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、中游集成和下游應用構(gòu)成

 

 

 

制氫的過程可以分為三種。目前，我國氫氣主要來自灰氫，但事實上只有綠氫才是真正零排放制氫方式。

 

 

根據(jù)相關數(shù)據(jù)，2021年，我國氫氣年產(chǎn)能約4000萬噸，產(chǎn)量為3300萬噸。

 

 

 

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)生電化學反應的場所，是傳遞電子和質(zhì)子的介質(zhì)，通常由催化層、氣體擴散層和質(zhì)子交換膜構(gòu)成。

 

 

質(zhì)子交換膜類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、無氟化質(zhì)子交換膜復合膜以及高溫膜。代表性產(chǎn)品有：

 

 

東岳集團公司的DF988、DF2801的短鏈全氟硫磺酸膜。

 

 

常見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做催化，如Pt-Co/C、Pt-Pb/C、Pt-Ni/C。Pt昂貴的價格導致低鉑催化劑和非鉑催化劑是目前的研究重點。

 

 

 

氣體擴散層的主要作用是支撐催化劑，同時為電極反應提供氣體、質(zhì)子、電子和水等多個通道。氣體擴散層生產(chǎn)的一關鍵元素是碳紙選材，在全球范圍內(nèi)氣體擴散層所需碳紙、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SGL、德國Freudenberg、加拿大Zenyatta等。

 

 

雙極板起到均勻分配氣體、排水、導熱、導電的作用，占整個燃料電池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、復合雙極板、金屬雙極板3大類。

 

雙極板種類及優(yōu)缺點

 

 

產(chǎn)業(yè)鏈中游：集成

 

氫燃料電池系統(tǒng)按結(jié)構(gòu)來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發(fā)展的主要方面。

 

 

 

據(jù)相關數(shù)據(jù)，2021年我國燃料電池電堆年新增市場規(guī)模約為6.2億元。預計2021-2025年燃料電池電堆新增市場需求的CAGR為87%。2025/2030年，燃料電池電堆新增市場分別為75/238億元。

 

 

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

 

 

 

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，對應的系統(tǒng)部件有氫循環(huán)泵、氫瓶、增濕器、空氣壓縮機等。

 

 

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

 

 

 

 

高壓氣態(tài)儲氫是目前發(fā)展最成熟、各廠商采用最多的儲氫技術，其關鍵是儲氫瓶。對于儲氣瓶，全球呈現(xiàn)出從I型儲氫瓶到IV型儲氫瓶的技術發(fā)展趨勢。儲氫瓶類型及性能。

 

 

 

空氣壓縮機是燃料電池進氣系統(tǒng)的重要組成部分，通過對進堆的空氣進行增壓，可提高電堆的輸出功率和效率。目前燃料電池系統(tǒng)使用的空壓機主要包括：

 

 

其中離心式空壓機是主要的發(fā)展方向。

 

 

 

交通動力應用是目前氫燃料電池應用領域中關注度最高的。2021年我國氫燃料電池汽車銷量為1881輛，同比增長25.7%。從車型結(jié)構(gòu)來看，2021年：

 

 

銷量達到1032輛，盡管同比下降23.6%，但氫燃料電池客車依然是燃料電池汽車最主要的車型。

 

2017-2021年燃料電池汽車車型結(jié)構(gòu)分析

 

 

同時，受政策導向作用影響，2021年氫燃料電池汽車車型結(jié)構(gòu)進一步豐富，半掛牽引車、自卸車等中重型氫燃料電池汽車銷量增幅明顯 :

 

 

由2020年的17輛增長到2021年的375輛

 

 

 

2021年氫燃料電池專用車銷量為115輛，同比小幅下滑，但氫燃料電池專用車車型結(jié)構(gòu)基本保持一致，仍以保溫，冷藏及廂式運輸車等城市物流場景用車為主。除了氫燃料電池汽車，船舶、電動自行車、電動摩托車等也是氫燃料電池在交通運輸方面需要考量的環(huán)節(jié)，尤其船舶領域。英國造船和航運市場分析機構(gòu)Clarkson Research預測，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，占比達到40%。

 

 

 

 

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

 

 

 

截至到2021年年中，日本的ENE-FARM系統(tǒng)累計銷售超過40萬套，僅松下一家就超過了20萬套。

 

 

 

目前小于5kW功率等級的氫燃料電池主要作為筆記本電腦、手機、收音機及其他需要電源的移動設備的移動備用電源，應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用在航空航天領域，20世紀60年代初期，燃料電池首次應用于宇宙飛船的空間電源。氫燃料電池的轉(zhuǎn)化效率高達55%，比氫燃料發(fā)動機高出20%。目前，國際航空巨頭波音、空客都在積極研發(fā)未來氫動力客機。

 

而隨著氫燃料電池技術的不斷發(fā)展，我們也同步迎來了工業(yè)無人機2.0時代，也就是理電無人機向氫能無人機轉(zhuǎn)變的時代。目前，工業(yè)無人機市場正在快速增長，據(jù)據(jù)全球知名的咨詢公司弗若斯特沙利文的相關數(shù)據(jù)顯示，預計2024年，我國工業(yè)級無人機的市場規(guī)模可以1500億元，復合增長率近100%。