燃料电池有怎样的发展历程？

回顾燃料电池的发展历程，也是既古老又年轻，既坎坷又迅速。这种先进的发电技术原理，早在19世纪前半叶就由英国科学家格劳勃发明了，但由于技术和经济原因，长期未能应用于实际。到本世纪60年代，随着航天技术发展的需要，为解决其电源问题而开发应用了这种发电技术，才由美国公司研制成功，随后就首先随阿波罗登月船上了月球。与此同时，1967美国煤气公司还制订了燃料电池民用计划，开始进行研究开发。随后，日本、欧洲一些国家也参与了这项高技术的研究工作。

近20年来，美、日对燃料电池的发展都很重视。投入研究与发展经费大、进展快，效果好。

美国是发展燃料电池最快的国家，到1990年时已有23台燃料电池机组在运行，总装机容量已达11万千瓦。美国发展燃料电池的技术重点是提高燃料利用率，降低燃料电池的生产费用和发电成本，并注重多途径开发技术。

1990年初，美国贝尔实验室采用制造半导体所用的类似技术研制成功了微芯片式燃料电池，它能将混合气体（煤气）做燃料直接转化成电，每公斤煤气可发电1千瓦。这种燃料电池是由一个不到5000亿分之一米厚的可渗透煤气的氧化铝薄膜夹在两个薄铂片之间组成。其优点是重量轻，成本低，充电方便，只需更换煤气胶囊。可取代目前使用的蓄电池和便携式发电器。美国西屋公司已建成磷酸型1500千瓦级的燃料电池电站，现正建造7500千瓦级的新电站。美国还开发成功3千瓦固体燃料电池，正在研制25千瓦级固体电池。

美国能源部最近又研制成功一种陶瓷燃料电池，这种电池是将液体或气体燃料放在两块波纹状陶瓷片里面，使燃料同氧化剂直接进行化学反应获得电能，因而它可不需要一般燃料电池所需的燃料箱。它同其他燃料电池相比，释放的功率高2倍，发电效率已达55%～60%。

日本对燃料电池的开发也比较早，从1961年日本富士电机公司开始研制，到1972年制成10千瓦的碱性电池，1973年又转入磷酸型电池开发，发展也很快。80年代初，日本就将发展燃料电池列入“月光计划”，1986年起在某些地区就已推广燃料电池发电。1991年5月12日，日本东京电力公司在千叶县五井发电厂成功地建成了目前世界上最大功率的磷酸型燃料电池发电装置，输出功率达1.1万千瓦。发电效率为41%。该燃料电池为磷酸水冷式，属第一代产品。据估算，这套燃料电池组进入实用阶段后，至少可满足5000户民用住宅的电力需求，因此，有人把它视为燃料电池步入商业化的第一步，具有较高开发价值。

1989年日本已建成200千瓦的这类电站，正着手建造4500千瓦级的电站。

第二代燃料电池是熔融碳酸盐燃料电池，也已进入工业试验阶段。日本已在30千瓦级水平上获得了成功。第三代燃料电池是固体电解质燃料电池，日本已在1千瓦级水平上试验成功。1991年末，日本各电力公司和城市燃气公司在大阪组成了磷酸型燃料电池发电技术研究合作社，计划在1991年底前建成功率为5000千瓦和1000千瓦的新型燃料电池，1992年，日、美又决定联合共同研制燃料电池，是以气化煤作燃料的加高压反应的类型，目标是在21世纪初，使30万千瓦级电池达到实用化。

日本政府已在实施一项长期的推进燃料电池计划，要在20世纪90年代初在商业区、医院、体育场所等部门大面积地使用燃料电池；90年代中、后期，在工业企业推广；21世纪初达到全国发电总量的13%，使燃料电池成为未来的重要新能源。目前正在筹建5000千瓦级燃料电池电站，能连续运行8000小时，动力效率为40%，混合热效率80%，预计2005年，日本将有1000万千瓦的燃料电池广泛应用于各个领域。

90年代初，日本还开始研制一种超微型“生物燃料电池”，它的原理同以氢为燃料的电池一样，但它是以人的血液中的葡萄糖为主要燃料的。它的主要用途是为人造胰脏器官提供动力，将其埋藏于病人体内。它可产生的最高电压估计为1.1伏特，电流强度为0.1安培。

专家们预测，随着燃料电池发电技术的进一步突破，作为新型电源供应系统，到21世纪中期，有可能取代火力发电，形成强大的燃料电池发电网络，成为重要的二次能源。

燃料电池原理很早被提出，但受技术所限与高昂的成本，发展速度十分缓慢。近些年燃料电池相关技术不断进步，特别是丰田等日本公司的大力推进下，部分燃料电池汽车已实现量产。

燃料电池汽车历史

资料来源：智研咨询整理

相较全球汽车销量，目前电动汽车销量占比仍不足1%，按照IEA预测，2030年电动汽车渗透率将达到15%，2018年-2030年每年则需要增长30%。插电混动汽车2012年后开始进入市场，目前，中国市场占比约为25%，美国约为43%，欧洲市场的PHEV占比更高。

二、燃料电池汽车定义及结构

燃料电池汽车英文缩写FCV，是一种利用氢燃料作为长时间续航，传统电池作为瞬间大电流输出互相配合的一种新型动力汽车。车用燃料电池系统通常使用高纯度的压缩氢气或者甲醇、甲酸、固态储氢等其他介质加重整系统所得到的高纯度氢气。与传统的电动汽车相比较，燃料电池汽车的电力来源为氢气通过燃料电池系统发电，传统电动汽车的能源来自于电网。

燃料电池汽车结构示意图

资料来源：智研咨询整理

动力控制单元，动力控制单元能在不同的行驶工况下控制不同的充放电策略。

电机，它由驱动电池和燃料电池来供电，受前端的动力控制单元控制。

升压逆变器，它把电池输出的低压DC，转换成高压AC，供给交流电机。

燃料电池反应堆，输出功率为114kW，是整车的动力来源。

驱动电池，用来回收制动能量（再生制动），加速时辅助燃料电池供电。

储氢罐，由三层碳纤维强化塑料结构构成，700个大气压，氢气解压后以液态氢的方式储存在燃料电池中，添加液态氢的过程加满大约需要3-5min。

三、中国燃料电池产业发展现状

（1）燃料电池汽车市场

整车开发方面，目前，我国已经初步掌握整车、动力系统与核心部件的核心技术并具有整车生产能力。

但是，在燃料电池汽车车型平台开发方面，以上汽股份、上海大众、一汽、长安、奇瑞等公司为代表开发的燃料电池轿车均基于传统内燃车或纯电动汽车进行改制，尚未掌握燃料电池汽车专用车身、底盘开发、底盘动力学主动控制等关键技术。

根据智研咨询发布的《2020-2026年中国氢燃料电池汽车行业发展动态分析及投资方向研究报告》数据显示：2019年1-9月，新能源汽车产销分别完成88.8万辆和87.2万辆，比2018年同期分别增长20.9%和20.8%。其中燃料电池汽车产销分别完成1315辆和1251辆，比2018年同期分别增长7.7倍和7.6倍。

2015-2019年9月全国中国燃料电池汽车销量情况统计

资料来源：中国汽车工业协会、智研咨询整理

（2）燃料电池电堆

燃料电池电堆开发方面，已形成包括明天氢能、新源动力、武汉理工新能源、弗尔赛、等在内的具有自主知识产权的燃料电池电堆生产厂家，在电堆上游配套方面，MEA、碳纸、质子膜、石墨双极板和金属双极板等均已实现国产化。目前已具备60kW以内的单个燃料电池电堆开发能力，体积比功率基本可达到2.0kW/L，与国际领先水平3.1kW/L仍有差距。