燃料电池的发展方向论文(燃料电池汽车现状与发展前景论文)

燃料电池发展前景及其应用

燃料电池是一种电化学电池，它通过一对氧化还原反应将燃料（通常是氢）和氧化剂（通常是氧气）的化学能转化为电能。燃料电池不同于大多数电池，它需要连续的燃料和氧气（通常来自空气）来维持化学反应，而在电池中，化学能通常来自金属及其离子或氧化物，这些通常已经存在于电池中，流动电池除外。只要燃料和氧气供应充足，燃料电池就可以连续发电。

根据QYResearch的数据分析，预计2020-2025年全球燃料电池市场规模将实现市场增长，2020-2025年预计复合年增长率为16.64％，2025年将达到90.5亿美元美元。清洁能源需求的增长是推动预测期内市场增长的关键因素。

本报告研究全球与中国燃料电池的发展现状及未来发展趋势，分别从生产和消费的角度分析燃料电池的主要生产地区、主要消费地区以及主要的生产商。重点分析全球与中国的主要厂商产品特点、产品类型、不同产品类型产品的价格、产量、产值及全球和中国主要生产商的市场份额。

主要生产商包括：

Bloom Energy

Panasonic

Toshiba ESS

Aisin Seiki

Plug Power

Ballard Power Systems

Doosan

FuelCell Energy

POSCO Energy

Hydrogenics

SOLIDpower

Ceres Power

Horizon Fuel Cell Technologies

按照不同产品类型，包括如下几个类别：

质子交换膜燃料电池

固体氧化物燃料电池

熔融碳酸盐燃料电池

磷酸燃料电池

其他类型

按照不同应用，主要包括如下几个方面：

运输

固定领域

便携式

重点关注如下几个地区:

北美

欧洲

韩国

日本

东南亚

求化学论文 燃料电池

燃料电池的演化及发展探析摘要：对燃料电池的工作原理进行了详细的分析；对其演化过程进行了简述；对其最新技术进行了详细的研究；对国内燃料电池技术的发展提供了参考意见。关键词：燃料电池；碱性燃料电池；磷酸型燃料电池；熔融碳酸型燃料电池；固体氧化物燃料电池；直接醇类燃料电池；固体高分子膜燃料电池随着工业化过程的进一步加强，大气中二氧化碳的排放量和污染程度加剧，导致了温室效应越来越明显，因此环保问题引起了各国政府的重视。为此，绿色能源技术引起了各国的普遍关注，并且正在逐步成为一种趋势。经过了各方的互相协作和努力，燃料电池技术正日趋成熟。作为一项重要技术，从本质上讲，它是一种电化学的发电装置，等温地按电化学方式，直接将化学能转化为电能而不必经过热机过程，不受卡诺循环限制，因而能量转化效率高，且无噪音，无污染，因此正在成为理想的替代能源。1 燃料电池的演化过程1．1 燃料电池的演化过程燃料电池是一种新型的无污染、高效率汽车、游艇动力和发电设备，在本质上是一种能量转化装置。1839年，格罗夫发表了第一篇有关燃料电池研究的报告。1889年，蒙德和朗格尔采用了浸有电解质的多孔非传导材料为电池隔膜，一铂黑为电催化剂，以钻孔的铂或金片为电流收集器组装出燃料电池。但此后的一段时间里，奥斯卡尔德等人在探索燃料电池发电过程的实验都因为反映速度太慢而使实验没有成功。与此同时，热机研究却取得了突破性进展并成功运用而迅速发展。因此燃料电池技术在数十年内没能取得大的进展。直到1923年，由施密特提出了多孔气体扩散电极的概念，在此基础上，培根提出了双孔结构电池概念，并成功开发出中温度培根型碱性燃料电池。以此为基础，经过一系列发展，这项燃料电池技术得到了突飞猛进的发展。在20世纪60年代由普拉特一惠特尼公司研制出的燃料电池系统，并成功应用于宇航飞行，使得燃料电池进入了应用阶段。1．2 燃料电池的基本工作原理燃料电池是一种能量转化装置，它就是按电化学原理，即原电池工作原理，等温地把贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能，因而实际过程是氧化还原反应。从本质上说是水电解的一个“逆”装置。电解水过程中，通过外加电源将水电解，产生氢和氧；而在燃料电池中，则是氢和氧通过电化学反应生成水，并释放出电能。因此，燃料电池的基本结构与电解水装置是相类似的，它主要由4部分组成，即阳极、阴极、电解质和外部电路。其阳极为氢电极，阴极为氧电极。通常，阳极和阴极上都含有一定量的催化剂，目的是用来加速电极上发生的电化学反应。两极之间是电解质，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等类型。

燃料电池的工作原理如下(以磷酸型或质子交换膜型为例)：(1)氢气通过管道或导气板到达阳极；(2)在阳极催化剂的作用下，1个氢分子解离为2个氢离子，即质子，并释放出2个电子；(3)在电池的另一端，氧气(或空气)通过管道或导气板到达阴极，同时，氢离子穿过电解质到达阴极，电子通过外电路也到达阴极；(4)在阴极催化剂的作用下，氧与氢离子和电子发生反应生成水；与此同时，电子在外电路的连接下形成电流，通过适当连接可以向负载输出电能。1．3 燃料电池的特点由上所述可知，燃料电池在本质上是电化学转化装置，它能够通过电化学过程直接将化学能转化为电能和热能，因而具有如下优点：1)干净清洁。利于环保，可减少二氧化碳的排放；无噪音，并自给供水；2)高效。由于其转化过程没有经过热机过程，因此效率高。3)适用性。由于污染小，无噪音，可靠，可使用于终端用户，因而可减少各种损失，并节省设备投资。4)可调制性。由于它是组合的结构，因而可以调节，以满足需求。5)燃料多样性。由于燃料可以是氢气、天然气、煤气、沼气的功能碳氢化合物燃料。基于以上特点。燃料电池成为绿色能源技术发展的重点。成为本世纪最有发展前途的技术之一。2 国内外燃料电池的最新进展2．1 碱性燃料电池（AFC）AFC技术是第一代燃料电池技术，已经在20世纪60年代就成功地应用于航天飞行领域。它是最早开发的燃料电池技术。目前德国一家公司开发的AFC在潜艇动力实验上获得了成功。国内对AFC的研究工作是从20世纪60年代开始的，主要是集中在中科院的下属研究机构。武汉大学和中科院长春应化所在上世纪60年代中期即开始对AFC进行基础研究。上世纪70年代，由于航天工业的需求，天津电源研究所研制出lkW AFX2系统。与此同时，A型号(即以纯氢、纯氧为燃料和氧化剂)、B型号(即以N2H4分解气、空气氧为燃料和氧化剂)燃料电池系统也在中科院大连化物所研制成功。此外，其它的研究机构也都展开了对AFC的研究。2．2 磷酸型燃料电池（PAFC）PAFC也是第一代燃料电池技术，也是目前最为成熟的应用技术。已经进入了商业化应用和批量生产。目前美国、日本、欧洲各国已有100多台200KW 发电机组投入使用或在安装中，最长的已经运行了37000小时。因此已经证实了PAFC是高度可靠的电源。只是由于其成本太高，目前只能作为区域性电站来现场供电、供热。国内对PAFC的研究工作相对较少。尽管如此，在对PAFC的研究过程中仍进行了卓有成效的工作，取得了不俗成绩。如国内学者魏子栋等人在对氧化还原发应的电催化剂研究过程中发现了Fe、Co对Pt的锚定效应。2．3 熔融碳酸型燃料电池(MCF℃)MCFC是属于第二代燃料电池技术。目前对MCF℃ 的研究国家有美国、日本和西欧，主要是应用于设备发电，目前还处于试验阶段。美国对MCFC的研究单位有国际燃料电池公司和能源研究公司及M—C动力公司。而日本对MCFC的主要是NEIX)公司、电力公司、煤气公司和机电设备厂商组成的MCFC研究开发组。大坂工业技术研究所从1991年开始10kW的MCFC单电池的长期运行试验，到1995年l1月止，累计运行了4万小时，确证了MCFC实用化的可能。德国MTU宣布在MCFC技术方面取得了突破。由该公司开发出来的世界上最大的280kW 的单电池还在运行。国内对MCFC的研究是中科院大连化物所从1993年开始的。现在正处于组合电池的研究阶段。而经过多年的艰苦努力与创新突破，上海交通大学科研人员率先在国内成功进行了1～1．5l 的熔融碳酸型燃料电池(M ℃)发电实验，取得了在国外一些国家至少需要6年甚至10年左右时间才能获得的成果。参加项目评审的专家认为，它整体水平达到了当前国内领先水平、国际20世纪90年代初同类技术的先进水平。2．4 质子交换膜型燃料电池系统(PEMF℃)PEMFC是属于第三代燃料电池技术。20世纪60年代，美国就已将PEMFC应用于宇航飞行，但由于技术问题，使得在其发展过程中受到了影响。直到20世纪80年代，加拿大Ballad公司才展开对PEMFC的研究工作。并取得了突破性进展。目前开发出来的电池组合功率达到了1000W／L、700W／kg的指标，因此这一技术引起了各国的广泛关注。目前Ballad公司在这一技术领域处于领先地位。

国内对PEMFC的研究是从20世纪70年代天津电源研究所展开一聚苯乙烯蟥酸膜为电解质的PEM—FC基础研究。但进展缓慢。而国外在这一领域发展较快。因此在90年代开展了PEMFC的跟踪研究。目前，在PEM 方面，国内技术在多个方面取得了突破，北京富原新技术开发总公司已出现了50W、75W、150W、5KW 等样机。而上海神力科技有限公司已研制出5KW，10KW 的大功率型质子交换墨燃料电池系统，这大大缩小了与世界先进水平的距离。

结合中国汽车企业的现状，谈中国新能源汽车的发展战略。1000字以上的论文

战略性新兴产业之新能源汽车:中国车企冲顶

2010年10月18日发布的《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》规划到2020年，新能源汽车将成为中国国民经济的先导产业。发改委随后在对有关决定解读时指出，新能源汽车是全球汽车行业升级转型的方向。我国要在未来形成具有世界竞争力的汽车工业体系，必须超前部署新能源汽车的研发和产业化。当前，要充分发挥社会各方面的积极性，以产业联盟系列化为途径，着力突破动力电池、驱动电机和电子控制领域关键核心技术，加速形成知识产权，推进插电式混合动力汽车、纯电动汽车推广应用和产业化。而有关规划实际上已经将中国新能源汽车10年内的发展目标定为全球第一。若这一规划成真，中国汽车企业将有望通过新能源汽车的跨越发展一举登上全球汽车产业的王者宝座。

2009年9月，我国在联合国气候变化峰会上提出，争取到2020年非化石能源占一次能源消费总量的比重达到15%左右。同年12月，我国在哥本哈根气候变化大会上承诺到2020年，我国单位GDP二氧化碳排放比2005年下降40-45%。这意味着未来10年我国节能减排任务艰巨。我国工业能耗大约占70%，而汽车是工业能耗大户，我国每年新增石油需求的2/3用于交通运输业。截至2010年10月，全国机动车保有量约1.99亿辆。若未来国内机动车完全更新换代为新能源汽车（价格按每车10万元计算），则整个市场规模将高达20万亿元（这还未考虑到出口）。因此，发展新能源汽车不但有助于节能减排目标的实现，同时也代表了汽车产业的发展方向，其市场空间极其惊人。

根据《电动汽车科技发展“十二五”专项规划》，到2015年中国电动汽车保有量计划达到100万辆，动力电池产能约达到100亿瓦时。

此外，根据《节能与新能源汽车产业规划》，到2015年我国新能源汽车将初步实现产业化，动力电池、电机、电控等关键零部件核心技术实现自主化；纯电动汽车和插电式混合动力汽车市场保有量达到50万辆以上；到2020年，我国新能源汽车实现产业化，新能源汽车产业化和市场规模达到全球第一，其中新能源汽车(插电式混合动力汽车、纯电动汽车、氢燃料电池汽车等)保有量达到500万辆；以混合动力汽车为代表的节能汽车销量达到世界第一，年产销量达到1500万辆。

因此，我国新能源汽车产业即将面临爆发期，可以预计该产业中将会涌现出许多高速成长的企业，而这些企业也将会在资本市场获得良好的表现，极具投资价值。

新能源汽车产业政策支持全面加强

现代电动汽车一般可分为三类：纯电动汽车（PEV）、混合动力汽车（HEV）、燃料电池电动汽车（FCEV）。近些年在传统混合动力汽车的基础上，又衍生出一种外接充电式（Plug-In）混合动力汽车（PHEV）。目前全世界各国对电动汽车都非常重视，许多国家都开始投入大量资金开发电动汽车。

我国对新能源汽车产业支持政策由来已久。“十五”期间，投入8.8亿元设立电动汽车重大科技专项，并取得重要进展，形成了“三纵三横”的研发布局，基本形成电动汽车自主开发的技术平台。所谓“三纵”是指开发燃料电池汽车、混合动力电动汽车、纯电动汽车；“三横”是指多能源动力总成控制、驱动电机、动力蓄电池。此外，电动汽车也被列入我国“863”计划12 个重大专项之一。

目前我国汽车产业支持政策包括两个方面：一是鼓励节能环保和小排量汽车，减少现有汽车能源消耗和排放；二是鼓励新能源汽车发展。主要补助插电式（plug-in）混合动力车和纯电动车。支持政策的走向是：

（1）一揽子政策推动整个产业发展、补贴范围扩展到私人购车领域

节能与新能源汽车产业发展规划和一揽子扶持政策将于近期上报国务院审议，如审议通过，最快年内有望实施。一揽子扶持政策将从研发生产、市场推广、售后服务和回收利用等各个环节入手，制订产业政策、财政政策、税收政策、投融资政策等。我国还准备设立国家层面的节能与新能源汽车研发与产业化专项，重点支持节能与新能源汽车关键技术研发和技术改造。这将是我国第一次针对一个产业提出一揽子扶持政策。

近期我国对新能源汽车的补贴范围从对公交、公务、市政、邮政等政府采购补贴逐步扩展到对私人购买新能源汽车进行补贴。

2009年1月，国家启动“十城千车” 节能与新能源汽车示范推广试点，计划用3年左右的时间，每年发展10个城市，每个城市推出1000辆新能源汽车，首批列入了13个城市。09年底试点城市由13个扩大到20个，选择5个城市对私人购买节能与新能源汽车给予补贴试点。

2010年5月，政府在全国范围内开展“节能产品惠民工程”，消费者在6月18日之后，每购买一辆节能型汽车，将获得3000元的补贴。6月，出台对于私人购买新能源汽车补贴办法，对满足支持条件的新能源汽车，按3000元/千瓦时给予补助。插电式混合动力乘用车最高补助5万元/辆；纯电动乘用车最高补助6万元/辆。

（2）通过补贴扶持和引导新能源汽车产业链整体的发

展，并重点支持关键环节

新能源汽车的补贴政策通过规定补助范围、对象，并需要满足一系列的支持条件，来引导试点城市建立相关配套设施和示范推广工作。通过《推荐车型目录》和国家标准，来引导申请补助的汽车生产企业及其新能源汽车产品，提高和保证产品性能参数，重点扶持具备一定产能规模和完善售后服务体系，具有自主知识产权的企业。

目前，发改委正在修订《产业结构调整指导目录（2010年本）》，在鼓励类产品中，新增新能源汽车关键零部件。其中包括电池管理系统、电机管理系统、电动汽车驱动电机、电路集成以及充电设备等。

在配套设施方面，国家电网2010年将建设75个电动汽车充电站和6200个充电桩，2015年前将建设1700个充电站。南方电网也宣布2010年将建设超过80座充电站。

在国家和行业标准方面，我国已制定并发布了新能源汽车相关国家标准和行业标准共计42项，其中22项已列为新能源汽车产品准入的专项检验标准。2012年前，我国将基本建立与产业发展和能源规划相适应的节能与新能源汽车及充电设施标准体系。

新能源汽车技术路线：近期以混合动力汽车为重点，未来以纯电动车为主要发展方向

面对纯电动汽车（PEV）、混合动力汽车（HEV）、燃料电池电动汽车（FCEV）等不同的技术选择，根据《节能与新能源汽车产业规划》，我国新能源车发展路线将以纯电动汽车作为主要战略取向，近期以混合动力汽车为重点，大力推广普及节能汽车。考虑到技术发展现状，而将燃料电池电动汽车作为未来长期的发展方向。

经过近10年的自主研发和示范运行，中国在电动车产业技术方面与世界先进水平的差距在大幅度缩小；中国电动车领军企业与国外电动车技术的先行车企正在同一起跑线上成长。小型纯电动乘用车将是3到5年内中国电动车产业发展的主导方向。在“十二五”电动车发展规划中，小型纯电动车将得到充分重视。

动力电池：以锂电池为主要发展方向、以锰酸锂+钛酸锂为正负极搭配方式

动力电池、电机、电控等关键部件成本占电动车整车成本的30%至50%，同时也是新能源汽车的关键核心技术。根据《节能与新能源汽车产业规划》，到2015年，动力电池、电机、电控等关键零部件核心技术实现自主化；到2020年，节能与新能源汽车及关键零部件技术将达到国际先进水平。

在动力电池环节，我国力争突破动力电池瓶颈。到2015年，动力电池系统能量密度达到120瓦时/公斤以上，成本降低至2元/瓦时，循环寿命稳定达到2000次或10年以上。到2020年，动力电池系统能量密度达到200瓦时/公斤以上，成本降低至1.5元/瓦时以下。

目前二次电池包括铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池和锂电池等。虽然影响电池性能及决定其相对优势的因素很多，但是比能量是最重要最直观的一个指标。从铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池到锂电池，比能量越来越高。与铅酸电池、镍镉电池和镍氢电池比较，锂电池的优势明显，因此作为发展方向的锂电池将会在电动汽车领域广泛应用。我们预计2015年国内新能源汽车动力锂电池的市场规模达到180亿元。到2020年，新能源汽车已经进入普及期，新能源汽车动力锂电池规模将达到2880亿元。市场容量巨大，且增长迅速。

锂电池单元主要由正极、负极、隔膜和电解液四部分组成。正极材料是决定电池性能的关键，目前市场应用的主流正极材料包括钴酸锂、锰酸锂、三原材料和磷酸铁锂，其中锰酸锂和磷酸铁锂可以说是各领风骚。由于磷酸铁锂产品存在一致性、低温性能、高倍率放电性能和成本等问题，因此我们认为未来新能源汽车将主要选择锰酸锂路线。从目前市场主流新能源汽车看，除了比亚迪坚持使用磷酸铁锂电池，其他公司也基本都选择了锰酸锂路线。

在负极材料方面，虽然碳材料一直处于主导地位，但是我们预计钛酸锂的出现将会颠覆行业格局。钛酸锂是一种性能优异的负极材料，由于电位过高，钛酸锂并不适合与磷酸铁锂搭配，反而锰酸锂+钛酸锂体系是较优的一种选择。锰酸锂+钛酸锂体系的优势包括：近乎完美的安全性、使用寿命更长、可以快速充放电、结合锰酸锂具备整体成本优势等。因此我们认为锰酸锂+钛酸锂体系将会是未来正负极材料的主要搭配方式。

电解液约占锂电池成本的15%，电解液中关键材料六氟磷酸锂约占成本一半，目前六氟磷酸锂国产化程度很低，毛利率更高达70%；隔膜是锂电关键材料中技术壁垒最高的一种高附加值材料，占锂电池成本的20%左右，由于技术含量高，目前国内80%的隔膜需要进口。可以预计动力锂电池用隔膜的发展方向是耐高温、多层隔膜、高强度、高保液能力。

驱动电机：我国驱动电机技术进步明显

驱动电机是电动汽车的关键部件，直接影响整车的动力性及经济性。驱动电机主要包括直流电机和交流电机。目前电动汽车广泛使用交流电机，主要包括：异步电机、开关磁阻电机和永磁电机（包括无刷直流电机和永磁同步电机）。其中，异步电机主要应用在纯电动汽车，永磁同步电机主要应用在混合动力汽车中，开关磁阻电机目前主要应用在客车中。

车用电机的发展趋势包括：第一、电机本体永磁化：永磁电机具有高转矩密度、高功率密度、高效率、高可靠性等优点。我国具有世界最为丰富的稀土资源，因此高性能永磁电机是我国车用驱动电机的重要发展方向。第二、电机控制数字化：专用芯片及数字信号处理器的出现，促进了电机控制器的数字化，提高了电机系统的控制精度，有效减小了系统体积。第三、电机系统集成化：通过机电集成和控制器集成，有利于减小驱动系统的重量和体积，可有效降低系统制造成本。

在驱动电机方面，经过“九五”、“十五”、“十一五”国家对电动汽车用电机系统的集中研发和应用，我国已自主开发了满足各类电动汽车需求的驱动电机系统产品，获得了一大批电机系统的相关知识产权，形成具有核心竞争能力的车用驱动电机系统批量生产能力。

目前，我国自主开发的永磁同步电机、交流异步电机和开关磁阻电机已经实现了与国内整车产业化技术配套，电机重量比功率显著提高，电机系统最高效率达到93％以上，系列化产品的功率范围覆盖了200kW以下电动汽车用电机动力需求，各类电机系统的核心指标均达到相同功率等级的国际先进水平。但是与国际先进水平相比，在产品集成度、可靠性和系统应用技术方面，仍存在较大的差距。

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