氫燃料電池是將氫氣和氧氣的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電裝置，其原理是通過電解質(zhì)隔膜兩側(cè)分別發(fā)生氫氧化反應(yīng)與氧還原反應(yīng)，如下圖所示。
氨燃料電池反應(yīng)原理
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(yīng)用構(gòu)成
產(chǎn)業(yè)鏈上游：材料
氫燃料
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(guān)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
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(xué)反應(yīng)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
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(fù)合膜以及高溫膜。代表性產(chǎn)品有：
- 美國GORE公司的GORE-select復(fù)合膜
- 美國科慕化學(xué)有限公司的Nafifion系列膜
- 武漢理工新能源有限公司的復(fù)合質(zhì)子交換膜
東岳集團公司的DF988、DF2801的短鏈全氟硫磺酸膜。
電催化劑
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(dǎo)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
氣體擴散層的主要作用是支撐催化劑，同時為電極反應(yīng)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(guān)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
雙極板起到均勻分配氣體、排水、導(dǎo)熱、導(dǎo)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(fù)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%。
燃料電池電堆
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(shù)發(fā)展的主要方面。
電堆構(gòu)成示意圖
據(jù)相關(guān)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(yù)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：
輔助系統(tǒng)
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(yīng)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
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(xué)反應(yīng)生成水供應(yīng)到電堆，改善電堆濕潤水平，提高水管理能力。
氫氣循環(huán)泵類型及涉足企業(yè)
氫瓶
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(shù)，其關(guān)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(shù)發(fā)展趨勢。儲氫瓶類型及性能。
空氣壓縮機
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。
產(chǎn)業(yè)鏈下游：應(yīng)用
交通運輸
交通動力應(yīng)用是目前氫燃料電池應(yīng)用領(lǐng)域中關(guān)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：
氫燃料電池客車
銷量達(dá)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(dǎo)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 :
半掛牽引車
由2020年的17輛增長到2021年的375輛
自卸車
從0輛增長到340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(lǐng)域。英國造船和航運市場分析機構(gòu)Clarkson Research預(yù)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(dá)到40%。
替代燃料船舶占比預(yù)測
分布式發(fā)電
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(lǐng)域，且適用于熱電聯(lián)供的場合。當(dāng)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?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)（ENE-FARM） 是日本氫能利用的重要領(lǐng)域之一，
原理見下圖
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。
移動式電源
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(shè)備的移動備用電源，應(yīng)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。
航空航天
氫燃料電池最早是應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域，20世紀(jì)60年代初期，燃料電池首次應(yīng)用于宇宙飛船的空間電源。氫燃料電池的轉(zhuǎn)化效率高達(dá)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(shù)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(guān)數(shù)據(jù)顯示，預(yù)計2024年，我國工業(yè)級無人機的市場規(guī)模可以1500億元，復(fù)合增長率近100%。
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