燃料電池發(fā)展趨勢及投資前景預(yù)測分析
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-05-02 11:42
點(diǎn)擊量：次
2014年11月豐田發(fā)布燃料電動(dòng)車Mirai，2015年1月，豐田宣布在全球范圍內(nèi)開放5680項(xiàng)技術(shù)專利，其中包括Mirai的1970項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)專利。豐田一些列動(dòng)作表明其在燃料電池汽車技術(shù)上已趨成熟，正進(jìn)入技術(shù)優(yōu)化和商業(yè)生態(tài)構(gòu)建階段。在我國,以國鴻氫能與Ballad合作為代表的“市場換技術(shù)”模式已經(jīng)落地，并計(jì)劃在兩年內(nèi)投放3000套燃料電池系統(tǒng)，同時(shí)福田汽車公告斬獲北京有車租賃100輛歐輝氫燃料電池電動(dòng)客車訂單等消息亦顯示國內(nèi)燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)化已悄然開啟。
具備高能量密度特性,氫燃料電池市場潛力巨大：氫燃料電池通過氫氣和氧氣電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能(核心部件為雙極板、電解質(zhì)、擴(kuò)散層、催化劑)，具有極高的能量密度并兼具零排放特點(diǎn)，無疑是我們所追求的最具潛力能源利用方式。在燃料電池汽車、鋰電池增程汽車、無人機(jī)、IDC等領(lǐng)域潛力巨大，根據(jù)富士經(jīng)濟(jì)預(yù)測未來十年燃料電池市場空間將達(dá)到3400億元以上。
工業(yè)廢氫利用可顯著降低氫使用成本，美國已規(guī)劃電堆成本下降目標(biāo)：美國計(jì)劃在2020年實(shí)現(xiàn)非重整法(電解法、生物法等)加氫平準(zhǔn)用氫價(jià)格降至10美元/kWh。電堆成本方面,在50萬套80kW電池系統(tǒng)產(chǎn)量規(guī)模下，實(shí)現(xiàn)由2015年的53美元/kW(合3.01萬/套)，下降至2020年40美元/kW(合2.34萬/套)，并期望最終達(dá)到30美元/kW(合1.75萬/套)。此外,當(dāng)前我國每年大約有10億立方米的廢氫被排放，能產(chǎn)生電能約130億度電，若將其在燃料電池側(cè)加以利用,經(jīng)濟(jì)價(jià)值巨大。
政策力挺燃料電池技術(shù)，購車補(bǔ)貼2020年之前不退坡：政策給予小型/輕型/大型燃料電池車補(bǔ)貼20/30/50萬元/臺(tái)、加氣站400萬元/個(gè)補(bǔ)貼。并出臺(tái)《中國制造2025—能源裝備實(shí)施方案》、《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃(2016-2030)》等支持文件,制定2020年達(dá)產(chǎn)1000輛燃料電池汽車并進(jìn)行示范運(yùn)行的目標(biāo)。另一方面巴黎峰會(huì)成功召開，我國到2030年GDP碳排放需較2005年下降60-65%。目前政府行政手段治理壓力大、效率低，ZEV、碳稅等經(jīng)濟(jì)手段的出臺(tái)將為燃料電池車加速發(fā)展奠定基礎(chǔ)。
風(fēng)險(xiǎn)提示：氫燃料電池車推廣不及預(yù)期、政策變化風(fēng)險(xiǎn)。
1.氫燃料電池為燃料電池主流方向，全球市場空間超3000億
燃料電池通過燃料的電化學(xué)反應(yīng)直接產(chǎn)生電能，相當(dāng)于一個(gè)小型發(fā)電裝臵(主要包括雙極板、電解質(zhì)、擴(kuò)散層、催化劑)。根據(jù)電解質(zhì)和燃料的不同，燃料電池分為六類：質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)、直接甲醇燃料電池(DMFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)、堿性燃料電池(AFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、磷酸燃料電池(PAFC)。燃料電池核心電化學(xué)方程式如下：
鑒于燃料電池仍是新興產(chǎn)業(yè)，多種技術(shù)路線并存(不只有氫燃料電池路線)，我們對6種燃料電池分別從各自反應(yīng)原理、輸出效率等方面進(jìn)行了梳理，以使大家更全面的了解燃料電池產(chǎn)業(yè)，并通過對比思考出更為符合我國國情的技術(shù)方向。
1.1.六類燃料技術(shù)各有用武之地，質(zhì)子交換膜燃料電池實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展
1.1.1.質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)：低溫運(yùn)行，主要應(yīng)用于交通領(lǐng)域
PEMFC采用水基酸性聚合物(一般為全氟磺酸)作為電解質(zhì)、鉑作為催化劑，是當(dāng)前燃料電池汽車和物料搬運(yùn)車的首選技術(shù)路線。相較其余5類電池，其特點(diǎn)為運(yùn)行溫度相對較低(一般低于100℃)，同時(shí)可以根據(jù)需要靈活調(diào)整電堆輸出功率。但因相對低的啟動(dòng)溫度并采用貴金屬基電極，這類電池必須使用高純度的氫。
為克服高純度氫氣需求限制，目前PEMFC出現(xiàn)高溫型技術(shù)路線，其原理為將水基電解質(zhì)變成無機(jī)酸基電解質(zhì)，該類電池運(yùn)行溫度可以高達(dá)200℃，對氫氣的純度要求較低，但有能量密度較低的弊端。
1.1.2.甲醇燃料電池(DMFC)：運(yùn)行溫度適中，主要應(yīng)用于消費(fèi)電子
DMFC是相對較新的技術(shù)，由美國NASA和噴氣式推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室在90年代發(fā)現(xiàn)。與PEMFC電池一樣需要使用聚合物膜(如全氟磺酸)作為電解質(zhì)，不同點(diǎn)為其采用鉑-釕金催化劑，燃料可以是氫也可以是液態(tài)甲醇，因此被稱作直接甲醇燃料電池。
甲醇具有相對高的能量密度，很容易運(yùn)輸和存儲(chǔ)?；谄溥\(yùn)行溫度60-130℃特點(diǎn)，效率60%左右，直接甲醇燃料電池主要應(yīng)用方向?yàn)殡娮赢a(chǎn)品、移動(dòng)充電寶、物料搬運(yùn)車等領(lǐng)域。
1.1.3.固體氧化物燃料電池(SOFC)：運(yùn)行溫度高，主要應(yīng)用于電站
SOFC采用固體陶瓷作為電解質(zhì)(例如氧化鋯-氧化釔)，運(yùn)行溫度非常高，最高運(yùn)行溫度高達(dá)800-1000℃，對鉑催化劑依賴較小，可采用多種碳?xì)浠衔锶剂?甲烷、煤氣等)。其能量轉(zhuǎn)換效率超過60%，如果放出的熱量能夠被回收利用，轉(zhuǎn)化率則可高達(dá)80%。但受限于啟動(dòng)時(shí)間長，很難應(yīng)用于汽車領(lǐng)域。
固體燃料電池在大型、小型固定式熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電站中應(yīng)用較多，例如Bloom的100kW離網(wǎng)發(fā)電站。此外，輸出功率W級的管狀固體燃料電池還成功應(yīng)用在便攜式充電裝臵領(lǐng)域。
1.1.4.堿性燃料電池(AFC)：可用非貴金屬催化劑，主要應(yīng)用于航天領(lǐng)域
AFC采用如氫氧化鉀、堿性聚合物之類的堿性電解質(zhì)，要求高純度氫，運(yùn)行溫度70℃左右。最先被NASA應(yīng)用在航天器上用于生產(chǎn)電能和水的電池，鮮被應(yīng)用于商業(yè)領(lǐng)域。其優(yōu)點(diǎn)是可采用非貴金屬作為催化劑(鎳最常見)，轉(zhuǎn)換效率可高達(dá)60%。
1.1.5.熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)：運(yùn)行溫度高，大型電站首選
MCFC采用附著在多孔陶瓷上的熔融碳酸鹽(包括碳酸鋰、碳酸鉀及碳酸鋰)作為電解質(zhì)。運(yùn)行溫度高達(dá)650℃，具備三大優(yōu)點(diǎn)：1)對貴金屬催化劑的依賴較低;2)比起低溫電池，可減少催化劑中毒概率;3)可以使用多種燃料(例如煤氣、甲烷等);缺點(diǎn)是存在高溫腐蝕。目前，MCFC主要用在一些大型電站、熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)、熱冷聯(lián)產(chǎn)(CCP)，轉(zhuǎn)換效率高達(dá)60%，聯(lián)產(chǎn)效率高達(dá)80%以上。
1.1.6.磷酸燃料電池(PAFC)：上一代主流燃料電池技術(shù)
作為2001年之前的主流燃料電池都技術(shù)，PAFC采用磷酸或磷酸基電解質(zhì)，能有效減少鉑催化劑(運(yùn)行溫度180℃左右)中毒，但發(fā)電效率較低，當(dāng)熱電聯(lián)產(chǎn)時(shí)效率可達(dá)80%。主要應(yīng)用在功率100-400kW的固定式發(fā)電站中，也有少量應(yīng)用在大型汽車中。
1.1.7.各類型電池出貨情況：受益交通應(yīng)用拉動(dòng)，PEMFC出現(xiàn)跨越式發(fā)展
2010-2015年，PEMFC、SOFC、MCFC三種類型電池占據(jù)了歷年總出貨量的90%以上，其中受交通運(yùn)輸領(lǐng)域需求拉動(dòng)，PEMFC在2015年出貨量出現(xiàn)了跨越式增長，同比增長高達(dá)147.04%;SOFC、MCFC在固定式電站或熱電聯(lián)產(chǎn)上應(yīng)用較為成熟，年均復(fù)合增長率45.87%。
1.1.8.全球燃料電池市場空間有望達(dá)到3400億，PEMFC占多數(shù)
根據(jù)日本富士經(jīng)濟(jì)預(yù)測，至2025年，全球燃料電池市場有望達(dá)到5.2萬億日元(合約人民幣3400億元)。通過分析，我們發(fā)現(xiàn)2015年之前，燃料電池應(yīng)用以產(chǎn)業(yè)和商業(yè)用途及家庭用途領(lǐng)域?yàn)橹?，但因燃料電池汽車商業(yè)化不斷落地的催化，下游市場已出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性變化。2011年燃料電池汽車市場僅為3億日元，未來隨著技術(shù)升級、加氫站等基礎(chǔ)設(shè)施的完善、政策支持力度加大，預(yù)計(jì)到2025年全球燃料電池汽車市場有望擴(kuò)大到2.91萬億日元(合約人民幣1900億元)，占整體市場一半以上，增長潛力巨大。
