中国燃料电池的现状

1. 中国燃料电池的现状

一、燃料电池发展背景

    燃料电池原理很早被提出，但受技术所限与高昂的成本，发展速度十分缓慢。近些年燃料电池相关技术不断进步，特别是丰田等日本公司的大力推进下，部分燃料电池汽车已实现量产。

燃料电池汽车历史


资料来源：智研咨询整理

    相较全球汽车销量，目前电动汽车销量占比仍不足1%，按照IEA预测，2030年电动汽车渗透率将达到15%，2018年-2030年每年则需要增长30%。插电混动汽车2012年后开始进入市场，目前，中国市场占比约为25%，美国约为43%，欧洲市场的PHEV占比更高。

    二、燃料电池汽车定义及结构

    燃料电池汽车英文缩写FCV，是一种利用氢燃料作为长时间续航，传统电池作为瞬间大电流输出互相配合的一种新型动力汽车。车用燃料电池系统通常使用高纯度的压缩氢气或者甲醇、甲酸、固态储氢等其他介质加重整系统所得到的高纯度氢气。与传统的电动汽车相比较，燃料电池汽车的电力来源为氢气通过燃料电池系统发电，传统电动汽车的能源来自于电网。

燃料电池汽车结构示意图


资料来源：智研咨询整理

    动力控制单元，动力控制单元能在不同的行驶工况下控制不同的充放电策略。

    电机，它由驱动电池和燃料电池来供电，受前端的动力控制单元控制。

    升压逆变器，它把电池输出的低压DC，转换成高压AC，供给交流电机。

    燃料电池反应堆，输出功率为114kW，是整车的动力来源。

    驱动电池，用来回收制动能量（再生制动），加速时辅助燃料电池供电。

    储氢罐，由三层碳纤维强化塑料结构构成，700个大气压，氢气解压后以液态氢的方式储存在燃料电池中，添加液态氢的过程加满大约需要3-5min。

    三、中国燃料电池产业发展现状

    （1）燃料电池汽车市场

    整车开发方面，目前，我国已经初步掌握整车、动力系统与核心部件的核心技术并具有整车生产能力。

    但是，在燃料电池汽车车型平台开发方面，以上汽股份、上海大众、一汽、长安、奇瑞等公司为代表开发的燃料电池轿车均基于传统内燃车或纯电动汽车进行改制，尚未掌握燃料电池汽车专用车身、底盘开发、底盘动力学主动控制等关键技术。

    根据智研咨询发布的《2020-2026年中国氢燃料电池汽车行业发展动态分析及投资方向研究报告》数据显示：2019年1-9月，新能源汽车产销分别完成88.8万辆和87.2万辆，比2018年同期分别增长20.9%和20.8%。其中燃料电池汽车产销分别完成1315辆和1251辆，比2018年同期分别增长7.7倍和7.6倍。

2015-2019年9月全国中国燃料电池汽车销量情况统计


资料来源：中国汽车工业协会、智研咨询整理

    （2）燃料电池电堆

    燃料电池电堆开发方面，已形成包括明天氢能、新源动力、武汉理工新能源、弗尔赛、等在内的具有自主知识产权的燃料电池电堆生产厂家，在电堆上游配套方面，MEA、碳纸、质子膜、石墨双极板和金属双极板等均已实现国产化。目前已具备60kW以内的单个燃料电池电堆开发能力，体积比功率基本可达到2.0kW/L，与国际领先水平3.1kW/L仍有差距。

2. 燃料电池有前景吗

什么是氢燃料电池，对我们生活有哪些好处？

3. 燃料电池目前国家什么政策

国家更是对新能源汽车实行一系列补贴政策：
     2014年2月8日，国家发改委等单位联合发布了《关于进一步做好新能源汽车推广应用工作的通知》，原先新能源补贴2014年和2015年补助标准相比2013年会降低10%和20%，此次国家宣布补贴金额逐年缩减幅度降低，调整为2014年和2015年相比2013年分别降低5%和10%，以鼓励消费者购买新能源汽车。按照国家新能源补贴规定，在2013年-2015年政策执行期间，每一年的补贴金额会按年度下调，也就是说，2014年会比2013年新能源补贴金额少，2015年还会更低。那么按照原先规定，2014年和2015年会在2013年国家补贴金额基础上降低10%和20%，这次调整则降低了补贴逐年递减的额度，调整为5%和10%。 按照通知规定，原补贴推广政策中纯电动乘用车、插电式混合动力（含增程式）乘用车、纯电动专用车、燃料电池汽车2014和2015年度的补助标准将在2013年标准基础上下降10%和20%。现将上述车型的补贴标准调整为：2014年在2013年标准基础上下降5%，2015年在2013年标准基础上下降10%，从2014年1月1日起开始执行。另外通知中还明确表示，现行补贴推广政策已明确执行到2015年12月31日。不过上述补贴推广政策到期后，中央财政将继续实施补贴政策。
     2016年4月29日，财政部、发改委、工信部和科技部四部委联合下发的新一轮新能源汽车补贴政策正式出台，在未来5年，补贴额度大幅退坡。自2010年中央实施新能源汽车补贴政策以来，补贴额度逐年下降，享受补贴的车辆标准逐年提高，同时，政府对汽车企业的燃料消耗限值不断降低，显示政府希望由市场力量来推动新能源汽车的发展。具体的退坡办法是：2017-2020年，除燃料电池汽车外，其他新能源车型补贴标准都实行退坡，其中：2017-2018年补贴标准在2016年基础上下降20%，2019-2020年补贴标准在2016年基础上下降40%。新能源乘用车补贴对象依然是纯电动汽车、插电式混合动力汽车和燃料电池汽车，但对车辆的技术要求进一步提高。其中，纯电动汽车的补贴门槛由之前的80公里续航里程提高到100公里，对车辆的最高时速也要求不低于100公里/每小时。
    当然，列入国家目录的才算新能源汽车，补贴金额不递减，小轿车最高可补贴12万，根据《暂行办法》，市财政补贴分为车辆购置补贴及充电设施建设补贴。对于车辆购置补贴，根据国家和省要求，按照地方与中央补贴1：1，且不递减的原则实施，按2013年国家出台的新能源汽车补贴标准为3.5万元~6万元，乘用车以纯电行驶里程（R）为标准，消费者购买小轿车最高可获12万元补贴，而新能源公交车可以获得30万~50万的补贴。同时，为防止对个别低价车型过度补贴的情况，办法对乘用车明确了车价60%的补贴上限。     对于充电设施建设补贴，综合参照北京、上海、杭州等地补贴标准，提出对于充电设施建设原则上可给予投资额（不含土地费用）30%的补贴。 补贴可追溯，2013年1月1日以来购买的新能源车都可享受， 补贴直接拨给车企或经销商，消费者直接以补贴后的价格购车。

4. 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。

5. 目前有哪些燃料电池

燃料电池的种类按不同的方法可大致分类如下： 
　　1. 按燃料电池的运行机理分。 
　　分为酸性燃料电池和碱性燃料电池。 
　　2. 按电解质的种类不同，有酸性、碱性、熔融盐类或固体电解质。 
　　因此，燃料电池可分为碱性燃料电池（AFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池（SOFC）、质子交换膜燃料电池（PEMFC）等。在燃料电池中，磷酸燃料电池(PAFC)、质子交换膜燃料电池（PEMFC）可以冷起动和快起动，可以用作为移动电源，适应FCEV使用的要求，更加具有竞争力。 
　　3. 按燃料类型分。 
　　有氢气、甲醇、甲烷、乙烷、甲苯、丁烯、丁烷等有机燃料，汽油、柴油和天然气等气体燃料，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。 
　　4. 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℃。 
　　在常温下工作的燃料电池，例如质子交换膜燃料电池（PEMFC），这类燃料电池需要采用贵金属作为催化剂。燃料的化学能绝大部分都能转化为电能，只产生少量的废热和水，不产生污染大气环境的氮氧化物。不需要废热能量回收装置，体积较小，质量较轻。但催化剂铂（Pt）会与工作介质中的一氧化碳（CO）发生作用后产生"中毒"现象而失效，使燃料电池效率降低或完全损坏。而且铂（Pt）的价格很高，增加了燃料电池的成本。 
　　另一类是在高温（600～1000℃）下工作的燃料电池，例如熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）和固体氧化物燃料电池（SOFC），这类的燃料电池不需要采用贵金属作为催化剂。但由于工作温度高，需要采用复合废热回收装置来利用废热，体积大，质量重，只适合用于大功率的发电厂中。 
　　最实用的燃料电池是以氢或含富氢的气体燃料，但是在自然界是不能直接获得氢的，燃料电池氢的；来源通常是以石油燃料、甲醇、乙醇、沼气、天然气、石脑油和煤气中，经过重整、裂解等化学处理后来制取含富氢的气体燃料。氧化剂则采用氧气或空气，最常见的是用空气作为氧化剂。检举 回答人的补充   2009-10-22 09:10 　燃料电池十分复杂，涉及化学热力学、电化学、电催化、材料科学、电力系统及自动控制等学科的有关理论，具有发电效率高、环境污染少等优点。总的来说，燃料电池具有以下特点：
　　（1）能量转化效率高　他直接将燃料的化学能转化为电能，中间不经过燃烧过程，因而不受卡诺循环的限制。目前燃料电池系统的燃料—电能转换效率在45%～60%，而火力发电和核电的效率大约在30%～40%。
　　（2）有害气体ＳＯx、ＮＯx及噪音排放都很低　ＣＯ2排放因能量转换效率高而大幅度降低，无机械振动。
　　（3）燃料适用范围广
　　（4）积木化强　规模及安装地点灵活，燃料电池电站占地面积小，建设周期短，电站功率可根据需要由电池堆组装，十分方便。燃料电池无论作为集中电站还是分布式电，或是作为小区、工厂、大型建筑的独立电站都非常合适
　　（5）负荷响应快，运行质量高　燃料电池在数秒钟内就可以从最低功率变换到额定功率，而且电厂离负荷可以很近，从而改善了地区频 燃料电池原理率偏移和电压波动，降低了现有变电设备和电流载波容量，减少了输变线路投资和线路损失。

6. 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。

7. 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。

8. 燃料电池国家重点研发计划有哪些集团在参与？

由福建亚南电机集团作为核心承担单位的国家重点研发计划项目《高性能长寿命燃料电池发动机系统的开发研制》
亚南电机是国内较早进入燃料电池行业的公司之一。2010年，郭健董事长着眼于国际电力能源市场和企业的可持续发展，做出了进军氢燃料电池领域的前瞻性判断和决策。2012年，亚南参与国家863计划《燃料电池应急备用电源中试规模的制造及运行》项目的研究开发，于2016年顺利通过国家科技部验收。