氫燃料電池產業鏈主要由上游材料、中游集成和下游應用構成

 

 

 

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。

 

 

根據相關數據，2021年，我國氫氣年產能約4000萬噸，產量為3300萬噸。

 

 

 

膜電極是氫燃料電池系統的核心組件，是質子交換膜燃料電池發生電化學反應的場所，是傳遞電子和質子的介質，通常由催化層、氣體擴散層和質子交換膜構成。

 

 

質子交換膜類型主要包括全氟磺酸質子交換膜、非全氟化質子交換膜、無氟化質子交換膜復合膜以及高溫膜。代表性產品有：

 

 

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、質子、電子和水等多個通道。氣體擴散層生產的一關鍵元素是碳紙選材，在全球范圍內氣體擴散層所需碳紙、碳布的供需呈現寡頭格局，主要生產企業有加拿大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。

 

雙極板種類及優缺點

 

 

產業鏈中游：集成

 

氫燃料電池系統按結構來拆分主要包括燃料電池電堆及輔助系統。電堆是氫燃料電池的主體部分，成本方面在系統中占比超過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展的主要方面。

 

 

 

據相關數據，2021年我國燃料電池電堆年新增市場規模約為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TrendBank數據，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，氫燃料電池系統還需要供氫系統、供氣系統、水管理系統、熱管理系統等外部輔助子系統的協同配合，對應的系統部件有氫循環泵、氫瓶、增濕器、空氣壓縮機等。

 

 

氫循環泵是燃料電池供氫系統的核心零部件可以實現將電堆的尾排端氫氣重新加壓至電堆入端口，實現氫氣的循環利用。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。

 

 

 

 

高壓氣態儲氫是目前發展最成熟、各廠商采用最多的儲氫技術，其關鍵是儲氫瓶。對于儲氣瓶，全球呈現出從I型儲氫瓶到IV型儲氫瓶的技術發展趨勢。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。目前燃料電池系統使用的空壓機主要包括：

 

 

其中離心式空壓機是主要的發展方向。

 

 

 

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%。從車型結構來看，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構分析

 

 

同時，受政策導向作用影響，2021年氫燃料電池汽車車型結構進一步豐富，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構基本保持一致，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節，尤其船舶領域。英國造船和航運市場分析機構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電站適用于儲能容量大、供電時間長的新能源儲能、電網側調峰等領域，且適用于熱電聯供的場合。當前國際上大型固定式氫燃料電池發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供系統（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。氫燃料電池的轉化效率高達55%，比氫燃料發動機高出20%。目前，國際航空巨頭波音、空客都在積極研發未來氫動力客機。

 

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