解析氫燃料電池全產(chǎn)業(yè)鏈

 

 

 

氫燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈主要由上游材料、中游集成和下游應(yīng)用構(gòu)成

 

 

 

制氫的過(guò)程可以分為三種。目前，我國(guó)氫氣主要來(lái)自灰氫，但事實(shí)上只有綠氫才是真正零排放制氫方式。

 

 

根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，2021年，我國(guó)氫氣年產(chǎn)能約4000萬(wàn)噸，產(chǎn)量為3300萬(wàn)噸。

 

 

 

膜電極是氫燃料電池系統(tǒng)的核心組件，是質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的場(chǎng)所，是傳遞電子和質(zhì)子的介質(zhì)，通常由催化層、氣體擴(kuò)散層和質(zhì)子交換膜構(gòu)成。

 

 

質(zhì)子交換膜類(lèi)型主要包括全氟磺酸質(zhì)子交換膜、非全氟化質(zhì)子交換膜、無(wú)氟化質(zhì)子交換膜復(fù)合膜以及高溫膜。代表性產(chǎn)品有：

 

 

東岳集團(tuán)公司的DF988、DF2801的短鏈全氟硫磺酸膜。

 

 

常見(jiàn)的氫燃料催化劑分為3種：鉑催化劑、低鉑催化劑、非鉑催化劑。

 

目前，燃料電池中常用的商用催化劑是Pt/C，除此之外，可以其他二元合金來(lái)做催化，如Pt-Co/C、Pt-Pb/C、Pt-Ni/C。Pt昂貴的價(jià)格導(dǎo)致低鉑催化劑和非鉑催化劑是目前的研究重點(diǎn)。

 

 

 

氣體擴(kuò)散層的主要作用是支撐催化劑，同時(shí)為電極反應(yīng)提供氣體、質(zhì)子、電子和水等多個(gè)通道。氣體擴(kuò)散層生產(chǎn)的一關(guān)鍵元素是碳紙選材，在全球范圍內(nèi)氣體擴(kuò)散層所需碳紙、碳布的供需呈現(xiàn)寡頭格局，主要生產(chǎn)企業(yè)有加拿大Ballard、日本東麗、德國(guó)SGL、德國(guó)Freudenberg、加拿大Zenyatta等。

 

 

雙極板起到均勻分配氣體、排水、導(dǎo)熱、導(dǎo)電的作用，占整個(gè)燃料電池60%的重量和20%的成本。燃料電池常采用的雙極板材料包括石墨雙極板、復(fù)合雙極板、金屬雙極板3大類(lèi)。

 

雙極板種類(lèi)及優(yōu)缺點(diǎn)

 

 

產(chǎn)業(yè)鏈中游：集成

 

氫燃料電池系統(tǒng)按結(jié)構(gòu)來(lái)拆分主要包括燃料電池電堆及輔助系統(tǒng)。電堆是氫燃料電池的主體部分，成本方面在系統(tǒng)中占比超過(guò)60%。

 

 

電堆是氫燃料電池的主體部分，所占成本最多它主要由質(zhì)子交換膜、電催化劑、氣體擴(kuò)散層、雙極板、集流板、密封圈等零件組成，是決定氫燃料電池技術(shù)發(fā)展的主要方面。

 

 

 

據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，2021年我國(guó)燃料電池電堆年新增市場(chǎng)規(guī)模約為6.2億元。預(yù)計(jì)2021-2025年燃料電池電堆新增市場(chǎng)需求的CAGR為87%。2025/2030年，燃料電池電堆新增市場(chǎng)分別為75/238億元。

 

 

根據(jù)TrendBank數(shù)據(jù)，2021燃料電池電堆市場(chǎng)占比率前三分別為：

 

 

 

為了維持電堆的正常工作，氫燃料電池系統(tǒng)還需要供氫系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、水管理系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)等外部輔助子系統(tǒng)的協(xié)同配合，對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)部件有氫循環(huán)泵、氫瓶、增濕器、空氣壓縮機(jī)等。

 

 

氫循環(huán)泵是燃料電池供氫系統(tǒng)的核心零部件可以實(shí)現(xiàn)將電堆的尾排端氫氣重新加壓至電堆入端口，實(shí)現(xiàn)氫氣的循環(huán)利用。同時(shí)，可以將化學(xué)反應(yīng)生成水供應(yīng)到電堆，改善電堆濕潤(rùn)水平，提高水管理能力。

 

 

 

 

高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫是目前發(fā)展最成熟、各廠(chǎng)商采用最多的儲(chǔ)氫技術(shù)，其關(guān)鍵是儲(chǔ)氫瓶。對(duì)于儲(chǔ)氣瓶，全球呈現(xiàn)出從I型儲(chǔ)氫瓶到IV型儲(chǔ)氫瓶的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。儲(chǔ)氫瓶類(lèi)型及性能。

 

 

 

空氣壓縮機(jī)是燃料電池進(jìn)氣系統(tǒng)的重要組成部分，通過(guò)對(duì)進(jìn)堆的空氣進(jìn)行增壓，可提高電堆的輸出功率和效率。目前燃料電池系統(tǒng)使用的空壓機(jī)主要包括：

 

 

其中離心式空壓機(jī)是主要的發(fā)展方向。

 

 

 

交通動(dòng)力應(yīng)用是目前氫燃料電池應(yīng)用領(lǐng)域中關(guān)注度最高的。2021年我國(guó)氫燃料電池汽車(chē)銷(xiāo)量為1881輛，同比增長(zhǎng)25.7%。從車(chē)型結(jié)構(gòu)來(lái)看，2021年：

 

 

銷(xiāo)量達(dá)到1032輛，盡管同比下降23.6%，但氫燃料電池客車(chē)依然是燃料電池汽車(chē)最主要的車(chē)型。

 

2017-2021年燃料電池汽車(chē)車(chē)型結(jié)構(gòu)分析

 

 

同時(shí)，受政策導(dǎo)向作用影響，2021年氫燃料電池汽車(chē)車(chē)型結(jié)構(gòu)進(jìn)一步豐富，半掛牽引車(chē)、自卸車(chē)等中重型氫燃料電池汽車(chē)銷(xiāo)量增幅明顯 :

 

 

由2020年的17輛增長(zhǎng)到2021年的375輛

 

 

 

2021年氫燃料電池專(zhuān)用車(chē)銷(xiāo)量為115輛，同比小幅下滑，但氫燃料電池專(zhuān)用車(chē)車(chē)型結(jié)構(gòu)基本保持一致，仍以保溫，冷藏及廂式運(yùn)輸車(chē)等城市物流場(chǎng)景用車(chē)為主。除了氫燃料電池汽車(chē)，船舶、電動(dòng)自行車(chē)、電動(dòng)摩托車(chē)等也是氫燃料電池在交通運(yùn)輸方面需要考量的環(huán)節(jié)，尤其船舶領(lǐng)域。英國(guó)造船和航運(yùn)市場(chǎng)分析機(jī)構(gòu)Clarkson Research預(yù)測(cè)，2030年LNG將位居船舶替代能源的首位，而到2050年，氫燃料船舶將成為占比最大的替代能源船舶，占比達(dá)到40%。

 

 

 

 

氫燃料電池分布式能源發(fā)電站適用于儲(chǔ)能容量大、供電時(shí)間長(zhǎng)的新能源儲(chǔ)能、電網(wǎng)側(cè)調(diào)峰等領(lǐng)域，且適用于熱電聯(lián)供的場(chǎng)合。當(dāng)前國(guó)際上大型固定式氫燃料電池發(fā)電站主要分布在北美、韓國(guó)和日本。在這里就不得不提一下以“氫能社會(huì)”為國(guó)家愿景的日本了。家用燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)（ENE-FARM） 是日本氫能利用的重要領(lǐng)域之一，

 

 

 

截至到2021年年中，日本的ENE-FARM系統(tǒng)累計(jì)銷(xiāo)售超過(guò)40萬(wàn)套，僅松下一家就超過(guò)了20萬(wàn)套。

 

 

 

目前小于5kW功率等級(jí)的氫燃料電池主要作為筆記本電腦、手機(jī)、收音機(jī)及其他需要電源的移動(dòng)設(shè)備的移動(dòng)備用電源，應(yīng)急供電及便攜式電源等，以堿性氫燃料電池、質(zhì)子交換膜氫燃料電池為主。

 

氫燃料電池最早是應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域，20世紀(jì)60年代初期，燃料電池首次應(yīng)用于宇宙飛船的空間電源。氫燃料電池的轉(zhuǎn)化效率高達(dá)55%，比氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)高出20%。目前，國(guó)際航空巨頭波音、空客都在積極研發(fā)未來(lái)氫動(dòng)力客機(jī)。

 

而隨著氫燃料電池技術(shù)的不斷發(fā)展，我們也同步迎來(lái)了工業(yè)無(wú)人機(jī)2.0時(shí)代，也就是理電無(wú)人機(jī)向氫能無(wú)人機(jī)轉(zhuǎn)變的時(shí)代。目前，工業(yè)無(wú)人機(jī)市場(chǎng)正在快速增長(zhǎng)，據(jù)據(jù)全球知名的咨詢(xún)公司弗若斯特沙利文的相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，預(yù)計(jì)2024年，我國(guó)工業(yè)級(jí)無(wú)人機(jī)的市場(chǎng)規(guī)?？梢?500億元，復(fù)合增長(zhǎng)率近100%。