一篇文章让大家了解燃料电池是什么技术

燃料电池是一种主要利用氧气或其他氧化剂进行氧化还原反应，将燃料中的化学能转化为电能的电池。

丰田燃料电池汽车的上市临近，将燃料电池技术的应用再次带入人们的视野。

燃料电池有多种类型，但它们都以相同的模式工作。

它们主要由三个相邻部分组成：阳极、电解质和阴极。

三个不同部分的界面之间发生两种化学反应。

这两个反应的最终结果是燃料的消耗、水或二氧化碳的产生以及可直接用于电气设备的电流的产生。

燃料电池按燃料类型可分为直接式、间接式和再生式；按电解质类型可分为碱性燃料电池（AFC）、磷酸盐燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）和质子交换膜燃料电池（PEMFC） ）。

过去20年来，燃料电池经历了碱性、磷酸、熔融碳酸盐和固体氧化物等多种类型的发展阶段。

燃料电池的研究和应用正在以极快的速度发展。

在所有燃料电池中，碱性燃料电池（AFC）发展最快，主要为包括航天飞机在内的太空任务提供电力和饮用水；质子交换膜燃料电池（PEMFC）已广泛用作交通动力和小型动力装置。

应用;磷酸燃料电池（PAFC）作为中型电源应用已进入商业化阶段，是民用燃料电池的首选；熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）也已完成工业试验阶段；固体氧化物燃料起步较晚作为发电领域最有前景的燃料电池，电池（SOFC）是未来大型清洁电站的首选。

千瓦管式 SOFC 发电站已在荷兰投入运营。

西门子和三菱重工都对SOFC发电系统进行了实验研究。

相比之下，SOFC、MCFC和PEMFC将是最有前景的技术路线。

氢燃料电池的优势及产业链分析氢燃料电池以氢气为燃料，利用电解水的逆反应发电，是目前发展最好的燃料电池。

其工作原理是：将氢气送至电池的阳极板。

通过催化剂的作用，氢原子变成带正电的氢离子和带负电的电子。

氢离子穿过电解质到达阴极板，但电子不能穿过电解质。

，电流只能通过外部电路形成。

电子到达阴极板后，与氧原子和氢离子重新结合形成水。

氢燃料电池阴极板供应的氧气可以直接从空气中获得，因此只要不断向阳极板供应氢气并及时将水带走，氢燃料电池就可以源源不断地提供电能。

与其他能源相比，氢燃料电池发电过程无污染，能量转换效率更高，且其燃料氢来源广泛、可再生。

1、零污染：燃料电池是清洁能源的一部分。

由于它们的反应过程是无污染的水反应，因此反应过程中不会产生任何污染物。

主要污染物来自燃料，可能存在氮氧化物等污染。

与普通火力发电造成的空气污染和传统电池造成的重金属污染相比，燃料电池造成的环境污染程度要低得多。

氢燃料电池的燃料是纯净无污染的氢气。

与其他燃料相比，废气中不存在任何污染物。

可以说，氢燃料电池是一种能够真正实现零污染的环保能源。

2、能量转换效率高。

燃料电池的发电效率也处于较高水平。

在各种发电方式中，传统火力发电的效率在30%左右，远低于燃料电池40%-60%的平均效率。

在汽车领域的应用中，燃料电池的效率可以达到60%，这也高于当今汽车普遍使用的内燃机的效率。

总体而言，燃料电池的能量转换效率在同类替代能源中处于较高水平。

3、燃料容易获得：氢是宇宙中最常见的元素。

氢及其同位素占太阳总质量的84%，宇宙质量的75%是氢。

氢分子在地球上并不以天然气形式存在。

大部分与氧结合的氢存在于水中。

可以说，水资源在一定程度上代表了氢能的储存能力。

用于制氢的能源和燃料可以来自多种来源，例如天然气、核能、太阳能、风能、生物燃料、煤矿、其他化石燃料和地热能。

目前氢气主要作为中间产品生产。

主要以化石能源天然气（CH4）、原油（碳氢化合物）或煤炭等为原料，与水蒸汽在高温下，通过水蒸气重整、部分氧化、煤气化等过程生成。

氢燃料电池主要包括电池组件和燃料。

因此，其上游主要是氢供应和电池组件。

供氢部分主要为燃料氢准备，主要流程包括氢气生产、运输和充气机。

电池零部件板块主要生产燃料电池电堆、储氢设备及配件。

中游是将以上组装起来，形成一个完整的燃料电池系统，可以投入使用。

每个系统配置根据其不同的应用领域而有所不同。

下游应用领域主要包括固定式、运输式和便携式三大领域。

产业链的核心在于中游燃料电池系统。

系统的组成必须与下游应用相对应。

在燃料电池系统中，燃料电池模块是最重要的。

一般而言，燃料电池由电解质、催化剂和双极板组成。

三者中，催化剂的存在与否对燃料电池的成本影响最大。

对于PEMFC来说，由于使用昂贵的铂族金属作为催化剂，价格一直居高不下。

可以说，催化剂是燃料电池价格的决定性因素之一。

另一个重要的决定因素是电解质。

不同技术类型的燃料电池堆有不同的电解质要求。

不同电解质的价格也会不同，最终对燃料电池价格产生影响。

引领固定领域氢燃料电池市场 氢燃料电池凭借其体积小、容量大的特点，早在20世纪60年代就已成功应用于航空航天领域。

进入20世纪70年代后，随着技术的不断进步，氢燃料电池逐渐应用于发电和汽车领域。

如今，随着各种电子智能设备的兴起和新能源汽车的普及，氢燃料电池主要应用于固定领域、交通领域、便携式领域三大领域。

2017年，全球燃料电池系统出货量近3万台，同比增长约34%，相对年增长率超过3%。

其中，固定式燃料电池增长最为显着，从2018年的2.5万台快速增长至2018年的2.5万台。

交通运输燃料电池的发展相对稳定。

未来其发展的主要重点将是轻型燃料电池电动汽车数量的增加和物料搬运设备市场的大幅增长。

在三大领域中，便携式领域的发展几乎处于停滞状态。

尽管多家企业相继推出手机用氢燃料电池，但整体来看，该类产品尚未实现商业化，未来发展仍需要较长时间。

日本富士经济株式会社对工业和商业、家用、燃料电池汽车、叉车和其他驱动器、便携式和应急、便携式终端等六个领域进行了调查。

预计到今年，全球市场总额将达到3亿日元，相当于每年的74.2倍。

就氢燃料电池行业而言，据工研院IEK统计，每年全球氢能及燃料电池市场规模为10.3亿美元，较去年的6.7亿美元增长54%。

日本日经BP清洁技术研究所近日发布的《世界氢能源基础设施项目总览》显示，包括液化氢基地、管道、固定式燃料电池和燃料电池汽车在内的全球氢能基础设施市场，预计到今年只有7万亿日元。

但2020年之后，氢能基础设施市场将开始缓慢增长；而2020年以后，市场将呈现加速增长的趋势。

到2020年，氢能基础设施家庭市场规模将超过商业用市场规模。

正因为如此，市场规模将在到2020年的五年内翻一番，预计将达到约20万亿日元；到2020年将达到约1万亿日元（约1.56万亿美元）。

固定式燃料电池市场包括多种规模和类型，主要用于各种固定地点的供电，包括大型主电源、备用电源或主要用于发电站、建筑物、用于家庭和商业应用的微型热电联产（CHP），以及用于远程或基本应用（例如电信塔）的主电源或备用电源。

固定式燃料电池主要包括MCPC、SOFC、PAFC和PEMFC。

在美国市场，美国的Bloom Energy、Fuel Cell Energy、UTC Power和加拿大的Ballard PowerSystems是该领域的主要生产公司。

随着世界各国政府对清洁能源的重视，近年来固定式燃料电池的出货量持续增长。

根据Pike Research的预测，固定式燃料电池的出货量今年将达到35万台，与目前的21,000台相比是一个巨大的增长。

目前更多行业正在考虑使用燃料电池，希望在发生自然灾害时燃料电池能够独立于电网发电。

随着对电力弹性需求的增加、世界各地更快地采用分布式发电技术以及家庭热电联产变得更加流行，固定式燃料电池行业将在未来十年处于强有力的领导地位。

在固定式燃料电池的应用方面，地区之间存在细微差异。

对于亚太地区来说，辅助电源（Aux Power）是目前最大的应用，其他主要应用还有备用电源（Backup Power）和热电联产（CHP）。

在北美，备用电源（Backup）、热电联产（CHP）和分布式发电（DG）是三个主要应用领域。

无论是亚太地区还是北美地区，随着户用热电联产的逐步普及，热电联产的应用比例将逐渐增加，并成为固定领域的主要应用。

分布式发电和备用电源作为辅助应用，共同支撑固定领域的发展。

在交通领域寻求突破。

燃料电池领域在交通领域有着广泛的应用，主要包括车辆、公共汽车、小型飞机、船舶、物料搬运设备等。

所使用的燃料电池类型仅为质子交换膜（PEMFC）。

目前交通运输领域的商业化主要集中在物料搬运设备领域，而全球几家大型汽车制造商持续追求燃料电池轻型汽车的应用，并计划在2019年实现商业化。

北美的Plugpower和加拿大的Plugpower巴拉德动力系统公司是该领域的主要参与者。

高效、环保、低成本的氢燃料电池叉车是交通领域的核心应用。

叉车属于工业搬运车辆，是指用于托盘货物装卸、堆垛和短距离运输的各种轮式搬运车辆。

它们是一种物料搬运设备。

目前，叉车是运输领域积极商业化的主要品种。

其主要制造商是Plug power公司。

叉车的主要动力来源是蓄电池。

比较常用的是铅酸电池，燃料电池目前正在取代铅酸电池成为电动叉车的主要能源。

在大运量的配送中心和仓库环境中，零排放燃料电池叉车与传统充电电池系统相比经济、实用且环保。

燃料电池叉车的优势在于，通过恒定的功率输出和较短的充氢时间，显着提高叉车的生产率。

铅酸电池的性能有限，充电时间长导致效率低下。

相比之下，燃料电池因其快速补充燃料和更长的使用寿命而备受关注。

燃料电池叉车在提高生产效率的同时，还可以降低运营成本。

例如，沃尔玛超市在其位于加拿大艾伯塔省的冷藏配送中心部署了95台燃料电池叉车。

与传统的充电电池供电叉车相比，该项目将在七年内将运营成本降低 10,000 美元。

沃尔玛现在在三个仓库（包括其冷冻设施）中拥有不止一辆燃料电池叉车。

使用 Plug Power Gen Drive 系统的其他客户包括： 宝洁公司 (Procter & Gamble)，在四个地点部署了 1 套燃料电池叉车系统；思科在 7 个站点部署了 7 个以上的系统；可口可乐公司在 2 个地点部署了 96 个系统。

2008年美国燃料电池叉车总数只有几百台，但到了这一年已经在19个州的近40个城市拥有多台燃料电池叉车。

燃料电池叉车在美国开始迅速发展。

燃料电池叉车市场的主要供应商包括H2Logic、Hydrogenics、NuveraFuelCells、OorjaProtonics和Plug power。

其中Plug power是最大的供应商，市场份额约为80%。

使用燃料电池叉车的企业大多是大企业。

这部分是因为燃料电池叉车比普通叉车更贵。

从2017年主要订阅用户来看，主要集中在全球实力企业，其中以零售行业为主。

作为燃料电池叉车主要制造商，Plug Power今年四季度已获得沃尔玛、宝洁、宝马等公司的订单。

订单量较以往大幅增加。

迄今为止，Plug Power已提供多套叉车系统。

而随着今年四季度订单的爆发，燃料电池在叉车领域的应用将进一步扩大。

燃料电池汽车距离产业化还很遥远。

成本：发展的主要障碍是燃料电池汽车目前普及率很低。

国外燃料电池公交车目前售价在1万美元左右，而特斯拉的“高贵”电动汽车Model S售价仅为73万元。

与掀背车相比，燃料电池汽车的价格要高得多。

不过，目前丰田、上汽等集团均已宣布生产燃料电池汽车，预计将于2020年推出。

丰田的目标价格为5万美元，而上汽的成本预计为50万元人民币。

如果届时能够达到目标价格，燃料电池汽车和电池汽车的发展是可期的。

燃料电池汽车成本的三分之二是燃料电池系统的成本。

目前，燃料电池系统的成本正在快速下降，且仍有下降空间。

全球领先的燃料电池技术公司巴拉德动力系统公司也开发了第七代燃料电池堆HD7，其成本比上一代HD6降低了75%。

燃料电池汽车使用质子交换膜电池。

在PEMFC中，贵金属催化剂铂的用量逐渐减少，加上电解槽等成本的降低，PEMFC的成本不断降低。

美国能源部数据显示，交通用燃料电池每年成本为47美元/千瓦，较2017年预估成本下降82.9%。

随着逐年下降，成本逐年下降。

价格接近美国能源部设定的年度成本。

目标价格为30美元/kW。

英国碳信托咨询公司的报告显示，如果燃料电池汽车需要大规模生产，其成本需要达到36美元/千瓦才能与内燃机汽车竞争。

基于目前PEMFC成本下降的趋势以及目前的技术进步，这一目标价格很可能在年内达到，届时燃料电池汽车就可以实现量产。

加氢站：必要的配套工作，需要时间积累。

加氢站建设难度大是制约燃料电池汽车发展的另一大因素。

与建造锂电池电动汽车所需的充电桩不同，建造加氢站的可操作性非常困难。

除了需要大空间外，还要做环境影响评价、安全评价等一系列工作。

全球加氢装置的发展主要集中在北美、欧洲和日本三大地区。

加氢站建设密度将与燃料电池汽车的市场推广相匹配。

目前，中国只有一座加氢站。

加氢站数量不仅远低于美国，也远低于邻国韩国和日本。

可以说，我国加氢站建设还有很长的路要走。

走。

预计到2020年，美国西海岸和东海岸的加氢站数量将分别达到37座。

到2020年，计划在西海岸新建68座加氢站，在东海岸新建100座加氢站。

欧洲地区以德国和法国为中心。

德国的目标是年内实现加氢站全覆盖。

日本将在2020年将加氢站数量扩大到10万个，并在东京、大阪等人口相对集中的四个城市实现加氢站全覆盖。

发达地区加氢站的建设与燃料电池汽车的发展相匹配。

在这些领域，年内实现燃料电池汽车将不再是幻想。

氢燃料电池VS锂电池：谁是赢家？ 锂电池是以锂金属或锂合金为负极材料，使用非水电解质溶液的电池。

它使用以下反应：Li+MnO2=LiMnO2。

该反应是氧化还原反应和放电反应。

由于金属锂的化学性质非常活跃，因此金属锂的加工、储存和使用对环境要求非常高。

锂电池的历史可以追溯到20世纪70年代，是目前应用最广泛的电池。

特斯拉电动汽车使用锂电池。

与燃料电池相比，锂电池具有更安全、成本更低的优点；而燃料电池则具有充电时间短、能量密度高等优点。

从目前的技术来看，氢燃料电池需要新的产业链支撑，需要较长的时间和大量的投资。

锂电池发明以来，随着技术的进步和产业化的扩大，每年都会有小幅的降价和产能的增加。

日本在2008年开发了Eliica，性能比特斯拉Model S更好。

不过，当时锂电池的高昂价格，注定了这款产品只是一个测试产品。

目前，特斯拉电动汽车风靡全球。

比亚迪正在开发E9，性能不逊于特斯拉Model S。

宝马的混合动力i3和i8即将推出，保时捷也进行了预订。

这都说明明年锂电池的价格已经下降到了可以接受的范围。

未来几年，随着锂电池价格进一步下降、容量进一步提升，电动汽车普及率有望进一步提升。

总而言之，短期内以锂电池为主的电动汽车将是主要方向，而氢燃料电池需要长期发展，但有望迎头赶上。

总结：燃料电池汽车的突破只是时间问题。

目前，不少汽车供应商已将氢燃料电池纳入计划，预计氢燃料电池汽车最早将于2020年投放市场。

通用汽车、丰田等多家汽车巨头已与合作伙伴签署协议，共同开发燃料电池，计划在未来几年内将燃料电池汽车推向实用化。

丰田于2016年在东京车展上推出了FCV-R氢燃料电池概念车，并将在今年的东京车展上展出量产车型。

此外，丰田还与宝马签署了在四个领域开展合作的协议，其中包括寻求推广和普及燃料电池汽车。

除丰田外，通用汽车和本田也宣布将联合开发下一代燃料电池技术，并将于今年推向市场。

韩国现代汽车率先生产燃料电池汽车； 2019年1月，戴姆勒、福特和雷诺签署协议，共同开发燃料电池系统，预计将于2019年推出首款新型燃料电池汽车；今年3月，大众汽车还与巴拉德签署了合作协议，奥迪A7燃料电池汽车的测试已于今年8月开始。

除了宣布推出新车外，各大车企也在加速燃料电池汽车的研发。

从美国近年来燃料电池专利保有量来看，各大车企近年来加大了燃料电池研发投入，专利数量不断攀升。

2016年，丰田以一项专利位居榜首。

激烈的专利竞争也为燃料电池汽车的顺利上市奠定了技术基础。

现在所需要的就是将技术推向市场的时间。

目前，燃料电池汽车仍处于研发和测试阶段，距离量产还有两到三年的时间。

燃料电池汽车初期的价格可能较高，但随着技术的成熟以及政府补贴或税收的减免，价格会逐渐回落到公众可以接受的范围内。

考虑到燃料电池高效、环保、安全等诸多优点，氢燃料电池汽车仍然值得期待。