2020年中国燃料电池简介及市场发展前景分析：未来产业规模将迎来百倍增长[图]

    一、燃料电池简介

    燃料电池：燃料能量的高效释放方式

    燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，它是按照原电池电化学原理，把贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能，因而实际过程是燃料和氧气的氧化还原反应。燃料电池中作为燃料的物质可以很多，核心是与氧气有足够的电势差和较高的能量密度，比较常见的燃料有氢气、甲醇、天然气等。燃料电池单体主要由四部分组成，即阳极、阴极、电解质和负载外电路。燃料和氧化气分别由燃料电池的阳极和阴极通入。燃料在阳极上释放电子,电子经外电路传导到阴极并与氧化物结合生成离子。离子在电场作用下，通过电解质迁移到阳极上，与燃料物反应，形成电流。

燃料电池示意图

数据来源：公开资料整理

质子交换燃料电池原理

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    燃料电池：终极清洁能源的主力军

    燃料电池在发电效率、环境保护、能量密度、工作噪声、可靠性上都有较大优势，是一种前景光明的发电装置。发电效率高：燃料电池发电不受传统发动机卡诺循环的限制。理论上,它的发电效率可达到85%～90%，但由于工作时各种极化的限制，通电的过程中有部分化学能转化成为热能，电能的转化效率约为40%～60%。若实现热电联供，燃料的总利用率可高达80%以上。

    环境友好度高：若燃料电池以氢气或者天然气等富氢气体作燃料物，二氧化碳的排放量比热机过程减少40%以上，如果是氢气，将不会有二氧化碳的排放。另一方面，燃料电池几乎不会有硫或者氮化物产生，大大减轻了传统发电机/发动机对环境施加的影响。

    能量密度高：液氢燃料电池的理论质量能量密度是是锂离子电池的10倍。即使受制于氢气储存技术的限制，实际应用中能量密度有所降低，但是仍可轻松满足汽车续航500公里以上的需求。

    运行噪音低：相对于发动机的做工原理，燃料电池结构简单，运动部件少，工作时噪声很低。即使在11MW级的燃料电池发电厂附近，所测得的噪音也低于55dB。

    燃料范围广：对于燃料电池而言,材料所选范围广，只要含有氢原子的物质都可以作为燃料，例如天然气、石油、甲醇等，因此燃料电池非常符合能源多样化的需求,可减缓主流能源的耗竭。

    可靠性高：跟其他二次电池一样，燃料电池会很快响应负载的变化。无论处于额定功率以上过载运行或低于额定功率运行，它都能承受且效率变化不大。由于燃料电池的运行高度可靠，可作为各种应急电源和不间断电源使用。

    易于建设：燃料电池具有组装式结构，安装维修方便，对环境的要求并不高。

    燃料电池：种类繁多，应用分化

    燃料电池分类形式很多，按运行机理来分类：可分为酸性燃料电池和碱性燃料电池；按燃料的类型来分类：有直接式燃料电池和间接式燃料电池；按燃料电池工作温度分：有低温型(低于200℃)；中温型(200-750℃)；高温型(高于750℃)。常用的分类方式是按电解质的不同来分类：

    1、碱性燃料电池（AFC）：该类电池采用氢氧化钾水溶液作为电解液，性能稳定，成本低廉，但是不足之处是能量密度非常有限，仅为质子交换膜电池的十分之一。早在20世纪60年代就成功的应用于航天飞行领域，这种具有高效、轻质的以及稳定的动力源一直是美国航天领域的首选，典型的应用是阿波罗计划的太空车。

    2、磷酸盐型燃料电池（PAFC）：该类电池以磷酸溶液为电解液，工作温度在200℃左右，有相对较高的反应速度。PAFC已经成功商用在200-kW储能装置，在美国、欧洲和日本有很多常年连续工作的案例。

    3、碳酸盐型燃料电池（MCFC）：该类电池是由多孔的电极和电解质，配上熔融态的碳酸盐作为电解液，工作温度高达600℃，成本低廉，无需使用贵金属催化剂，适用于较大型的电站储能设施

    4、固体氧化物型燃料电池（SOFC）：该类电池应用无机固态电解质，是工作温度最高的一类燃料电池，广泛适用煤气、天然气、混合气体等多种燃料气体。由于SOFC发电的排气有很高的温度，具有较高的利用价值，可以提供天然气重整所需热量，也可以用来生产蒸汽，更可以和燃气轮机组成联合循环，非常适用于分布式发电。

    5、质子交换膜燃料电池（PEMFC）：该类电池是一种常温电池，应用质子交换膜作为隔膜和电解质，具有较高的能量效率和能量密度，体积重量小，冷启动时间短，运行安全可靠。该类电池早在1965年美国“双子星座”得到应用，早期的发展一直受着昂贵的必须结构材料和高的Pt覆盖量所阻碍，直到20世纪80年代，通过大量的技术改进，其才重现活力，成为汽车能源提供的有力竞争者。

燃料电池分类比较

数据来源：公开资料整理

各类燃料电池特点

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燃料电池适用领域

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    二、中国燃料电池进入产业化阶段，万亿级产业拉开序幕

    氢燃料电池技术满足产业化需求，能源革命开启

    智研咨询发布的《2020-2026年中国燃料电池行业市场现状调研及发展趋向分析报告》数据显示：目前的燃料电池从寿命、性能、资源和成本等方面已经达到产业化条件，满足下游交通和备电等领域应用：（1）燃料电池车辆寿命和运营里程达到传统汽柴油车水准，在英国和美国均有燃料电池公交车（FCEB）运营寿命超过2.9万小时，无需大修或更换燃料电池组；（2）低温启动温度可以达到-30℃；（3）铂金催化剂用量较小，未来不会引起铂金资源短缺，目前国际先进催化剂耗铂水平可达到0.125g/kW，未来单车铂金用量可以低于5g，与传统柴油车尾气催化剂铂用量相当，并且催化剂在往低铂和无铂方向发展；（4）成本快速下降，日韩燃料电池汽车预计2025年能达到传统内燃机车成本水平；（5）氢耗与油耗成本持平，并且随着规模扩大，氢气成本存在较大下行空间。

    氢燃料电池具有零排放、零污染的特性，被认为是未来清洁环保的理想技术，是终极新能源动力解决方案。燃料电池本质上是发电机，下游应用场景广泛，可以应用于交通领域和发电领域等。我们认为燃料电池发展将掀起一轮能源革命，氢将取代一部分石油，成为能源体系中的重要一环，未来氢燃料电池市场规模可达万亿级别。

燃料电池下游应用场景广泛

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    国家政策循序渐进，地方政府积极推动

    中国对于燃料电池发展支持处于循序渐进状态，我国从2001年就确立了“863计划电动汽车重大专项”项目，确定三纵三横战略，以纯电动、混合电动和燃料电池汽车为三纵，以多能源动力总成控制、驱动电机和动力蓄电池为三横。近期随着燃料电池产业发展逐渐成熟，中国在燃料电池领域的规划纲要和战略定调已经出现苗头，支持力度逐渐加大，政策从产业规划、发展路线和补贴扶持全方位支持燃料电池产业发展。

    产业规划：2016年11月29日，《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》提出系统推进燃料电池汽车研发和产业化。加强燃料电池基础材料与过程机理研究，推动高性能低成本燃料电池材料和系统关键部件研发。加快提升燃料电池堆系统可靠性和工程化水平，完善相关技术标准。推动车载储氢系统以及氢制备、储运和加注技术发展，推进加氢站建设。到2020年，实现燃料电池汽车批量生产和规模化示范应用。

    发展路线：2016年10月，汽车工程年会发布的《节能与新能源汽车技术路线图》中指出，到2020年燃料电池汽车在公共服务领域的示范应用要达到5000辆的规模；到2025年，实现氢燃料电池汽车的推广应用，规模达到5万辆；到2030年，实现氢燃料电池汽车的大规模推广应用，氢燃料电池汽车规模超过１百万辆。

    补贴扶持：2016年12月30日财政部、科技部、工业和信息化部和发改委发布的《新能源汽车推广补贴方案及产品技术要求》中规定除燃料电池汽车外，各类车型2019-2020年中央及地方补贴标准和上限，在现行标准基础上退坡20%，对燃料电池汽车补贴延续至2020年不退坡，对于燃料电池乘用车，给予20万元/辆补贴；对于燃料电池小型货车、客车，给予30万/辆补贴；对于燃料电池大中型客车，中重型货车，给予50万/辆补贴。2018年发布《关于调整完善新能源汽车推广应用财政补贴政策的通知》，燃料电池汽车补贴基本保持不变。

燃料电池顶层规划循序渐进

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    地方政府中，富氢优势、弃电较多或者产业领先为代表的地区重视燃料电池发展。多地市兴建氢能产业园区，氢能小镇和产业集群等，推动燃料电池公交、物流车示范运营，截至目前超过20地市明确推动氢燃料电池产业发展。目前仅上海、武汉、山东、苏州、张家口、佛山、盐城和大同等地规划显示，到2020年燃料电池汽车数量将超过1.5万辆。

地方政府积极推动

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    中国燃料电池浪潮开启，远期万亿规模可期

    中国燃料电池产业目前与2012年锂电池极为相似，政策自上而下支持，技术达到产业化条件，产业链国产化进程开启，企业加快布局速度，资本市场投融资热度持续上升。

    中国燃料电池汽车发展路径明确：前期通过商用车发展，规模化降低燃料电池和氢气成本，同时带动加氢站配套设施建设，后续拓展到私人用车领域。优先发展商用车的原因在于：一方面公共交通的平均成本低，而且能够起到良好的社会推广效果，形成规模后带动燃料电池成本和氢气成本下降；另一方面商用车行驶在固定的线路上且车辆集中，建设配套的加氢站比较容易。当加氢站数量增加、氢气和燃料电池成本降低时，又会支撑更多燃料电池汽车。

    2017年是中国燃料电池汽车元年，全国燃料电池汽车产量达到1272辆。2018年燃料电池汽车商业化运营的元年，产量达到1619辆，目前国家补贴到2020年不退坡，在国家和地方补贴的支持下，燃料电池汽车产业开启以补贴为基石的内生性增长时代。

商用车带动产业起步，乘用车奠定未来

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中国燃料电池汽车产量

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    截止2018年底，全国投入运营车辆约694辆，其中公交234辆左右，物流车约300辆，轻客160辆。其中，燃料电池物流车在上海已经开展商业化运营，目前在运营数量达到300辆左右，运营里程超过400万km，用户包括京东、申通快递、盒马鲜生、宜家等物流用户。

燃料电池汽车运营现状

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    我们预计随着成本的持续下降，产业规模将得到迅速扩大，行业将在未来十年迎来百倍增长，到2030年燃料电池汽车市场规模达到5000亿，车用燃料电池市场规模达到1200亿，远期燃料电池汽车和热电联产等市场规模可达万亿。

    2017-2020，燃料电池产业处于商业化运营的导入期，产业在政府补贴扶持下实现盈利。同时燃料电池成本与氢气成本随着规模扩大而稳步下降，预计到2020年，系统成本可低于6000元/kW，富氢地区氢气售价可达30元/kg，燃料电池汽车产销量达到万辆。

    2021-2025，燃料电池进入快速增长期，产业在合理补贴退坡情况下实现盈利。到2025年系统成本达到2000元/kW，氢气售价降低到28元/kg，燃电池汽车产销量达到25万辆。

    2026-2030，燃料电池进入爆发期，产业无需补贴可以实现内生性增长。到2030年系统成本不高于1000元/kW，氢气售价23元/kg，燃料电池汽车产销量达到150万辆以上，燃料电池汽车市场规模达到5000亿。

FCV销量和车用燃料电池系统市场规模预测

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燃料电池成本预测

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