一篇文章讓大家看懂燃料電池到底是啥技術

燃料電池，是一種主要通過氧或其他氧化劑進行氧化還原反應，把燃料中的化學能轉化成電能的電池。豐田燃料電池車上市腳步漸近，把燃料電池技術的應用再次帶進人們的視野。

燃料電池有多種類型，但是它們都有相同的工作模式。它們主要由三個相鄰區段組成：陽極、電解質和陰極。兩個化學反應發生在三個不同區段的接口之間。兩種反應的淨結果是燃料的消耗、水或二氧化碳的產生，和電流的產生，可以直接用於電力設備。

燃料電池按燃料類型可分為直接型、間接型和再生型；按電解質種類又可分為鹼性燃料電池（AFC）、磷酸鹽型燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽型燃料電池（MCFC）、固體氧化物型燃料電池（SOFC）和質子交換膜燃料電池（PEMFC）。

20多年來，燃料電池經歷了鹼性、磷酸、熔融碳酸鹽和固體氧化物等幾種類型的發展階段，燃料電池的研究和應用正以極快的速度在發展。在所有燃料電池中，鹼性燃料電池（AFC）發展速度最快，主要為空間任務，包括太空梭提供動力和飲用水；質子交換膜燃料電池（PEMFC）已廣泛作為交通動力和小型電源裝置來應用；磷酸燃料電池（PAFC）作為中型電源應用進入了商業化階段，是民用燃料電池的首選；熔融碳酸鹽型燃料電池（MCFC）也已完成工業試驗階段；起步較晚的固態氧化物燃料電池（SOFC）作為發電領域最有應用前景的燃料電池，是未來大規模清潔發電站的優選對象，100kW管式SOFC電站已經在荷蘭運行，Siemens和三菱重工都進行了SOFC發電系統的試驗研究。相比之下，SOFC、MCFC和PEMFC會是最有前景的技術路線。

氫燃料電池優勢及產業鏈分析

氫燃料電池，即使用氫氣作為燃料，利用電解水的逆反應產電的一種燃料電池，是目前發展最好的燃料電池。

其工作原理即：將氫氣送到電池的陽極板，通過催化劑的作用，氫原子變成一個正電荷的氫離子和一個負電荷的電子，其中氫離子通過電解質到達陰極板，而電子不能通過電解質，而只能通過外部電路形成電流。電子到達陰極板後，與氧原子和氫離子重新結合為水。

氫燃料電池陰極板供給的氧可直接從空氣中獲得，因此僅需不斷給陽極板供應氫氣並及時把水帶走，氫燃料電池就可以不斷提供電能。相對於其他能源，氫燃料電池的發電過程無汙染，能量轉換效率更高，且其燃料氫氣來源廣泛，可再生。

1、零汙染

燃料電池屬於清潔能源的一部分，由於其反應過程就是無汙染的水反應，反應過程不會產生汙染物，其主要汙染物來自於燃料，可能存在氮氧化物等汙染。相對於普通火力發電的空氣汙染以及傳統電池的重金屬汙染而言，燃料電池對環境的汙染程度遠遠降低。而氫燃料電池，其燃料為純淨無汙染的氫氣，相對其他燃料而言，廢氣中也不存在汙染物。可以說，氫燃料電池就是一個能真正實現零汙染的環保能源。

2、高效的能量轉換效率

燃料電池的發電效率也處於較高水平。在各種發電方式中，傳統火力發電效率在30%左右，遠低於燃料電池平均的40%-60%效率。而在汽車領域的應用中，燃料電池的效率可達60%，也高於目前汽車普遍使用的內燃機效率。總體而言，燃料電池的能量轉換效率在其類似替代能源中都處於較高水平。

3、易於獲得燃料

氫是宇宙中最常見的元素，氫及其同位素佔到了太陽總質量的84%，宇宙質量的75%都是氫。氫分子在地球上不是以天然的氣體存在，大部分氫結合氧存在水中，可以說水資源在一定程度上代表了氫能的儲存量。

制氫的能源和燃料可以來自多種來源例如天然氣、核能、太陽能、風力、生物燃料、煤礦、其他化石燃油、地熱。目前氫氣主要是作為一種中間產品而生產的。主要是由化石能源天然氣（CH4）、原油（烴）或煤等原料，與水蒸汽在高下經蒸汽轉化法、部分氧化法、煤氣化法等工藝生成。

氫燃料電池主要包括電池組件和燃料兩個部分。因此其上遊主要是氫氣供應以及電池零組件。氫氣供應部分主要是為燃料氫氣而準備的，主要流程包括氫氣生產、輸送和充氣機。而電池零組件部分則主要生產燃料電池組、氫氣存儲設備和配件。中遊則是將上述組裝，形成一個完整的可投入使用的燃料電池系統，每種系統構成都依據其不同的應用領域而有所不同。下遊的應用板塊則主要包括了固定、交通運輸和可攜式三個主要領域。

產業鏈的核心在於中遊的燃料電池系統，系統的組成必定要對應下遊的應用，而在燃料電池系統中，燃料電池模塊是最為重要的。一般燃料電池由電解質、催化劑和雙極板構成，在這三者中，催化劑的有無對燃料電池成本的影響最為巨大。對於PEMFC來說，由於其使用昂貴的鉑族金屬作為催化劑，其價格一直居高不下，可以說，催化劑是燃料電池價格的決定性因素之一。另一個重要的決定因素這是電解質，不同技術類型的燃料電池堆電解質的要求不同，不同的電解質的價格也會有所不同，並最終對燃料電池價格產生影響。

固定領域引領氫燃料電池市場

氫燃料電池早在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、可攜式領域。

2012年，全球燃料電池系統的出貨量近3萬臺，同比增長約34%，相對2008年增長超過321%。而在其中，固定式燃料電池的增長最為顯著，從2008年的2000臺迅速上升至2012年的2.5萬臺。交運用燃料電池的發展則相對平穩，在未來其發展的主要看點集中在輕型燃料電池電動汽車數量的增加和物料搬運設備市場的大幅增長。

在三個主要領域中，可攜式領域的發展幾乎處於停滯狀態，即使目前已有許多公司陸續推出手機用氫燃料電池，但就整體而言，該類產品的商業化尚未得到實現，未來發展還需很長時間。日本富士經濟公司針對產業和商業、家用、燃料電池車、叉車等驅動、便攜和應急以及便攜終端6個領域進行了調查，預測稱到2025年，全球市場總計將達到51843億日元，相當於2011年的74.2倍。

單就氫燃料電池產業來講，根據工研院IEK的統計，2011年全球氫能與燃料電池市場規模為10.3億美元，較2010年6.7億美元成長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，到2015年預計包括液化氫基地、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，但在2015年以後，氫能源基礎設施市場開始緩慢增長；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）。

固定式燃料電池市場包括多種尺寸和類型，主要用於各種固定位置的電力供應，包括主要應用於發電站、樓宇、工程等領域的大型首要電源、備用電源或熱電聯產（CHP），用於家庭住宅和商業的微型熱電聯產（CHP），以及遠程或基本應用例如電訊塔的首要或備用電源。固定式燃料電池主要包括MCPC、SOFC、PAFC和PEMFC。

在美國市場，美國本土的Bloom  Energy,Fuel Cell Energy，UTC Power和加拿大的Ballard PowerSystems是該領域的主要生產公司。隨著各國政府對清潔能源的關注，固定式燃料電池近幾年的出貨量不斷攀升，根據Pike Research的預測，到2022年固定式燃料電池的出貨量將達到35萬臺，相對於目前的2.1萬臺有一個巨幅的提升。

目前更多的行業在考慮使用燃料電池，希望在發生自然災害時，燃料電池可以獨立於電網發電。隨著對電的復原力需求的增強，以及全球越來越快地採用分布式發電技術，和家庭式熱電聯產的逐步普及，未來10年，固定式燃料電池產業將處於有利的引領地位。

在固定式燃料電池的應用中，各地區略有差別。對亞太地區而言，輔助電源（Aux Power）是目前佔比最大的應用，其他主要應用則是備用電源(Backup Power)和熱電聯產（CHP）。在北美地區，備用電源（Backup）、熱電聯產（CHP）和分布式發電（DG）是三類主要的應用領域。無論是在亞太地區還是在北美地區，隨著家庭式熱電聯產的逐步普及，CHP的應用佔比都將會逐步增大，並成為固定領域中的主要應用。分布式發電和備用電源則作為輔助應用，共同支撐固定領域發展。

運輸領域尋求突破

交通運輸領域的燃料電池細分有廣泛的應用，主要包括車輛，公交車，小型飛機，船隻以及物料搬運設備等，使用的燃料電池類型僅僅是質子交換膜（PEMFC）。目前，交運領域實現商業化的主要是物料搬運設備領域，而全球幾家大型汽車製造商仍在繼續追求燃料電池輕型汽車的應用，並計劃與2015-2017年實現商業化。北美的Plugpower和加拿大Ballard PowerSystems是該領域的主要廠商。

高效環保低成本的氫燃料電池叉車為運輸領域的核心應用。叉車是工業搬運車輛，是指對成件託盤貨物進行裝卸、堆垛和短距離運輸作業的各種輪式搬運車輛，是物料搬運設備的一種。目前，叉車是交通運輸領域中實現商業化較為活躍的主要品種。其主要生產商為Plug power公司。

叉車上的動力來源主要是電池。較常用的為鉛酸電池，而目前燃料電池正取代鉛酸電池成為電動叉車的主要能量。在高流通量的配送中心和倉庫環境中，與傳統充電電池系統相比，零排放燃料電池叉車體現了經濟、實用、環保。

燃料電池叉車的優勢在於：通過恆功率輸出和充氫氣時間短顯著提高叉車的生產率。鉛酸電池的性能有限，過長的充電時間導致其效率低下。與之相比，燃料電池由於燃料補給迅速，且具有更長的使用壽命而備受關注。提高生產效率的同時，燃料電池叉車還可以降低運營成本。

例如，沃爾瑪超市在加拿大阿爾伯塔省的冷藏配送中心部署了95輛燃料電池叉車。與傳統的充電電池動力叉車相比，該項目在7年內將減少運行成本110萬美元。沃爾瑪現在已有超過500輛燃料電池叉車運行在包括冷凍設施在內的三個倉庫中運行。其餘使用Plug power公司的Gen Drive系統的客戶包括：寶潔公司部署在四個站點的340個燃料電池叉車系統；思科部署在7個站點的超過600個系統；可口可樂公司部署在2個站點的96個系統。2008年時全美燃料電池叉車的總數才幾百輛，而到2012年時在19個州近40個城市共擁有4000多輛，燃料電池叉車在美國開始迅猛發展。

燃料電池叉車市場的供應商主要有H2Logic,Hydrogenics,NuveraFuelCells,OorjaProtonics和Plug power。其中Plug power是最大的供應商，其市場份額約為80%。

使用燃料電池叉車的企業目前來看多為大公司，這部分是因為燃料電池叉車的售價高於普通叉車。就2012年的主要訂購商來看，主要集中在世界500強企業，其中又以零售業為主。

作為燃料電池叉車大廠商的Plug power公司在2013年第四季度接受了來自沃爾瑪、寶潔、寶馬等公司的訂單，訂單量較以往有較大增幅，截止目前，Plug power公司已累計提供4500多套叉車系統，且隨著2013年第四季度訂單的爆發，燃料電池在叉車領域的應用還將進一步擴展。

燃料電池車離產業化仍有不小距離

成本：發展的首要阻礙

燃料電池車目前普及度非常低，國外的燃料電池大巴目前售價在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，兩廂對比下，燃料電池車的價格實在高出許多。但目前豐田、上汽等集團都發布了燃料電池車生產宣告，預計將於2015年上市，豐田的目標定價在5萬美元，而上汽的成本預計在50萬人民幣，若屆時能達到目標價位，則燃料電池車發展可待。燃料電池車成本中2/3是燃料電池系統的花費，目前燃料電池系統的成本下降速度很快，也還存在下降空間。全球領先的燃料電池技術公司~巴拉德動力系統也已開發出第7代燃料電池電堆HD7，該電堆的成本比上一代的HD6要減少75%。

燃料電池車使用的是質子交換膜電池。在PEMFC中，貴重金屬催化劑鉑的使用劑量在逐步降低，再加上電解槽等成本的降低，使得PEMFC的成本不斷降低。根據美國能源部數據，2012年交通運輸用燃料電池的成本為47美元/千瓦，相比2002年的估計成本下降了82.9%，且在逐年的下降中，成本價已接近美國能源部設定的2017年的目標價30美元/千瓦。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。

加氫站：需要時間積累的必備配套任務

加氫站建設難也是制約燃料電池汽車發展的另一大因素。和建設鋰電池電動車所需的充電樁不一樣，建設加氫站的可操作性難度非常高，除了需要較大的空間外，還要做環評、安評等一系列工作。全球加氫設施的發展主要集中在三大區域：北美、歐洲和日本，整個加氫站建設的密度將與燃料電池汽車的市場導入量相匹配。目前而言，中國僅有一個加氫站，加氫站不僅遠遠低於美國數量，也遠遠低於臨近的韓國和日本，可以說國內在加氫站建設上還有很長的路要走。

預計到2014年，美國西海岸和東海岸的加氫站將分別達到37個，到2015年西海岸計劃新建68個，東海岸到2020年則要建成100個。歐洲地區以德國、法國為核心，德國的目標是到2020年要實現加氫站境內全覆蓋。日本則要在2015年將加氫站數目擴大到100個，東京、大阪等四個人口比較集中的城市裡加氫站要實現全覆蓋。發達地區加氫站的建設與其燃料電池車的發展相匹配，在這些地區，燃料電池車在2015年左右實現將不再是幻想。

氫燃料電池VS鋰電池：誰是贏家？

鋰電池是一類由鋰金屬或鋰合金為負極材料、使用非水電解質溶液的電池，使用以下反應：Li+MnO2=LiMnO2,該反應為氧化還原反應，放電。由於鋰金屬的化學特性非常活潑，使得鋰金屬的加工、保存、使用，對環境要求非常高。鋰電池的歷史可以追溯到70年代，是目前應用最廣泛的電池，特斯拉電動車使用的就是鋰電池。

鋰電池和燃料電池相比較，鋰電池的優勢在於更安全、成本更低；而燃料電池的優勢則在於充電時間更短、能量密度更高。從目前的技術看，氫燃料電池需要新建一個產業鏈來支撐，這需要很長的時間和大量的投資。而鋰電池從發明以來，隨著技術的進步和產業化的擴充，每年都有小幅度的降價和容量提升。日本在2005年就開發出來了性能比特斯拉Model S更優異的Eliica，但是當時鋰電池的高昂價格註定這個產品只是試驗品。而目前特斯拉電動車火爆全球，比亞迪正在開發性能不遜色於特斯拉Model S的E9，寶馬混合動力的i3、i8都要上市，保時捷918也已經預訂。這都說明2013年鋰電池的價格已經降低到一個可以接受的範圍。未來幾年，隨著鋰電池價格的進一步下降和容量的進一步提升，電動車的普及度有望進一步提升。總而言之，短期來看鋰電池主導的電動車會是主要方向，氫燃料電池則需要長期的發展，但有望後來居上。

小結：燃料電池車突破只是時間問題

目前多家汽車供應商已將氫燃料電池列入計劃，預計最早於2015年將會有氫燃料電池車投放市場。通用汽車和豐田等多家車企巨頭各自同合作夥伴籤訂合作開發燃料電池協議，計劃未來數年內推出燃料電池車投入實用。

豐田於2011年在東京車展上就亮相了FCV-R氫燃料電池概念車，今年東京車展則將展出量產型號，另外豐田公司同寶馬籤署協議在四個領域進行合作，其中就包括於2020年爭取推廣及普及燃料電池車。除了豐田，通用汽車和本田汽車宣布將聯合開發下一代燃料電池技術，以便2020年投放到市場。韓國現代汽車已經率先投產燃料電池車；2013年1月份戴勒姆、福特與雷諾籤訂協議共同開發燃料電池系統，預計於2017年推出第一款燃料電池新車；3月份大眾與Ballard也籤訂合作協議，並於今年8月開始對奧迪A7燃料電池汽車進行測試。

各大汽車公司除了紛紛宣告新汽車的推出外，在燃料電池車研製領域也在快馬加鞭。根據美國近年來燃料電池專利持有情況來看，各大汽車公司在近幾年都加大了對燃料電池的研發投入，專利數目節節攀升，2012年豐田公司更是以144項專利位居榜首。激烈的專利競爭為燃料電池車的順利推出也奠定了技術基礎，現在需要的只是時間，來講技術推向市場。

目前燃料電池車仍在開發及測試階段，距離量產仍有兩三年時間。燃料電池車初期售價可能會偏高，不過隨著技術逐步成熟，加上有政府補貼或免稅等優惠，價格將會慢慢進入大眾可接受範圍之內。考慮到燃料電池高效、環保及安全等諸多優點，氫燃料電池車仍然值得我們期待。