氢能：燃料电池及氢能行业深度解析_行行查

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氢能：燃料电池及氢能行业深度解析

2021-12-01

燃料电池是通过氧化还原反应将燃料(化学能)转换成电能的装置，原理是氧化还原反应，需要连续不断地向电池中输入燃料和氧化剂来保障电能提供。

燃料电池产业链

燃料电池产业链长，催生从微观部件到整体系统测试的需求爆发。在下游需求迸发的市场环境下，燃料电池行业客户的需求也开始多元化、具体化，客户更多地开始关注燃料电池各子系统的性能（如质子交换膜、气体扩散层等）、电池阻抗分析和量产产线的活化测试等，从而从各个环节、各个维度对燃料电池的可靠性进行把控，加速产业化进度。

燃料电池种类

燃料电池是通过氧化还原反应将燃料(化学能)转换成电能的装置，原理是氧化还原反应，需要连续不断地向电池中输入燃料和氧化剂来保障电能提供。燃料电池主要由正极、负极和电解质构成。

燃料电池动力系统

燃料电池是一种把燃料所具有的化学能转换成电能的化学装置。按燃料类型可分为氢燃料电池、甲烷/甲醇/乙醇燃料电池，氢燃料电池因具有副产物清洁、安全性高、易运输存储等优点，是实际具备大规模商业化应用前景的燃料电池。氢燃料电池受储氢密度、能量转换效率影响，在体积能量密度上与锂电相似，质量能量密度较大幅度优于锂电池。

燃料电池电堆工作原理

燃料电池是一种通过非燃烧方式直接将燃料的化学能转化为电能的装置。工作时其借助电极将进入负极的氢（含氢燃料）和进入正极的氧发生非燃烧的电化学反应，氢在负极上的催化剂的作用下分解成正离子H+和电子e-。H+进入电解液中，而e-则沿外部电路移向正极(阴极)产生电流。在正极上，空气中的氧同电解液中的H+吸收抵达正极上的电子e-形成水。

燃料电池装机量

目前，燃料电池根据其应用场景不同可大体分为交通运输用、固定式、便携式燃料电池。近年来燃料电池在交通运输领域的需求量呈现爆发式增长。2020年全球燃料电池装机量达1319.4MW，2015-2020年复合增长率达35%；其中交通运输领域的需求上升尤为显著，年复合增长率达54%，2020年装机量994MW，占总装机量的75%。

燃料电池装机份额

整体而言，近年来中国氢燃料电池装机量增速快，头部企业占据了主要的市场份额。但考虑到燃料电池行业仍在发展初期，市场空间小，一旦有个别企业上量，整体市场格局就会发生较大变化。例如从2019和2020年的市场份额看，CR5由87%下降至69%，并且装机前5的企业也不尽相同。这些厂家以系统集成为主，核心零部件仍高度依赖进口。

制氢的三种主要技术及氢气产量

目前制氢技术路线按原料来源主要分为化石原料制氢、化工原料制氢、工业尾气制氢和电解水制氢几种。常规的制氢技术路线中以传统化石能源制氢为主，全球范围内主要是使用天然气制氢，我国由于煤炭资源比较丰富，因此主要使用煤制氢技术路线，占全国制氢技术的60%以上。

目前工业化制氢技术主要有化石燃料制氢、工业副产物制氢及电解水制氢。化石燃料制氢的技术如煤制氢、天然气制氢等是较为普遍的制氢方法，技术已经成熟，但需要面临碳排放问题。其中天然气重整是使用最广泛的制氢方法。工业副产氢技术主要是使用焦炉煤气制氢，其主要特点是不会额外产生碳排放。电解水制氢可以利用各种可再生能源以及先进核能提供的热能和电能, 在高温下将水蒸气高效电解为氢气和氧气，是一种高效、清洁的制备方法。

根据中国氢能联盟的预测，到2030年，中国氢气需求量将达到3500万吨，在终端能源体系中占比为5%；到2050年，需求量将达到6000万吨（相当于2020年的292.68%），在终端能源体系中占比为10%，可减排约7亿吨二氧化碳，产业链产值达到12万亿元/年。

加氢站保有量

2019年3月‘推动加氢设施建设’首次写入政府工作报告，并提出地方补贴政策支持加基础设施建设，而从中国加氢站建设运营的情况来看，EVTank发布的《中国加氢站建设与运营行业发展白皮书（2021年）》显示，截至2020年底，中国累计建成118座加氢站，在建/拟建为167座。超额完成《中国氢能产业基础设施发展蓝皮书（2016）》和《节能与新能源汽车技术路线图2.0》中的“到2020年，加氢站数量达到100座”的目标。其中建成的加氢站已投入运营101座，待运营17座，投用比例超过85%。随着未来氢能车保有量的上升，以及加氢站建设成本的下降，加氢站数量增长将进入加速期，预计到2025年达到500座，2030年到1500座。类比当前约4800座左右天然气（LNG）加气站规模所支撑起的天然气重卡14万年销量以及50万保有量，如若顺利建成1500座加氢站，在加氢站加注能力和规模与加气站类似的前提下，同样有望支撑4-5万年销量以及15万保有量的氢燃料重卡的应用。

加氢站原理图

加氢站是燃料电池汽车充装燃料的场所，根据其站内氢气储存相态不同，分为气氢加氢站和液氢加氢站。高压储氢加氢站是通过外部供氢或站内制氢获得氢气后，经过调压干燥系统处理后转化为压力稳定的干燥气体，随后在氢气压缩机的输送下进入高压储氢罐储存，最后通过氢气加注机为燃料电池汽车进行加注。液氢加氢站优势是占地面积较小，储存量更大，适用于大规模加氢，由于液氢温度低，需要在换热器中与空调载冷剂换热后再通入车厢。