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1、李大军：是的，燃料电池并不遥远了作者：华创证券 李大军（i投资会员）一、氢燃料电池技术：电化学反应、真正的清洁能源（一）技术原理：通过电化学反应生成水，并释放出电能燃料电池是利用水的电解的逆反应的发电机，通过电化学反应生成水，并释放出电能。燃料电池以氢或富氢气体为燃料，以空气中的氧为氧化剂，等温地按电化学方式直接将化学能转化为电能。燃料电池的工作原理与普通电化学电池相类似，两者都是通过电化学反应将化学能直接转换为电能。然而从实际应用来考虑，两者又存在较大的差别。普通电池只是一个有限的电能输出和储存装置；而燃料电池是一个可以连续不断产生电能的氢氧发电装置。1.氢燃料电池具有能量转化效率高、零排放
2、、燃料氢取得容易等特点查看原图2.燃料电池由正极、负极和夹在正负极中间的电解质板以及外部电路所组成。燃料电池的阳极是氢电极，阴极是氧电极，两极之间是电解质，可分为碱性型、磷酸型、固体氧化物型、熔融碳酸盐型和质子交换膜型。另外，只有燃料电池本体还不能工作，必须有一套相应的辅助系统，包括反应剂供给系统、排热系统、排水系统、电性能控制系统及安全装置等。查看原图（二）燃料电池种类:MCFC、PEMFC、SOFC是最接近商用化的类型按电解质分，燃料电池分为碱性燃料电池（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）等五
3、种。按工作温度分，燃料电池按温度的不同又可分为低温、中温和高温三种类型。低温(500摄氏度)。从目前的商业应用来看，熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、质子交换膜燃料电池（PEMFC）与固体氧化物燃料电池（SOFC）型燃料电池是最主要的技术路线，其中MCFC和SOFC主要有应用于固定式燃料电池电站、家用热电联产，PEMFC主要应用与燃料电池汽车。1.固体氧化物燃料电池（SOFC）固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC)属于第三代燃料电池，是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置。被普遍认为是在未来会与质子
4、交换膜燃料电池(PEMFC)一样得到广泛普及应用的一种燃料电池。在所有的燃料电池中，SOFC的工作温度最高，属于高温燃料电池。近些年来，分布式电站由于其成本低、可维护性高等优点已经渐渐成为世界能源供应的重要组成部分。由于SOFC发电的排气有很高的温度，具有较高的利用价值，可以提供天然气重整所需热量，也可以用来生产蒸汽，更可以和燃气轮机组成联合循环，非常适用于分布式发电。燃料电池和燃气轮机、蒸汽轮机等组成的联合发电系统不但具有较高的发电效率，同时也具有低污染的环境效益。国外的公司及研究机构相继开展了SOFC电站的设计及试验，100kW管式SOFC电站己经在荷兰运行。Westinghouse公司不
5、但试验了多个kW级SOFC，而且正在研究MW级SOFC与燃气轮机发电系统。日本的三菱重工及德国的Siemens公司都进行了SOFC发电系统的试验研究。2.熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)以高温下处于熔融状态的碳酸盐（碳酸锂、碳酸钾）作为电解质、工作温度600-700C,发电效率45%-55%，具有不需要使用贵金属催化剂、也可不适用纯氢，热点联产能量转化率高的特点。因650C的碳酸盐具有强腐蚀性，因此MCFC阳极通常采用多孔镍电极，阴极采用烧结镍电池。1991年后日本把该型电池作为研究重点。3.质子交换膜燃料电池（PEMFC）质子交换膜燃料电池（英语：Proton E
6、xchange Membrane Fuel Cell，简称：PEMFC），又称固体高分子电解质燃料电池（英语：PolymerElectrolyte Membrane Fuel Cells），是一种以含氢燃料与空气作用产生电力与热力的燃料电池，膜极组和集电板串联组合成一个燃料电池堆。质子交换膜燃料电池主要有氢燃料电池、甲醇重整燃料电池和直接甲醇燃料电池三种。目前，尤以氢燃料电池倍受电源研究开发人员的注目。它的结构紧凑，工作温度低（只有80），启动迅速，功率密度高，工作寿命长。查看原图 PEMFC的核心是一涂有铂催化剂的弹性塑料膜。铂催化剂把氢气转化为质子和电子，只有质子可以通过电解质膜，与膜另一
7、侧的氧结合生成水，而电子在闭合的外电路中形成电流。燃料电池中，质子交换膜燃料电池相对低温与常压的特性，加上对人体无化学危险、对环境无害，适合应用在日常生活，得到了广泛的应用。世界各大汽车集团竞相投入巨资，研究开发电动汽车和代用燃料汽车。从目前发展情况看，PEMFC是技术最成熟的电动车动力源，PEMFC电动车被业内公认为是电动车的未来发展方向。20世纪60年代，美国首先将PEMFC用于Gemini宇航飞行。伴随着全氟磺酸型质子交换膜碳载铂催化剂等关键材料的应用和发展，80年代，PEMFC的研究取得了突破性进展，洛斯阿拉莫斯国家实验室的研究人员对催化剂做了大量改进，使铂的用量减少了90%，同时全球
8、领先的燃料电池开发商，加拿大的巴拉德动力系统公司通过改进电解质膜，使电池的能量密度成倍增加，电池的性能和寿命大幅提高，电池组的体积比功率和质量比功率分别达到1000W/L、700W/kg，超过了DOE和PNGV制定的电动车指标。90年代以来，基于质子交换膜燃料电池高速进步，各种以其为动力的电动汽车相继问世，至今全球已有数百台以PEMFC为动力的汽车、潜艇、电站在国内外示范运行。由于质子交换膜燃料电池高效、环保等突出优点，引起了世界各发达国家和各大公司高度重视，并投巨资发展这一技术。美国政府将其列为对美国经济发展和国家安全至为关键的27个关键技术领域之一；加拿大政府将燃料电池产业作为国家知识经济
9、的支柱产业之一加以发展；美国三大汽车公司（GM，Ford，Chryster）、德国的Dajmier-Benz、日本的Toyto motor等汽车公司均投入巨资开发PEMFC汽车。（三）应用领域及分领域发展情况：燃料电池汽车发展空间最为广阔燃料电池可以分为3个引用应用领域：便携领域，固定领域与运输领域。现今的氢燃料电池研究主要集中在电动汽车领域及其相关设备的研究上。便携领域指的是那些可以移动的装置，比如辅助动力装置（APU）。固定领域指的是设于固定位置产生电力的装置，比如发电站。运输领域为那些提供车辆推进或者其他动力的装置。燃料电池系统多种多样，发电量小到1瓦大到百万千瓦，所以研究不但要从装置的
10、出货数量考虑也要与他们产生的发电量的角度来考虑。研究燃料电池也要考虑其燃料与相关基础设施，涉及燃料与燃料电池的产品本身，贮藏与分发这几个方面。1.便携领域携式设备定义是那些为移动设备充电的设备。比如军用应用（便携士兵电源，撬装式燃料电池发电机等），辅助装置系统（APU）（如休闲和运输产业），便携产品（手电、割草机），小型个人电子（MP3播放器，照相机等）,大型个人电子（笔记本电脑，打印机，收音机等），教育工具和玩具等。便携式设备通常应用直接甲醇燃料电池(DMFC)技术或者质子交换膜（PEM）技术。具有离网运行、比普通电池更耐久、快速充电、显著减轻（尤其是军事领域更为显著）、方便可靠低运营成本等
11、优点。在消费电子市场燃料电池的应用更为广泛，户外零售企业REI与Brunton专注于销售能给独立运营的设备充电的产品，目前燃料电池正在其产品栏目之内。军工携带产品，不论是车载还是士兵携带功能系统，燃料电池都获得了广泛的认可与应用。虽然想要在这个严格管制的领域推广新的能源技术很难，但燃料电池的重量优势与其燃料节省优势都为其打开了道路。虽然这个领域的订单还没形成规模，但预计未来便携式领域将由军工带动迎来转折点。2013年出产量低于Fuel cell today的预期，这是由于预计在上市的3种应用燃料电池消费电子产品中的两种并没有如期发行（由myFC与Aquafairy生产）。而唯一发行的由（Hor
12、izon Fuel Cells）公司生产的产品并没有达到预期的销售量。在2013年的消费电子产品展上此类产品也没达到预期的增长，预计2013年的移动类设备产品的出货量为13000件，比2012年的18900件有所下降。产品发电量也从2012年0.5兆瓦下降到0.3兆瓦。2.固定领域固定式燃料电池供电系统指的是那些不能移动的供电设备，通常包括热电联产设备(CHP)，不间断电源设备（UPS）与基础发电机设备。a、热电联产设备(CHP)CHP系统主要有4种技术：内燃机、斯特林发动机、蒸汽机和燃料电池，其中燃料电池系统主要是SOFC和PEMFC。家电联产设备(CHP)大小在0.5千瓦到10千瓦之间，受
13、益于燃料电池产生的热副产品，比如说热水，家电联产系统的总体销量大大提高。可达到总效率80%-95%。家用CHP在日本已经得到了巨大的发展，在2010年底有10000台的存量，他们都用于家用供电与供热。南韩也在大力发展CHP家用项目，与日本一样，其购买主要依托于政府补贴。目前CHP燃料电池主要应用于亚洲，主要是日本，1台额定发电功率1KW的ENE-FARM大体可以满足普通日本家庭60%的电力需求及80%的热水需求。日本在2002年开始启动家庭燃料电池示范计划，2005年开始补助系统装置费用，在2009年初以ENE-FARM名称正式宣布家用燃料电池进入商业化阶段。2009年日本东京燃气、大阪燃气、
14、东邦燃气、西部燃气、新日本石油以及ASTOMOS能源6家公司发表联合宣言，在全球率先在2009年度开始销售“ENE-FARM，目标到2015年年销50000台。查看原图查看原图b、不间断电源设备（UPS）不间断电源设备（UPS）主要应用于应对停电，这个市场可以分为五类，其中为电信基站提供离网短时间运行电力；为关键通讯基站比如无线电网络提供额外离网运行时间；为数据系统提供额外离网运行时间这三类系统为目前发货量最多的系统。c、基础发电机设备基础发电设施指的是那些提供兆瓦级电力的基础发电站等设施，主要用于替为输电线路无法达到的地区提供电力，同时也能为电网扩建提供支撑。目前SOFC、MCFC、PEMF
15、C与PAFC这四类为流行技术，主要由美国日本生产。这部分出货量近年来保持强劲增长势头，依靠大型应用设备与小型应用设备的双重增长，比2011年增长50%。出货设备发电量达到124,9兆瓦，占全年新产设备发电总量75%。预计2013年的增长势头不变，依托电信企业的后备电源需求、微型热电电源的增长与兆瓦级大型发电站的支持。3.运输领域世界各国都执行严格的温室气体排放标准，运输作为最大的碳排放源之一收到更多地管制。欧盟承诺在2050年减少80%的温室气体排放，有两种解决办法，一种是推广公共交通，另一种就是推广零排放车辆。作为电动汽车的一种，燃料电池汽车被认为是人类解决汽车污染问题以及汽车对石油依赖的最
16、佳和最终方案。这是由于燃料电池的化学反应过程不会产生有害物质，仅排放少量水蒸气，同时其能量转换效率比内燃机高23倍。装有这种电池的汽车只需像加油一样加注氢气，便可继续行驶。比起纯电动汽车，与目前市场主流的锂电池汽车相比，氢能源汽车具有的优点是：氢燃料电池能做到真正无污染；单次行驶里程数是锂电池车3至5倍；成本更低，氢能源取之不尽；应用领域范围更广等。此外，由于氢燃料电池车的燃烧产物只有水，因此不但远远超越了以石油为动力的内燃机车型，还远远优于混合动力车、电动车。作为未来汽车的终极目标，氢燃料电池车得到了全世界的认可。实际上现如今无论从整体量产成本上还是普及度上，纯电动还是具有着相当的优势，更何况相较电动车，FCV所涉及到的产业链要更加庞大，因此目前FCV技术大多还是
