燃料电池是一种不经过燃烧过程直接以电化学反应方式将燃料(如氢气、天然气等)和氧化剂中的化学能直接转化为电能的高效发电装置,它是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术。燃料电池虽然被称为电池,但和传统电池的储能概念不同,其本质是能量转换器,因此更像是一种发电装置。燃料电池可以持续发电,且生成物主要是水,基本上不会排放有害气体,因此被认为是21世纪新型环保高效的发电技术之一。
燃料电池应用领域广泛
不同类型的燃料电池因其不同的特性可应用于不同的领域,如碱性燃料电池的发电效率较高,主要应用于航天领域;质子交换膜燃料电池工作温度比较低,是燃料电池车的首选电池技术;固体氧化物燃料电池和熔融碳酸盐燃料电池由于工作温度高、功率输出高,且对铂催化剂的依赖性较低,因此主要应用于小型固定式电站或大型电站。燃料电池的性能和功率范围决定了它具有广泛的应用场景,总的来说包括了便携应用、固定应用和交通运输三个领域。目前主流发展的应用产品中,主要是依据燃料电池的发电量来进行分类,低功率的产品一般应用在便携式领域,如无人机、自行车、电子产品等便携式设备的电源。中等功率的产品一般用于乘用车、客车等新能源交通工具的动力电源。大功率的产品则一般用于城市的大型发电站以及医院、广场、商场等公共设施的发电装置。目前燃料电池技术还存在较大的发展空间,未来在技术进步和市场成熟等因素的带动下,燃料电池将覆盖越来越多的应用场景将,在更多的行业里得到广泛的应用。
燃料电池应用分类
来源:沙利文研究院绘制
中国积极布局燃料电池产业,与西方差距正逐步缩小
聚焦中国燃料电池行业发展现状,就车用燃料电池产业而言中国的起步并不晚,但可靠性和耐久性与国际水平仍有一定差距;加氢站数量较发达国家相比较少,所以目前中国燃料电池产业发展的重心在于提高燃料电池发动机系统的可靠性和耐久性,和加快加氢站的建设,同时实现电堆技术的突破和国产化。加氢站的建设方面,中国在不断努力,据统计,2015年以前中国只有3座加氢站,截至目前,中国有14座加氢站正在运营,23座在建,预计到2020年,将有100座加氢站建成并投入使用。在燃料电池电堆技术方面,中国正在逐渐实现国产化,电堆企业数量逐渐增长,产能量级提升,到2018年国内电堆产能超过40万kW。目前,中国燃料电池电堆产业链初成雏形,上游厂商齐全,电池电堆已经实现小规模放量和初步国产化。产业化方面,部分企业将燃料电池作为转型升级的方向,例如潍柴动力,已陆续与德国博世、英国锡里斯动力控股、加拿大巴拉德动力系统等公司签署协议,在燃料电池产业领域展开合作;宇通、福田开发了多款燃料电池客;东风特汽、中国重汽等开发了燃料电池物流车、牵引车等专用车。
新能源汽车燃料电池布局加速
近两年来,中国氢燃料电池产业获得了快速发展,特别是在新能源汽车燃料电池领域发展迅速,且带动了区域产业集群的形成,形成了京津冀、华东、华南(佛山-云浮)、华中(武汉)四个氢燃料电池产业集群,并围绕当地研发情况及工业基础形成了各自的产业配套及商业应用示范区。
中国燃料电池产业集群分布
来源:沙利文研究院绘制
中国燃料电池行业的产业链将不断延伸,较成熟的商业模式即将形成
中国燃料电池行业产业链由上至下分别为上游原材料及设备厂商、中游燃气电池组装、及下游燃气电池应用领域。电池堆是上游的核心环节。一方面,电池堆所需成本较大,在燃料电池系统的成本构成中所占比例已超过一半。另一方面,制造电池堆的原材料如质子交换膜、催化剂等在中国的生产技术水平较低,产品质量水平也普遍较低,其中很大一部分的原材料主要依赖进口。因此,电堆在燃料电池系统中的核心地位以及电堆原材料对进口的依赖性决定了其上游供应商具有较高的议价能力。中国燃料电池行业产业链的下游是燃料电池的应用行业,主要涵盖了固定式、交通运输和便携式三大应用领域,分别以大型发电站、燃料电池车和便携式充电、照明设备为代表。尽管燃料电池在下游行业的应用前景非常广阔。而且与电动汽车相比,燃料电池汽车的行驶里程不再受限,燃料补给时间也大大缩短,是新能源汽车的主要解决方案之一,因此必然会得到政府的支持和鼓励。未来,在政府红利政策的鼓励下,燃料电池技术将进一步提高,从而带动行业配套设施的建设和完善,中国燃料电池行业的产业链将不断延伸,从而形成更加成熟的商业模式。
中国燃料电池产业链
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利好政策支持行业快速发展
近年来中国燃料电池行业发展势头良好,虽其商业化程度相比国外先进燃料电池落后5-10年,但目前其发展势头一直处于上升阶段,这离不开中国对燃料电池及新能源产业的利好政策,其中对新能源汽车的大力支持从需求端促进燃料电池行业的快速发展,早在2001年9月,中国发布了963电动汽车重大科技专项计划,计划拨款8.8亿支持电动汽车的发展,其中包含对燃料电池汽车和燃料电池系统的研发。此外,各地方政府、相关企业及研究机构纷纷布局燃料电池,在未来将持续推动燃料电池的国产化及商业化进程。
相关部门和机构在长期的的科学发展规划的大背景下,对节能与新能源汽车产业、能源技术、氢能产业、燃料电池的研发等提出明确的标准和要求,大力鼓励并扶持加氢站的建设,并对燃料电池汽车分情况给予补贴,在促进新能源行业规范健康发展的同时,通过刺激燃料电池汽车的需求,带动燃料电池行业的进一步发展。地方政府积极响应燃料电池汽车补贴政策,例如北京、上海、杭州、广东、大连等城市政府也在中央财政补贴的引导下对燃料电池汽车给予配套补贴。
燃料电池领域相关政策
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低成本开发将为燃料电池商业化提供有利条件
燃料电池因成本过高而一直未能实现商业化。近年行业主要使用强度高、导电导热性强的金属板代替石墨双极板,金属板因其易受高温和酸性腐蚀物腐蚀需在金属双极板上镀上金属防护层。不少中国企业已实现在金属防护层上涂抹陶瓷涂层用来防腐蚀,这一技术的革新使得燃料电池成本降低。
质子交换膜是电堆的核心部件,包括全氟磺酸膜、非全氟化质子交换膜、无氟化质子交换膜、复合膜以及高温膜。质子交换膜以聚合物膜作为电解质,可为电解质提供氢离子通道,还可支撑催化剂层,占电堆总成本的13%。行业内主要采用全氟磺酸膜,存在成本较高、在高温下性能不稳定等问题。目前已发现掺杂多种材质的复合膜,全氟树脂/PTFE复合膜可用价格相对便宜的PTFE材质来部分代替价格昂贵的全氟磺酸膜主要材质全氟磺酸树脂,可减少全氟树脂的用量,从而来降低成本。
沙利文全球合伙人、全球市场战略规划副总裁兼中华区总裁王昕博士指出,行业内的技术突破使得燃料电池核心部件获得了较低的成本,核心部件的低成本开发为燃料电池逐步商业化提供了有利条件,此外,行业内企业数量增加,产业集群效应加强,将加速推动产业商业化进程。同时,燃料电池行业还需要在氢能源科技领域持续探索,把握未来全球氢能源电动汽车发展的趋势,以卓越的“绿色品质”,不断为行业与用户提供新装备,助力加快交通运输转型升级。