經歷兩個世紀人類大規模對自然界化石能源的採掘，自然界有限的化石燃料存儲漸漸無法滿足人類對能源的需求。清潔、高效的能源循環消費是人與自然實現長久共生的法則，也是人類畢生追求的能源生活方式。燃料電池，作為一種清潔高效的能源轉化終端，正是時候。
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燃料電池為何物？
燃料電池是一種把燃料所具有的化學能直接轉換成電能的化學裝置，又稱電化學發電器。它是繼水力發電、熱能發電和原子能發電之後的第四種發電技術。由於燃料電池是通過電化學反應把燃料的化學能中的吉布斯自由能部分轉換成電能，不受卡諾循環效應的限制，因此效率高；沒有機械傳動部件，故沒有噪聲汙染；以氫氣為主要燃料源，排放出的有害氣體極少。從節約能源和保護生態環境的角度來看，燃料電池是極具發展前途的發電技術。
圖1 燃料電池的結構以及工作原理
資料來源：網絡公開資料，水木資本整理
燃料電池主要由陽極、陰極、電解質和外部電路組成。以氫氣為主的燃料氣和氧氣分別由燃料電池的陽極和陰極通入。燃料氣在陽極上放出電子，電子經外電路傳導到陰極並與氧化氣結合生成離子。離子在電場作用下，通過電解質遷移到陽極上，與燃料氣反應，構成迴路，產生電流。同時，由於本身的電化學反應以及電池的內阻，燃料電池還會產生一定的熱量。電池的陰、陽兩極除傳導電子外，也作為氧化還原反應的催化劑。當燃料為碳氫化合物時，陽極要求有更高的催化活性。
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燃料電池的分類及應用市場
Ø 燃料電池的分類
根據電解質的不同，主要有以下幾類燃料電池：鹼性燃料電池（AFC）、磷酸型燃料電池（PAFC）、質子交換膜燃料電池（PEMFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）。其中，PEMFC因其較低的工作溫度（~ 85℃）、無腐蝕性的電解質溶液以及啟動迅速的優點，受到了廣泛的關注。目前PEMFC在所有燃料電池銷量中佔比超過80%，而乘用車佔PEMFC銷量超過70%，說明有超過一半的燃料電池應用在了乘用車當中。另外，SOFC、MCFC等更多地應用於分佈式發電，日本已部署30萬個家用燃料電池系統，而這部分燃料電池則以SOFC為主。
圖2 燃料電池的分類與對比
資料來源：網絡公開資料，水木資本整理
Ø 應用市場：三大應用，汽車為主
燃料電池下游主要包括移動式、固定式、交通運輸三大應用。
1）移動式應用
移動式應用包括筆記本電腦、手機、收音機及其他需要電源的移動設備。燃料電池的能量密度通常是可充電電池的5到10倍，已有直接甲醇燃料電池DMFC 和PEMFC被應用為軍用單兵電源和移動充電裝置上。成本、穩定性和壽命將是燃料電池應用於便攜式移動電源的所需要解決的技術問題。
圖3 便攜式移動電源
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2）固定式應用
固定電源包括緊急備用電源、家用燃料電池、通信基站備用電源、不間斷電源、偏遠地區獨立電站等。日本導入家用燃料電池（ENE.FARM TYPES）後，家庭購買電力量下降約80%。截至 2018年底日本已經累計推廣30萬臺，售價約為7.5萬元人民幣，補貼降低到約為8800元人民幣。
圖4 日本家用燃料電池以及固定式燃料電池電站
資料來源：網絡公開資料，水木資本整理
3）交通運輸應用
交通運輸應用主要包括汽車、無人機、搬運車等。目前氫燃料電池及氫燃料電池汽車的研發與商業化應用在日本、美國、歐洲迅速發展，商業化應用相對成熟。截至2018年12月，全球燃料電池乘用車銷售累計超過7000輛，其中豐田Mirai全球共計銷售超過6000輛，佔全球燃料電池乘用車總銷量的86%。
豐田推出的燃料電池汽車Mirai性能優異。其能量密度達350Wh/kg，功率密度達3.1kW/L，加氫時間僅3 分鐘，容量約5-6L，對應續航里程達500-600km。該車不含補貼售價僅約39 萬人民幣，含日本政府30%補貼售價約27萬人民幣，價格已逼近與純電動汽車售價。
圖5 豐田Mirai燃料電池電動汽車及其內部動力系統構成
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全球規劃佈局
日本是全球發展燃料電池最積極的國家，由於資源的限制和地理環境的制約，日本非常重視可再生能源，因此氫能被定位為未來核心二次能源,明確提出建設氫能社會的目標。目前，日本燃料電池商業化在全球範圍內處於領先地位，加氫站全球最多，基礎設施最為完善，超過110座；並且，豐田燃料電池汽車的性能與推廣數量居世界前列；同時，家用燃料電池熱電聯產系統數量超過30萬套。
美國是研發氫能和燃料電池最早的國家之一，曾是領導世界氫燃料電池發展的主要國家。2002便已規劃國家氫能路線，2010年後政策力度有所趨穩；2019年《氫能經濟路線圖》發佈，大規模應用佈局重啟。目前，其燃料電池汽車保有量全球第一，加氫站數量全球第三，產業鏈齊全，質子交換膜優勢明顯。
歐盟將氫能作為能源安全與轉型的重要保障，FCH JU提供大量資金支持，2014-2020年預算總額6.65億歐元，截至2018年底在營加氫站已達到152座。其中，德國為代表性國家，可再生能源制氫規模全球第一，燃料電池供應和製造規模全球第三，燃料電池汽車保有量1080輛。
中國自2001年起確立了“863計劃電動汽車重大專項”項目，確定了三縱三橫戰略，以純電動、混動和燃料電池汽車為三縱，以多能源動力總成控制、驅動電機和動力蓄電池為三橫。隨著燃料電池產業發展逐漸成熟，中國在燃料電池領域的規劃綱要和戰略定調已經出現苗頭，支持力度逐漸加大。2019年“兩會”上，多位汽車及相關產業領域的人大代表、政協委員出了多項有關氫能的議案和提案，再次引起業內的關注與討論。在2019年政府工作報告裡，有一條“推動充電、加氫等設施建設”，這是氫能源首次寫入《政府工作報告》，開啟了燃料電池的“元年”，氫燃料電池的發展開始進入飛躍期。
圖6 中國燃料電池支持政策
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燃料電池的勝於何處？
Ø 發電效率高
任何以燃燒等化學反應完成能量轉化的過程，其能量轉換效率必定遵循卡諾循環。而卡諾循環效率：
（T1為燃料溫度，T2為蒸汽溫度），這也是制約燃煤電能量轉化效率的原因。一般情況下，燃煤電廠的發電效率勉強能達到40%，若算上熱電聯產，效率可達到50%以上。
圖7 卡諾循環T-S圖
燃料電池發電不受卡諾循環的限制，極大提升了發電效率。理論上,它的發電效率可達到85%～90%,但由於工作時各種極化的限制,目前燃料電池的能量轉化效率約為40%～60%。若實現熱電聯供,燃料的總利用率可高達80%以上。
Ø 環境汙染小
燃料電池以天然氣等富氫氣體為燃料時,二氧化碳的排放量比熱機過程減少40%以上；以氫氣為燃料時，由於不含碳，燃燒後的產物是水，因此可看作是“零碳排放”，這些對緩解溫室氣體效應有很大幫助。另外,由於燃料電池的燃料氣在反應前必須脫硫,而且按電化學原理髮電,沒有高溫燃燒過程,因此幾乎不排放氮和硫的氧化物,減輕了對大氣的汙染。
Ø 燃料能量密度高
若使用燃料電池，氫氣作為最為常用的燃料，其能量密度遠遠高於其他燃料，是汽油的3倍，續航里程長。同時，由於直接添加燃料，不需像蓄電池花費大量時間等待充電。
圖8 各類燃料能量密度對比
Ø 改善我國能源結構
圖9 全球主要經濟體發電結構對比（2017）
中國目前仍以煤炭為主要一次能源，佔能源消費的六成以上，而地球上的化石能源總歸是有限的，且使用過程中會造成環境的汙染。雖然中國擁有全球最大的光伏和風電裝機，但光伏和風電等可再生能源發電佔比仍低於全球平均水平。其中有一個關鍵，在於電能的生產量與消耗量不匹配。國內西北戈壁草原地區風力光能資源豐富，但當地產業少耗電少，多餘的電量難以通過電網消納，部分地區一年有1/4到一半的時間讓風機只空轉而不發電。
通過電解水產生氫氣的方式，可以及時消耗多餘的電能，再將這部分氫氣存儲起來或輸送出去，作為二次能源供給到加氫站或燃料電池電站，從而避免能源的浪費，推動解決棄風棄光問題，並有效提升新能源在能源結構的佔比，減少對化石燃料的依賴。
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市場規模
目前，全球燃料電池市場仍處於起步階段，未來市場空間巨大。根據日本富士經濟預測，2025 年全球燃料電池系統市場規模將增至3281 億元，其中便攜式燃料電池市場規模將達20 億元；以分佈式電站為主要市場的固定式燃料電池，市場規模將達1419 億元；以燃料電池汽車為主要市場的交通運輸設備燃料電池，市場規模將達1842 億元。
圖10 2025E全球燃料電池市場規模
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制約瓶頸
1. 關鍵材料和核心技術尚未自主
近年來,我國發布一系列政策引導鼓勵氫能產業發展,在關鍵零部件和技術開發方面已有所突破。液氫儲罐已經實現國產化,最大容積可達300立方米,已掌握氦製冷循環設備核心技術。但關鍵零部件主要依靠進口,燃料電池的關鍵材料包括催化劑、質子交換膜以及炭紙等材料大都採用進口材料。關鍵組件製備工藝急需提升,膜電極、雙極板、空壓機、氫循環泵等和國外存在較大差距。關於氫品質、儲運、加氫站和安全的標準較少,氫氣品質檢測和氫氣洩漏等重要測試裝備欠缺,權威檢測認證機構仍未形成。
2. 加氫基礎設施建設不足
從國內外看,“加氫焦慮”是氫燃料電池汽車發展的重要制約因素。我國氫燃料電池汽車尚處起步階段,運營車輛較少,加氫站的建設運營無法通過規模經濟效應平衡收支,導致建設運營模式不夠成熟,加氫設備產業化能力不足、成本偏高。而基礎設施不足又反過來影響氫燃料電池汽車推廣應用。目前,我國實際運營和在建加氫站多為示範性或為示範性汽車提供加註服務,暫未實現商業化運營。
3. 氫燃料電池車輛商業化推廣模式沒有建立
從制氫環節來看,現有制氫技術大多依賴煤炭、天然氣等一次性能源，經濟性、環保問題依然突出。利用可再生能源制氫存在效率低、綜合成本高等問題。從儲氫環節來看,儲氫密度、安全性和儲氫成本之間的平衡關係尚未解決,離大規模商業化應用還有一段距離。從用氫環節來看,燃料電池汽車仍發展緩慢,技術尚不成熟。建設加氫站所需關鍵零部件沒有量產的成熟產品,導致建設成本過高。以上諸多問題極大制約了我國氫能汽車商業化運行進程。
4. 專項規劃和政策體系尚未形成
我國雖從戰略層面肯定氫能及燃料電池產業發展,但專項規劃和政策體系缺位,產業發展方向、目標和重點尚待明確。氫氣仍歸為危化品管理,主管部門不明確,加氫站審批難度大,對產業發展形成較大制約。
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燃料電池產業鏈與投資機會
在政策方向支持的情況下，制約瓶頸恰好也是投資機會。燃料電池產業鏈方面，上游主要是構成燃料電池電堆的零部件：膜電極（質子交換膜、催化劑、氣體擴散層）、雙極板等，以及氫氣系統的零部件：空壓機、增溼器、氫循環泵、儲氫瓶等；中游是整個燃料電池動力系統的組裝；下游主要包括由固定發電、交通運輸以及包含軍事、航天在內的特殊領域。氫能作為配套的產業鏈，主要包括制氫、儲運氫和加氫站。
在電池組件中，雙極板、質子交換膜、氣體擴散層、膜電極組件、催化劑等部件的研發與生產上，中國與國外仍有較大差距，國產替代存在較大市場空間。此外，在氫能供應端，我國在液氫存儲的關鍵零部件上也有很大的發展潛力。
圖10 燃料電池產業鏈結構圖
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未來發展的思考
燃料電池是氫能源產業鏈的應用終端，其發展程度很大取決於氫能源是否容易獲取與儲備，整個行業受政策影響較大。目前，燃料電池本身除去催化劑材料較貴，已經可以較好地實現發電功能，但是加氫站的稀缺以及液氫儲存技術的匱乏，使得燃料電池汽車難以推廣。能源變革絕非一朝一夕，氫能作為被多數業內專家看好的二次能源，實現規模化落地需要花費大量物力與時間，這個過程可類比於上個世紀大範圍鋪設油網、煤氣網鋪設。根據《中國氫能源及燃料電池產業白皮書》，2020年、2030年中國加氫站數量將分別達到100座和1500座，遠期2050年的規劃是全國加氫站要達到10000座，意味著氫能源實現全面鋪開仍需大約30年的時間。
氫氣的來源也是一個亟待解決的問題。目前的主要來源是煤制氫，其技術工藝成熟，在石油廠、鋼廠中已經廣泛使用，制氫成本較低。但其始終是在使用化石能源，並且合成氣含CO，難以從氫氣中剔除CO，因此對燃料電池損害很大。目前看來，未來是利用富餘可再生能源電力（風電、光電等）電解水制氫儲氫，同時也解決了棄風棄光的問題。並且通過這種方式，提高風能、光能等新能源在我國一次能源的佔比，減少對化石燃料的依賴。
在電動汽車上，動力鋰電池和燃料電池似乎是兩種能量轉換路徑，隨著充電樁的全面鋪設與鋰電池汽車的普及，未來燃料電池是否還有生存空間？中國科學技術協會主席萬鋼指出，在新能源汽車發展戰略當中，純電動和燃料電池汽車是同等重要的，長期共存的：“在科技創新中，他們是互相補充的、循序發展的，純電動的發展，對燃料電池是一個推動，燃料電池發展又拓展了純電動的應用，他們在市場當中是各有定位、互不替代的。在長距離、重載級，特別是城市間交通的場景下，使用燃料電池更加合理。”
未來中國動力電池研發是否會著力於氫燃料電池？ “我不同意氫是‘終極能源’和氫能燃料電池車是‘終極環保車’的說法。” 中國科學院院士、清華大學教授歐陽明高表示，“氫和電都是能源載體，並無‘終極’之說。更應當重視的問題是氫能技術、即前端的氫燃料，比如製取、運輸、儲存、壓縮等環節。目前大家都只關注到燃料電池系統本身，但與氫相關的技術和基礎設施建設並不理想。比如，車載儲氫技術存在以下問題：碳纖維成本高、儲氫重量比較低、能量損失比較大。所以，關鍵是要加深對氫能相關的基礎研究和技術開發，以及相關基礎設施的建設。”
儘管專家對待氫能源上有多樣的觀點，但不可否認，燃料電池汽車巨大的潛力還沒有得到完全開發。目前氫燃料電池產業鏈上的問題，不能抹殺氫能生態系統的優越性。中國工程院院士幹勇表示：“從能源的角度來看，到2050年，估計氫能佔能源比重約18%，有2.5萬億美元的產值。另外，從現在到2050年，固態燃料逐漸下降，氣態燃料到2050年將成為主體，中國市場巨大，氫能源技術前景廣闊，預計在2050年中國將率先進入氫能源時代。”
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