划重点：2017年中国燃料电池行业发展现状分析

一、燃料电池行业发展概况分析

1、燃料电池行业发展历程

早在20世纪50年代，我国就开展燃料电池方面的研究，在燃料电池关键材料、关键技术的创新方面取得了许多的突破。政府十分注重燃料电池的研究开发，陆续开发出30kW级氢氧燃料电极、燃料电池电动汽车等。燃料电池技术特别是质子交换膜燃料电池技术也得到了迅速发展，相继开发出60kW、75kW等多种规格的质子交换膜燃料电池组；开发出电动轿车用净输出40kW、城市客车用净输出100kW燃料电池发动机，使中国的燃料电池技术跨入世界先进国家行列。

“七五”期间，中国科学院长春应用化学研究所1990年承担了中科院PEMFC研究任务，1993年开始进行直接甲醇质子交换膜燃料电池（DMDC）的研究。电力工业部哈尔滨电站成套设备研究所于1991年研制出由7个单电池组成的MCFC原理性电池。

“八五”期间，中科院大连化学物理所、上海硅酸盐研究所、化工冶金研究所及清华大学等国内十几个单位进行了与SOFC有关的研究。

“九五”期间，国家科技部与中科院将燃料电池技术列入当期科技攻关计划，投资规模逾1亿元，开始进入燃料电池研究的第二个高潮时期。在这个时期，质子交换膜燃料电池被列为重点，以大连化学物理研究所为牵头单位，在中国全面开展了质子交换膜燃料电池的电池材料与电池系统的研究，并组装了多台百瓦、

1kw-2kw、5kw和25kw电池组与电池系统。5kw电池组包括内增湿部分其重量比功率为100W/kg，体积比功率为300W/L。

“十五”期间，我国“863”计划曾拨款8.8亿元用于支持混合电动车和燃料电池汽车的研发；主要承担单位包括大连化学物理研究所、同济大学、清华大学和上海神力科技公司、上海燃料电池汽车动力系统有限公司、北京世纪富源燃料电池有限公司、北京飞驰绿能技术有限公司以及大连新源动力有限公司等。与此同时，“973”计划拨款约3000万元用于储氢技术、质子交换膜和催化剂的研发；主要承担单位包括清华大学核能与新能源技术研究院，浙江大学、上海交通大学、香港大学等。也正是在这个时期，中国已与全球环境基金/联合国发展计划署成立了燃料电池合作项目，共同提供约1.98万美元的资金支持中国燃料电池项目开发。

“十一五”期间，我国“863”计划、“973”计划和科技支撑计划等重大科技项目对制氢、储氢和加氢技术、燃料电池及其部件和原材料技术的研发继续给予经费支持。其中，燃料电池技术的主要研究内容包括：质子交换膜燃料电池低铂载量膜电极技术；质子交换膜燃料电池水平衡气体扩散层技术；阴极支撑型中温固体氧化物燃料电池技术；熔融碳酸盐燃料电池关键技术；其他新型燃料电池技术。

“十二五”期间，我国规划要加快推进水电、核电建设，积极有序做好风电、太阳能、生物质能等可再生能源的转化利用，要确保到2015年非化石能源消费占一次能源消费的比重达到11%以上，为实现2020年非化石能源消费比重占一次能源消费比重达15%和单位GDP二氧化碳排放比2005年下降40%至45%的目标奠定坚实的基础。

我国对质子交换膜燃料电池的各个组件的开发研究都取得了较大的进展：

其中，对于催化剂方面：清华大学科研人员研制出新型铂/碳电极催化剂。将碳载体在使用前置于一氧化碳中活化处理，即将碳载体置于流动的一氧化碳气中加热到350~900℃，活化处理l~12h，再用沉淀法把Pt负载到碳载体上，得到Pt/C催化剂；长春应用化学研究所研制出纳米级高活性电催化剂用作阳极催化剂。

该催化剂粒度均匀，粒径约（4±0.5）nm，电化学性能优于国际同类产品；复旦大学利用沉淀方法在表面活性剂存在时，制得纳米负载壁铂/碳催化剂，该催化剂使用效果非常好此外，我国科研人员在研究催化剂时普遍把粉末状活性炭加入氯铂酸溶液，再加入过量甲醛还原，反应中采用软脂酸、硬脂酸或硅油作为表面活性剂，掺杂组分是Pd、Ir、Ru等金属元素或非金属物质之一。

在电极组合件方面：北京世纪富原燃料电池有限公司开发出横板涂敷法，在一片质子交换膜上制作多个膜电极的燃料电池，由一片质子交换膜、多个催化层和多个扩散层组成多个膜电极，由多个膜电极和多个导流板组成多个发电单元；北京太阳能新技术公司研制出陶瓷型无机复合材料厚膜电极，材料中组分质量百分含量分别为：石墨25％~30％、Ag25％~30％、PbO30％~35％、BO6％~8％、SiO22％~4％，将金属或非金属与导电粉末等氧化物组成的无机粘结剂掺合、丝网印刷、烧结、形成微观网络式导电通道。

在质子交换膜方面：清华大学研制出聚偏氟乙烯接枝聚苯乙烯磺酸PEM。聚偏氟乙烯溶于甲基吡咯烷酮溶剂中，将该高分子溶液加热至甲基吡咯烷酮的沸腾温度，在该温度下回流0.5~5h，温度降至90℃，然后向溶液中加入引发剂，在90℃保温1~5h后降至室温，再向溶液中加入三氯甲烷，直至不溶性固体全部沉淀，将固体取出，加引发剂，再经处理便制得此种质子交换膜。

在双极板方面：天津电源研究所研制出实用新型双极板，它包括金属板气体反应区域、气体进口、气体出口。金属板上、下面气体反应区域周围分别设有凹槽，气体进口、气体出口与气体反应区域之间分别设置有暗孔道。该设计改善了电池组的密封性，延长了其寿命，提高了性能；大连化学物理研究所研制出的双极板由3层薄金属板构成，中间为导电流不透气液的分隔板，两边分别置有带条状沟槽的导流板，条状沟槽占整个工作面积的50％~80%。这种新颖的设计提高了反应气的利用率，从而提高了电池性能。

在电解质方面：吉林大学研制出固体复合电解质，它由基体材料Ce1-xRexO2-d和Ni、Al、Co、Na、Ca、K的金属化合物或NiAl化合物添加剂合成，经过混合、研磨、烧结、冷却、粉碎、研磨等工艺制成。它是用模具直接压制成薄片，烧结后强度可达到10MPa。用它作PEMFC电解质，可使用甲醇、乙醇、甲烷和乙烷等多种燃料；上海交通大学研制出新型电解质—带磺酸盐侧基、羧酸盐侧基的聚芳醚酮，该聚合物可作为PEM的阳离子组分。

2、制约燃料电池行业发展的因素

（一）成本障碍

高成本是制约燃料电池产业化的关键因素。燃料电池成本中占比最高的是燃料电池组，其次是氢燃料罐和电池配件。如果未来要实现燃料电池商业化，并与内燃机汽车进行竞争，那么燃料电池组的成本必须下降，其中主要涉及三个关键部件的成本，包括：铂催化剂、电解质膜和双极板。

铂催化剂。现在的燃料电池组都使用金属铂作为催化剂，在未来十年内很可能依旧如此。电极载铂量过高一直是阻碍燃料电池发展的重要因素。铂金具有稀缺性，而铂金行业利润较低、产量不稳定。在这些不利因素的影响下，铂金的价格未来不会降低。为了降低成本，需进一步降低铂催化剂的使用量，并寻求廉价的替代催化剂。

电解质膜。现在汽车应用中最常见的质子交换膜是全氟磺酸膜（PFSAs），这种交换膜具有较强的氧化和还原稳定性。全氟磺酸聚合物通常被称作纳菲薄膜。目前燃料电池所用的纳菲薄膜主要依靠进口，其价格在600美元/平方米左右。因此，为尽早实现燃料电池产业化应用，降低质子交换膜的价格迫在眉睫。

双极板。目前质子交换膜燃料电池最常使用的双极板是不透性石墨材料。主要是由于在燃料电池环境下，石墨的耐腐蚀性能最好，但是其制作成本较高：制造石墨双极板需经过2500℃以上的石墨化，并需经过多次浸渍、炭化处理以达到不透性。而且由块状石墨加工成双极板，需采用精密的机械加工，加工成本也过高，加工时间长，不易批量生产。因此，需进一步改善替代金属双极板的性能，实现制备精度高、成本低、寿命长等需求。

氢燃料罐和电池配件。氢燃料罐的成本较高，从成本和小型轻量化的角度来看，需开发组合使用轻量低成本氢储藏材料和高压氢燃料罐。而电池配件方面，也可与纯电动汽车和混合动力汽车共同使用其他零部件，从而削减高昂成本。

（二）燃料来源

燃料电池的类型有很多，其中氢能燃料电池研发的首要问题，就是解决氢气来源，也就是如何廉价制氢。传统工业制氢的方法以化石材料制氢、电解水制氢为主。而随着对大规模制氢需求的提高，生物制氢、热化学制氢和太阳光催化光解制氢等方法也获得广泛应用。

从成本角度来看，在燃料电池推广初期，应以分散式制氢为主，可进一步控制成本，且使用便利。但随着未来燃料电池规模化发展之后，集中制氢的成本和环保优势将会进一步突出。

（三）配套设施

燃料电池汽车的推广，其中最主要的制约因素是配套设施的缺失，即加氢站的覆盖率过小，而其高昂的建设成本也使得加氢站的建设只能作为试验性经营。据统计，2012年全球范围内新增27个加氢站，加氢站总数达到208个，其中欧洲80个、亚洲49个、北美76个、南美3个，但这些还远远不足以满足燃料电池产业化推广的要求。

（四）储藏与安全

通常氢气以三种形态存储和运输：高压气态、液态和氢化物状态。短期内，高压罐储氢仍是主要氢气储存运输手段。但从长期来看，更需要具备高储氢容量、高安全性、吸/放氢速率快、长寿命和低成本的储氢材料。因此，轻质储氢材料、有机液态储氢材料等低压或常压储氢材料将成为未来发展的重点。

3、燃料电池行业发展主要特点

（1）技术是行业发展的关键性因素

燃料电池技术目前重点用于公共交通领域。燃料电池车辆与其他车辆相比，具有自身的优点。例如，柴油机的噪声和颗粒物排放问题较为突出，压缩天然气车也有噪声和成本的问题，电动车充电时间和行驶里程数受限。相比之下，燃料电池车辆的电池不需要频繁更换，而且对环境更为友好。

据了解，氢燃料电池目前已经用于商用汽车。丰田汽车公司的氢燃料电池汽车“未来”一经推出就引发了广泛关注，大众汽车公司不久前也研发出了试验用氢燃料电池汽车。日本、德国、美国等一些国家正在试验第二代燃料电池。

尽管如此，燃料电池目前仍未进行大规模应用，主要在于两大瓶颈：成本和技术。MacEwen坦言，燃料电池成本虽已降至2006年的1/10，但仍有下降的空间，目前的电池技术本身也有需要改进之处。