燃料电池——面向未来世界的新型动力

一、燃料电池是一种能效转换率高、清洁可靠的新兴动力

    燃料电池是一种不经过燃烧过程直接以电化学反应方式将燃料（如氢气、天然气等）和氧化剂中的化学能直接转化为电能的高效发电装置，是继水力发电、火力发电、化学发电之后第四种发电方式。燃料电池可以持续发电，且生成物主要是水，基本上不排放有害气体，因此更加清洁环保。

    与目前在发电厂和乘用车广泛使用的以燃烧为基础的技术相比，燃料电池拥有很多优势。由于其没有传统热机卡诺循环的限制，具有远高于内燃机30%-35%的能源转换效率，燃料电池最高能效转化率超过60%，且具备污染低、无机械震动、噪音低、能适应不同功率要求、可连续性发电、可靠性高等优势性能。

    燃料电池有广泛的应用，主流应用包括交通运输、电源及军事应用等。 

    固定电源如为城市工业区、商业区、住宅、边远地区及孤立海岛、轮船离岸应用供电市场目前占比最大；备用电源是美国发展最快的应用之一，这里燃料电池用于大型通信设备、数据中心和家庭的备用电源；航空航天应用是历史最悠久的燃料电池应用之一，用作宇宙飞船、人造卫星、空间站等航天系统的能源供应。

    汽车燃料电池领域，近年来，在政府扶持、丰田等厂商拉动、系统成本下降等因素带动下，汽车燃料电池应用开始爆发。

二、燃料电池的历史来源及发展历程

    1838年，燃料电池的原理由德国化学家尚班（ChristianFriedrichSchÖnbein）提出，并刊登在当时著名的科学杂志。

    1839年，英国物理学家威廉‧葛洛夫把刊登燃料电池理论，其后又把燃料电池设计草图于1842年刊登。

    到20世纪50年代以前，燃料电池一直处于理论与应用基础的研究阶段。燃料电池理论和类型也不断丰富，1952年英国剑桥大学的Bacon用高压氢氧制成了具有实用功率水平的燃料电池。在此前期间，GE（通用电气）资助了PEMFC质子交换膜燃料电池的研究。

    20世纪60年代由于载人航天对于大功率、高比功率与高比能量电池的迫切需求，燃料电池才引起一些国家与军工部门的高度重视。美国NASA（国家航空航天局）的Apollo登月计划中就是采用燃料电池为太空船提供电力和饮用水的，是美国联合技术公司的UTCPower通过引进培根专利，成功研制了Apollo登月飞船的主电源——Bacon型中温氢氧燃料电池，双子星宇宙飞船(1965)也采用了通用的PEMFC为主电源。再此之后，氢氧燃料电池广泛应用于宇航领域，同时，兆瓦级的磷酸燃料电池也研制成功，可见，燃料电池在当时已是一种被验证的相对成熟的技术。 

    20世纪70-80年代，能源危机和航天军备竞赛大大推动了燃料电池的发展。以美国为首的发达国家开始大力支持民用燃料电池的开发，至今还有数百台当时投资的PC25（200千瓦）磷酸燃料电池电站在世界各地运行。此后，各种小功率燃料电池也开始在宇航、军事、交通等各个领域中得到应用。

    20世纪90年代至今，人类日益关注环境保护。以质子交换膜燃料电池为动力的电动汽车、直接甲醇燃料电池的便携式移动电源、高温燃料电池电站、用于潜艇和航天器的燃料电池等蓬勃发展。

三、燃料电池的应用已经较为广泛 

    燃料电池有三大类主要市场：固定电源、交通运输和便携式电源。

    1、固定电源应用是目前最大的市场

    固定电源市场包括所有的在固定的位置运行的作为主电源、备用电源或者热电联产的燃料电池，比如分布式发电及余热供热等。固定燃料电池被用于商业、工业及住宅主要和备份能发电，它还可以作为动力源可以安装在片源远位置，如航天器、远端气象站、大型公园及游乐园、通讯中心、农村及偏远地带，对于一些科学研究站和某些军事应用非常重要。固定电源应用在燃料电池主流应用中占比最大，其中美国市场目渗透率略高，大型企业的数据中心使用量呈较明显的上升趋势。 

    除用于发电之外，热电联产（CHP）燃料电池系统还可以同时为工业或家庭供电和供热。

    2、交通动力应用是目前关注度最高的燃料电池应用领域

    交通运输市场包括为乘用车、巴士/客车、叉车以及其他以燃料电池作为动力的车辆提供的燃料电池，例如特种车辆、物料搬运设备和越野车辆的辅助供电装置等。

    汽车用燃料电池作为动力系统是目前关注度最高的应用领域，也是我们本文将详细探讨的应用。这是目前是爆发最迅猛，也是关注度最高的应用领域。

    燃料电池为动力的叉车是燃料电池在工业应用内最大的部门之一。用于材料搬运的大多数燃料电池是质子交换膜燃料电池提供动力，但也有一些直接甲醇燃料叉车进入市场。目前正在运营的燃料电池车队有大量的公司，包括联邦快递货运、西斯科食品、GENCO、H-E-B杂货店等。

    便携式电源市场包括非固定安装的或者移动设备中使用的燃料电池，目前相比锂电池的优势并不明显，因此市场渗透不快。

燃料电池需求增长快，政策是重要推手

一、燃料电池销量继续快速增长

    按照DOE数据，2014年，全球燃料电池市场销售总额增长9亿美元，达到22亿美元，相比2013年的13亿美元增长了69.23%。增长的主要原因美国的物料搬运设备、大规模固定电源使用的燃料电池和日本家用燃料电池销量大增，使得北美和亚太地区成为燃料电池的主要增长地区。

    2014年全球燃料电池出货量比2013年增长了37%，达到超过50,000组燃料电池，总容量超过180MW，比2013年增长了约7%。其中，北美总装超过140MW，超过了欧洲和亚洲总装容量的三倍。其中，固定电源市场份额仍然最高，燃料电池组件销量约40,000件，约占总销量的80%，装机容量超过140MW，约占总装容量的78%。交通运输市场的总销量与2013年持平，但装机容量约35MW，较2013年增长75%。便携式电源市场虽然组件销量大增，但总装机容量变化不大。

    2014年美国地区零售、电信等行业固定电源总装容量以及物料搬运设备电源总装容量大增，以及向日本、韩国和欧洲等国的出口增加，使得北美地区在总装容量上比2013年的约88KW增加了61%。

二、政策扶持是燃料电池产业发展的重要推手

    从宏观角度看，燃料电池除了具备性能优势，使产业界可能受惠之外，最大的好处还是来源于清洁环保。

    环保！可再生！燃料电池，尤其是氢燃料电池的基本原理是电解水的逆反应，把氢和氧分别供给阴极和阳极，氢通过阴极向外扩散和电解质发生反应后，放出电子通过外部的负载到达阳极。直接将化学能转换为电能，效率可以至少高达50%以上，无燃烧，不排放有害尾气，只排放水。也因此，燃料电池持续得到各国政府的大力推动，尤其是2009年的联合国气候变化大会对温室气体排放制定目标后，燃料电池用于清洁能源变革的呼声开始走高。

    2009年12月，联合国气候变化大会在丹麦哥本哈根召开，经过与会各方努力，全球主要温室气体排放国家达成了减排目标。其中美国承诺2020年温室气体排放量在2005年的基础上减少17%，欧盟承诺在2020年温室气体排放量比1990年的水平上减少20%。

    温室气体主要由化石燃料燃烧产生，包括发电厂发电，以化石燃料的工厂以及车辆排放的尾气，减少化石燃料燃烧成为减排的重要途径，而燃料电池恰恰可以将燃烧变为电化学反应，提升能效转换率，减少二氧化碳或其他废弃气体的排放。

    1、欧美政府在燃料电池领域是先行推手

    燃料电池作为新型清洁能源，一直以来受到美国政府和各州政府的大力支持。

    （1）持续资金投入

    cnBeta数据显示，2015年，美国能源部宣布将在燃料电池和氢技术行业投资超过2000万美元，其中，共有10个项目将得到资助，旨在推进燃料电池和氢技术，并实现早期燃料电池的应用，如轻型燃料电池汽车（FCEV）；同时，美国能源部表示其支持的项目自2006年以来，已经帮助将燃料电池成本下降50%，同时耐用性翻翻，并且减少所需的铂量。其最终的目标是，加速美国创新清洁能源技术，减少国家对外国石油的依赖、减少碳排放量。

    此前奥巴马政府公布的预算中，太阳能、燃料电池等新能源项目每年获得150亿美元的投资，10年共计1,500亿美元。2012年全球燃料电池产业有近80%的投资发生在美国。

    （2）政策及政府力量扶持，补贴和税收优惠政策不断出台

    美国和加拿大是燃料电池研发和示范的主要区域，在美国能源部（DOE）、交通部（DOT）和环保局（EPA）等部门的支持下，燃料电池产业发展较快，通用、福特、丰田、戴姆勒奔驰、日产、现代等车厂都在美国加州参加了燃料电池汽车的技术示范运行，并培育了联合技术公司UTC、巴拉德Ballad等国际知名的燃料电池厂商。

    2012年，美国国会在新一期的能源修订会议上重新修订了氢燃料电池政策方案，包括多项税收抵免，以及HFV以及储氢、制氢以及加氢站等基础设施的奖励政策。以加州为例各地州政府也有类似政策不断出台。

    （3）对汽车排放制定ZEV计划

    2008年起，美国加州政府制定了ZEV计划，对车厂出台了减排的积分规定目标，如果车厂的零排放车辆数目低于目标，将有两种选择：要么支付高额罚金，要么从其他车厂那里购买积分。

    2013年，加州PaloAlto公司仅仅靠向其他车厂出售ZEV积分就获得了约1.3亿美元的利润，2013年上半年，特斯拉获得了1.4亿美元的利润。

    截止2014年7月底，美国东西部共有八个州的州长在“零排放车辆”（ZEV）合作协议上签字，这意味着到2025年，美国上述8个州公路上行驶的330万辆汽车的尾气排放为0。

    欧盟作为最早涉及燃料电池的地区之一，一直致力于发展燃料电池产业。其中最重要的政策莫过于成立欧盟燃料电池与氢联合行动计划项目（FCHJU）。

    欧盟2008年出台了燃料电池与氢联合行动计划项目（FCH-JU），在2008年至2013年至少斥资9.4亿欧元用于燃料电池和氢能的研究和发展，其中欧盟计划从第七框架计划中拿出4.7亿欧元，涉及的项目包括氢气车队项目、ZERO-REGIO项目和小型车辆氢气链项目的公开实验，为2015年商业化进行技术储备。 

    2011年底欧盟又正式启动大规模车辆示范项目“H2movesScandinavi”和欧洲城市清洁氢能项目（CHIC）。2013年出台CPT项目，计划投入1.23亿够远建设77个加氢站，针对15个已建有加氢站的成员国实现国与国之间的互联互通。

    2、日韩厂商对燃料电池的重视度不断提升，日本扶持力度大

    日本是全球发展燃料电池尤其是燃料电池汽车最积极的国家，除了对环保的重视之外，我们认为还有其本身石化燃料等资源储备不丰富等原因，因此，日本非常重视可再生能源的应用。燃料电池也是目前可再生能源中唯一能够产业化地作为汽车动力源的技术路线，这是日本大力扶持的重要原因。

    以日本经产省为代表的日本政府高度重视并持续开展燃料电池汽车和氢能开发，在过去30年时间内先后投入上千亿日元用于燃料电池汽车和氢能的基础科学研究、技术攻关和示范推广。

    隶属于经产省的燃料电池商业化组织(FCCJ)先后于2009年7月、2010年7月发布了《燃料电池汽车和加氢站2015年商业化路线图》，明确指出2011年-2015年开展燃料电池汽车技术验证和市场示范，随后进入商业化示范推广前期。

    近几年来看，日本政府从2009年对购买燃料电池家用热电联供系统企业或个人提供了大约50%的费用减免，极大的促进了燃料电池技术在日本的发展。此外，汽车燃料电池补贴丰厚，随着丰田等车厂的交通运输用燃料电池技术逐渐成熟，日本政府开始对加氢站投资建设进行大规模补贴，最高补贴可达投资成本的50%。丰田燃料电池汽车Mirial上市销售时，为了加大燃料电池车的吸引力，日本政府对每辆燃料电池车提供约19,70美元的补贴。

    2015年初，日本45座加氢站建成投入使用，标志着日本目前这一代燃料电池汽车相关技术已经进入商业化实用阶段。 

    与此同时，2015年以来，日本对燃料电池启动了新一轮的示范推广措施。6月17日，日本《产经新闻》数据显示，日本东京都交通局宣布将于7月下旬开始对丰田汽车与日野汽车开发的计划于2016年度上市销售的“丰田燃料电池巴士”进行试运行考核，考核其在东京市中心区域拥堵及频繁变更车道行驶工况下的行驶性能等。东京都为了在2020年东京奥运会期间，实现建立“氢能社会示范区”的目标，除准备推广6000辆燃料电池乘用车外，还将逐步将东京的“都营巴士”替换为燃料电池客车，进一步推动燃料电池巴士的应用和产业化。 

    日本政府对燃料电池产业的持续补贴、税收减免和各类研发投入、产业化扶持使得它在氢燃料电池领域具有一定的垄断性，除了强大的技术储备，还有数量庞大的在手专利。

    目前，日本在氢燃料电池领域的专利数目遥遥领先于其他国家，其专利数目超过1500，是第二名美国的专利数目的5倍。氢燃料技术的主要推动者在于汽车厂商，而且以日本汽车工业为主。在前10名的专利权人中，日本机构占据7个，而且在日本机构中以丰田汽车作为主要代表，丰田汽车公司拥有379个专利，其下的2个分公司的专利数目也分别有33和29。其他3个非日本的机构，分别是美国的通用技术操作公司，克莱斯勒公司和韩国的现代汽车公司。当然，为了推动燃料电池汽车的产业化大发展，丰田已在近些年宣布开放专利。

    韩国作为能源进口大国，一直试图寻求能源供给的多样化。韩国从2008年起开始实施低碳绿色增长战略，大幅投入氢能燃料电池研发；2009年，韩国提出，力争到2020年使氢燃料电池的使用量占首尔全部替代能源使用量的30%。

    在此期间，韩国厂商也通过紧盯欧美公司，通过收购、投资、合作等方式，积极整合欧美燃料电池制造商的技术和工厂。2014年，韩国最大的独立发电商POSCO负责运营的世界最大氢燃料电厂落户韩国。POSCO和燃料电池供应商FuelCell还在计划打造另一个燃料电池发电项目，在首尔市快速公交公司经营的铁路附近，建设一个装机19.6兆瓦的项目，由7个2.8兆瓦的燃料电池组成，也是在供电的同时为当地供暖。据悉，首尔地区规划中的类似项目总装机量达到230兆瓦。

    根据Navigant Research公司的研究，韩国已经超过日本和美国，成为燃料电池发电最大的市场，其中，韩国2015年氢燃料电池发电的市场价值最大就可达到10亿美元，到2022年，这一市场规模更有望攀升至150亿美元。

    3、中国在燃料电池领域早有补贴和税收减免计划

    我国从2001年就确立了“863计划电动汽车重大专项”项目，确定三纵三横战略，以纯电动、混合电动和燃料电池汽车为三纵，以多能源动力总成控制、驱动电机和动力蓄电池为三横。近年来，由于锂动力电池汽车补贴较高及比亚迪等一批纯电动车厂成功走出来，国内以锂电池作为汽车动力应用的厂商数量剧增，相比其他国家，我国在燃料电池领域的扶持力度还不够大，但在燃料电池领域的规划纲要和战略定调已经出现苗头。 

    2015年《中国制造2025》规划纲要出台，其中包括未来国家将继续支持燃料电池汽车的发展。对燃料电池汽车的发展战略，提出三个发展阶段：第一是在关键材料零部件方面逐步实现国产化；第二是燃料电池和电堆整车性能逐步提升；第三方面是要实现燃料电池汽车的运行规模进一步扩大，达到1000辆的运行规模，到2025年，制氢、加氢等配套基础设施基本完善，燃料电池汽车实现区域小规模运行。

    近日，国家发改委和国家能源局在系统内部印发《能源技术革命创新行动计划（2016-2030年）》，并同时发布了《能源技术革命重点创新行动路线图》，提出了15项重点创新任务，其中包括氢能与燃料电池技术创新。

    面对石油能源危机以及环境危机，全球主要发达国家在推进新能源汽车产业化方面态度积极，通过制定产销目标及政策补贴推动市场的培育和发展。尤其是美国、法国、日本等传统汽车强国发展决心坚定、制定推广目标较为宏大。

    （1）目前燃料电池汽车数量占比依然很低，第三方预测机构调高未来出货预期 

    目前新能源汽车的主流技术路线包括纯电动汽车（锂电池车）、混合动力汽车和燃料电池汽车。研究机构Navigant此前发布报告指出，燃料汽车市场规模还比较小，在新能源汽车中占比仍然较低，2011年和2012年的发货量不足500辆，但这几年随着丰田、现代、本田、奥迪、宝马等不断推出燃料电池车型，并且丰田开放了相关专利，这一行业可能将加速商业化。

    Navigant认为燃料电池汽车有望在2015-2017年后出现爆发，并预计全球燃料电池汽车销量未来呈几何级增长，到2030年将超过200万辆。

    日本调查公司富士经济预测，2030年度燃料电池汽车全球市场规模将超过198万-199万辆，总金额将达4.75万亿日元，而2014年度全球市场规模约为11亿日元，潜力增长空间巨大！

    （2）燃料电池汽车具备独特的性能优势

    燃料电池汽车具备多方面性能优势，得到业内越来越多的关注，甚至有不少专家认为，氢燃料电池汽车最终将取代纯电动汽车，成为未来交通工具的最佳解决方案。 

    如前面所说，换料电池最大的好处是环保！还是环保！其基本原理直接将化学能转换为电能，效率可以至少高达50%以上，无燃烧，不排放有害尾气，只排放水。

    工作效率高，燃料来源广。尽管现在氢燃料主要是从天然气中获得，但是未来可以利用可再生的生物质或者水电、太阳能、风能、地热能等再生能源制取氢燃料。

    “充电”快（燃料加注快）。普通的纯电动汽车充满电一般需要4-6个小时，而燃料电池汽车燃料加注时间仅为几分钟，并且车辆的驾乘感受与传统能源汽车更为相似。

    自重非常轻。不同于锂电池电动汽车通过数百公斤的电池组增大续驶里程，燃料电池汽车加注10来斤的氢气就可以一口气跑上400公里，比起纯电动汽车来说，氢燃料电池汽车更能胜任长途出行，而非城市短途。

    能量密度高。氢燃料电池能量密度可达300多wh/kg，几乎是纯电动汽车能量密度的数倍。