什么是燃料电池，燃料电池产业深度解析
来源：宝鄂实业
2019-03-26 10:39
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燃料电池序幕开启，市场关注度空前高涨：两会期间，众多参会代表多次提及发展氢燃料电池产业的提案、建议等，主要包括战略地位提升、加大技术研发投入、补贴政策和完善基础实施等，市场关注度空前高涨。2018 年 8月份，潍柴动力对巴拉德进行约 1.63 亿美元的股权投资，将持有其 19.9%股权，成为巴拉德第一大股东。同时潍柴宣布 2021 年前为商用车提供至少 2000套燃料电池模组，这是全球历史上规模最大的商用车燃料电池汽车部署计划。另外 2019 年有望开始实施“十城千辆”推广计划，国内燃料电池汽车产业化大幕逐渐拉开。
■ 兼具高能量密度与零排放特性，氢燃料电池市场潜力巨大：氢燃料电池通过氢气和氧气电化学反应产生电能(核心部件为双极板、电解质、扩散层、催化剂)，具有极高的能量密度并兼具零排放特点，无疑是市场所追求的最具潜力能源利用方式，2018 年预计总体出货量可达 803MW。 燃料电池的特殊优势使其在燃料电池汽车、无人机、 IDC 、通信设备等领域潜力巨大。 根据富士经济预测 ， 未来十年燃料电池市场空间将达到3400 亿元以上。
■ 政策力挺燃料电池技术，多方下游应用进程加速：国家补贴政策给予燃料电池车高补贴且 2020 年前不退坡，ZEV、碳税等经济手段的出台都为燃料电池最大的潜在市场——新能源汽车市场形成有力推动。此外，燃料电池的一系列特性使其在通信、军用等领域有着巨大的应用空间，政府也出台了相关政策给予指引。市场需求、政策双驱动，多项应用领域有望同步发展。
■ 技术引进、投资并购助力燃料电池产业化进程加速：我国现阶段燃料电池车产业技术滞后于国外先进公司。2016 年，国鸿氢能和大洋电机引进 Ballard燃料电池核心部件(PEMFC 电池系统)技术并达成股权、制造等项目合作；2018 年潍柴动力对巴拉德进行股权投资，成为其第一大股东，同时在成立合资企业，众多的合作进展极大地促进中国商用车燃料电池汽车产业的发展。
■ 成本快速下降，促进产业发展。国外技术的不断突破，让我们看到了氢燃料电池成本下降路径。重整法制氢成本已可媲美燃油(约合 1.25 美元/kg)、电池系统成本 2015 年约 53 美元/kW，2020 年有望下降至 40 美元/kW，同时我国废氢的利用将使使用成本进一步降低。
燃料电池性能优越，市场关注度与日俱增
燃料电池转换效率高 、排放污染小，性能优势明显 。燃料电池通过燃料的电化学反应直接产生电能，相当于一个小型发电装臵(主要包括双极板、电解质、扩散层、催化剂)。氢燃料电池汽车通过罐装氢气，与空气反应产生电能推动车辆，具有无污染及能量转化率高的优点。
根据电解质和燃料的不同，燃料电池分为六类：质子交换膜燃料电池(PEMFC)、直接甲醇燃料电池(DMFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)、碱性燃料电池(AFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、磷酸燃料电池(PAFC)。每一种类电池特性不同，应用领域也有所区别。
1。 受益交通应用拉动，PEMFC 出现跨越式发展PEMFC 出现跨越式发展。2011-2018 年，PEMFC、SOFC、MCFC 三种类型电池占据了历年总出货量的 90%以上。其中，受交通运输领域需求拉动，PEMFC 在 2011-2017 年出货量连续出现了跨越式增长，年均复合增长率为 42.57%；SOFC、MCFC 在固定式电站或热电联产上应用较为成熟。
燃料电池应用市场出现结构性变化。2015 年之前，燃料电池应用以产业和商业用途及家庭用途领域为主，但因燃料电池汽车商业化不断落地的催化，下游市场已出现结构性变化。
2011-2014 年，PEMFC 在燃料电池应用领域的占比保持在 40%左右；2015 年开始，PEMFC的应用占比快速提升。根据 E4tech 统计，2017/18 年 PEMFC 在燃料电池应用中的占比已经达到了 70%以上。
2。 全球燃料电池市场空间有望达到 3400 亿，PEMFC
燃料电池市场增长潜力巨大 。根据 Fuji Keizai 预测，到 2025 年全球燃料电池市场有望达到5.2 万亿日(约合人民币 3,400 亿元)元，其中燃料电池汽车市场规模将超过 50%。2011 年燃料电池汽车市场仅为 3 亿日元，未来随着技术升级、加氢站等基础设施的完善、政策支持力度加大，预计到 2025 年全球燃料电池汽车市场有望扩大到2.91 万亿日元(约合人民币 1,900亿元)，占整体市场一半以上。
2。 全球燃料电池市场空间有望达到 3400 亿，PEMFC燃料电池市场增长潜力巨大 。根据 Fuji Keizai 预测，到 2025 年全球燃料电池市场有望达到5.2 万亿日(约合人民币 3,400 亿元)元，其中燃料电池汽车市场规模将超过 50%。2011 年燃料电池汽车市场仅为 3 亿日元，未来随着技术升级、加氢站等基础设施的完善、政策支持力度加大，预计到 2025 年全球燃料电池汽车市场有望扩大到2.91 万亿日元(约合人民币 1,900亿元)，占整体市场一半以上。
新能源汽车应用空间广阔，新兴市场机会有待深入挖掘
燃料电池在民用领域的应用主要集中在电站(含热电联产) 和交通运输领域。早期燃料电池的应用主要集中在潜艇、航天等特殊领域，且技术已相对成熟。近来来，燃料电池在民用领域的应用正在提升。在民用领域，燃料电池的应用主要包括固定式电源、交通运输和便携式电源三大类领域。
交通领域应用的商业化进程正在加速。受益各国政策支持，汽车技术上取得较大突破，丰田、本田、现代等均推出了各自的量产燃料电池汽车，燃料电池在交通领域的商业化进程正在加速。
从市场结构来看，交通运输领域成长性最强 。2018 年，全球燃料电池系统的容量预计为803.1MW，2011-2018 年间复合增长率达 32.95%。从总量上看，与大规模商业化仍存在一定差距。从应用领域来看，固定式电站领域的应用占比从 2013 年开始逐步下滑，2018 年占比约 30%；便携式领域的容量占比很小，几乎可以忽略。
然而，交通领域的应用占比在从 2013 年开始逐年出现大幅提升，2016 年首次超越固定式，达到近 60%，2018 年占比近 70%。
1。 交通运输领域 ： 氢燃料电池， 新能源车未来发展方向
1.1。 氢燃料电池车的发展存在市场基础和政策基础
氢燃料电池汽车是我国新能源汽车发展的主要技术路径之一。氢燃料电池汽车在《国家创新驱动发展战略纲要》《中国制造 2025》《汽车产业中长期发展规划》等重要战略纲要中，均被列为要大力发展的产业。氢燃料电池车主要由燃料电池系统(包含反应堆、空气压缩机等)、储氢装臵、辅助电池、控制装臵和驱动电机构成，具备续航力强、噪音低、零排放等特点。
我国对燃料电池汽车的发展规划早在 2001 年就已经启动，2001 年的―863 计划——电动汽车重大专项‖项目，确定了“三纵三横”战略，其中“三纵”即包括纯电动、混合电动、燃料电池汽车。到到 2015 年，《中国制造 2025 》规划纲要出台，提出了燃料电池汽车的三步发展战略，最终在 2020 年，达到生产 1000 辆燃料电池汽车并进行示范运行的目标。
技术方面 ，科技部《“十三五”电动汽车规划》给出指引，未来几年需要攻克薄金属双极板表面改性技术、车用燃料电池耐久性技术、推进加氢站建设和燃料电池汽车示范运行等多项工作，关键基础器件、燃料电池系统、基础设施与示范三个方面需继续加大研发和投入力度。
燃油电池汽车补贴 2020 年前不退坡 。为了达到上述规划目标并攻克技术难题，中央自 2009年起对燃料电池汽车持续地给予财政补贴和税收减免，近几年的财政补贴积极促进燃料电池汽车的市场化导入。根据中央的补贴标准，2013-2015 年，燃料电池乘用车的补贴标准逐年递减 5%，从 2013 年 20 万元降低到 2015 年的 18 万元，但根据《关于 2016-2020 年新能源汽车推广应用财政支持政策的通知》，2016-2020 年又重新恢复到 20 万元，而纯电动和插电混合乘用车的补贴逐渐退坡。除此之外，还给予燃料电池商用车中型 30 万、重型 50 万的补贴。
1.2。 氢燃料车vs锂电池车：燃料补充迅速和续航里程是优势
两种新能源车的综合能源利用效率均高于传统汽车。对比三种不同化石能源利用效率(内燃机为 37%，燃料电池为 45.7%，锂电池为 49.2%)，锂电池和燃料电池较传统燃油汽车均有较大优势。
当前锂电池车产业发展更为完善、积累的运行数据更多；但燃料电池更适合长续航里程的运输车辆，两种路线并重更符合我国当前的国情。中科院欧阳明高院士在多个场合明确提出：氢燃料电池更适合替代使用柴油的长途运输车辆以及客车领域，锂离子电池更适合应用于乘用车领域。
燃料电池车与锂电池最大不同在于驱动力来源。燃料电池车动力来源包含电池控制器、储氢装臵、电池堆、辅助蓄电池、燃料处理器、压缩机和加湿器，而锂电池车主要包含电池控制器、电池组、车载充电器，其他部件两种车相似。
燃料电池汽车续航及加氢时间优势明显。进一步对比氢燃料车和纯电动车性能参数，发现氢燃料电池汽车在续航里程及能量补充时间上具明显优势。续驶里程很大程度上由电池系统能量密度决定。锂电池系统的平均能量密度约为 140-160Wh/kg，PEMFC 燃料电池的能量密度高达 1800Wh/kg。
反应到具体车型上，纯电动车如比亚迪 e6 及特斯拉的等续驶里程较远的车型，续航可达400km 以上；而氢燃料车丰田 Mirai 续航里程可达 650km 以上。能量补充上，纯电池车直流快充时长在 2-3 小时，氢燃料车一次加氢只需 3-5 分钟。
1.3。 丰田 Mirai ：燃料电池领跑者，专利公开掀起产业化浪潮
丰田于 2014 年 11 月发布 Mirai 燃料电池汽车，续航里程可达 500km，储氢重量约 5kg，加氢时间 3 分钟左右，百公里加速 9.6 秒，补贴后售价约 26 万人民币，其性能已经与现有电动车领头羊 Tesla Model S 车型媲美。
2015 年 1 月，丰田宣布在全球求范围内开放耗时 20 多年、耗资上千亿资金开发的 5680 项燃料电池技术专利，其中包括 Mirai 的 1970 项关键技术专利。 从商业战略的角度看，我们认为丰田此举已经昭示其技术已经相当成熟，进入了技术优化和商业生态构建的阶段。
1.4 国内外车企加大燃料电池汽车布局
全球多家车企量产氢燃料电池乘用车 。现代 ix35 FCV 于 2013 年上市，随后丰田、本田相继推出 Mirai 和 Clarity Fuel Cell。欧洲市场目前量产的主要有奔驰 GLC F-Cell(混动)，奥迪h-tron Quattro 作为概念车并未上市，2018 年现代推出升级版的 NEXO Blue，续航里程和百公里加速均有大幅提升。国内市场暂无氢燃料电池乘用车上市，上汽集团开发一款荣威 950(混动)版燃料电池汽车，实现自主技术突破，并未量产。
目前已有多家国际车企公布氢燃料电池乘用车战略布局和销量规划。乘用车方面，国内上汽、长城等车企也有明确规划；商用车方面未来会是中国燃料电池汽车发展的主力。
