燃料电池行业发展前景展望

概述燃料电池技术可以为任何需要电力的装置提供清洁、高效并且可靠的电能。燃料电池已经在某些应用领域取代其它能源供应设施，应用于便携式、固定式及汽车领域，从电池充电器到家庭供热系统以及汽车动力来源，到目前为止，燃料电池是应用范围最广的能源解决方案。在这篇行业回顾总结的开篇，首先对燃料电池技术进行系统的介绍，并且对现行使用的6种主要燃料电池进行讨论分析。同时还对燃料电池技术的发展史加以简介，从1839年WilliamGrove发明燃料电池技术开始直到20世纪的一系列研发活动，例如燃料电池在太空项目中的应用，直到2007年开始在某些应用领域出现燃料电池技术的商业化使用。在产业发展现状一章，我们对2007年到2010年之间燃料电池装置和兆瓦级燃料电池装置的出货量进行了统计，并对2011年的出货量进行了预测，并按照应用、区域、电解质、燃料研发进展和基础设施分类进行分析。本文最后一部分对燃料电池的未来应用前景进行了展望，并对一些验证项目以及商业推广方案进行了分析。在近5年时间内，燃料电池的出货量增长了将近20倍，并且与往年同期数字相比装置及兆瓦级装置的出货总量逐年增加。2010年，燃料电池总出货量比2009年高出40%，并创下了历史新高（共230,000台装置）。其中便携式燃料电池装置占据总量的95%，并且其他应用领域的燃料电池数量也在稳固增加。2010年世界范围内所销售的燃料电池有超过97%的装置使用的是质子交换膜燃料电池（PEMFC），而且大多使用氢作为燃料。自2009年起，欧洲已经成为世界燃料电池应用领军地区，紧随其后的是北美州和亚洲（包括日本），所有这4个地区（全球除上述3个地区之外的区域）的燃料电池出货量均有逐年增加之势。鉴于燃料电池应用领域多样性的增加及其应用速度的不同，FuelCellToday这篇回顾分析报告认为已经不适合再将燃料电池产业作为一个统一的整体看待，并且从整体上也不能给出准确的描述，因为许多截然不同的商业应用领域共享同样的技术但是开发速度却截然不同。便携式应用领域依照燃料电池的出货量，便携式燃料电池应用领域范围是最大的，并且利润丰厚。自2007年始，其每年出货量至少占燃料电池总出货量的75%。燃料电池玩具和教育装置的出货量增长势头强劲，在5年多的时间内一直在便携式燃料电池应用领域占统治地位。在消费类电子产业部门，燃料电池在微型外部电池充电器上的应用发展迅速，已经有数千个这种充电器卖给了消费者。燃料电池在消费性电子产品中的未来应用前景良好。相比之下，过去的五年时间里，甲醇燃料电池辅助动力装置（APU）累计销售量已经达到了上万台，其运行时间要长于蓄电池，并且比内燃机（ICE）发电机洁净得多。固定式应用领域目前固定式燃料电池系统市场由北美洲和亚洲共同统治。FuelCellToday将燃料电池固定式应用领域划分为3个主要部分：1.主供电设备使用的兆瓦级燃料电池装置；2.备用能源设备使用的小型不间断电源供应（UPS）装置；3.家用热电联产燃料电池（CHP）装置。燃料电池行业已经在UPS应用领域获得了巨大的商业利益，并且已经广泛应用于电信公司以及其它关键设施的备用电源系统。在北美市场中这些装置的销售量一直占据首要位置，市场优势在于美国公司一直销售这些技术并且政府还会给这些燃料电池的安装提供补助资金。UPS技术已经证明了其实际应用的可行性。伴随着全球电信行业的不断发展，UPS装置的潜在优势将会迅速显露出来。固定式燃料电池在日本家庭中的应用十分成功，自2007年以来Ene-Farm公司已经累积售出几万台微型热电联产燃料电池装置。FuelCellToday希望这样的销售势头可以在韩国以及部分欧洲和美国市场重现。数据分析表明，照日本现在的发展情况继续下去，如果燃料电池在这四个市场中的应用速率能够与Ene-Farm的应用速率一样，那么预计从2014年开始每年将售出20000台微型热电联产装置（micro-CHP），并且到2015年全球micro-CHP累计安装数量将达到100000台。交通运输领域应用自2009年以来，交通运输领域应用的燃料电池装置的年出货量已经达到几千台。在美国政府的政策扶持下，燃料电池已经在电动叉车市场实现了商业化销售，如果该项技术出口到世界范围内的其他地区，这种商业化趋势会继续延伸。燃料电池大巴的商业销售已经开展了很多年，它们的实用性也已经在全球范围内得到了证实，与其它柴油内燃机大巴相比尾气排放量很小并且运行效率很高。由世界主要汽车生产制造商推出的燃料电池电动车（FCEV）租赁活动已经在一些国家展开，并且操作经验已经在其预计商业化日期（2015年）之前得到。据FuelCellToday推算，如果三个主要汽车生产制造商的计划取得成功，全球每年燃料电池车辆的销售量将达到2-3万台。目前，全世界每年生产大约7500万台轻型车辆，这就意味着燃料电池在车辆应用领域所占的比例要显著高于其它应用领域。总而言之，燃料电池的产生对我们的日常生活产生了积极的影响，其商业成功也指日可待。世界各地成千上万台燃料电池将为车辆与建筑提供清洁的能源，并且通过制造安全、清洁的能源帮助国家电网减少碳排放。燃料电池商业成功的延续是帮助世界能源需求走上可持续发展道路的重要环节。简介回顾燃料电池技术的发展历程已经超过了170年，并且已经在太空计划、交通运输以及固定式应用领域中取得了巨大成功。目前有多种不同类型的燃料电池技术存在，并且随着时间的推移已经将其研发适用于各种特殊应用领域。然而，仅是在最近5年时间内燃料电池行业才实现部分商品的商业化销售。燃料电池的优势是其他任何现有技术（例如内燃机）所不能与之相比的。燃料电池可以提供独一无二的运行特点，例如低污染物排放、特别高效并且可靠能源生产方式，在某些应用领域能够供暖、制冷以及提供电力。燃料电池所代表的价值主张是已经在过去五年中的终端应用中以实现，例如应用于露营车的辅助动力装置（APU）；大型工业设施使用的固定式主动力发电机组；家用微型热电联产装置（micro-CHP）；清洁的城市大巴；物料搬运车辆。燃料电池的应用FuelCellToday将燃料电池的应用划分为以下3个主要领域：1.便携式燃料电池，包括那些设计成可以移动的APU装置。2.那些设计成为为固定地区提供电力的固定式燃料电池发电装置。3.可以为车辆提供主动力或者可以提高车辆行驶能力的车辆用燃料电池。FuelCellToday燃料电池应用领域划分表地理区域划分在本篇回顾分析中，FuelCellToday划分了4个主要地理区域：亚洲（包括日本）、欧洲、北美洲以及其它地区（RoW）。FuelCellToday燃料电池应用地理区域划分图供需链出货情况以装置个数和总兆瓦数报道。燃料电池个体组件，例如膜电极装置（MEA）、加湿器以及电力电子设备堆栈，可以在不同地区制造，之后运往其他任何地区装配成完整燃料电池系统。最终组装的系统可运送到安装应用地区，这也是本文的出货区域划分的依据。从供应链来看，尤为值得注意的是，全球范围内存在着复杂的国际供应商、堆栈制造商以及系统集成商。报告中的出货量是指从终端商品制造商（通常是系统集成商）处获得的信息，例如PlugPower公司的物料搬运系统使用的是Ballard公司的质子交换膜燃料电池堆栈。近几年来，供需链的发展已经成为燃料电池行业的一个标志性特点。当系统集成商准备开始出售其商业产品时，就已经打算放弃一些元件的自行生产，并且倾向于外包生产某些部件或者寻求外部供应商，例如双极板材料。这些举措使得元件供应链得到极大的扩展，而实质上堆栈和系统生产商的数量却没有大幅度增长。因此，近年来堆栈和系统制造商的发展出现了瓶颈，在某些应用领域这些企业的发展受到了抑制。大部分组件的供应链集中于北美地区，然而有迹象表明越来越多的企业倾向于在亚洲寻求低成本、高产量的供应商，这也有助于从根本上降低燃料电池系统的整合成本。燃料电池介绍燃料电池通过氧气与富氢燃料之间的电化学反应制造电能。目前虽然有很多不同种类的燃料电池，但是它们却都是围绕一个中心设计理念制成。燃料电池与其他现有能源技术相比应用领域十分广泛。可以为很多便携式、固定式以及运输应用领域提供电力生产，其热副产品还可以用于加热或制冷。燃料电池包含一个堆栈，主要由若干个独立单元组成。堆栈内的每一个单元内都有两个电极（一个阴极和一个阳极），发电反应于电极之上完成。每一个燃料电池都拥有固体或液体的电解质，其内部携带的离子可以从一个电极传导到另一个电极，同时还要有催化剂加速电极上的反应。在这些组件之中电解质起着至关重要的作用。它必须只能允许适当的离子在电极之间传递。如果自由电子或其它物质可以自由穿越电极，那么电极之上的化学反应将被破坏。燃料电池内部反应示意图燃料电池的分类通常是按照电解质的性质划分（除直接甲醇燃料电池之外，其以燃料（甲醇）种类得名），每种类型的装置都需要一些有别于其它装置的特别材料和燃料。主要燃料电池种类如下，按照商业价值排序：1.质子交换膜燃料电池（PEMFC）。该装置以水为基础，酸性高聚物薄膜作为电解质，以铂作为电极催化剂。PEMFC装置所需要的操作温度很低（低于100°C）并且可以调节电力输出，以满足使用者对能源的动态需求。PEMFC的代表性燃料是氢，主要通过天然气重整制得。重整过程必须去除其中的一氧化碳（铂催化剂的克星）杂质。高温PEMFC（HTPEMFC）要在较高高温条件下运行，并且需要将水电解液系统换成无机酸电解液系统，在200ºC条件下运行。这种装置克服了现有PEMFC装置的一些限制，可以对含有少量一氧化碳的氢进行重整。此外，装置的辅助设备，例如加湿器及气泵等装置可以适当简化。2.直接甲醇燃料电池（DMFC）。与PEMFC装置类似，都使用高聚物薄膜作为电解质。然而DMFC装置的铂催化剂电极可以直接从液态甲醇燃料中提取氢，因此不必进行燃料重整。3.熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）使用熔融碳酸盐作为电解质（例如悬浮于渗透性陶瓷基质中的二氧化锆或二氧化铈），操作温度很高（650ºC左右），可以使用未经重整的煤成燃气、沼气或者天然气作为燃料。然而这种燃料电池的使用寿命受电解质腐蚀作用的限制。4.磷酸燃料电池（PAFC）。其阳极和阴极由一个包含铂催化剂的微细碳棒和一个包含磷酸盐电解质的碳化硅结构组成。这种电极对一氧化碳有很强的抵抗作用，但是与其它燃料电池相比发电效率较低。然而，当PAFC在200ºC条件次下工作时，如果产生的热可以用于热电联产，那么其整体效率将达到80%。通常使用重整天然气作为燃料。5.固体氧化物燃料电池（SOFC）。装置使用固体陶瓷制品作为电解质，例如可以用氧化钇稳定的氧化锆取代液体或薄膜电解质。较高的操作温度意味着燃料可以在燃料电池内部得以重整，因此可以不需外部重整使用多种烃类燃料。而且与其它燃料电池相比SOFC还对燃料中的硫有很强的抗性，因此可以使用汽化煤燃料。6.碱性燃料电池（AFC）。该种装置使用碱性电解质，例如氢氧化钾水溶液，通常使用纯净氢和氧作为燃料并且对一氧化碳十分敏感。首个AFC的操作温度在100-250ºC摄氏度之间，目前基本操作温度已经降到70ºC左右。AFC的燃料-电能转化效率十分高，在某些应用领域其燃料-电能转化效率已经达到了60%。几种常见燃料电池简介上述对于几种燃料电池装置的简介并不十分完善，并且还有部分燃料电池类型没有囊括其中，例如微生物燃料电池（目前仍处于研发阶段，短期时间内不会实现商业化）。燃料电池发展史起源燃料电池概念早在19世纪初就已经被HumphryDavy所证实。1838年，科学家ChristianFriedrichSchönbein的研究为燃料电池装置的诞生奠定了坚实的基础。1839年，身为化学家、物理学家同时也是律师的WilliamGrove发明了燃料电池装置。Grove进行了一系列被他称之为气体伏打电池组的试验，最终证明了电流可以通过氢气和氧气之间的电化学反应（使用铂作为催化剂）制造，他曾用这种以铂黑为电极催化剂的简单的氢、氧燃料电池点亮了伦敦讲演厅的照明灯。燃料电池这个术语于1889年由CharlesL