。届时，上海将建成5座加氢站来满足这些车辆对氢燃料的需求。我国在关键零部件研发方面，突破了大功率氮一空燃料电池发动机组制备关键技术，研制出轿车用净输出30～60kW、客车用净输出60～150kW的燃料电池发动机;车用驱动电机产品的功率密度、效率等指标达到国际先进水平。在共性研发技术平台建设方面，已经建立了包括电动汽车整车、电动汽车动力蓄电池、驱动电机、燃料电池发动机等7个公共检测和试验平台，并制定出相关测试规范。此外，我国已建立起一批产业化的中试基地和中试生产线。另外，同济大学以万俐为组长的团队承担了电动汽车的重大专项。目前，我国在氢能及燃料电池领域大约有60多个研究所和公司，研发人员350多名。除中科院大连化物所、大连新源动力公司外，主要有长春应化所、上海有机所、上海交大、复旦大学、哈尔滨工业大学、上海大学、上海空间电源研究院、山西煤化所、清华大学、北京石油大学、北京理工大学、天津大学、厦门大学、华中理工大学和成都电子科技大学等研学机构。除了高校、研究所等科研机构外，近年来国内也涌现出几家与氢能及燃料电池领域相关的公司，比较出名的是北京世纪富源燃料电池公司、上海神力科技公司、新源动力股份有限公司、北京飞驰绿能电源技术有限责任公司等。北京世纪富源燃料电池公司从1995开始，对质子交换膜燃料电池(PEMFC)进行了开发和研究，目前已研制出单堆功率为50W，750W，115kW，5kW，10kW，30kW等不同规格的燃料电池模块，以及3W手机燃料电池，30W笔记本电脑燃料电池，300W燃料电池电动助力车和电动自行车;上海神力科技有限公司是从事PEMFC及相关材料的研究、开发和生产的民营企业。目前，神力科技已成功研发了以下产品：1～10W手机、SL系列笔记本电脑用燃料电池；10～100W燃料电池便携式电源和独立电源；100～1000W电动自行车、助力车和背负式电源用燃料电池；1～15kW摩托车、旅游车、移动电源和家用电站用燃料电池；20～50kW级(氢-空气)轿车、中巴等交通工具用燃料电池；新源动力股份有限公司以中国科学院大连化学物理研究所“九五重点攻关项目”———质子交换膜燃料电池技术为依托，以众多国内一流燃料电池领域的专家、技术骨干为研发中坚，以包括36项发明专利和10余项专有技术的自主知识产权为核心技术，致力于实现燃料电池产业化。目前研制成功的5kW的PEMFC已通过国家专家组的验收，并获得全国发明金奖；北京飞驰绿能电源技术有限责任公司是一个具有独立研究开发质子交换膜燃料电池(PEMFC)的全套工艺技术、工装和装备并拥有独立自主知识产权的科研生产实体，并已获得4项国家发明专利，申报4项专利技术，拥有20多项专有技术。现已开发出六大类、五个系列的20多种产品供用户选择，可用于燃料电池电动汽车、不间断电源、小型电站和便携式可移动电源。我国燃料电池的研究工作已表明，中国的质子交换膜燃料电池已经达到可以装车的技术水平；大连化学物理研究所等单位研制的质子交换膜燃料电池已具有我国自主知识产权的高技术成果；在燃料电池研究方面我国可以与世界发达国家进行竞争，而且在市场份额方面，我国可以并且有能力占有一定比例。PEMFC关键技术PEM、电极、铂催化剂、双极板和贮氢技术都属PEMFC的关键技术。这些技术一定程度上决定了PEMFC的性能与成本，因此，产业化第一步必须实现关键技术的突破与产业化。（1）质子交换膜质子交换膜(PEM)是PEMFC的关键部件，它不只是一种隔膜材料，还是电解质和电催化剂的基底。用作PEM的材料应该具备如下条件：具有良好的离子导电性，可降低电池内阻，提高电流密度；材料的分子量要充分大等。目前研发的主要重点是研制性较好的复合膜、耐高温膜、自增湿膜。（2）PEMFC双极板在PEMFC中，膜、催化剂和双极板材料费用占了整个电池的绝大部分。双极板呈多个叠层结构，电池堆依次由有肋双极板、阳极、电解质基质和阴极构成。双极板的功能及与材料相关的要求是能够分隔氧化剂和还原剂，双极板必须有阻气功能，不能用多孔透气材料，能够起到收集电流的作用，必须采用电的良导体。各国正在开发的双极板有表面改性的金属板、膨胀石墨板和复合型双极板。（3）PEMFC催化剂目前质子交换膜燃料电池主要使用碳黑担载铂(Pt/C)催化剂，其有效活性表面积在燃料电池的运行过程中会逐渐下降运行过程中会逐渐降低，这被认为是决定PEMFC寿命的关键因素。催化剂性能衰减机制主要有三个方面：碳载体的腐蚀，铂的氧化、溶解和聚集，杂质CO等的毒化失效。作为电催化剂，它必须具备的条件是：高性能的阴极催化剂必须能够通过降低阴极的过高电位来加快氧的还原速度，阳极电催化剂必须能够催化氢的氧化进程；由于CO、CO2和重整气中的一些污物会引起催化剂中毒，因此要求电催化剂能够抗催化剂中毒；Pt是贵金属，资源有限，价格昂贵，所以降低电催化剂成本的主要研究方向是提高铂的利用率，降低单位面积电极的铂载量，研制低铂电催化剂以及取代铂的非铂催化剂。（4）膜电极及其制备工艺膜电极(MEA)是PEMFC的核心部件，膜电极的制备工艺一定程度决定了PEMFC的性能。直到80年代中期，PEMFC膜电极的Pt载量仍高达4mg/cm2。目前，MEA的组装多采用“三明治”结构。（5）贮氢技术PEMFC是以氢气作为燃料，因为氢气有其不可替代的优越性。氢既可以通过燃烧产生热能，在热力发动机中产生机械功，又可以作为燃料用于燃料电池；贮氢技术是新能源开发中的一个重要领域，也是PEMFC产业化开发上游燃料供应的重要环节。贮氢技术目前仍有很多困难。①贮氢材料在吸放氢循环过程中发生粉化，在气流驱动下粉末会逐渐堆积形成堆垛区，这既增加了氢气流动阻力也导致了容器变形或破坏。改善传热传质的研究工作主要集中在制备复合贮氢材料及容器优化设计方面。②高压氢作氢源的问题。用高压氢作车用燃料电池的氢源有不安全性的问题。过去用一般的高压氢作氢源，储氢量太少。另外，制备如此高压的氢源，要消耗大量的能量，因此，氢燃料的价格也高。③车用高温裂解制氢装置作氢源。用车载的甲醇、汽油或天然气高温裂解制氢装置来作氢源。但这种车载制氢技术有一些问题比较难解决：用裂解方法制得的氢气含大量的CO，即使经过分离，但会有少量CO，而CO能使目前使用的PEMFC的阳极Pt催化剂中毒；这种技术需要较高的温度，如作为车载的制氢设备，要一直保持高温，也有很大的难度。所以，这种技术很难得到实际的使用，美国基本上已放弃了这个途径。④储氢材料储氢作氢源。用储氢材料储氢作汽车用PEMFC的氢源，只有当储氢容量在重量比达到5%～7%左右时才有价值，但目前储氢材料的储氢重量比一般在2%左右，要进一步提高储氢量比较困难。有的材料，如镁合金虽然能储3%左右的氢，但储氢和放氢过程不太可逆，使用不便。因此，用储氢材料的方法来解决PEMFC电动汽车氢源的问题也不是近期内能实现的。（三）我国直接甲醇燃料电池技术最新进展直接甲醇燃料电池(DirectMethanolFuelCell)属于质子交换膜燃料电池(PEMFC)中之一类，直接使用水溶液以及蒸汽甲醇为燃料供给来源，而不需通过重组器重组甲醇、汽油及天然气等再取出氢以供发电。相较于HYPERLINK质子交换膜燃料电池(PEMFC)，直接甲醇燃料电池(DMFC)低温生电、燃料成分危险性低与电池结构简单等特性使直接甲醇燃料电池(DMFC)可能成为可携式电子产品应用的主流。直接甲醇燃料电池自20世纪60年代初问世以来，就以其操作温度低、能量效率高、无电解质腐蚀、无环境污染、安全可靠等特点，迅速发展成为国际高新技术竞争中的重要热点之一。我国政府对燃料电池的研发高度重视，将其列为“国家科技中长期发展规划”中能源、交通、电子等领域的重要研究方向和急需开拓的尖端高技术。由中科院长春应化所、中科院大连化物所、南京师范大学、南通海阳新材料科技公司共同承担的国家“863计划”目标导向项目——直接甲醇燃料电池技术，通过了科技部组织的中期项目检查。结合国家战略需求和国际燃料电池的发展态势，中科院长春应化所早在20世纪90年代初就在国内率先开展了直接醇类燃料电池的研究，对该类电池的催化氧化催化剂，催化电极、催化电极/质子交换膜复合体等进行了较系统的探索，“九五”和“十五”期间又在中科院、国家基金委和科技部的支持下，持续开展了直接甲醇燃料电池的基础和应用研究，在阳极催化剂、阴极催化剂、质子交换膜、电池的设计和组装等方面均取得了较大进展，积累了丰富经验。大连化物所DMFC笔记本电源从开发低成本长效发电的直接甲醇燃料电池发电技术，为直接甲醇燃料电池实用化和产业化奠定重要基础的目标出发，2007年5月该所与中科院大连化物所、南京师范大学和南通海阳新材料科技有限公司获得国家“863计划”项目“直接甲醇燃料电池技术”的支持，经过2年多的联合攻关，突破了催化剂制备及性能，电极及膜电极集合体制备工艺，电池结构改进等技术关键，批量制备出性能优良的多种催化剂，部分催化剂性能优于商品催化剂；批量制备出高性能膜电极集合体，组装出了自呼吸电池及主动式电堆，实现了自呼吸电池甲醇燃料电池组与笔记本电能连用。项目实施期间共申请发明专利9项，实用新型专利2项，获权1项。甲醇燃料电池特别适合中小型电源、如移动式长效发电系统、便携式电源等，对于国民经济和国防建设等均具有十分重要的意义。目前，长春应化所等单位正在为进一步提高电池性能和整体水平而组织联合攻关，力争通过2～3年的时间，研究并掌握批量合成与制备甲醇燃料电池的关键材料、电池堆制作和整体发电系统集成的核心技术，为甲醇燃料电池的产业化奠定重要的技术和材料基础。二、未来技术突破点质子交换膜燃料电池（PEMFC）是燃料电池行业中应用最广泛、最有前景的一种燃料电池。从总体来看，PEMFC是一个极为复杂的机电、液气两相控制系统，它不仅涉及到电化学反应，而且涉及了机械和电子控制，技术难度大。目前，PEMFC电池组正在加速发展，几年前主要是解决质量比能低和在汽车上的携带问题。当前要解决的问题主要是成本与CO允许值。燃料电池电动汽车除了在车身、控制器及驱动系统等方面面临着与电动汽车相同的问题之外，在其储能动力源——燃料电池方面还有较多问题急需解决。燃料电池将成为未来的最佳车用能源，这一观点已被广大的汽车界人士所认同。虽然燃料电池可以采用多种燃料，甚至是内燃机用的所有燃料，但是真正起电化学反应的，仅仅是其中的氢和氧化剂中的氧。因此，氢燃料电池在氢燃料制取、储存及携带等方面以及非氢燃料电池的重整系统的效率、体积、质量大小及反应速度等方面的技术还需进一步提高。目前，车用燃料电池急需解决的关键问题如下：1、提高车用燃料电池单位质量(或体积)、电流密度及功率，提高动力车辆所必需的快速起动和动力响应的能力。就PEMFC本身来说，主要的技术研究方向如下：1.聚合物电解质：深入研究聚合物电解质中的传导和扩散机理，开发新的结构模式。选择造价低、易于生产且化学结构相对简单的膜片。同时开发可在高温(200℃)下传导质子的聚合物，减少CO对电极催化剂的毒害，并提高废热的回收利用率。2.电极催化剂：研究电极反应及中间反应机理，继续开发耐杂质、高性能、低造价的电极催化剂。日前，PEMFC燃料电池还须用贵金属铂作为催化剂，不仅价格昂贵，而且产量小。因此，必须研究出铂的代用材料或者降低铂的用量，降低成本，这是未来商品化生产中面临的重要课题之一。3.电极结构：从微观及分子角度研究构成电极结构的材料特性、结构和性能之间的关系。4.其它方面：对于像压缩机、泵、热交换器、重整装置、选择氧化器等的系统元件都要在材料、体积及应用性能方面进行优化研究；减小体积和质量，以便装入汽车等动力装置有限的使用空间。2、必须开发质量轻、体积更小、能储存更多氢能的车载氢储存器具，以便更有效地利用燃料能量，提高续驶里程和载质量。3、必须解决好氢气的安全问题研究表明：在一定的条件下，氢气比汽油具有更大的危险性，所以无论采用什么储存方式，储存器具及其安全措施都必须满足使用要求。4、开发有效的制造工艺电池组件必须采用积木化设计，开发有效的制造工艺，并进行高效的自动化生产，从而降低材料和制造费用。5、开发多种燃料的PEMFC发展结构紧凑及性能可靠的PEMFC的同时开发应用其它燃料，如甲烷、柴油等驱动的PEMFC，这将会拓宽PEMFC的应用范围。只有实现了以上各点，燃料电池在使用性能上才能最终被广大用户所接受。当前的研究显示，燃料电池潜力很大，应用前景很广，在已有成果基础上正在不断开辟新的领域。目前的关键是提高其功率质量比，优化整个系统，进一步掌握电池和甲醇反应器的动力学等。这些难题大多已找到解决的途径，汽车未来能源属于燃料电池。三、投资潜力分析1、重点投资质子交换膜燃料电池的研发