燃料电池是未来能源发展趋势，新能源汽车是燃料电池未来应用最看好领域

氢能—未来能源的最佳选择

氢能源未来有望迎来大爆发:能源发展是社会发展的先行者，人类的能源发展史是一部生产力发展的历史。纵观人类能源的使用历史，从木材，秸秆到现在的煤炭，天然气和石油。贯穿其中的主线是能量密度的不断提高，能源结构的不断转变，带动着产业结构的升级。

顺着这个思路，我们推断为了解决日益严重的 “温室效应”和环境问题，更加高效清洁的氢能源将在未来 20 年迎来大爆发，随着上游制氢技术的不断获得突破，中游储氢加氢从技术到布局的逐渐成熟。下游应用从政策到企业的大力布局，近年来随着从便携式设备，固定使用和交通运输领域的商业化应用逐步落地，我们预测在未来氢燃料电池将有着广阔的市场前景。

从现有数据来看，氢能优势带动氢能源产业发展，短期寻求平稳突破，长期迎来加速发展。

从氢能源产业中最核心的氢燃料电池产业来讲，2011 年全球氢能与燃料电池市场规模为 10.3 亿美元，较 2010 年 6.7 亿美元增长 54%。日本日经 bp 清洁技术研究所日前发布的《世界氢能源基础设施项目总览》显示，在 2015 年包括液化氢基地、管道、固定式燃料电池以及燃料电池车在内的全球氢能源基础设施市场规模只有 7 万亿日元左右，预期在 2015 年到 2020 年，氢能源基础设施市场进入平稳的发展时期;而在 2020 年以后该市场会呈现加速增长态势，到 2025 年，氢能源基础设施家用市场的规模将超过商用。

也正因为如此，在到 2025 年的 5 年内，该市场规模将实现倍增，预计达到约 20 万亿日元;到 2050 年将达到约 160 万亿日元(约合 1.56 万亿美元)

燃料电池——氢能源的载体

燃料电池是把燃料中的化学能通过电化学反应直接转化为电能的发电装置。按其电解质不同，常用的燃料电池包括质子交换膜燃料电池(PEMFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、磷酸燃料电池(PAFC)和碱性燃料电池(AFC)等。

燃料电池具有高转化率，优势明显，理论上燃料电池的能量转化效率可高达85%—90%。实际电池在工作时由于受各种极化的限制，目前各类燃料电池的能量转化效率约在40%—60%。若实现热电联供，燃料的总利用率可达80%以上。零排放，清洁能源的标杆。

当燃料电池以富氢气体为燃料时，其二氧化碳的排放量比热机过程减少40%以上;若以纯氢气为燃料，其化学反应产物仅为水，从根本上消除了CO、NOx、SOx、粉尘等大气污染物的排放，可实现零排放，同时由于燃料电池生成水的反应是个放热反应，在工作中还会产生大量热水、热蒸汽，所以不仅可以供电，还可以供暖，同时具有干净、可靠、能移动、寿命长等优点。

其中质子交换膜燃料电池操作温度低、启动速度快，是车用燃料电池的首选。燃料电池发电原理与原电池或二次电池相似。电解质隔膜两侧分别发生氢氧化反应与氧还原反应，电子通过外电路作功，产生电能。质子交换膜燃料电池(PEMFC)电池通过氢气和氧气发生化学反应生成水，在这个过程中产生电能，首先，氢气通过管道或导气板到达阳极。

在阳极催化剂的作用下，1 个氢分子解离为 2 个氢质子，并释放出 2 个电子。在电池的另一端，氧气(或空气)通过管道或导气板到达阴极，在阴极催化剂的作用下，氧分子和氢离子与通过外电路到达阴极的电子发生反应生成水。电子在外电路形成直流电。

因此，只要源源不断地向燃料电池阳极和阴极供给氢气和氧气，就可以向外电路的负载连续地输出电能。在整个反应过程中几乎是零排放，燃料电池特点明显，考虑到当前环境敏感的大环境，对燃料电池的大力政策扶植短期不会改变，这也必将推动燃料电池下游应用的加速发展。

电催化剂(catalyst)是燃料电池的关键材料之一，其作用是降低反应的活化能，促进氢、氧在电极上的氧化还原过程、提高反应速率。

气体扩散层(GDL):在质子交换膜燃料电池中，气体扩散层位于流场和催化层之间，其作用是支撑催化层、稳定电极结构，并具有质/热/电的传递功能。因此 GDL 必须具备良好的机械强度、合适的孔结构、良好的导电性、高稳定性。

膜电极组件(MEA):膜电极组件(membrane electrode assembly，MEA)是集膜、催化层、扩散层于一体的组合件，是燃料电池的核心部件之一，其结构如图 10。目前，国际上已经发展了3 代 MEA 技术路线:一是把催化层制备到扩散层上(GDE)，通常采用丝网印刷方法，其技术已经基本成熟;

二是把催化层制备到膜上(CCM)，与第 1 种方法比较，在一定程度上提高了催化剂的利用率与耐久性;三是有序化的 MEA，把催化剂如 Pt 制备到有序化的纳米结构上，使电极呈有序化结构，有利于降低大电流密度下的传质阻力，进一步提高燃料电池性能，降低催化剂用量。

双极板(BP):燃料电池双极板(bipolar plate，BP)的作用是传导电子、分配反应气并带走生成水，从功能上要求双极板材料是电与热的良导体、具有一定的强度以及气体致密性等;稳定性方面要求双极板在燃料电池酸性(pH=2~3)、电位(E=~1.1 V)、湿热(气水两相流，~80°C)环境下具有耐腐蚀性且对燃料电池其他部件与材料的相容无污染性;产品化方面要求双极板材料要易于加工、成本低廉。

燃料电池电堆是燃料电池发电系统的核心，通常为了满足一定的功率及电压要求，电堆通常由数百节单电池串联而成，而反应气、生成水、冷剂等流体通常是并联或按特殊设计的方式(如串并联) 流过每节单电池。

燃料电池电堆的均一性是制约燃料电池电堆性能的重要因素。燃料电池电堆的均一性与材料的均一性、部件制造过程的均一性有关，特别是流体分配的均一性，不仅与材料、部件、结构有关，还与电堆组装过程、操作过程密切相关。

常见的均一性问题包括由于操作过程生成水累积引起的不均一、电堆边缘效应引起的不均一等。电堆中一节或少数几节电堆的不均一会导致局部单节电压过低，限制了电流的加载幅度，从而影响电堆性能。从设计、制造、组装、操作过程控制不均一性的产生，如电堆设计过程的几何尺寸会影响电堆流体的阻力降，而流体阻力降会影响电堆对制造误差的敏感度。

燃料电池下游运用:未来最看好在新能源汽车领域的应用

燃料电池早在 20 世纪 60 年代就因其体积小、容量大的特点而成功应用于航天领域。进入 70 年代后，随着技术的不断进步，氢燃料电池也逐步被运用于发电和汽车。

现如今，伴随各类电子智能设备的崛起以及新能源汽车的风靡，氢燃料电池主要应用于三大领域:固定领域、运输领域、便携式领域。

从市场的观点来看，燃料电池因其稳定性和无污染的特质，既适宜用于集中发电，建造大、中型电站和区域性分散电站，也可用作各种规格的分散电源、电动车、不依赖空气推进的潜艇动力源和各种可移动电源，同时也可作为手机、笔记本电脑等供电的优选小型便携式电源。

固定式领域:目前燃料电池下游应用最大的一块领域，产业相对成熟，固定式燃料电池系统的主要应用领域为固定电源、大型热电联产、居民住宅热电联产及备用能源等。

2014 年初统计结果表明，固定式燃料电池市场占有率达 70%，并将继续引领未来全球燃料电池市场的发展。根据 Navigant的一份报告显示，目前固定式燃料电池系统的年出货量大约为 4 万套，预计在 2022 年的年出货量将达到 125 万套，其复合年平均增长率达 51.7%。

固定式燃料电池行业正处于一个非常活跃的阶段，许多公司计划开发或安装固定式燃料电池系统，由于现代社会对电力系统的稳定性及在自然灾害情况下电力的持续供应要求的增加，固定式燃料电池系统作为小型发电及备用电源系统得以迅速的发展。

便携式领域:应用前景广阔，面向未来市场。便携式电源市场包括非固定安装的或者移动设备中使用的燃料电池，适用于军事、通讯、计算机等领域，以满足应急供电和高可靠性、高稳定性供电的需要，实际应用的产品包括高端手机电池、笔记本电脑等便携电子设备、军用背负式通讯电源、卫星通讯车载电源等;

另一方面用作自行车、摩托车、汽车等交通工具的动力电源，以满足环保对车辆排放的要求。预期是运用在手机，无人机，数码相机等领域。

目前相比锂电池从价格和性能两个方面来看优势并不明显，因此现在对于便携式燃料电池的需求相当少。

交通运输领域:各国大力布局，蓄力静待爆发。

交通运输市场包括为乘用车、巴士/客车、叉车以及其他以燃料电池作为动力的车辆提供的燃料电池，例如特种车辆、物料搬运设备和越野车辆的辅助供电装置等。

汽车用燃料电池作为动力系统是目前关注度最高的应用领域。这是目前是爆发最迅猛，也是关注度最高的应用领域。

从当前的数据来看，燃料电池技术有望在汽车领域率先爆发。大型车企的燃料电池汽车研发如火如荼，在全球范围内各大汽车生产厂商纷纷进入氢能源汽车领域,从 2013 年开始陆续有燃料电池汽车推出和展出。

从全球市场来看，日韩车企最早推出产品，其中 Mirai 和 Clarity 当属燃料电池汽车领域的试水产品，从 Mirai 的订单规模来看，日本市场的订单量达到了 3000 辆，达到了预期销量的 750%，海外订单达到预期销量的 7 倍。

从市场表现来看，市场对燃料汽车的接受程度较好，在政府大力补助的条件下，随着燃料电池产量的提升。欧美车企更多选择和日本车企合作。车企在解决自身产能问题后，燃料电池汽车市场将会是一片蓝海。

物流车领域是交通运输商业化的另一主要领域，物流运输市场非常巨大，国内以一汽和中车为代表的企业正在燃料电池物流车领域发力。

目前，国内厂商正通过合作研发的方式，首先在国际市场上研发推广燃料电池物流车。中车株洲时代电动汽车股份有限公司与加拿大 Loop En-ergy 燃料电池公司在美国签署了电驱动系统产品开发协议。开启了中国向欧美出口燃料电池系统产品的新篇章。

此次合作由三方共同完成。加拿大 Loop Energy 燃料电池公司将自身燃料电池运用于中车电动核心系统产品，再将中车电动系统产品运用于美国 OEM 整车厂开发的纯电动内场物流拖车。

这将成为全球第一台燃料电池大型物流车。一汽解放与新源动力达成燃料电池合作协议,计划 2016-2017年完成 100 辆以上燃料电池物流车的推广应用,从而实现燃料电池车商业化应用。结合中国的国情，在互联网时代下，考虑到物流市场的巨大规模，综合优势明显的物流车将会是燃料电池的又一蓝海市场。

十三五”期间燃料电池汽车有望进入商业化阶段

新能源汽车:短期锂电池占主导;长期燃料电池有望实现后来者居上

短期:新能源锂电池车占主导

燃料电池成本降低和加氢站的建设是一个逐步推进的过程，短期来看锂电池仍占主导:从过去到现在，全球燃料电池汽车走了几个阶段。

第一阶段，设想的很乐观，但燃料电池应用于汽车上之后，受汽车工况影响，性能衰减很快。

第二阶段，主要解决燃料电池的可靠性、耐久性问题。因为工况比较复杂，这一阶段经历了七八年时间，基本上解决了这些问题，燃料电池寿命也达到了要求。

现在进入了第三阶段，即商业化的导入期，主要是进一步降低成本和铂(Pt)用量，同时加快加氢站的建设，目前来看，

1)加氢站的短缺阻碍燃料电池汽车的发展:加氢站建设成本是加油站的 5 倍，价格高昂使得加氢站数量短缺。即便燃料电池的续航里程可以达到 700 公里左右，但是 700 公里内不一定会有一个加氢站。

2)燃料电池车的成本仍要远高于锂电池车，国外的燃料电池大巴车售价在 100 万美元上下，而特斯拉的“贵族”电动车 ModelS 售价也才为 73 万人民币，相比之下燃料电池车价格目前来说高很多。

长期:燃料电池有望实现后来者居上

燃料电池优势明显:氢是世界上最多的元素，氢气来源极其广泛并且是可再生资源，所以用氢气作为“燃料”似乎最合适不过。

由于燃料电池是化学能直接转换为电能，相比内燃机的燃烧作用不会产生大量废气与废热，转化效率更可超过 50%(内燃机转化效率为 10%)，排放物也只有水，也不会对环境温度造成影响。

使用寿命长于电化学电池并且电池维护工作量很小。相比于纯电动车的充电时间来说，燃料电池加注氢气的时间很短，几乎与内燃机汽车添加燃油时间相当，大约在 3-5分钟左右。

高能量密度是燃料电池能够有望实现后来者居上的基础:如果新能源要想颠覆传统能源长期发展建立起来的产业链条和基础网络，高能量密度是基础。

在世界范围内，新能源锂电汽车之所以目前占比仍然较低，主要是由于其低能量密度。而氢能源能量密度是汽油及天然气的 3 倍以上，具有快速发展的基础。

随着技术进步、规模化生产，燃料电池车成本将逐渐降低，经济型逐渐体现:美国能源部数据显示，2012 年，交通运输用燃料电池系统的成本为 47 美元/千瓦，与 2002 年相比，下降了 82.9%，与2008 年相比，下降了 35.6%，这一数字已经逐步接近美国能源部设定的 2017 年成本目标:30 美元/千瓦。

Platinum 集团的金属铂(Pt)(用来做催化剂)含量已经降低了 1/5，目前每千瓦的含量少于 0.2 克，接近美国能源部的目标 0.125 克/千瓦。

此外，燃料电池的耐用性也增加了一倍多，并自 2007 年以来电解槽的成本减少了 60%。根据英国碳信托咨询公司的报告，若燃料电池汽车需要规模化生产，其成本需达到 36 美元/千瓦才能与内燃机汽车竞争。而根据目前 PEMFC 成本的下降趋势以及目前的技术进步，该目标价位即有可能在 2017 年之前达成，届时燃料电池汽车就可以批量化生产。