燃料电池在交通领域(汽车、无人机)的市场导入已经开始,未来几年有望逐步放量,未来或许成为主流动力汽车能源之一,也许是二十年也许是五十年,但总归比之今天的锂电或许更具备典型意义。

燃料电池产业深度报告 市场与技术趋势分析

燃料电池星星之火,正待燎原:

2014年11月丰田发布燃料电动车Mirai,2015年1月,丰田宣布在全球范围内开放5680项技术专利,其中包括Mirai的1970项关键技术专利。丰田一些列动作表明其在燃料电池汽车技术上已趋成熟,正进入技术优化和商业生态构建阶段。在我国,以国鸿氢能与Ballad合作为代表的“市场换技术”模式已经落地,并计划在两年内投放3000套燃料电池系统,同时福田汽车公告斩获北京有车租赁100辆欧辉氢燃料电池电动客车订单等消息亦显示国内燃料电池汽车产业化已悄然开启。

具备高能量密度特性,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,无疑是我们所追求的最具潜力能源利用方式。在燃料电池汽车、锂电池增程汽车、无人机、IDC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。

工业废氢利用可显着降低氢使用成本,美国已规划电堆成本下降目标:

美国计划在2020年实现非重整法(电解法、生物法等)加氢平准用氢价格降至10美元/kWh。电堆成本方面,在50万套80kW电池系统产量规模下,实现由2015年的53美元/kW(合3.01万/套),下降至2020年40美元/kW(合2.34万/套),并期望最终达到30美元/kW(合1.75万/套)。此外,当前我国每年大约有10亿立方米的废氢被排放,能产生电能约130亿度电,若将其在燃料电池侧加以利用,经济价值巨大。

政策力挺燃料电池技术,购车补贴2020年之前不退坡:

政策给予小型/轻型/大型燃料电池车补贴20/30/50万元/台、加气站400万元/个补贴。并出台《中国制造2025—能源装备实施方案》、《能源技术革命创新行动计划(2016-2030)》等支持文件,制定2020年达产1000辆燃料电池汽车并进行示范运行的目标。另一方面巴黎峰会成功召开,我国到2030年GDP碳排放需较2005年下降60-65%。目前政府行政手段治理压力大、效率低,ZEV、碳税等经济手段的出台将为燃料电池车加速发展奠定基础。

1.氢燃料电池为燃料电池主流方向,全球市场空间超3000亿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)。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)。燃料电池核心电化学方程式如下:

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鉴于燃料电池仍是新兴产业,多种技术路线并存(不只有氢燃料电池路线),我们对6种燃料电池分别从各自反应原理、输出效率等方面进行了梳理,以使大家更全面的了解燃料电池产业,并通过对比思考出更为符合我国国情的技术方向。

1.1.六类燃料技术各有用武之地,质子交换膜燃料电池实现跨越式发展1.1.1.质子交换膜燃料电池(PEMFC):低温运行,主要应用于交通领域PEMFC采用水基酸性聚合物(一般为全氟磺酸)作为电解质、铂作为催化剂,是当前燃料电池汽车和物料搬运车的首选技术路线。相较其余5类电池,其特点为运行温度相对较低(一般低于100℃),同时可以根据需要灵活调整电堆输出功率。但因相对低的启动温度并采用贵金属基电极,这类电池必须使用高纯度的氢。

为克服高纯度氢气需求限制,目前PEMFC出现高温型技术路线,其原理为将水基电解质变成无机酸基电解质,该类电池运行温度可以高达200℃,对氢气的纯度要求较低,但有能量密度较低的弊端。

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1.2.甲醇燃料电池(DMFC):运行温度适中,主要应用于消费电子DMFC是相对较新的技术,由美国NASA和喷气式推进实验室在90年代发现。与PEMFC电池一样需要使用聚合物膜(如全氟磺酸)作为电解质,不同点为其采用铂-钌金催化剂,燃料可以是氢也可以是液态甲醇,因此被称作直接甲醇燃料电池。

甲醇具有相对高的能量密度,很容易运输和存储。基于其运行温度60-130℃特点,效率60%左右,直接甲醇燃料电池主要应用方向为电子产品、移动充电宝、物料搬运车等领域。

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1.3.固体氧化物燃料电池(SOFC):运行温度高,主要应用于电站SOFC采用固体陶瓷作为电解质(例如氧化锆-氧化钇),运行温度非常高,最高运行温度高达800-1000℃,对铂催化剂依赖较小,可采用多种碳氢化合物燃料(甲烷、煤气等)。其能量转换效率超过60%,如果放出的热量能够被回收利用,转化率则可高达80%。但受限于启动时间长,很难应用于汽车领域。

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