氫燃料電池行業(yè)發(fā)展分析
來(lái)源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-04-26 21:46
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燃料電池的種類相當(dāng)多，目前市場(chǎng)上主要有堿性燃料電池(AFC)、質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)、甲醇燃料電池(DMFC)、磷酸燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、固態(tài)氧化物燃料電池(SOFC)。這些不同種類的燃料電池輸出功率范圍、發(fā)電效率、優(yōu)缺點(diǎn)、應(yīng)用領(lǐng)域都不盡相同。目前主流用于汽車的燃料電池是氫燃料電池，氫燃料電池是一種能夠?qū)?chǔ)存在燃料（氫氣）和氧化劑（空氣中的氧氣）中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能的能量轉(zhuǎn)換裝置，其基本工作原理就是電解水的逆過(guò)程，而目前在氫燃料電池中以質(zhì)子交換膜燃料電池居多，這主要是因?yàn)槠湓陔妱?dòng)汽車、固定發(fā)電站領(lǐng)域具有廣闊的大規(guī)模應(yīng)用的前景。
為目前市場(chǎng)常見電池近十年的出貨量，從圖中我們可以看到整體燃料電池出貨量從2009-2013年大幅上升，2013年以后整體出貨量的趨勢(shì)穩(wěn)重有升。另外，可以看到氫燃料電池PEMC從2014-2018年整體趨勢(shì)略有降低，但目前占有率仍然很高（高于50%）。值得注意的是SOFC電池的出貨量這幾年增加也較為明顯，這主要是由于SOFC在亞太地區(qū)尤其是在日本小型高效率發(fā)電系統(tǒng)ENE-FARM的家用燃料電池正在快速普及和發(fā)展。
為全球燃料電池2009-2018年出貨量，以瓦數(shù)計(jì)(MW)。從圖中可以看到發(fā)電容量急劇上升，僅2018年全球燃料電池出貨量已經(jīng)約為800MW，而PEMFC電池的發(fā)電量達(dá)到589.1MW，明顯占據(jù)主導(dǎo)地位，占比達(dá)到73.35%。由此可見，質(zhì)子交換膜型氫燃料電池無(wú)論是電池?cái)?shù)量還是發(fā)電容量上看都是主流的燃料電池技術(shù)，2015年以來(lái)PEMFC出貨量（以瓦數(shù)計(jì)）的暴增一方面得益于豐田（功率114kw）和現(xiàn)代（功率110kw）等燃料電池車的產(chǎn)量增長(zhǎng)；另一方面是因?yàn)槿毡竞蜌W洲等地的小型熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目持續(xù)增加，在這方面，日本和加拿大的企業(yè)占據(jù)主要市場(chǎng)。此外，中國(guó)最近幾年也大力支持PEMFC電動(dòng)汽車的發(fā)展。
2015年，國(guó)務(wù)院印發(fā)《中國(guó)制造2025》，提出了燃料電池汽車的戰(zhàn)略目標(biāo)及研究方向。目標(biāo)到2020年，我國(guó)逐步實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵材料和零部件國(guó)產(chǎn)化、燃料電池堆和整車性能提升、燃料電池汽車運(yùn)行規(guī)模擴(kuò)大。通過(guò)對(duì)關(guān)鍵材料、電池堆系統(tǒng)及通用化技術(shù)等重點(diǎn)領(lǐng)域的研究，到2020年實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，2025年完成商業(yè)化產(chǎn)品全產(chǎn)業(yè)鏈的建設(shè)，并實(shí)現(xiàn)區(qū)域小規(guī)模運(yùn)行。梳理過(guò)往政策則不難發(fā)現(xiàn)，政府對(duì)于燃料電池的政策傾斜正在加大。尤其是2018年的補(bǔ)貼政策，進(jìn)一步提升了電動(dòng)車鋰電池能量密度的補(bǔ)貼門檻要求，而對(duì)燃料電池車的補(bǔ)貼力度則保持不變。另外，2016年10月，《中國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展藍(lán)皮書（2016）》，2020年，加氫站100座，燃料電池汽車10000輛；2030年加氫站1000座，燃料電池車輛200萬(wàn)輛；2050年加氫站網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建完成，燃料電池車輛1000萬(wàn)輛，可見目前國(guó)家政策也是極力推進(jìn)氫燃料電池的商業(yè)化和大規(guī)模使用。2019年3月26日四部委發(fā)布《關(guān)于進(jìn)一步完善新能源汽車推廣應(yīng)用財(cái)政補(bǔ)貼政策的通知》，其中提到地方應(yīng)“支持充電(加氫)基礎(chǔ)設(shè)施‘短板’建設(shè)”。今年的《政府工作報(bào)告》也提及穩(wěn)定汽車消費(fèi)，推動(dòng)充電、加氫等設(shè)施建設(shè)?？梢?，發(fā)展氫能源汽車已經(jīng)得到中國(guó)政府相當(dāng)程度的重視。
氫燃料電池上游包含電池組件和氫能兩大類，氫能產(chǎn)業(yè)鏈有三大環(huán)節(jié)，每個(gè)環(huán)節(jié)都有很高的技術(shù)壁壘和技術(shù)難點(diǎn)，目前上游的電解水制氫技術(shù)、中游的化學(xué)儲(chǔ)氫技術(shù)和下游的燃料電池在車輛和分布式發(fā)電中的應(yīng)用被廣泛看好；電池組件包括燃料電池電堆、空壓機(jī)、水泵、氫泵、儲(chǔ)氫器、加濕器等。產(chǎn)業(yè)鏈中游是燃料電池系統(tǒng)的組裝部分。產(chǎn)業(yè)下游應(yīng)用主要有固定發(fā)電、交通運(yùn)輸、便攜式電子以及包含軍事、航天在內(nèi)的特殊領(lǐng)域。
2.氫燃料電池關(guān)鍵材料—催化劑
燃料電池核心系統(tǒng)是電堆，其成本占整個(gè)燃料系統(tǒng)的60%。如果說(shuō)電堆是燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈的決定因素，那么催化劑和質(zhì)子交換膜就是整個(gè)氫燃料電池行業(yè)的命脈。2017年，中國(guó)一共生產(chǎn)了1272輛燃料電池商用車，催化劑和質(zhì)子交換膜基本全部依托進(jìn)口。因而，催化劑和質(zhì)子交換膜的國(guó)產(chǎn)化是氫燃料電池發(fā)展的亟需解決的核心材料問(wèn)題。氫燃料電池電堆系統(tǒng)主要由催化劑、氣體擴(kuò)散層、質(zhì)子交換膜等組成。圖3是氫燃料電池電堆成本構(gòu)成，其中催化劑所占電堆成本比例最高，這主要是當(dāng)前商業(yè)化催化劑的種類限制所致。催化劑是質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極（MEA）的關(guān)鍵材料之一，決定了電池的放電性能和壽命。由于PEMFC工作溫度不足100oC，對(duì)催化劑活性要求很高，而鉑(Pt)催化劑具有良好的分子吸附、離解特性，因此鉑催化劑成為最理想、也是當(dāng)前唯一商業(yè)化的催化劑材料。鉑金屬價(jià)格昂貴，我國(guó)的儲(chǔ)存量也非常短缺。
Pt催化劑除了受成本與資源制約外，也存在耐久性問(wèn)題（主要體現(xiàn)在穩(wěn)定性上）。通過(guò)燃料電池衰減機(jī)制分析可知，燃料電池在車輛運(yùn)行工況下，催化劑會(huì)發(fā)生衰減，如在動(dòng)電位作用下會(huì)發(fā)生Pt納米顆粒的團(tuán)聚、遷移、流失等。這些問(wèn)題都是制約燃料電池發(fā)展的關(guān)鍵因素，針對(duì)這些成本和耐久性問(wèn)題，研究新型高穩(wěn)定、高活性的低Pt或非Pt催化劑是目前熱點(diǎn)問(wèn)題之一。目前，已經(jīng)研發(fā)出的催化劑的種類主要有鉑基催化劑、低鉑催化劑與非鉑催化劑。
