1、 政策不斷加碼，燃料電池市場(chǎng)開(kāi)啟元年

1.1、 燃料電池技術(shù)路線更為環(huán)保，發(fā)電系統(tǒng)具有復(fù)雜性

人類(lèi)能源的發(fā)展史也是一部生產(chǎn)力發(fā)展史。從不發(fā)達(dá)社會(huì)使用收集的牲畜糞干、 秸稈茅草，到今天使用的石油、煤炭、天然氣能源，人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展是隨著能源的 進(jìn)步而進(jìn)步的。

從氫能生命周期的角度來(lái)看，只要有水，有太陽(yáng)能、光能、核能、電能等一次 能源或者二次能源，就可以制成氫氣。氫氣的用途非常廣泛，無(wú)論是發(fā)電、發(fā)熱還 是用作交通燃料，最后氫氣又會(huì)與氧化物反應(yīng)生成水。氫就像個(gè)能源載體，跟電一 樣的能源載體，將地球上的能量源源不斷地應(yīng)用到人類(lèi)生活的方方面面。另外，只 要制氫的能量來(lái)源是可再生能源，那么整個(gè)氫能的生命周期也將是清潔環(huán)保可持續(xù) 的。

氫能源具備以下特點(diǎn):(1)來(lái)源廣，不受地域限制;(2)可儲(chǔ)存，適應(yīng)中大規(guī) 模的儲(chǔ)能;(3)可再生能源橋梁，可以將其變成穩(wěn)定能源;(4)零污染，零碳，是 控制地球溫升的主要能源;(5)氫是全能的能源:可發(fā)電、可發(fā)熱，也可用作交通 燃料。

燃料電池是一種不經(jīng)過(guò)燃燒過(guò)程直接以電化學(xué)反應(yīng)方式將燃料如氫氣、天然氣 等和氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的高效發(fā)電裝臵，是繼水力發(fā)電、火力發(fā)電、 化學(xué)發(fā)電之后 第四種發(fā)電方式。燃料電池可以持續(xù)發(fā)電，且生成物主要是水，基 本上不排放有害氣體，因此更加清潔環(huán)保。燃料電池的概念是最早由 W.Grove在 1839 年提出的，目前在特種航天、交通運(yùn)輸、消費(fèi)電子產(chǎn)品及固定供電供熱裝臵 開(kāi)始了運(yùn)用。

與鋰電池作為一種儲(chǔ)能裝臵不同，二者有著本質(zhì)的差別。按其電解質(zhì)不同，常 用的燃料電池包括質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)、 熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、磷酸燃料電池(PAFC)和堿性燃料電池(AFC)等。其中質(zhì)子交換膜燃料電池 PEMFC 操作溫度低、啟動(dòng)速度快，是車(chē)用燃料電池 的首選。

燃料電池發(fā)電原理與原電池或二次電池相似，電解質(zhì)隔膜兩側(cè)分別發(fā)生氫氧化 反應(yīng)與氧還原反應(yīng)，電子通過(guò)外電路作功，反應(yīng)產(chǎn)物為水。燃料電池單電池包括膜 電極組件(MEA)、雙極板及密封元件等。膜電極組件MEA是電化學(xué)反應(yīng)的核心 部件，由陰陽(yáng)極多孔氣體擴(kuò)散電極和電解質(zhì)隔膜組成。額定工作條件下，一節(jié)單電 池工作電壓僅為 0.7 V 左右，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，為了滿(mǎn)足一定的功率需求，通常由數(shù)百節(jié)單電池組成燃料電池電堆或模塊。因此，與其他化學(xué)電源一樣，燃料電池電堆單 電池間的均一性非常重要。

與原電池和二次電池不同的是，燃料電池發(fā)電需要有一相對(duì)復(fù)雜的系統(tǒng)。典型 的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)組成，除了燃料電池電堆外，還包括燃料供應(yīng)子系統(tǒng)、氧化劑 供應(yīng)子系統(tǒng)、水熱管理子系統(tǒng)及電管理與控制子系統(tǒng)等，其主要系統(tǒng)部件包括空壓 機(jī)、增濕器、氫氣循環(huán)泵、高壓氫瓶等，這些子系統(tǒng)與燃料電池電堆(或模塊)組 成了燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。燃料電池系統(tǒng)的復(fù)雜性給運(yùn)行的可靠性帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

燃料電池工作方式與內(nèi)燃機(jī)類(lèi)似的，其燃料是在電池外攜帶的，而原電池及二 次電池的活性物質(zhì)是封裝在電池內(nèi)部，燃料電池所用的氫氣可以像傳統(tǒng)車(chē)汽油一樣 充裝速度快，只需要幾分鐘時(shí)間，顯示出比純電動(dòng)汽車(chē)較大的優(yōu)勢(shì);另外，70 MPa 的車(chē)載高壓氫瓶，也保證了燃料電池汽車(chē)具有較長(zhǎng)的續(xù)駛里程。因此，燃料電池汽 車(chē)在加氫、續(xù)駛里程等特性方面與傳統(tǒng)車(chē)具有一定的相似性。

與目前在發(fā)電廠和乘用車(chē)廣泛使用的以燃燒為基礎(chǔ)的技術(shù)相比，燃料電池?fù)碛?很多優(yōu)勢(shì)。 由于其沒(méi)有傳統(tǒng)熱機(jī)卡諾循環(huán)的限制，具有遠(yuǎn)高于內(nèi)燃機(jī)30%-35%的 能源轉(zhuǎn)換效率，燃料電池最高能效轉(zhuǎn)化率超過(guò) 60%，且具備污染低、無(wú)機(jī)械震動(dòng)、噪音低、能適應(yīng)不同功率要求、可連續(xù)性發(fā)電、可靠性高等優(yōu)勢(shì)性能。

燃料電池汽車(chē)的主流技術(shù)為燃料電池與二次電池“電-電”混合模式，平穩(wěn)運(yùn) 行時(shí)依靠燃料電池提供動(dòng)力，需要高功率輸出時(shí)，燃料電池與二次電池共同供電， 在低載或怠速工況燃料電池在提供驅(qū)動(dòng)動(dòng)力的同時(shí)，給二次電池充電。這種“電- 電”混合模式，可使燃料電池輸出功率相對(duì)穩(wěn)定，有利于燃料電池壽命的提升。另 外，燃料電池輸出電壓要通過(guò) DC-DC變換器使之與電機(jī)匹配。燃料電池電堆可采 用底板布局(如 Mirai)，也有的采用前艙布局(如美國(guó)通用汽車(chē)公司的 FCV)。

燃料電池電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力性能高、充電快、續(xù)駛里程長(zhǎng)、接近零排放，是未來(lái)新 能源汽車(chē)的有力競(jìng)爭(zhēng)者。國(guó)際上特別是日本車(chē)用燃料電池技術(shù)鏈已逐漸趨于成熟， 我國(guó)需要加大產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)，鼓勵(lì)企業(yè)進(jìn)行投入，發(fā)展批量生產(chǎn)設(shè)備，在產(chǎn)業(yè)鏈的建 立過(guò)程中促進(jìn)技術(shù)鏈的逐步完善。同時(shí)，在成本、壽命方面還要繼續(xù)進(jìn)行研發(fā)投入， 激勵(lì)創(chuàng)新材料的研制，加大投入強(qiáng)化電堆可靠性與耐久性考核，為燃料電池汽車(chē)商 業(yè)化形成技術(shù)儲(chǔ)備。

1.2、 電池成本仍然較高，期待復(fù)制鋰電規(guī)模效應(yīng)之路

對(duì)于燃料電池技術(shù)，目前最大的問(wèn)題是需要從能源供給轉(zhuǎn)換全局考慮，如果沒(méi) 有實(shí)現(xiàn)從石油能源往氫氣的整體轉(zhuǎn)換，并在較大地域范圍覆蓋，就沒(méi)辦法進(jìn)行大規(guī) 模化應(yīng)用。對(duì)于整車(chē)企業(yè)而言，市場(chǎng)規(guī)模就比較有限，需要較大的量才能有效降低 成本。

據(jù)美國(guó)能源部最新數(shù)據(jù)顯示，以 80kW 質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)為例，2017 年，每生產(chǎn) 1000 套燃料電池，燃料電池系統(tǒng)(包括燃料電池電堆、高壓儲(chǔ)氫罐、 升壓變頻器、電動(dòng)機(jī)、動(dòng)力控制單元等)的成本達(dá)到179美元/kW，其中電堆成本 為 118 美元/kW;每生產(chǎn) 1 萬(wàn)套燃料電池，燃料電池系統(tǒng)成本為 79 美元/kW，其中 電堆成本為 39美元/kW。

以豐田 Mirai 為例，2015 年該車(chē)產(chǎn)量已達(dá)到700輛，2016 年提升至 2000 輛， 到 2020年將達(dá)到 3 萬(wàn)輛，這是 2017 年的10倍。如果按照上述數(shù)字折算，豐田 Mirai 的續(xù)航超過(guò) 600 公里，燃料電池組最大功率為114kW，核算其電堆成本為 1.1~1.3 萬(wàn)美元，整套燃料電池系統(tǒng)超過(guò) 2 萬(wàn)美金。而同等的電池系統(tǒng)大約需要 70-80kWh， 電池系統(tǒng)成本為 1.4-1.6 萬(wàn)美金。

2017年 LDV 汽車(chē)燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池堆和組件，包括空氣回路、燃料 回路、高(HTL)和低溫液體(LTL)冷卻劑回路，儲(chǔ)氫罐和閥門(mén)不包括在成本分 析中。研究小組發(fā)現(xiàn)，功率密度的提高和陰極催化劑的鉑含量降低(設(shè)定為 0.125 g/cm2)促使成本降低。然而，催化劑和雙極板在大規(guī)模生產(chǎn)堆棧成本中占比最高， 尤其是 Pt和不銹鋼的含量。研究小組發(fā)現(xiàn)，壓縮機(jī)膨脹機(jī)(CEM)單元仍然是組 件中成本最高的一項(xiàng)。

燃料電池壽命不需要解決充電問(wèn)題，其持續(xù)壽命主要是發(fā)電和行駛工況，現(xiàn)階 段核心的難點(diǎn)之一就是解決燃料電池壽命，這個(gè)目標(biāo)是5000-10000小時(shí)。目前國(guó) 際先進(jìn)水平的燃料電池壽命是 5000 小時(shí)，部分電堆的壽命可能更高一些，而國(guó)內(nèi) 水平只有 2000-3000 小時(shí)。

氫燃料發(fā)電的過(guò)程中，需要用到含鉑催化劑，但鉑金是貴金屬，價(jià)格高昂。豐 田的燃料電池車(chē) Mirai 每輛車(chē)用鉑 20g，約合 0.17g/kW。根據(jù)美國(guó)能源部的規(guī)劃， 到 2020 年燃料電池汽車(chē)用鉑量預(yù)計(jì)會(huì)下降到 0.125g/kW。在這個(gè)層面，持續(xù)的技術(shù)投入對(duì)于原料的依賴(lài)還有持續(xù)的工作要做。

1.3、 固定電源應(yīng)用最為廣泛，交通動(dòng)力運(yùn)用成長(zhǎng)空間大

燃料電池有三大類(lèi)主要市場(chǎng):固定電源、交通運(yùn)輸和便攜式電源。

固定電源應(yīng)用是目前最大的市場(chǎng)。固定電源市場(chǎng)包括所有的在固定的位臵運(yùn)行 的作為主電源、備用電源或者熱電聯(lián)產(chǎn)的燃料電池，比如分布式發(fā)電及余熱供熱等。 固定燃料電池被用于商業(yè)、工業(yè)及住宅主要和備份能發(fā)電，它還可以作為動(dòng)力源可 以安裝在片源遠(yuǎn)位臵，如航天器、遠(yuǎn)端氣象站、大型公園及游樂(lè)園、通訊中心、農(nóng) 村及偏遠(yuǎn)地帶，對(duì)于一些科學(xué)研究站和某些特種應(yīng)用非常重要。

固定電源應(yīng)用在燃料電池主流應(yīng)用中占比最大，其中美國(guó)市場(chǎng)目滲透率略高， 大型企業(yè)的數(shù)據(jù)中心使用量呈較明顯的上升趨勢(shì)。除用于發(fā)電之外，熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP) 燃料電池系統(tǒng)還可以同時(shí)為工業(yè)或家庭供電和供熱。

交通動(dòng)力應(yīng)用是目前關(guān)注度最高的燃料電池應(yīng)用領(lǐng)域。交通運(yùn)輸市場(chǎng)包括為乘 用車(chē)、巴士/客車(chē)、叉車(chē)以及其他以燃料電池作為動(dòng)力的車(chē)輛提供的燃料電池，例 如特種車(chē)輛、物料搬運(yùn)設(shè)備和越野車(chē)輛的輔助供電裝臵等。

汽車(chē)用燃料電池作為動(dòng)力系統(tǒng)是目前關(guān)注度最高的應(yīng)用領(lǐng)域。這是目前是爆發(fā) 最迅猛，也是關(guān)注度最高的應(yīng)用領(lǐng)域。燃料電池為動(dòng)力的叉車(chē)是燃料電池在工業(yè)應(yīng) 用內(nèi)最大的部門(mén)之一。用于材料搬運(yùn)的大多數(shù)燃料電池是質(zhì)子交換膜燃料電池提供 動(dòng)力，但也有一些直接甲醇燃料叉車(chē)進(jìn)入市場(chǎng)。目前正在運(yùn)營(yíng)的燃料電池車(chē)隊(duì)有大 量的公司，包括聯(lián)邦快遞貨運(yùn)、西斯科食品、GENCO、H-E-B 雜貨店等。

而便攜式電源市場(chǎng)包括非固定安裝的或者移動(dòng)設(shè)備中使用的燃料電池，目前相比鋰電池的優(yōu)勢(shì)并不明顯，因此市場(chǎng)滲透不快。

1.4、 相關(guān)政策支持顯現(xiàn)，補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)保持不變

從國(guó)際看，美國(guó)、歐盟、日本、韓國(guó)等國(guó)家投入巨資研究燃料電池技術(shù)、強(qiáng)力 推動(dòng)燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展并制定補(bǔ)貼政策和中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃，搶占行業(yè)制高點(diǎn)。目前 來(lái)看，燃料電池已經(jīng)在交通領(lǐng)域、固定式發(fā)電領(lǐng)域、通信基站備用電源領(lǐng)域和物料 搬運(yùn)領(lǐng)域所有成績(jī)，正在逐步邁向商業(yè)化的步伐。

從國(guó)內(nèi)看，燃料電池研究始于 1958 年，70 年代呈現(xiàn)出第一次高潮。“九五” 和“十五”期間，燃料電池作為國(guó)家支持的重點(diǎn)領(lǐng)域之一，形成了以大學(xué)研究院所 為主的研發(fā)體系，積累了一定經(jīng)驗(yàn);到“十一五”期間，196 輛燃料電池汽車(chē)服務(wù)于 北京奧運(yùn)和上海世博會(huì)，奧運(yùn)會(huì)后燃料電池大客車(chē)?yán)^續(xù)進(jìn)行公交車(chē)示范;隨著政策 和項(xiàng)目支持力度放緩，“十二五”期間有 2 項(xiàng)燃料電池相關(guān)的863項(xiàng)目;“十三五” 期間國(guó)家日益重視其發(fā)展，將氫能和燃料電池作為“十三五”發(fā)展的重點(diǎn)之一。

從 2006 年開(kāi)始，我國(guó)開(kāi)始制定與燃料電池相關(guān)的政策;2014 年《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃(2014-2020年)》，明確將氫能與燃料電池列入能源科技 20 個(gè)重點(diǎn)創(chuàng)新方向之一;2014 年《關(guān)于新能源汽車(chē)充電設(shè)施建設(shè)獎(jiǎng)勵(lì)的通知》提出“對(duì)符合國(guó)家標(biāo) 準(zhǔn)且日加氫能力不少于 200公斤的新建燃料電池汽車(chē)加氫站每個(gè)站獎(jiǎng)勵(lì) 400 萬(wàn)元”; 到 2015 年《2016-2020年新能源汽車(chē)推廣應(yīng)用財(cái)政支持政策》提到“2016 年燃料 電池汽車(chē)補(bǔ)助 20 萬(wàn)元，2017年-2020 年除燃料電池汽車(chē)外其他車(chē)型補(bǔ)助標(biāo)準(zhǔn)將適 當(dāng)退坡”。

節(jié)能與新能源汽車(chē)技術(shù)路線中明確到 2025 年燃料電池汽車(chē)達(dá)到 10 萬(wàn)輛規(guī)模， 到 2030 年達(dá)到百萬(wàn)輛規(guī)模。2017 年 7 月，中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心發(fā)布《中國(guó)燃料 電池汽車(chē)發(fā)展路線圖》，明確了我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)的近、中、遠(yuǎn)期發(fā)展目標(biāo)與任務(wù):2020 年行業(yè)總產(chǎn)值達(dá)到 3000 億元，2030年產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值突破 1 萬(wàn)億。

1.5、 燃料電池汽車(chē)銷(xiāo)量提升需要政府扶持推動(dòng)

根據(jù)日經(jīng) BP 清潔技術(shù)研究所的研究，到 2015 年世界氫氣相關(guān)市場(chǎng)規(guī)模約為 7 萬(wàn)億日元。之后，燃料電池車(chē)與定臵燃料電池將帶動(dòng)市場(chǎng)擴(kuò)大，市場(chǎng)規(guī)模將在2020年超過(guò) 10 萬(wàn)億日元，到 2030 年將達(dá)到約37萬(wàn)億日元。到那時(shí)，各國(guó)的發(fā)電企業(yè) 都將積極投資氫氣發(fā)電，投入運(yùn)營(yíng)。2050 年的市場(chǎng)規(guī)模預(yù)期高達(dá) 160 萬(wàn)億日元。

據(jù) Information Trends 的研究結(jié)果，自 2013 年氫燃料電池車(chē)商業(yè)化到2017年 底，全球總計(jì)售出 6475 輛氫燃料電池乘用車(chē)。2016 年之前一共銷(xiāo)售 3000 輛，2017 年銷(xiāo)售 3382 輛，其中豐田Mirai就賣(mài)出 3000 輛，占比為 75%，本田和現(xiàn)代汽車(chē)分 別占 13%和 11%。豐田在推動(dòng)燃料電池車(chē)商業(yè)化方面不遺余力，主要在美國(guó)市場(chǎng) 和日本市場(chǎng)同步大力推動(dòng)。

燃料電池汽車(chē)的加氫站分布，在美國(guó)比較集中，主要在加州舊金山灣區(qū)、洛杉 磯及奧蘭治縣，對(duì)應(yīng)超過(guò)50%的氫燃料電池車(chē)也在加州售出。從全球范圍來(lái)看，燃 料電池汽車(chē)商業(yè)化進(jìn)程正在加快，不過(guò)推動(dòng)力主要源自于日本和韓國(guó)兩個(gè)相對(duì)地域 狹小的國(guó)家。

2018年 6 月，韓國(guó)政府同意在未來(lái)五年內(nèi)投資約 20 億歐元用于氫燃料電池以 及加氫站的補(bǔ)貼。目標(biāo)到 2022 年為 15000 輛燃料電池汽車(chē)和1000輛燃料電池公交 車(chē)提供資金。最重要的是，資助計(jì)劃包括 310 個(gè)新的加氫站。

日本則致力于氫氣站網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和完善。2020 年前，日本計(jì)劃推廣 4 萬(wàn)輛氫 燃料電池汽車(chē)上路，并在 2025 年和2030年之前分別達(dá)到 20 萬(wàn)輛和 80 萬(wàn)輛。另外， 加氫站也將在 2020年之前發(fā)展到 160 個(gè)，在 2025 年和2030年前分別發(fā)展到 320 個(gè)和 720 個(gè)。

根據(jù) Ofweek 產(chǎn)業(yè)研究院統(tǒng)計(jì)，2018 年中國(guó)燃料電池汽車(chē)銷(xiāo)量共計(jì)833輛，同 比減少 20.5%。對(duì)比產(chǎn)量數(shù)據(jù)，2018 年我國(guó)氫燃料電池汽車(chē)產(chǎn)量達(dá) 1619 輛，同比 增加 27%。其中 12 月份生產(chǎn)的車(chē)輛多達(dá) 1153 輛，預(yù)計(jì)這些車(chē)輛部分將在 2019 年 實(shí)現(xiàn)銷(xiāo)售。

2018年中國(guó)燃料電池客車(chē)銷(xiāo)量同比大增 262.9%。與新能源汽車(chē)類(lèi)似，我國(guó)燃 料電池汽車(chē)產(chǎn)量“翹尾現(xiàn)象”明顯。2018 年12月燃料電池汽車(chē)銷(xiāo)量達(dá)到 665 輛， 占全年銷(xiāo)售總量的 78.3%。2018 年我國(guó)銷(xiāo)售的燃料電池汽車(chē)中，燃料電池客車(chē) 421 輛，占全年銷(xiāo)量的 50.5%，同比增長(zhǎng) 262.9%。燃料電池貨車(chē)銷(xiāo)量412輛，同比減 少 55.8%。

主要受燃料電池貨車(chē)銷(xiāo)售情況影響，2018 年我國(guó)燃料電池汽車(chē)銷(xiāo)售情況整體 呈下降趨勢(shì)。但在各地政府示范項(xiàng)目的帶動(dòng)下，2018 年燃料電池客車(chē)采購(gòu)合同頻 現(xiàn)，燃料電池客車(chē)銷(xiāo)量較 2017 年大漲。

受政策及加氫站建設(shè)等因素影響，2018 年廣東省深圳、佛山、廣州、云浮四 地區(qū)銷(xiāo)售的燃料電池汽車(chē)總量達(dá)到 503 輛，占到全國(guó)銷(xiāo)量的 60%。其中深圳、佛 山兩地區(qū)分別銷(xiāo)售燃料電池汽車(chē)350、106 輛。此外，北京、張家口地區(qū)也是燃料 電池汽車(chē)主要銷(xiāo)售區(qū)域，兩地分別銷(xiāo)售燃料電池汽車(chē) 90 和74輛。

2018年各省市燃料電池客車(chē)銷(xiāo)售分布較為均衡。燃料電池貨車(chē)則主要集中在 廣東、北京等地區(qū)，其中深圳市銷(xiāo)售的350輛燃料電池汽車(chē)車(chē)型全部為中型貨車(chē)。

與 2018 年我國(guó)燃料電池汽車(chē)生產(chǎn)情況一致的是，銷(xiāo)售排名前三的企業(yè)分別為 中通、飛馳和福田，三家車(chē)企銷(xiāo)售總量為 606 輛，占全部車(chē)企銷(xiāo)量的 72.7%。涉及 燃料電池貨車(chē)生產(chǎn)的僅有中通、飛馳、福田和青年曼五個(gè)品牌。燃料電池客車(chē)以大 中型客車(chē)為主，燃料電池貨車(chē)以中型貨車(chē)為主。

根據(jù)《中國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展藍(lán)皮書(shū)》，到 2020 年和 2030 年燃料電池車(chē) 保有量分別達(dá)到 1萬(wàn)輛和 200 萬(wàn)輛，加氫站分別達(dá)到 100 座和 1000座。

總體來(lái)看，2018 年中國(guó)燃料電池汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)規(guī)模與 2017 年相比沒(méi)有明顯變化， 而銷(xiāo)售車(chē)型更加均衡，燃料電池客車(chē)數(shù)量增加明顯。

2、 電堆是核心部分，材料技術(shù)構(gòu)建壁壘

2.1、 化石燃料制氫和高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫為成熟路線

燃料電池上游主要是氫氣和氧氣，是燃料電池的動(dòng)力來(lái)源。氧氣較容易獲得， 主要通過(guò)直接吸取空氣作為氧氣的來(lái)源。

制氫方法是將存在于天然或合成的化合物中的氫元素，通過(guò)化學(xué)的過(guò)程轉(zhuǎn)化為 氫氣的方法。根據(jù)氫氣的原料不同，氫氣的制備方法可以分為非再生制氫和可再生 制氫，前者的原料是化石燃料，后者的原料是水或可再生物質(zhì)。制備氫氣的方法目 前較為成熟，從多種能源來(lái)源中都可以制備氫氣，每種技術(shù)的成本及環(huán)保屬性都不 相同。主要分為五種技術(shù)路線:工業(yè)尾氣副產(chǎn)氫、電解水制氫、化工原料制氫、石 化資源制氫和新型制氫方法等。

電解水制氫，在由電極、電解質(zhì)與隔膜組成的電解槽中，在電解質(zhì)水溶液中通 入電流，水電解后，在陰極產(chǎn)生氫氣，在陽(yáng)極產(chǎn)生氧氣。

化石原料制氫，化石原料目前主要指天然氣、石油和煤，其他還有頁(yè)巖氣和可 燃冰等。天然氣、頁(yè)巖氣和可燃冰的主要成分是甲烷。甲烷水蒸氣重整制氫是目前 采用最多的制氫技術(shù)。煤氣化制氫是以煤在蒸汽條件下氣化產(chǎn)生含氫和一氧化碳的 合成氣，合成氣經(jīng)變換和分離制得氫。由于石油量少，現(xiàn)在很少用石油重整制氫。

化合物高溫?zé)岱纸庵茪洌状剂呀庵茪洹狈纸庵茪涞榷紝儆诤瑲浠衔锔邷?熱分解制氫含氫化合物由一次能源制得。

工業(yè)尾氣制氫，合成氨生產(chǎn)尾氣制氫、石油煉廠回收富氫氣體制氫、氯堿廠回收副產(chǎn)氫制氫、焦?fàn)t煤氣中氫的回收利用等。

新型制氫方法，包括生物質(zhì)制氫、光化學(xué)制氫、熱化學(xué)制氫等技術(shù)。生物質(zhì)制 氫指生物質(zhì)通過(guò)氣化和微生物催化脫氫方法制氫，在生理代謝過(guò)程中產(chǎn)生分子氫過(guò) 程的統(tǒng)稱(chēng)。光化學(xué)制氫是將太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)化為氫的化學(xué)自由能，通稱(chēng)太陽(yáng)能制氫。 熱化學(xué)制氫指在水系統(tǒng)中，不同溫度下，經(jīng)歷一系列化學(xué)反應(yīng)，將水分解成氫氣和 氧氣，不消耗制氫過(guò)沉重添加的元素或化合物，可與高溫核反應(yīng)堆或太陽(yáng)能提供的 溫度水平匹配。

從全球范圍來(lái)看，當(dāng)前主要的制氫方法主要采用的是石化資源制氫，其次是化 工原料制氫。具體來(lái)看，制氫原料來(lái)源最多的是天然氣，比重達(dá)到48%，其次是醇 類(lèi)，比重為 30%。兩者對(duì)應(yīng)的制氫方法分別是石化資源制氫和化工原料制氫占比。 而原料來(lái)源于電解水的比重只占 4%，目前采用電解水制氫的方法還很少。而新型 制氫法幾乎沒(méi)怎么應(yīng)用于大規(guī)模的制氫。

全球主流的選擇是化石原料制氫和化工原料制氫。之所以如此，主要原因在于 化石原料制氫和化工原料制氫的成本較低，具有盈利空間。

日本主要的制氫產(chǎn)能主要來(lái)自于電解水制氫，該方式的制氫產(chǎn)能占總制氫產(chǎn)能 的 63%，而化石原料制氫、化工原料制氫、工業(yè)尾氣制氫的制氫產(chǎn)能占比都比較小。 而我國(guó)則可以學(xué)習(xí)日本的電解水制氫的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，發(fā)展電解水制氫技術(shù)。

從當(dāng)前技術(shù)、資源條件來(lái)看，我國(guó)主要采用化石原料制氫法。雖然在煤制氫工 藝過(guò)程中，二氧化碳的排放水平較高，但可以引入二氧化碳捕捉技術(shù)(CCS)，降低 碳排放。

電解水制氫是最清潔、最可持續(xù)的制氫方式，并且是未來(lái)制氫的發(fā)展的重要方 向。當(dāng)前制氫技術(shù)比較發(fā)達(dá)的日本，主要采用的制氫方法就是電解水制氫。但是電 解水制氫的成本很高，因此要大規(guī)模發(fā)展電解水制氫，降成本將是首要任務(wù)。當(dāng)前， 電解水制氫成本主要來(lái)源于固定資產(chǎn)投資、用電成本和固定生產(chǎn)運(yùn)維成本，其中電 價(jià)占總成本的77%，電價(jià)高是造成電解水成本高的主要原因。要發(fā)展電解水制氫就 需要降低用電成本。除此之外，還需要提高電解水制氫的效率，降低規(guī)模化制氫的 成本。

雖然目前水電解制氫成本遠(yuǎn)高于石化燃料，而煤氣化制氫和天然氣重整制氫相 對(duì)于石油售價(jià)已經(jīng)存在利潤(rùn)空間。但是用化石燃料制取氫氣不可持續(xù)，不能解決能 源和環(huán)境的根本矛盾。并且碳排放量高，煤氣化制氫二氧化碳排放量高達(dá) 193kg/GJ， 天然氣重整制氫也有 69 kg/GJ，對(duì)環(huán)境不友好。而電解水制氫是可持續(xù)和低污染的， 這種方法的二氧化碳排放最高不超過(guò) 30 kg/GJ，遠(yuǎn)低于煤氣化制氫和天然氣重整制 氫。

從成本和原料的可得性分析出化石原料制氫是當(dāng)前最具有可行性的制氫方法。 但是這種制氫方法不可持續(xù)，并且不符合環(huán)保的要求，因此未來(lái)還是要發(fā)展清潔、 環(huán)保、可持續(xù)的電解水制氫。 再利用電力方面，如果充分利用棄風(fēng)棄水的電量， 則有利于電解水制氫產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

氫是所有元素中最輕的，在常溫常壓下為氣態(tài)，密度僅為 0.0899 kg/m3 ，是 水的萬(wàn)分之一，因此其高密度儲(chǔ)存一直是一個(gè)世界級(jí)難題。

燃料電池儲(chǔ)氫方式主要包括高壓儲(chǔ)氫、液態(tài)儲(chǔ)氫以及儲(chǔ)氫材料儲(chǔ)氫，目前燃料 電池汽車(chē)儲(chǔ)氫的主流技術(shù)是高壓儲(chǔ)氫，儲(chǔ)存的氣體氫通過(guò)氫泵進(jìn)入電堆，同時(shí)氫泵 也可以調(diào)節(jié)氫氣壓力實(shí)現(xiàn)與空氣壓力的協(xié)調(diào)以保障電化學(xué)反應(yīng)的穩(wěn)定。

按照氫在輸運(yùn)時(shí)所處狀態(tài)的不同，可以分為氣氫輸送、液氫輸送和固氫輸送。 其中前兩者是目前正在大規(guī)模使用的兩種方式。根據(jù)氫的輸送距離、用氫要求及用 戶(hù)的分布情況，氣氫可以用管道網(wǎng)絡(luò)，或通過(guò)高壓容器裝在車(chē)、船等運(yùn)輸工具上進(jìn) 行輸送。管道輸送一般適用于用量大的場(chǎng)合，而車(chē)、船運(yùn)輸則適合于量小、用戶(hù)比 較分散的場(chǎng)合。液氫、固氫輸運(yùn)方法一般是采用車(chē)船輸送。

2.2、 MEA 為電池關(guān)鍵部件

膜電極組件(membrane electrode assembly，MEA)是集膜、催化層、擴(kuò)散層于一體的組合件，是燃料電池的核心部件之一。

膜位于中間，兩側(cè)分別為陰極、陽(yáng)極的催化層和擴(kuò)散層，通常采用熱壓方法粘 結(jié)使其成為一個(gè)整體。其性能除了與所組成的材料自身性質(zhì)有關(guān)外，還與組分、結(jié) 構(gòu)、界面等密切相關(guān)。

目前，國(guó)際上已經(jīng)發(fā)展了 3 代 MEA 技術(shù)路線:一是把催化層制備到擴(kuò)散層上(GDE)，通常采用絲網(wǎng)印刷方法，其技術(shù)已經(jīng)基本成熟;二是把催化層制備到膜 上(CCM)，與第 1 種方法比較，在一定程度上提高了催化劑的利用率與耐久性; 三是有序化的MEA，把催化劑如 Pt 制備到有序化的納米結(jié)構(gòu)上，使電極呈有序化結(jié)構(gòu)，有利于降低大電流密度下的傳質(zhì)阻力，進(jìn)一步提高燃料電池性能，降低催化 劑用量。其中第 1代、第 2 代技術(shù)已基本成熟，新源動(dòng)力股份有限公司、武漢新能 源汽車(chē)等公司均可以提供膜電極產(chǎn)品。

電催化劑(catalyst)是燃料電池的關(guān)鍵材料之一，其作用是降低反應(yīng)的活化 能，促進(jìn)氫、氧在電極上的氧化還原過(guò)程、提高反應(yīng)速率。因?yàn)檠踹€原反應(yīng)(ORR) 交換電流密度低，是燃料電池總反應(yīng)的控制步驟。目前，燃料電池中常用的商用催 化劑是 Pt/C，由 Pt 的納米顆粒分散到碳粉(如 XC-72)載體上的擔(dān)載型催化劑。

使用 Pt 催化劑受資源與成本的限制，目前Pt用量已從 10 年前 0.8~1.0 gPt〃kW-1 降至現(xiàn)在的 0.3~0.5 gPt〃kW-1，希望進(jìn)一步降低，使其催化劑用量達(dá) 到傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)尾氣凈化器貴金屬用量水平(<0.05 gPt〃kW-1)，近期目標(biāo)是 2020 年燃料電池電堆的 Pt 用量降至0.1 gPt〃kW-1 左右。Pt 催化劑除了受成本與資源 制約外，也存在穩(wěn)定性問(wèn)題，通過(guò)燃料電池衰減機(jī)理分析可知，燃料電池在車(chē)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，在開(kāi)路、怠速及啟停過(guò)程產(chǎn)生氫空界面引起的高電位導(dǎo)致催化劑碳載體 的腐蝕，從而引起催化劑流失。因此，針對(duì)目前商用催化劑存在的成本與耐久性問(wèn) 題，研究新型高穩(wěn)定、高活性的低 Pt 或非 Pt 催化劑是目前的熱點(diǎn)。

車(chē)用燃料電池中質(zhì)子交換膜(proton exchange mem?brane，PEM)是一種固 態(tài)電解質(zhì)膜，其作用是隔離燃料與氧化劑、傳遞質(zhì)子(H+)。在實(shí)際應(yīng)用中，要求 質(zhì)子交換膜具有高質(zhì)子傳導(dǎo)率和良好的化學(xué)與機(jī)械穩(wěn)定性，目前常用的商業(yè)化質(zhì)子 交換膜是全氟磺酸膜，其碳氟主鏈?zhǔn)鞘杷缘模鴤?cè)鏈部分的磺酸端基(-SO3H) 是親水性的，故膜內(nèi)會(huì)產(chǎn)生微相分離，當(dāng)膜在潤(rùn)濕狀態(tài)下，親水相相互聚集構(gòu)成離 子簇網(wǎng)絡(luò)，傳導(dǎo)質(zhì)子。目前常用的全氟磺酸膜有Na?fion?膜及與 Nafion 膜類(lèi)似的Flemion、Aciplex 膜及國(guó)內(nèi)新源動(dòng)力、武漢理工的復(fù)合膜等。

山東東岳集團(tuán)長(zhǎng)期致力于全氟離子交換樹(shù)脂和含氟功能材料的研發(fā)，建成了年 產(chǎn) 50 t 的全氟磺酸樹(shù)脂生產(chǎn)裝臵、年產(chǎn) 10 萬(wàn) m2 的氯堿離子膜工程裝臵和燃料 電池質(zhì)子交換膜連續(xù)化實(shí)驗(yàn)裝臵，產(chǎn)品的性能達(dá)到商品化水平，但批量生產(chǎn)線還有 待進(jìn)一步建設(shè)。目前車(chē)用質(zhì)子交換膜逐漸趨于薄型化，由幾十微米降低到十幾微米， 降低質(zhì)子傳遞的歐姆極化，以達(dá)到較高的性能。但是薄膜的使用給耐久性帶來(lái)了挑 戰(zhàn)，尤其是均質(zhì)膜在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)出現(xiàn)機(jī)械損傷與化學(xué)降解，在車(chē)輛工況下，操作壓力、干濕度、溫度等操作條件的動(dòng)態(tài)變化會(huì)加劇這種衰減。于是，研究人員在保 證燃料電池性能同時(shí)，為了提高耐久性，研究了一系列增強(qiáng)復(fù)合膜。

在質(zhì)子交換膜燃料電池中，氣體擴(kuò)散層(gas diffusion layer，GDL)位于流場(chǎng) 和催化層之間，其作用是支撐催化層、穩(wěn)定電極結(jié)構(gòu)，并具有質(zhì)/熱/電的傳遞功能。 因此 GDL 必須具備良好的機(jī)械強(qiáng)度、合適的孔結(jié)構(gòu)、良好的導(dǎo)電性、高穩(wěn)定性。

通常 GDL 由支撐層和微孔層組成，支撐層材料大多是憎水處理過(guò)的多孔碳紙 或碳布，微孔層通常是由導(dǎo)電炭黑和憎水劑構(gòu)成，作用是降低催化層和支撐層之間 的接觸電阻，使反應(yīng)氣體和產(chǎn)物水在流場(chǎng)和催化層之間實(shí)現(xiàn)均勻再分配，有利于增 強(qiáng)導(dǎo)電性，提高電極性能。支撐層比較成熟的產(chǎn)品有日本的Toray、德國(guó)的 SGL 和 加拿大的AVCarb等。

燃料電池雙極板(bipolar plate，BP)的作用是傳導(dǎo)電子、分配反應(yīng)氣并帶走 生成水，從功能上要求雙極板材料是電與熱的良導(dǎo)體、具有一定的強(qiáng)度以及氣體致 密性等;穩(wěn)定性方面要求雙極板在燃料電池酸性(pH=2~3)、電位(E=~1.1 V)、濕 熱(氣水兩相流，~80°C)環(huán)境下具有耐腐蝕性且對(duì)燃料電池其他部件與材料的相 容無(wú)污染性;產(chǎn)品化方面要求雙極板材料要易于加工、成本低廉。燃料電池常采用 的雙極板材料包括石墨碳板、復(fù)合雙極板、金屬雙極板 3 大類(lèi)。

由于車(chē)輛空間限制(尤其是轎車(chē))，要求燃料電池具有較高的功率密度，因此 薄金屬雙極板成為目前的熱點(diǎn)技術(shù)，幾乎各大汽車(chē)公司都采用金屬雙極板技術(shù)，如 豐田公司、通用公司、本田公司等

燃料電池電堆(fuel cell stack)是燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的核心。通常為了滿(mǎn)足一 定的功率及電壓要求，電堆通常由數(shù)百節(jié)單電池串聯(lián)而成，而反應(yīng)氣、生成水、冷 劑等流體通常是并聯(lián)或按特殊設(shè)計(jì)的方式(如串并聯(lián))流過(guò)每節(jié)單電池。燃料電池 電堆的均一性是制約燃料電池電堆性能的重要因素。燃料電池電堆的均一性與材料 的均一性、部件制造過(guò)程的均一性有關(guān)，特別是流體分配的均一性，不僅與材料、 部件、結(jié)構(gòu)有關(guān)，還與電堆組裝過(guò)程、操作過(guò)程密切相關(guān)。

常見(jiàn)的均一性問(wèn)題包括由于操作過(guò)程生成水累積引起的不均一、電堆邊緣效應(yīng) 引起的不均一等。電堆中一節(jié)或少數(shù)幾節(jié)電堆的不均一會(huì)導(dǎo)致局部單節(jié)電壓過(guò)低， 限制了電流的加載幅度，從而影響電堆性能。從設(shè)計(jì)、制造、組裝、操作過(guò)程控制 不均一性的產(chǎn)生，如電堆設(shè)計(jì)過(guò)程的幾何尺寸會(huì)影響電堆流體的阻力降，而流體阻力降會(huì)影響電堆對(duì)制造誤差的敏感度。

燃料電池電堆在車(chē)上通常要進(jìn)行封裝，為了保證氫安全，通常在封裝內(nèi)部要設(shè) 有氫傳感器，當(dāng)氫濃度超標(biāo)時(shí)，會(huì)通過(guò)空氣強(qiáng)制對(duì)流的方式排出聚集的氫，以免發(fā) 生危險(xiǎn)。此外，封裝內(nèi)部通常還設(shè)有電堆單電壓巡檢原件，以對(duì)單電壓輸出情況進(jìn) 行監(jiān)控與診斷。

2.3、 系統(tǒng)部件與控制策略影響發(fā)電系統(tǒng)性能

燃料電池工作方式與內(nèi)燃機(jī)類(lèi)似，除了燃料電池電堆外，還包括燃料供應(yīng)子系 統(tǒng)、氧化劑供應(yīng)子系統(tǒng)、水熱管理子系統(tǒng)及監(jiān)控子系統(tǒng)等，其主要系統(tǒng)部件包括空 壓機(jī)、增濕器、氫氣循環(huán)泵、高壓氫瓶等。燃料電池發(fā)電系統(tǒng)性能與耐久性，除了 與電堆本身有關(guān)外，還與系統(tǒng)部件與系統(tǒng)控制策略密切相關(guān)。

車(chē)載空壓機(jī)是車(chē)用燃料電池重要部件之一，常用的空壓機(jī)種類(lèi)有離心式、螺桿 式、羅茨式等。空壓機(jī)的任務(wù)是提供燃料電池發(fā)電所需要的氧化劑(空氣中的氧氣)， 要求空壓機(jī)能夠提供滿(mǎn)足最高功率所需的空氣，如果按空氣化學(xué)計(jì)量比2.0計(jì)算， 100 k W 的燃料電池系統(tǒng)大約需要 300 Nm3〃h-1的空氣。為了降低傳質(zhì)極化，可 在燃料電池的結(jié)構(gòu)上改進(jìn)，國(guó)際上有些產(chǎn)品的空氣化學(xué)計(jì)量比已經(jīng)降低至1.8，這 樣可以減輕空壓機(jī)供氣負(fù)擔(dān)，減少內(nèi)耗。另外，由于車(chē)輛體積限制，要求空壓機(jī)體 積小，因此需要空壓機(jī)有高的電機(jī)轉(zhuǎn)速，滿(mǎn)足供氣量要求。此外，能耗也是空壓機(jī) 的重要指標(biāo)，一般空壓機(jī)的能耗占電堆輸出功率的 10%以下才能保證整個(gè)系統(tǒng)高 的發(fā)電效率。目前，燃料電池車(chē)載空壓機(jī)還是瓶頸技術(shù)之一，豐田汽車(chē)公司的空壓 機(jī)是專(zhuān)有技術(shù)，并沒(méi)有對(duì)外銷(xiāo)售，廣東省佛山廣順電器有限公司開(kāi)發(fā)的車(chē)載空壓機(jī) 還正在研究中。

增濕器是燃料電池發(fā)電系統(tǒng)另一重要部件，燃料電池中的質(zhì)子交換膜需要有水 潤(rùn)濕的狀態(tài)下才能夠傳導(dǎo)質(zhì)子，反應(yīng)氣通過(guò)增濕器把燃料電池反應(yīng)所需的水帶入燃 料電池內(nèi)部，常用的增濕器形式包括膜增濕器、焓輪增濕器等，原理是把帶有燃料 電池反應(yīng)生成水的尾氣(濕氣)與進(jìn)口的反應(yīng)氣(干氣)進(jìn)行濕熱交換，達(dá)到增濕 的目的。由于燃料電池薄膜的使用，透水能力增加，加大了陰極產(chǎn)生水向陽(yáng)極側(cè)的 反擴(kuò)散能力，使得陰陽(yáng)極濕度梯度變小。這樣，一側(cè)增濕即可滿(mǎn)足反應(yīng)所需的濕度 要求。目前，發(fā)展趨勢(shì)是采用氫氣回流泵帶入反應(yīng)尾氣的水，系統(tǒng)不需要增濕器部 件，使得系統(tǒng)得到簡(jiǎn)化。

氫氣回流泵的作用是燃料電池發(fā)電系統(tǒng)氫氣回路上把未反應(yīng)氫氣從燃料電池 出口直接泵回燃料電池入口，與入口反應(yīng)氣匯合后進(jìn)入燃料電池。利用回流泵一方 面可以實(shí)現(xiàn)把反應(yīng)氣尾氣的水份帶入電池起到增濕作用;另一方面，可以提高氫氣 在燃料電池陽(yáng)極流道內(nèi)流速，防止陽(yáng)極水的累積，避免陽(yáng)極水淹;同時(shí)也起到了提 高氫氣利用率的目的。

回流泵有噴射器與電動(dòng)回流泵兩種，前者的回流能力是固定的，因此只能在一 定的輸出功率范圍內(nèi)有效;后者是采用電機(jī)變頻控制電機(jī)使回流能力根據(jù)不同功率 進(jìn)行響應(yīng)。氫氣回流泵在豐田汽車(chē)公司 Mirai 燃料電池車(chē)上得到了實(shí)施，該技術(shù)在 國(guó)內(nèi)還正在開(kāi)發(fā)中。

氫瓶在燃料電池汽車(chē)上相當(dāng)于傳統(tǒng)汽車(chē)的油箱。為了達(dá)到一定的續(xù)駛里程，目 前國(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)的燃料電池汽車(chē)大多采用70 MPa 高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)，其高壓氫瓶是 關(guān)鍵技術(shù)。常用的氫瓶分為四種類(lèi)型:全金屬氣瓶(I 型)、金屬內(nèi)膽纖維環(huán)向纏繞 氣瓶(II 型)、金屬內(nèi)膽纖維全纏繞氣瓶(III 型)及非金屬內(nèi)膽纖維全纏繞氣瓶(IV 型)。國(guó)際上大部分燃料電池汽車(chē)(如日本豐田汽車(chē)公司的 Mirai，圖 19)采用的 都是IV型瓶，其儲(chǔ)氫量可以達(dá)到 5.7%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。IV 型瓶以其輕質(zhì)、廉價(jià)的特 點(diǎn)得到開(kāi)發(fā)商的認(rèn)可。國(guó)內(nèi)目前還沒(méi)有IV型高壓氫瓶的相應(yīng)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，35 MPa III 型氫瓶有一些供應(yīng)商，如斯林達(dá)、科泰克等，同濟(jì)大學(xué)對(duì) 70 MPa 氫瓶及加氫系統(tǒng) 方面進(jìn)行了開(kāi)發(fā)，依托于國(guó)家 863 課題的燃料電池加氫站正在建設(shè)中。

除了上述的系統(tǒng)部件外，系統(tǒng)的控制策略也非常重要。可以在現(xiàn)有材料的基礎(chǔ) 上通過(guò)優(yōu)化控制策略，提高耐久性。基于燃料電池衰減機(jī)理，提出車(chē)用燃料電池的 合理控制策略，規(guī)避如動(dòng)態(tài)循環(huán)工況、啟動(dòng)/停車(chē)過(guò)程、連續(xù)低載或怠速等不利運(yùn) 行條件的影響，提高燃料電池系統(tǒng)的壽命。

2.4、 產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)上市公司

我國(guó)在燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈的多個(gè)環(huán)節(jié)中已經(jīng)發(fā)展出了掌握核心技術(shù)的企業(yè)，同時(shí) 多家具有資本優(yōu)勢(shì)的企業(yè)參股了海外的龍頭公司，包括濰柴動(dòng)力、大洋電機(jī)、雪人 股份等。