中國燃料電池簡(jiǎn)介及市場(chǎng)發(fā)展前景分析

一、燃料電池簡(jiǎn)介

燃料電池：燃料能量的高效釋放方式

燃料電池是一種把燃料所具有的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的化學(xué)裝置，它是按照原電池電化學(xué)原理，把貯存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，因而實(shí)際過程是燃料和氧氣的氧化還原反應(yīng)。燃料電池中作為燃料的物質(zhì)可以很多，核心是與氧氣有足夠的電勢(shì)差和較高的能量密度，比較常見的燃料有氫氣、甲醇、天然氣等。燃料電池單體主要由四部分組成，即陽極、陰極、電解質(zhì)和負(fù)載外電路。燃料和氧化氣分別由燃料電池的陽極和陰極通入。燃料在陽極上釋放電子,電子經(jīng)外電路傳導(dǎo)到陰極并與氧化物結(jié)合生成離子。離子在電場(chǎng)作用下，通過電解質(zhì)遷移到陽極上，與燃料物反應(yīng)，形成電流。燃料電池示意圖

質(zhì)子交換燃料電池原理

燃料電池：終極清潔能源的主力軍

燃料電池在發(fā)電效率、環(huán)境保護(hù)、能量密度、工作噪聲、可靠性上都有較大優(yōu)勢(shì)，是一種前景光明的發(fā)電裝置。發(fā)電效率高：燃料電池發(fā)電不受傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)卡諾循環(huán)的限制。理論上,它的發(fā)電效率可達(dá)到85%～90%，但由于工作時(shí)各種極化的限制，通電的過程中有部分化學(xué)能轉(zhuǎn)化成為熱能，電能的轉(zhuǎn)化效率約為40%～60%。若實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)供，燃料的總利用率可高達(dá)80%以上。

環(huán)境友好度高：若燃料電池以氫氣或者天然氣等富氫氣體作燃料物，二氧化碳的排放量比熱機(jī)過程減少40%以上，如果是氫氣，將不會(huì)有二氧化碳的排放。另一方面，燃料電池幾乎不會(huì)有硫或者氮化物產(chǎn)生，大大減輕了傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)環(huán)境施加的影響。

能量密度高：液氫燃料電池的理論質(zhì)量能量密度是是鋰離子電池的10倍。即使受制于氫氣儲(chǔ)存技術(shù)的限制，實(shí)際應(yīng)用中能量密度有所降低，但是仍可輕松滿足汽車?yán)m(xù)航500公里以上的需求。

運(yùn)行噪音低：相對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的做工原理，燃料電池結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)部件少，工作時(shí)噪聲很低。即使在11MW級(jí)的燃料電池發(fā)電廠附近，所測(cè)得的噪音也低于55dB。

燃料范圍廣：對(duì)于燃料電池而言,材料所選范圍廣，只要含有氫原子的物質(zhì)都可以作為燃料，例如天然氣、石油、甲醇等，因此燃料電池非常符合能源多樣化的需求,可減緩主流能源的耗竭。

可靠性高：跟其他二次電池一樣，燃料電池會(huì)很快響應(yīng)負(fù)載的變化。無論處于額定功率以上過載運(yùn)行或低于額定功率運(yùn)行，它都能承受且效率變化不大。由于燃料電池的運(yùn)行高度可靠，可作為各種應(yīng)急電源和不間斷電源使用。

易于建設(shè)：燃料電池具有組裝式結(jié)構(gòu)，安裝維修方便，對(duì)環(huán)境的要求并不高。

燃料電池：種類繁多，應(yīng)用分化

燃料電池分類形式很多，按運(yùn)行機(jī)理來分類：可分為酸性燃料電池和堿性燃料電池；按燃料的類型來分類：有直接式燃料電池和間接式燃料電池；按燃料電池工作溫度分：有低溫型(低于200℃)；中溫型(200-750℃)；高溫型(高于750℃)。常用的分類方式是按電解質(zhì)的不同來分類：

1、堿性燃料電池（AFC）：該類電池采用氫氧化鉀水溶液作為電解液，性能穩(wěn)定，成本低廉，但是不足之處是能量密度非常有限，僅為質(zhì)子交換膜電池的十分之一。早在20世紀(jì)60年代就成功的應(yīng)用于航天飛行領(lǐng)域，這種具有高效、輕質(zhì)的以及穩(wěn)定的動(dòng)力源一直是美國航天領(lǐng)域的首選，典型的應(yīng)用是阿波羅計(jì)劃的太空車。

2、磷酸鹽型燃料電池（PAFC）：該類電池以磷酸溶液為電解液，工作溫度在200℃左右，有相對(duì)較高的反應(yīng)速度。PAFC已經(jīng)成功商用在200-kW儲(chǔ)能裝置，在美國、歐洲和日本有很多常年連續(xù)工作的案例。

3、碳酸鹽型燃料電池（MCFC）：該類電池是由多孔的電極和電解質(zhì)，配上熔融態(tài)的碳酸鹽作為電解液，工作溫度高達(dá)600℃，成本低廉，無需使用貴金屬催化劑，適用于較大型的電站儲(chǔ)能設(shè)施

4、固體氧化物型燃料電池（SOFC）：該類電池應(yīng)用無機(jī)固態(tài)電解質(zhì)，是工作溫度最高的一類燃料電池，廣泛適用煤氣、天然氣、混合氣體等多種燃料氣體。由于SOFC發(fā)電的排氣有很高的溫度，具有較高的利用價(jià)值，可以提供天然氣重整所需熱量，也可以用來生產(chǎn)蒸汽，更可以和燃?xì)廨啓C(jī)組成聯(lián)合循環(huán)，非常適用于分布式發(fā)電。

5、質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）：該類電池是一種常溫電池，應(yīng)用質(zhì)子交換膜作為隔膜和電解質(zhì)，具有較高的能量效率和能量密度，體積重量小，冷啟動(dòng)時(shí)間短，運(yùn)行安全可靠。該類電池早在1965年美國“雙子星座”得到應(yīng)用，早期的發(fā)展一直受著昂貴的必須結(jié)構(gòu)材料和高的Pt覆蓋量所阻礙，直到20世紀(jì)80年代，通過大量的技術(shù)改進(jìn)，其才重現(xiàn)活力，成為汽車能源提供的有力競(jìng)爭(zhēng)者。燃料電池分類比較各類燃料電池特點(diǎn)

燃料電池適用領(lǐng)域

二、中國燃料電池進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段，萬億級(jí)產(chǎn)業(yè)拉開序幕

氫燃料電池技術(shù)滿足產(chǎn)業(yè)化需求，能源革命開啟

《》目前的燃料電池從壽命、性能、資源和成本等方面已經(jīng)達(dá)到產(chǎn)業(yè)化條件，滿足下游交通和備電等領(lǐng)域應(yīng)用：（1）燃料電池車輛壽命和運(yùn)營里程達(dá)到傳統(tǒng)汽柴油車水準(zhǔn)，在英國和美國均有燃料電池公交車（FCEB）運(yùn)營壽命超過2.9萬小時(shí)，無需大修或更換燃料電池組；（2）低溫啟動(dòng)溫度可以達(dá)到-30℃；（3）鉑金催化劑用量較小，未來不會(huì)引起鉑金資源短缺，目前國際先進(jìn)催化劑耗鉑水平可達(dá)到0.125g/kW，未來單車鉑金用量可以低于5g，與傳統(tǒng)柴油車尾氣催化劑鉑用量相當(dāng)，并且催化劑在往低鉑和無鉑方向發(fā)展；（4）成本快速下降，日韓燃料電池汽車預(yù)計(jì)2025年能達(dá)到傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車成本水平；（5）氫耗與油耗成本持平，并且隨著規(guī)模擴(kuò)大，氫氣成本存在較大下行空間。

氫燃料電池具有零排放、零污染的特性，被認(rèn)為是未來清潔環(huán)保的理想技術(shù)，是終極新能源動(dòng)力解決方案。燃料電池本質(zhì)上是發(fā)電機(jī)，下游應(yīng)用場(chǎng)景廣泛，可以應(yīng)用于交通領(lǐng)域和發(fā)電領(lǐng)域等。我們認(rèn)為燃料電池發(fā)展將掀起一輪能源革命，氫將取代一部分石油，成為能源體系中的重要一環(huán)，未來氫燃料電池市場(chǎng)規(guī)?？蛇_(dá)萬億級(jí)別。燃料電池下游應(yīng)用場(chǎng)景廣泛

國家政策循序漸進(jìn)，地方政府積極推動(dòng)

中國對(duì)于燃料電池發(fā)展支持處于循序漸進(jìn)狀態(tài)，我國從2001年就確立了“863計(jì)劃電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)”項(xiàng)目，確定三縱三橫戰(zhàn)略，以純電動(dòng)、混合電動(dòng)和燃料電池汽車為三縱，以多能源動(dòng)力總成控制、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和動(dòng)力蓄電池為三橫。近期隨著燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展逐漸成熟，中國在燃料電池領(lǐng)域的規(guī)劃綱要和戰(zhàn)略定調(diào)已經(jīng)出現(xiàn)苗頭，支持力度逐漸加大，政策從產(chǎn)業(yè)規(guī)劃、發(fā)展路線和補(bǔ)貼扶持全方位支持燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

產(chǎn)業(yè)規(guī)劃：2016年11月29日，《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》提出系統(tǒng)推進(jìn)燃料電池汽車研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。加強(qiáng)燃料電池基礎(chǔ)材料與過程機(jī)理研究，推動(dòng)高性能低成本燃料電池材料和系統(tǒng)關(guān)鍵部件研發(fā)。加快提升燃料電池堆系統(tǒng)可靠性和工程化水平，完善相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。推動(dòng)車載儲(chǔ)氫系統(tǒng)以及氫制備、儲(chǔ)運(yùn)和加注技術(shù)發(fā)展，推進(jìn)加氫站建設(shè)。到2020年，實(shí)現(xiàn)燃料電池汽車批量生產(chǎn)和規(guī)?；痉稇?yīng)用。

發(fā)展路線：2016年10月，汽車工程年會(huì)發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》中指出，到2020年燃料電池汽車在公共服務(wù)領(lǐng)域的示范應(yīng)用要達(dá)到5000輛的規(guī)模；到2025年，實(shí)現(xiàn)氫燃料電池汽車的推廣應(yīng)用，規(guī)模達(dá)到5萬輛；到2030年，實(shí)現(xiàn)氫燃料電池汽車的大規(guī)模推廣應(yīng)用，氫燃料電池汽車規(guī)模超過１百萬輛。

補(bǔ)貼扶持：2016年12月30日財(cái)政部、科技部、工業(yè)和信息化部和發(fā)改委發(fā)布的《新能源汽車推廣補(bǔ)貼方案及產(chǎn)品技術(shù)要求》中規(guī)定除燃料電池汽車外，各類車型2019-2020年中央及地方補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)和上限，在現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上退坡20%，對(duì)燃料電池汽車補(bǔ)貼延續(xù)至2020年不退坡，對(duì)于燃料電池乘用車，給予20萬元/輛補(bǔ)貼；對(duì)于燃料電池小型貨車、客車，給予30萬/輛補(bǔ)貼；對(duì)于燃料電池大中型客車，中重型貨車，給予50萬/輛補(bǔ)貼。2018年發(fā)布《關(guān)于調(diào)整完善新能源汽車推廣應(yīng)用財(cái)政補(bǔ)貼政策的通知》，燃料電池汽車補(bǔ)貼基本保持不變。燃料電池頂層規(guī)劃循序漸進(jìn)

地方政府中，富氫優(yōu)勢(shì)、棄電較多或者產(chǎn)業(yè)領(lǐng)先為代表的地區(qū)重視燃料電池發(fā)展。多地市興建氫能產(chǎn)業(yè)園區(qū)，氫能小鎮(zhèn)和產(chǎn)業(yè)集群等，推動(dòng)燃料電池公交、物流車示范運(yùn)營，截至目前超過20地市明確推動(dòng)氫燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展。目前僅上海、武漢、山東、蘇州、張家口、佛山、鹽城和大同等地規(guī)劃顯示，到2020年燃料電池汽車數(shù)量將超過1.5萬輛。地方政府積極推動(dòng)

中國燃料電池浪潮開啟，遠(yuǎn)期萬億規(guī)模可期

中國燃料電池產(chǎn)業(yè)目前與2012年鋰電池極為相似，政策自上而下支持，技術(shù)達(dá)到產(chǎn)業(yè)化條件，產(chǎn)業(yè)鏈國產(chǎn)化進(jìn)程開啟，企業(yè)加快布局速度，資本市場(chǎng)投融資熱度持續(xù)上升。

中國燃料電池汽車發(fā)展路徑明確：前期通過商用車發(fā)展，規(guī)模化降低燃料電池和氫氣成本，同時(shí)帶動(dòng)加氫站配套設(shè)施建設(shè)，后續(xù)拓展到私人用車領(lǐng)域。優(yōu)先發(fā)展商用車的原因在于：一方面公共交通的平均成本低，而且能夠起到良好的社會(huì)推廣效果，形成規(guī)模后帶動(dòng)燃料電池成本和氫氣成本下降；另一方面商用車行駛在固定的線路上且車輛集中，建設(shè)配套的加氫站比較容易。當(dāng)加氫站數(shù)量增加、氫氣和燃料電池成本降低時(shí)，又會(huì)支撐更多燃料電池汽車。

2017年是中國燃料電池汽車元年，全國燃料電池汽車產(chǎn)量達(dá)到1272輛。2018年燃料電池汽車商業(yè)化運(yùn)營的元年，產(chǎn)量達(dá)到1619輛，目前國家補(bǔ)貼到2020年不退坡，在國家和地方補(bǔ)貼的支持下，燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)開啟以補(bǔ)貼為基石的內(nèi)生性增長時(shí)代。商用車帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)起步，乘用車奠定未來

中國燃料電池汽車產(chǎn)量

截止2018年底，全國投入運(yùn)營車輛約694輛，其中公交234輛左右，物流車約300輛，輕客160輛。其中，燃料電池物流車在上海已經(jīng)開展商業(yè)化運(yùn)營，目前在運(yùn)營數(shù)量達(dá)到300輛左右，運(yùn)營里程超過400萬km，用戶包括京東、申通快遞、盒馬鮮生、宜家等物流用戶。燃料電池汽車運(yùn)營現(xiàn)狀

我們預(yù)計(jì)隨著成本的持續(xù)下降，產(chǎn)業(yè)規(guī)模將得到迅速擴(kuò)大，行業(yè)將在未來十年迎來百倍增長，到2030年燃料電池汽車市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到5000億，車用燃料電池市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到1200億，遠(yuǎn)期燃料電池汽車和熱電聯(lián)產(chǎn)等市場(chǎng)規(guī)?？蛇_(dá)萬億。

2017-2020，燃料電池產(chǎn)業(yè)處于商業(yè)化運(yùn)營的導(dǎo)入期，產(chǎn)業(yè)在政府補(bǔ)貼扶持下實(shí)現(xiàn)盈利。同時(shí)燃料電池成本與氫氣成本隨著規(guī)模擴(kuò)大而穩(wěn)步下降，預(yù)計(jì)到2020年，系統(tǒng)成本可低于6000元/kW，富氫地區(qū)氫氣售價(jià)可達(dá)30元/kg，燃料電池汽車產(chǎn)銷量達(dá)到萬輛。

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