燃料電池是未來能源發展趨勢，新能源汽車是燃料電池未來應用最看好領域
氫能—未來能源的最佳選擇
氫能源未來有望迎來大爆發:能源發展是社會發展的先行者，人類的能源發展史是一部生產力發展 的歷史。縱觀人類能源的使用歷史，從木材，秸稈到現在的煤炭，天然氣和石油。貫穿其中的主線 是能量密度的不斷提高，能源結構的不斷轉變，帶動著產業結構的升級。
順著這個思路，我們推斷為了解決日益嚴重的 「溫室效應」和環境問題，更加高效清潔的氫能源將在未來 20 年迎來大爆發，隨著上遊制氫技術的不斷獲得突破，中遊儲氫加氫從技術到布局的逐漸成熟。下遊應用從政策 到企業的大力布局，近年來隨著從可攜式設備，固定使用和交通運輸領域的商業化應用逐步落地， 我們預測在未來氫燃料電池將有著廣闊的市場前景。
從現有數據來看，氫能優勢帶動氫能源產業發展，短期尋求平穩突破，長期迎來加速發展。
從氫能源產業中最核心的氫燃料電池產業來講，2011 年全球氫能與燃料電池市場規模為 10.3 億美元， 較 2010 年 6.7 億美元增長 54%。日本日經 bp 清潔技術研究所日前發布的《世界氫能源基礎設 施項目總覽》顯示，在 2015 年包括液化氫基地、管道、固定式燃料電池以及燃料電池車在內的全 球氫能源基礎設施市場規模只有 7 萬億日元左右，預期在 2015 年到 2020 年，氫能源基礎設施市 場進入平穩的發展時期;而在 2020 年以後該市場會呈現加速增長態勢，到 2025 年，氫能源基礎 設施家用市場的規模將超過商用。
也正因為如此，在到 2025 年的 5 年內，該市場規模將實現倍 增，預計達到約 20 萬億日元;到 2050 年將達到約 160 萬億日元(約合 1.56 萬億美元)
燃料電池——氫能源的載體
燃料電池是把燃料中的化學能通過電化學反應直接轉化為電能的發電裝置。按其電解質不同，常用的燃料電池包括質子交換膜燃料電池(PEMFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)、熔融碳酸鹽 燃料電池(MCFC)、磷酸燃料電池(PAFC)和鹼性燃料電池(AFC)等。
燃料電池具有高轉化率，優勢明顯，理論上燃料電池的能量轉化效率可高達85%—90%。實際電池在工作時由於受各種 極化的限制，目前各類燃料電池的能量轉化效率約在40%—60%。若實現熱電聯供，燃料的總利用 率可達80%以上。零排放，清潔能源的標杆。
當燃料電池以富氫氣體為燃料時，其二氧化碳的排放 量比熱機過程減少40%以上;若以純氫氣為燃料，其化學反應產物僅為水，從根本上消除了CO、NOx、SOx、粉塵等大氣汙染物的排放，可實現零排放，同時由於燃料電池生成水的反應是個放熱反應， 在工作中還會產生大量熱水、熱蒸汽，所以不僅可以供電，還可以供暖，同時具有乾淨、可靠、能移動、壽命長等優點。
其中質子交換膜燃料電池操作溫度低、啟動速度快，是車用燃料電池的首選。燃料電池發電原理與 原電池或二次電池相似。電解質隔膜兩側分別發生氫氧化反應與氧還原反應，電子通過外電路作功， 產生電能。質子交換膜燃料電池(PEMFC)電池通過氫氣和氧氣發生化學反應生成水，在這個過 程中產生電能，首先，氫氣通過管道或導氣板到達陽極。
在陽極催化劑的作用下，1 個氫分子解 離為 2 個氫質子，並釋放出 2 個電子。在電池的另一端，氧氣(或空氣)通過管道或導氣板到 達陰極，在陰極催化劑的作用下，氧分子和氫離子與通過外電路到達陰極的電子發生反應生成水。 電子在外電路形成直流電。
因此，只要源源不斷地向燃料電池陽極和陰極供給氫氣和氧氣，就可以 向外電路的負載連續地輸出電能。在整個反應過程中幾乎是零排放，燃料電池特點明顯，考慮到當 前環境敏感的大環境，對燃料電池的大力政策扶植短期不會改變，這也必將推動燃料電池下遊應用的加速發展。
電催化劑(catalyst)是燃料電池的關鍵材料之一，其作用是降低反應的活化能，促進氫、氧在電 極上的氧化還原過程、提高反應速率。
氣體擴散層(GDL):在質子交換膜燃料電池中，氣體擴散層位於流場和催化層之間，其作用是 支撐催化層、穩定電極結構，並具有質/熱/電的傳遞功能。因此 GDL 必須具備良好的機械強度、 合適的孔結構、良好的導電性、高穩定性。
膜電極組件(MEA):膜電極組件(membrane electrode assembly，MEA)是集膜、催化層、 擴散層於一體的組合件，是燃料電池的核心部件之一，其結構如圖 10。目前，國際上已經發展了3 代 MEA 技術路線:一是把催化層製備到擴散層上(GDE)，通常採用絲網印刷方法，其技術已 經基本成熟;
二是把催化層製備到膜上(CCM)，與第 1 種方法比較，在一定程度上提高了催化 劑的利用率與耐久性;三是有序化的 MEA，把催化劑如 Pt 製備到有序化的納米結構上，使電極呈 有序化結構，有利於降低大電流密度下的傳質阻力，進一步提高燃料電池性能，降低催化劑用量。
雙極板(BP):燃料電池雙極板(bipolar plate，BP)的作用是傳導電子、分配反應氣並帶走生 成水，從功能上要求雙極板材料是電與熱的良導體、具有一定的強度以及氣體緻密性等;穩定性方 面要求雙極板在燃料電池酸性(pH=2~3)、電位(E=~1.1 V)、溼熱(氣水兩相流，~80°C)環境 下具有耐腐蝕性且對燃料電池其他部件與材料的相容無汙染性;產品化方面要求雙極板材料要易於 加工、成本低廉。
燃料電池電堆是燃料電池發電系統的核心，通常為了滿足一定的功率及電壓要求，電堆通常由數百 節單電池串聯而成，而反應氣、生成水、冷劑等流體通常是並聯或按特殊設計的方式(如串並聯) 流過每節單電池。
燃料電池電堆的均一性是制約燃料電池電堆性能的重要因素。燃料電池電堆的均 一性與材料的均一性、部件製造過程的均一性有關，特別是流體分配的均一性，不僅與材料、部件、 結構有關，還與電堆組裝過程、操作過程密切相關。
常見的均一性問題包括由於操作過程生成水累 積引起的不均一、電堆邊緣效應引起的不均一等。電堆中一節或少數幾節電堆的不均一會導致局部 單節電壓過低，限制了電流的加載幅度，從而影響電堆性能。從設計、製造、組裝、操作過程控制 不均一性的產生，如電堆設計過程的幾何尺寸會影響電堆流體的阻力降，而流體阻力降會影響電堆 對製造誤差的敏感度。
燃料電池下遊運用:未來最看好在新能源汽車領域的應用
燃料電池早在 20 世紀 60 年代就因其體積小、容量大的特點而成功應用於航天領域。進入 70 年 代後，隨著技術的不斷進步，氫燃料電池也逐步被運用於發電和汽車。
現如今，伴隨各類電子智能 設備的崛起以及新能源汽車的風靡，氫燃料電池主要應用於三大領域:固定領域、運輸領域、便攜 式領域。
從市場的觀點來看，燃料電池因其穩定性和無汙染的特質，既適宜用於集中發電，建造大、 中型電站和區域性分散電站，也可用作各種規格的分散電源、電動車、不依賴空氣推進的潛艇動力 源和各種可移動電源，同時也可作為手機、筆記本電腦等供電的優選小型可攜式電源。
固定式領域:目前燃料電池下遊應用最大的一塊領域，產業相對成熟，固定式燃料電池系統的主要 應用領域為固定電源、大型熱電聯產、居民住宅熱電聯產及備用能源等。
2014 年初統計結果表明， 固定式燃料電池市場佔有率達 70%，並將繼續引領未來全球燃料電池市場的發展。根據 Navigant的一份報告顯示，目前固定式燃料電池系統的年出貨量大約為 4 萬套，預計在 2022 年的年出貨量 將達到 125 萬套，其複合年平均增長率達 51.7%。
固定式燃料電池行業正處於一個非常活躍的階 段，許多公司計劃開發或安裝固定式燃料電池系統，由於現代社會對電力系統的穩定性及在自然災 害情況下電力的持續供應要求的增加，固定式燃料電池系統作為小型發電及備用電源系統得以迅速 的發展。
可攜式領域:應用前景廣闊，面向未來市場。可攜式電源市場包括非固定安裝的或者行動裝置中使 用的燃料電池，適用於軍事、通訊、計算機等領域，以滿足應急供電和高可靠性、高穩定性供電的 需要，實際應用的產品包括高端手機電池、筆記本電腦等便攜電子設備、軍用背負式通訊電源、衛 星通訊車載電源等;
另一方面用作自行車、摩託車、汽車等交通工具的動力電源，以滿足環保對車 輛排放的要求。預期是運用在手機，無人機，數位相機等領域。
目前相比鋰電池從價格和性能兩個 方面來看優勢並不明顯，因此現在對於可攜式燃料電池的需求相當少。
交通運輸領域:各國大力布局，蓄力靜待爆發。
交通運輸市場包括為乘用車、巴士/客車、叉車以 及其他以燃料電池作為動力的車輛提供的燃料電池，例如特種車輛、物料搬運設備和越野車輛的輔 助供電裝置等。
汽車用燃料電池作為動力系統是目前關注度最高的應用領域。這是目前是爆發最 迅猛，也是關注度最高的應用領域。
從當前的數據來看，燃料電池技術有望在汽車領域率先爆發。大型車企的燃料電池汽車研發如火如 荼，在全球範圍內各大汽車生產廠商紛紛進入氫能源汽車領域,從 2013 年開始陸續有燃料電池汽車 推出和展出。
從全球市場來看，日韓車企最早推出產品，其中 Mirai 和 Clarity 當屬燃料電池汽車 領域的試水產品，從 Mirai 的訂單規模來看，日本市場的訂單量達到了 3000 輛，達到了預期銷量 的 750%，海外訂單達到預期銷量的 7 倍。
從市場表現來看，市場對燃料汽車的接受程度較好，在 政府大力補助的條件下，隨著燃料電池產量的提升。歐美車企更多選擇和日本車企合作。車企在解 決自身產能問題後，燃料電池汽車市場將會是一片藍海。
物流車領域是交通運輸商業化的另一主要領域，物流運輸市場非常巨大，國內以一汽和中車為代表 的企業正在燃料電池物流車領域發力。
目前，國內廠商正通過合作研發的方式，首先在國際市場上 研發推廣燃料電池物流車。中車株洲時代電動汽車股份有限公司與加拿大 Loop En-ergy 燃料電池 公司在美國籤署了電驅動系統產品開發協議。開啟了中國向歐美出口燃料電池系統產品的新篇章。
此次合作由三方共同完成。加拿大 Loop Energy 燃料電池公司將自身燃料電池運用於中車電動核 心系統產品，再將中車電動系統產品運用於美國 OEM 整車廠開發的純電動內場物流拖車。
這將成 為全球第一臺燃料電池大型物流車。一汽解放與新源動力達成燃料電池合作協議,計劃 2016-2017年完成 100 輛以上燃料電池物流車的推廣應用,從而實現燃料電池車商業化應用。結合中國的國情， 在網際網路時代下，考慮到物流市場的巨大規模，綜合優勢明顯的物流車將會是燃料電池的又一藍海 市場。
十三五」期間燃料電池汽車有望進入商業化階段
新能源汽車:短期鋰電池佔主導;長期燃料電池有望實現後來者居上
短期:新能源鋰電池車佔主導
燃料電池成本降低和加氫站的建設是一個逐步推進的過程，短期來看鋰電池仍佔主導:從過去到現 在，全球燃料電池汽車走了幾個階段。
第一階段，設想的很樂觀，但燃料電池應用於汽車上之後， 受汽車工況影響，性能衰減很快。
第二階段，主要解決燃料電池的可靠性、耐久性問題。因為工況 比較複雜，這一階段經歷了七八年時間，基本上解決了這些問題，燃料電池壽命也達到了要求。
現在進入了第三階段，即商業化的導入期，主要是進一步降低成本和鉑(Pt)用量，同時加快加氫站 的建設，目前來看，
1)加氫站的短缺阻礙燃料電池汽車的發展:加氫站建設成本是加油站的 5 倍， 價格高昂使得加氫站數量短缺。即便燃料電池的續航裡程可以達到 700 公裡左右，但是 700 公裡 內不一定會有一個加氫站。
2)燃料電池車的成本仍要遠高於鋰電池車，國外的燃料電池大巴車售 價在 100 萬美元上下，而特斯拉的「貴族」電動車 ModelS 售價也才為 73 萬人民幣，相比之下燃 料電池車價格目前來說高很多。
長期:燃料電池有望實現後來者居上
燃料電池優勢明顯:氫是世界上最多的元素，氫氣來源極其廣泛並且是可再生資源，所以用氫氣作 為「燃料」似乎最合適不過。
由於燃料電池是化學能直接轉換為電能，相比內燃機的燃燒作用不會 產生大量廢氣與廢熱，轉化效率更可超過 50%(內燃機轉化效率為 10%)，排放物也只有水，也 不會對環境溫度造成影響。
使用壽命長於電化學電池並且電池維護工作量很小。相比於純電動車的 充電時間來說，燃料電池加注氫氣的時間很短，幾乎與內燃機汽車添加燃油時間相當，大約在 3-5分鐘左右。
高能量密度是燃料電池能夠有望實現後來者居上的基礎:如果新能源要想顛覆傳統能源長期發展建 立起來的產業鏈條和基礎網絡，高能量密度是基礎。
在世界範圍內，新能源鋰電汽車之所以目前佔比仍然較低，主要是由於其低能量密度。而氫能源能量密度是汽油及天然氣的 3 倍以上，具有快速發展的基礎。
隨著技術進步、規模化生產，燃料電池車成本將逐漸降低，經濟型逐漸體現:美國能源部數據顯示，2012 年，交通運輸用燃料電池系統的成本為 47 美元/千瓦，與 2002 年相比，下降了 82.9%，與2008 年相比，下降了 35.6%，這一數字已經逐步接近美國能源部設定的 2017 年成本目標:30 美 元/千瓦。
Platinum 集團的金屬鉑(Pt)(用來做催化劑)含量已經降低了 1/5，目前每千瓦的含量 少於 0.2 克，接近美國能源部的目標 0.125 克/千瓦。
此外，燃料電池的耐用性也增加了一倍多， 並自 2007 年以來電解槽的成本減少了 60%。根據英國碳信託諮詢公司的報告，若燃料電池汽車需 要規模化生產，其成本需達到 36 美元/千瓦才能與內燃機汽車競爭。而根據目前 PEMFC 成本的下 降趨勢以及目前的技術進步，該目標價位即有可能在 2017 年之前達成，屆時燃料電池汽車就可以 批量化生產。
長期來看，燃料電池車有望實現後來者居上:不論是從能源安全角度，還是從節能環保角度考慮， 新能源汽車都將成為未來的長期發展趨勢。氫燃料電池技術作為目前排放標準最高，環保性最強的 新一代新能源動力汽車技術，在新能源汽車產業化發展之路中無疑具有裡程碑意義。
相比於現階段鋰動力電池技術，氫燃料電池汽車啟航加速快，充氫時間短，續航裡程大，能量密度及功率密度均 具有最優異性能，我們認為在未來具有極高的應用價值和商業化前景。
政策將開啟燃料電池及燃料電池汽車行業發展的大潮
隨著世界能源危機的日益突出, 汽車工業面臨者嚴峻的挑戰。各能源大國對石油的需求量正快速增 長，汽車保有量的增長使車用原油消耗佔原油總消耗量的比例逐年加大。車用石油消耗所產生的空 氣汙染成為越來越嚴重的問題。
發展新能源汽車是解決當前交通能源和環境問題的一項重要手段。發達國家尤其是汽車強國近年來 加大了在節能與新能源汽車領域的投入,美國、日本、歐洲等國依據自己的資源條件和產業技術基 礎, 制定了交通能源戰略和技術發展路線圖。
中國政府也高度重視能源的可持續性發展。氫是世界上最簡單、儲量最豐富、分布最廣的元素。它可以從水、化石燃料、生物質等化合物中製取。以氫 為原料的燃料電池汽車近幾年成為各大汽車公司的研發熱點, 各國政府紛紛制定出一系列配套政 策和法規, 積極鼓勵和推動其產業化和商業化進程。
加氫站建設只是個時間積累的問題，為了推動燃料電池車基礎設施建設，汽車製造商正在同大型能 源公司、初創企業等合作夥伴在氫燃料供給方面展開合作。例如，在日本，豐田、本田、日產 3家車企，與科斯莫石油公司、巖谷產業公司、東京燃氣公司等 10 家能源公司宣布共同促進加氫站 建設。
近期，多家企業聯合宣布中國加氫站 建設營運計劃於 2016 年 6 月 28 日在上海啟動。各國政府的大力布局，極大的推動了以燃料汽車 為主的下遊運用。
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