2019年中國氫燃料電池行業發展概況及未來市場發前景分析[圖]

氫燃料電池李玲玲 2019-08-29 05:45 來源：智研咨詢

1、氫燃料電池技術概述

氫燃料電池是一種非燃燒過程的能量轉換裝置，通過電化學反應將陽極的氫氣和陰極的氧氣（空氣）的化學能轉化為電能。燃料電池結構單元主要由膜電極組件和雙極板構成，其中膜電極組件是由質子交換膜、催化劑與氣體擴散層組合而成的，為反應發生場所；雙極板是帶流道的金屬或石墨薄板，其主要作用是通過流場給膜電極組件輸送反應氣體，同時收集和傳導電流并排出反應產生的水和熱。

氫燃料電池工作原理示意

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燃料電池工作時發生下列過程：1）反應氣體在氣體擴散層內擴散；2）反應氣體在催化層內被催化劑吸附后被離解；3）陽極反應生成的氫離子穿過質子交換膜到達陰極與氧氣反應生成水，而電子通過外電路到達陰極產生電。質量能量密度高、能量補充速度快、清潔低碳是燃料電池的主要優勢。燃料電池電堆是氫氣和氧氣發生電化學反應及產生電能的場所，是燃料電池基本原理得以實現的核心物質載體。鑒于單個燃料電池單元輸出功率較小，實踐中通常通過將多個燃料電池單元以串聯方式層疊組合構成電堆來提高整體輸出功率。因此，電堆是由雙極板與膜電極交替疊合，各單體之間嵌入密封件，經前、后端板壓緊后用螺桿拴牢，構成的復合組件。

氫燃料電池電堆示意圖

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除電堆以外，燃料電池發動機還需要一系列輔助系統才能實現其功能。其中控制系統通過高精度調節反應氣體的壓力及流量等使得電堆中的反應始終維持在輸出功率、溫度、濕度均合適的水平，保證發動機穩定可靠工作；氫氣和空氣供給系統是為電堆提供合適壓力、溫度、濕度、流量的氫氣與空氣；水熱管理系統用于保持燃料電池內部水平衡和熱平衡。此外，燃料電池發動機系統配備由車載高壓儲氫瓶和配套閥件組成的車載氫系統用于儲存燃料，以及用于實現燃料電池與整車高壓之間解耦的DC/DC變換器。

所以，最終發揮發動機作用的燃料電池發動機系統主要由燃料電池發動機、電壓變換器（DC/DC）、車載氫系統等構成，其中燃料電池發動機主要部件包括電堆、發動機控制器、氫氣供給系統、空氣供給系統等。相較于傳統燃油車或純電動汽車動力系統，燃料電池發動機系統結構較為復雜。

燃料電池發動機系統結構示意

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目前的燃料電池從壽命、性能、資源和成本等方面已經達到產業化條件，滿足下游交通和備電等領域應用：（1）燃料電池車輛壽命和運營里程達到傳統汽柴油車水準，在英國和美國均有燃料電池公交車（FCEB）運營壽命超過2.9萬小時，無需大修或更換燃料電池組；（2）低溫啟動溫度可以達到-30℃；（3）鉑金催化劑用量較小，未來不會引起鉑金資源短缺，目前國際先進催化劑耗鉑水平可達到0.125g/kW，未來單車鉑金用量可以低于5g，與傳統柴油車尾氣催化劑鉑用量相當，并且催化劑在往低鉑和無鉑方向發展；（4）成本快速下降，日韓燃料電池汽車預計2025年能達到傳統內燃機車成本水平；（5）氫耗與油耗成本持平，并且隨著規模擴大，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，被認為是未來清潔環保的理想技術，是終極新能源動力解決方案。燃料電池本質上是發電機，下游應用場景廣泛，可以應用于交通領域和發電領域等。我們認為燃料電池發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，未來氫燃料電池市場規模可達萬億級別。

燃料電池下游應用場景廣泛

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2、氫能產業概述

車用氫能產業鏈

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產業鏈上游主要包括各類途徑的氫能制取。制氫技術包括燃料制氫、工業（氯堿）副產氫利用、電解水制氫等。燃料制氫多指從化石能源出發制取氫氣的技術，其中煤制氫、天然氣轉化制氫是技術成熟度較高的燃料制氫手段，對我國而言煤制氫更具成本優勢與可實現性，同時依托熱化學循環的一次能源利用效率也較高。但煤制氫本身并未擺脫化石能源依賴，氫中混雜的少量一氧化碳等氣體多導致催化劑中毒，對后續燃料電池的壽命有不利影響。

工業（氯堿）副產氫利用和電解水制氫均采用電解方式制氫，區別在于前者電解氯化鈉，主要產品是氫氧化鈉與氯氣，氫氣是待利用副產品；而后者主要產品是氫氣，氧氣是待利用副產品。氯堿工業副產氫利用，氫氣成本較低。電解水方式制氫技術成熟度也較高，故電的成本就決定了氫氣的成本。富余可再生能源電力（水電、風電、光伏等）的平均成本較低，邊際成本更低，制取氫氣理論成本低廉；常規網電以火電為主，成本較高，一次能源利用效率也不及煤制氫。

產業鏈中游、下游主要包括氫氣的儲運和加注。

儲氫技術包括高壓存儲氣態氫、低溫儲液氫、物理吸附儲氫、金屬儲氫、液體化合物儲氫等類型，需求重點是增加儲氫的質量百分比、體積百分比，保證氫氣純度，使得存儲與再釋放的環境盡可能溫和，及儲氫成本低廉、自放率（隨時間增加的氫氣損失率）低等。得到相對廣泛運用，且規模擴大同時邊際成本較低的儲氫方式是高壓存儲氣態氫和低溫儲液氫，且二者的自放率均大幅低于電能在各類電池中的儲存；其余儲氫方式還在研究、成熟過程中。

氫氣運輸技術和儲氫技術關注點類似，但長距離氫氣運輸無論采用高壓管束車方式，專用管道方式或者天然氣管道混氫-再分離方式，成本均較高，大幅高于輸電后電解水制氫對應的“氫氣運輸（電力/能量運輸）”成本。最終，氫氣的加注于加氫站實現。低壓氫氣加壓至燃料電池乘用車所需的70MPa或商用車所需的35MPa后，對相應車輛進行加注。

3、全球氫能-燃料電池產業進展概述

20世紀60年代，NASA（美國國家航空航天局）將燃料電池應用于雙子星航天飛船，開啟了燃料電池的現代發展史。20世紀70年代，石油危機引起了能源恐慌，氫能作為一種新興清潔能源開始受到各國政府的關注。20世紀90年代，包括奔馳、福特在內的國際知名車企紛紛推出燃料電池概念車型。進入21世紀后，氫能與燃料電池技術發展逐漸成熟。全球范圍內的氫能-燃料電池產業進展主要包括整車端的燃料電池整車進展和加氫站建設進展等。整車端，豐田Mirai，本田Clarity，奔馳F-cell，現代Nexo等車型驗證了燃料電池為高性能乘用車提供動力的可實現性。

部分燃料電池乘用車性能

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加氫站端，2018年全球加氫站新增48座，截止到2018年底，全球加氫站數目達到369座。其中歐洲152座，亞洲136座，北美78座，其他地區3座；全球擁有10座加氫站以上的國家分別是日本（96座）、德國（60座）、美國（42座）、中國（23座）、法國（19座）、英國（17座）、韓國（14座）、丹麥（11座）。

4、我國氫能-燃料電池產業概述

我國氫能來源廣泛，既有大量的工業副產氫氣，又有大量的棄風棄光電、低谷電等可供制氫的存量資源。燃料電池是氫能的重要應用方式，車用氫能產業亦是燃料電池產業大規模推廣的基礎。包括制氫、氫氣儲運和加氫站在內的氫能產業鏈的發展，對燃料電池汽車的推廣普及具有重要影響。我國氫能-燃料電池產業總體處于起步階段。已有多家上市/非上市公司涉及產業鏈諸多環節，但關鍵環節不同程度有待突破。

燃料電池電堆及相應組件的代表性公司

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燃料電池汽車數量方面，2016-2018年上牌數分別為629輛、1275輛和1527輛；2019年1-6月，我國燃料電池汽車產銷分別完成1170輛和1102輛，同比增長均在7倍以上。產業發展的相對滯后亟需政策端發力。國家、地方對氫能-燃料電池產業予以大力扶持。國家層面的扶持政策多以補貼、雙積分等經濟調節和產業規劃、技術進展等宏觀指導為主。

國家層面的氫能-燃料電池扶持政策（部分）

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另外，補貼、雙積分等扶持政策對燃料電池汽車的友好程度最高，體現為補貼額度高、積分數值高；新能源汽車產業發展規劃（2021-2035年）的編制工作啟動，燃料電池車輛也是發展重點。地方層面的扶持政策涉及產業多方面。

地方層面的氫能-燃料電池扶持政策（部分）

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5、氫能-燃料電池產業前瞻

氫能-燃料電池產業發展的前景主要包括燃料電池的技術進步、成本下降、規模增加，氫源供應的豐富化，加氫站數量的增長等。美國能源部估計，燃料電池電堆及發動機成本隨規模增加迅速下降。

燃料電池發動機、電堆成本-規模關系

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制氫成本至遠期降至10元/公斤；儲氫密度提升至6.5wt%；電堆比功率提升至6.5kW/L，壽命大幅延長，成本急劇下降。

氫能及燃料電池產業技術路線

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氫能源比例至遠期將達10%；產值將達12萬億元；加氫站、燃料電池車、固定式電源、燃料電池系統等相關裝備保有量不同程度增加，其中燃料電池車是裝備的主要組成部分。

氫能及燃料電池產業總體目標

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氫能及燃料電池產業發展總體目標（路線圖）

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6、中國燃料電池浪潮開啟，遠期萬億規模可期

中國對于燃料電池發展支持處于循序漸進狀態，我國從2001年就確立了“863計劃電動汽車重大專項”項目，確定三縱三橫戰略，以純電動、混合電動和燃料電池汽車為三縱，以多能源動力總成控制、驅動電機和動力蓄電池為三橫。近期隨著燃料電池產業發展逐漸成熟，中國在燃料電池領域的規劃綱要和戰略定調已經出現苗頭，支持力度逐漸加大，政策從產業規劃、發展路線和補貼扶持全方位支持燃料電池產業發展。

產業規劃：2016年11月29日，《“十三五”國家戰略性新興產業發展規劃》提出系統推進燃料電池汽車研發和產業化。加強燃料電池基礎材料與過程機理研究，推動高性能低成本燃料電池材料和系統關鍵部件研發。加快提升燃料電池堆系統可靠性和工程化水平，完善相關技術標準。推動車載儲氫系統以及氫制備、儲運和加注技術發展，推進加氫站建設。到2020年，實現燃料電池汽車批量生產和規模化示范應用。

發展路線：2016年10月，汽車工程年會發布的《節能與新能源汽車技術路線圖》中指出，到2020年燃料電池汽車在公共服務領域的示范應用要達到5000輛的規模；到2025年，實現氫燃料電池汽車的推廣應用，規模達到5萬輛；到2030年，實現氫燃料電池汽車的大規模推廣應用，氫燃料電池汽車規模超過１百萬輛。

補貼扶持：2016年12月30日財政部、科技部、工業和信息化部和發改委發布的《新能源汽車推廣補貼方案及產品技術要求》中規定除燃料電池汽車外，各類車型2019-2020年中央及地方補貼標準和上限，在現行標準基礎上退坡20%，對燃料電池汽車補貼延續至2020年不退坡，對于燃料電池乘用車，給予20萬元/輛補貼；對于燃料電池小型貨車、客車，給予30萬/輛補貼；對于燃料電池大中型客車，中重型貨車，給予50萬/輛補貼。2018年發布《關于調整完善新能源汽車推廣應用財政補貼政策的通知》，燃料電池汽車補貼基本保持不變。

燃料電池頂層規劃循序漸進

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地方政府中，富氫優勢、棄電較多或者產業領先為代表的地區重視燃料電池發展。多地市興建氫能產業園區，氫能小鎮和產業集群等，推動燃料電池公交、物流車示范運營，截至目前超過20地市明確推動氫燃料電池產業發展。目前僅上海、武漢、山東、蘇州、張家口、佛山、鹽城和大同等地規劃顯示，到2020年燃料電池汽車數量將超過1.5萬輛。

地方政府積極推動