燃料电池行业的发展现状与未来趋势.docx

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1、燃料电池行业的发展现状与未来趋势燃料电池发展至今已经有近200年的历史，有测算预估到2035年，整个氢能产业链将带来5万亿的市场容量。产业链包含了上游的制、运、储，中游的燃料电池电堆、系统，及下游的交通运输、电源等。2020年国家颁布了以奖代补新扶持政策，将全国划分为5个城市示范群-北京、上海、广东、河北、河南，每个城市群最高可获得18.7亿元的补贴。通过2018年的燃料电池汽车购置补贴政策与2020年以奖代补政策对比发现，新政策在补贴的侧重点-从下游主机厂转向上游核心零部件及关键材料企业、补贴的直接获得对象-从主机厂转向牵头城市主导、直接受益对象-不仅是主机厂，地方政策还可以直接补贴到零部件

2、和材料企业等都有较大的变化。以奖代补新政策有助于加快燃料电池核心零部件环节的国产化进程.得益于新政策的实施，部分企业也正在将总部向五大城市群进行分流,其中以广东城市群中的牵头城市佛山最为明显。数据显示，2021年国内燃料电池零部件厂商达到了350个，对比2020年新增80个。-.燃料电池的现状1-1.燃料电池整体发展方向目前全球致力将低钳载量，高性能，低成本的膜电极，高导电、导热能力的双极板和气体扩散层作为主要的发展方向。而未来在下游应用对性能需求的提升下，也会往更高工作温度，更高效，成本更低的方向发展，可能在各部件材料及设计上都会有非常大的革新。I-2.燃料电池的应用及产销情况现阶段主要有几

3、种燃料电池技术：质子交换膜燃料电池、磷酸盐燃料电池、碱性燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池及固体氧化物燃料电池等。而由于显著的工作温度及启动时间优势，目前市场上将质子交换膜燃料电池(PEMFC)作为最主要的发展方向，在政策及性能优势的驱使下，质子交换膜燃料电池的下游应用主要集中在交通运输方面。数据显示，我国2021年全年汽车销量近1600辆，其中I-IO月1233辆，超过90%的部分为中重卡，而重卡也是未来燃料电池商用车的主要应用之一。图：2018-2021年燃料电池汽车产销量情况(辆)来源：中国汽车工业协会/中泰证券研究所通过对燃料电池车、纯电动车及传统燃油车的数据对比不难看出，随着技术的不断迭代

4、，新能源车型的优势逐步突显出来。对于新技术的产生,目前市场上众说纷纭，很多声音说燃料电池汽车终难以取代锂电能源车，但是实际上燃料电池汽车的存在更多在于相应碳中和的号召，节能减排，所以将燃料电池车的成本做到接近于传统燃油车，才是最终的目的。而相较于锂电池，燃料电池优势明显：氢气作为燃料的良好热能、工作时的反应效率，尤其是它具有优越的低温启动能力，短时间加注能力及单次加注后的长续航能力，都成为其在目前市场下得到重视的重要诱因。通过近些年的政策重视及产业引流，目前燃料电池车的主要存量分布已于前些年的欧美主导逐渐变为中日韩主导。据相关报道显示，全球目前质子交换膜燃料电池最多数的应用仍是在于乘用车领域。

5、2021年10月，世界领先的氢能乘用车，丰田公司的Mirai2代，实现了在加注5.65公斤氢气的情况下1360公里的续航，折合每公斤氢气240公里，这一突破打破了吉尼斯世界纪录.而对于当前的国内情况，氢能乘用车的整体发展速度较缓，主要还是着重于布局商用车，尤其中重卡领域。目前世界头部的几个主流重卡车型如丰田的KenworthT680、HINO和现代的Xcient等都可以实现全燃料电池系统工作，锂电设备作为辅助，而国内重卡大多仍停留在燃料电池及锂电池共同工作的情况，由此一来燃料电池在寒冷冬天的低温冷启动优势就很难得到体现，且对于燃料电池重卡的整体载重量也会有一定程度的削弱。对比目前市面上的纯锂电

6、重卡产品，氢能燃料电池的充电时间将会从几个小时缩减为几分钟,同时在续航能力方面将会有较大的改善，这都使燃料电池在重卡领域未来会得到极大的推广应用。二什么是燃料电池？来源：公开信息质子交换膜燃料电池是一个以氢气作为燃料，质子交换膜（PEM）作为电解质，通过电化学反应将化学能转化为电能的发电装置。具体表现为通过在阳极输入氢气发生氧化反应，阴极输入氧气或空气发生还原反应，在催化剂的作用下生成水的电化学反应。PEMFC有七层结构构成，中间是PEM,两侧为催化剂层（CL）,再往外是气体扩散层（GDL）,这五层成为膜电极（MEA）,膜电极的两侧为双极板（BP）,七层结构构成了燃料电池组件，多个电池组件通过

7、堆叠形成了燃料电池电堆。图：燃料电池结构图2-1.电解水制氢与燃料电池的相似之处及发展趋势氢气作为燃料电池的燃料，具有非常高的热值，而高纯度氢气制取技术作为燃料电池的上游，对燃料电池的发展起到很大的推动作用.就传统制氢而言，中国是煤炭大国，通过煤炭制氢是最主要的方式，而国际上主流方式还是用天然气制氢方法。随着技术的迭代，天然气及重整制氢也逐渐成为目前中国重要的制氢方式。但是由于制备过程中都有碳排放情况产生，并不能彻底解决问题。所以电解水制氢技术应运而生，如何获取较高的制备效率也将会是制氢技术的重要驱动因素。目前国内电力来源仍是煤电，所以在电解水制氢的过程中，仍然无法从根本上解决碳排放问题。但是

8、随着国内风电、光伏发电的逐步发展，相信在不远的将来，无论是从碳排放还是制氢成本上都将会有很大程度的改善。通过对煤制氢、天然气/重整制氢、工业副产制氢、水电解制氢等的对比不难看出，各方式的制氢成本和各地区原材料的成本有密切关系，天然气制氢方式的制氢成本较低，也是未来可能大规模应用的一个方向，而电解水制氢由于其较低的能源转换效率（50%左右）和氢气制取效率（75%左右），目前仍然处于发展阶段。主流的电解水制氢技术共有三种类型：碱性电解水（AE）制氢、质子交换膜电解水（PEM）制氢和固态氧化物电解水（SoEC）制氢，其中碱性电解水制氢是最为成熟、产业化程度最广的制氢技术，但其电解效率仅为60-75%

9、,而国外研发的PEM技术与SOEC技术均能有效提高电解效率,尤其是PEM技术已引入国内市场。cMk eIcctnMyw EEecuwyte Reservordirect gaspom图：电解水制氢发展进程上述提到的电解水制氢，基本都是基于AE描述的，AE在国内是最成熟的电解水工业化制氢方式，但制备的氢气纯度只有99%,这也是制约发展的因素。但是从制氢的体量上，2019年的时候已经可以达到100ONmVh,2021年已经达到1300Nm3/h,而目前PEM的制备速度只有200Nm3/h,600Nm3/h正在开发中。近两年几个大厂商，如中石化、中石油、国电投、宝武等地方能源企业，都开始领头进行加氢

10、站建设，而美锦能源、中鼎恒盛等大型民企，也都同步开始布局PEM电解槽。在各级资源的群策群力下，相信在不久的日子里，我们便能够在各地看到一定规模化的氢能设施建设。不同行业水电解装置产能(Nm3/h)分布图：不同行业水电解装置产能(Nm3/h)2-2.为什么要发展PEM电解水制氢技术？主要的触发因素就是电流密度的大幅提升。碱性制氢效率存在瓶颈的主要原因就是电流密度存在天花板,但PEM制氢能轻松突破碱性的天花板，且其在启动速度方面拥有更大的优势。同时，相较于碱性电解水制氢，PEM电解制氢过程中使用纯水而非碱液，这样一来也可以免去了后期回收和治污的成本。此外，PEM负荷调节范围相比碱性设备更加宽泛，在

11、应对可再生能源发电间歇性和波动性上更加得心应手。如果未来风光等可再生能源真的大规模替代火电，那么PEM想象空间将会比碱性制氢要大。从政策因素上来看，欧盟在此前规定了电解槽制氢响应时间小于5秒，而目前只有PEM电解水技术可达到这一要求。因此，欧盟也同样明确规划了PEM电解水制氢来逐渐取代碱性水电解制氢的发展路径。2-3.燃料电池车各部分成本情况从燃料电池整车成本构成来看，燃料电池系统和储氢系统占比较高II目前燃料电池系统和储氢系统占据整车成本的65%,大幅高于锂离子纯电动汽车的电池成本占比（约40%）.电堆成本和储氢系统占比最高，其成本下降对燃料电池整车降本具有至关重要的作用，而这其中最大的成本

12、下降期望值是在膜电极.对于整个电堆来说，整个膜电极含催化剂在一起可以占到成本的70%以上，这是目前成本难以下降的最大原因。所以催化剂和膜电极其他组件成本下降是未来燃料电池最大的瓶颈问题。由于当前下游氢能应用的缺少，部分产业内人士认为催化剂并不是一个主要问题，有些人认为目前催化剂占整个电堆的成本并不算很高，当生产一干套的时候，其成本占比只在20%左右。但是随着氢能下游应用的普及，电堆产量逐步增加。测算表明，当电堆产量达到50万套或者100万套时，催化剂单一成本占电堆成本达40%以上，加上膜电极组件，还有质子膜，还有封装，可以达到60%以上。由于世界范围内的贵金属的资源的有限性，随着产量的上升，的

13、基催化剂的价格也会逐步提升，占比逐步加大。因此，降低膜电极生产成本尤其是催化剂使用成本是燃料电池未来发展的一个关键的突破。2-4.膜电极的发展历程Meniirane膜电极组件（MEA）是质子交换膜燃料电池最核心的部件，释放能量的电化学反应就在该部件上发生，因而其性能、寿命及成本直接关系到燃料电池能否快速实现商业化。膜电极产业化至今已历经三代，第一代被称为气体扩散电极（GDE）,传统采用丝网印刷方法，将催化层制备到扩散层上。该类膜电极制备工艺简单，技术成熟，但也存在几个主要问题：质子导电率差，催化层较厚，催化剂利用率低；且催化层与质子交换膜的膨胀系数不同，电池运行较长时间以后电极和质子交换膜容易

14、分离。因此，第二代膜电极应运而生，其采用催化剂涂覆膜（CCM）技术，将催化层制备到交换膜上。改进后的方法与GDE在工艺上十分相似，但该方法使用质子交换膜的核心材料作为粘结剂次大降低了催化层与PEM之间的质子传输阻力，在一定程度上提高了膜电极的性能以及催化剂的利用率和耐久性。GDLMGDL(a)GDE膜电极构筑方法GDLGDL(b)CCM膜电极构筑方法来源：质子交换膜燃料电池有序化膜电极研究进展对于GDE膜电极和CCM膜电极而言，其催化层是由催化剂和电解质混合而成，一般而言形成的电子、质子扩散路径长，而水氧扩散需要的通道曲折程度大，同时扩散空隙大小不可控，因此会导致电极过程中较强的电化学极化和浓

15、差极化，从而影响膜电极大电流放电时的放电性能。第三代膜电极为有序化膜电极，当电极呈有序化结构时，大电流密度下的传质阻力将大幅降低，实现了高效三相传输，进一步提高了燃料电池性能，降低催化剂用量。目前，第三代膜电极的量产技术主要被以美国3M公司为代表的国际材料巨头掌握。随着有序化膜电极概念的提出越来越多的研究者开始关注PEMFC内部层间界面结构的优化，燃料电池的欧姆极化主要由层间界面的内阻造成.实验者通过将质子交换膜及催化层的界面结构由2D界面结构转变为3D工程界面，提升了催化剂的电化学活性面积(ECSA),从而提升Pt催化剂反应效能。为实现上述转变，研究人员通过研究采用了表面图案化膜和直接沉积膜

16、技术进行试验。其中表面图案化膜包括等离子蚀刻技术、热压技术及铸造等方法。后者为目前最先进的方法，具有简单和高效的优点。(”*子电&图：图案化膜制备方法示意图(a)具有蚀刻表面的块状膜(b)具有压印结构的块状膜(c)浇铸到结构化模具中获得的图案化膜来源：质子交换膜燃料电池研究进展实验显示，通过上述方法制备的PEM,最高可比没有表面图案的膜性能高53%(0.6V电压下)。而直接膜沉积(DMD)技术也是MEA的可行制造技术。区别于传统的CCM制备方法，离聚物分散体直接沉积在气体扩散电极上，然后将两个电极压入MEA中，这意味着PEM不需要自支撑，也无需热压等工艺来保证CL和PEM之间的良好粘合力，由该技术制得的膜厚度一般可在