氢燃料电池行业研究

1、目录1、氢燃料电池概况燃料电池概念燃料电池分类燃料电池优势2、氢燃料电池产业链解析3、氢燃料电池市场细分固定领域交通运输领域核心应用：叉车3.3.2燃料电池车的产业化3.2.3燃料电池车未来发展 3.3便携式领域4、相关企业氢燃料电池行业分析燃料电池概况燃料电池概念燃料电池，是一种主要通过氧或者其他氧化剂进行氢化还原反应，把燃料中的 化学能转化为电能的电池。即使用氢气作为燃料，利用电解水的逆反应产电的一种 燃料电池。具工作原理是：将氢气送到电池的阳极板，通过催化剂的作用，氢原子 变成一个正电荷的氢离子和一个负电荷的电子， 其中氢离子通过电解质达到阴极板, 而电子不能通过电解质，而只能通过外部电

2、路形成电流。电子到达阴极板后，与氢 原子和氢离子重新结合为水。燃料电池分类燃料电池有多种类型，但是它们都有相同的工作模式。他们主要由三个相邻区 段组成：阳极、电解质和阴极。两个化学反应发生在三个不同区段的借口之间。两 种反应的净结果是燃料的消耗、水或者二氧化碳的产生，和电流的产生，可以直接 用于电力设备。燃料电池按燃料类型可分为直接型、间接型和再生型；按电解质种类又可分为 碱性染料电池（AF。、磷酸盐型燃料电池（PAF。、熔融碳酸盐型燃料电池（MCFO 固化氧化物型燃料电池（SOFC和质子交换膜燃料电池（PEMFC燃料电池按电解质种类分类燃料纯氢氢气氢气、煤气、 天然气、沼 气等氢气、煤气、

3、天然气、沼 气等氢气、甲醇氧化剂纯氧空气、氧气空气、氧气空气、氧气空气、氧气电解质氢氧化钾磷酸盐基质碳酸锂、碳 酸钠、碳酸 基质稳定氧化错 等薄膜或薄 板聚合物膜催化剂无钳无无:柏工作温度9-100190-2001600-700700-100080-100水管理蒸发排水蒸发排水气态水气态水蒸发排水+ 动力排水发电效率60%40%45%-50%60%固定式35%运输60%发电能力10-100kw1kw-100kw100-400kw300kw-3mw1kw-2mw用途太空用电 源、军用电 源分布式发 电、废水处 理厂、医院、 应急电源分布式发 电、电力公 司辅助电源、 电力公司、 分布式发电备用电

4、器、 移动电源、 分布式发 电、运输、 特种车辆数据来源：燃料电池1.3燃料电池优势氢燃料电池阴极板供给的氧可直接从空气中获得，因此仅需不断给阳极板供应 氢气并及时把水带走，氢燃料电池就可以不断提供电能。相对于其他能源，氢燃料 电池的发电过程无污染、能量转换效率高，且其燃料氢气来源广泛，可再生。燃料电池主要优势列表无污染高效的能 量转换效 率燃料易获 得燃料电池属于清洁能源的一部分，由于其反应过程就是无污染的水 反应，反应过程不会产生污染物，其主要污染物来自于燃料，可能 存在氮氧化物等污染。相对于普通火力发电的空气污染以及传统电 池的重金属污染而言，燃料电池对环境的污染程度远远降低。而氢 燃料

5、电池，具燃料为纯净无污染的氢气，相对其他燃料而言，废气 中也不存在污染物。可以说，氢燃料电池就是一个能真正实现零污 染的环保能源。无污染高效的能 量转换效 率燃料易获 得燃料电池的发电效率也处于较高水平。在各种发电方式中，传统火 力发电效率在30流右，远低于燃料电池平均的40%-60喊率。而在 汽车领域的应用中，燃料电池的效率可达 60%也高于目前汽车普 遍使用的内燃机效率。总体而言，燃料电池的能量转换效率在其类 似替代能源中都处于较高水平。氢是宇宙中最常见的元素，氢及其同位素占到了太阳总质量的 84% 宇宙质量的75%fB是氢。氢分子在地球上不是以天然的气体存在， 大部分氢结合氧存在水中，可

6、以说水资源在一定程度上代表了氢能 的储存量。比较于传统内燃机，氢燃料最大的优势就是无排放（排放为纯水），同时稳定性 高、可以持续工作，出现故障的概率较低；比较与锂离子电池等电动车，其最大的 优势就是功率密度高，不需要装载笨重的电池系统。但是燃料电池的劣势也比较明 显，首先是运行温度与能量转换效率成正比，但较高的运行温度限定了应用范围， 同时无论是从燃料电池本身的成本，还是从燃料成本上都还远远高于内燃车和锂离 子电动车。所以燃料电池的应用领域一般都是针对稳定性、排放及空间要求高，但 同时对于设备、燃料经济性要求较低的领域，PLUG勺叉车概念就是最好的例证。2、氢燃料电池产业链解析氢燃料电池主要包

7、括电池组件和燃料两个部分。因此其上游主要是氢气供应以 及电池零组件。氢气供应部分主要是为燃料氢气而准备的，主要流程包括氢气生产、 输送和充气机。而电池零组件部分则主要生产燃料电池组、氢气存储设备和配件。 中游则是将上述组装，形成一个完整的可投入使用的燃料电池系统，每种系统构成 都依据其不同的应用领域而有所不同。下游的应用板块则主要包括了固定、交通运 输和便携式三个主要领域。产业链的核心在于中游的燃料电池系统，系统的组成对于下游的应用。而在燃 料电池系统中，燃料电池模块是最为重要的。一般燃料电池由电解质、催化剂和双 极板组成，在这三者中，催化剂的有无对燃料电池成本的影响最为巨大。 对于PEMFC

8、 来说，由于其使用昂贵的柏族金属作为催化剂，其价格一直居高不下，可以说，催 化剂是燃料电池价格的决定因素之一。另一个重要决定因素是电解质，不同技术类 型的燃料电池对电解质的要求不同，不同的电解质的价格也会有多不同，并最终对 燃料电池价格产生影响。PEM然料电池成本分布情况1：!：!jaia! 1：1金属铝价格美元/盎司1100110011001500金属铝成本美元/80千瓦559528621974电池堆成本美元/千瓦25222027辅助设备成 本美元/千瓦25262627其他成本美元/千瓦1111东统思成本美元/千瓦51494755催化剂成本 占比% 13.7%13.5%16.5%22.1%燃

9、料电池下游领域情况汽车能量使用效率较高，零排放生产成本过高，制氢、 运输氢、储氢成本较 高，高压储氢安全性 问题本田、丰田、奔 驰巴士燃料电池巴士比柴油和大 然气巴士的燃料经济性高 出 39%-141%生产成本过高，制氢、 运输氢、储氢成本较 高，高压储氢安全性 问题UTC PoweK 丰 田、Ballard、 Hydrogenics、 Proton Motor叉车燃料电池在工业应用内最 大的部门之一，室内使用无 污染气体排放、电能持续时 间长，降低电池体积下游客户局限在西斯 科、联邦快递、可口 可乐、金佰利等对室 内环境要求较图的食 品快递企业叉车市场Plug摩托车/ 自行车零排放，基本无噪

10、音经济型不高，续航里 程较低IntelligentEnergy 本田飞机低噪音，低散热，可作为无 人侦察机，续航时间长，故 障率低造价高波音潜艇低噪音，低散热，在雷达探 测上可降低被发现概率，续 航能力突出，无废气排放， 可产生饮用水德国海军造船 厂便携式电 源（笔记 本、智能 手机、取 端）主要用于野外使用，不需要 发电，直接通过添加燃料， 方便快速，功率可调节体积较大，且实际使 用成本还局于充电成 本移动基 站、分布 式发电、 不间断电 源稳定口靠成本较局氢电池产业各环节优劣势分析环节一燃料电池堆系 统优势：成本及性能已经接近商业化门槛。劣势：催化剂贵、氢纯度要求局、老化问题、电池寿命。环

11、节一制氢环节成本已基本达到目标上限环节二加氢站成本仍然较局，商业化尚需时日安全性仍需要提升，性价比与安全性是关键考虑问题环节四氢气运输成本太局划、节五氢储存储存问题是核心难题3、氢燃料电池市场细分氢燃料电池早在20世纪60年代就因其体积小、容量大的特点而成功应用于航 大领域。进入70年代后，随着科学技术的不断进步，氢燃料电池也逐步被运用于发 电和汽车。现如今，伴随各类电子智能设备的崛起以及新能源汽车的风靡，氢燃料 电池主要运营于三大领域：固定领域、运输领域、便携式领域。2012年，全球燃料电池系统的出货量近 3万台，同比增长约34%相又t于2008 年增长超过321%而在其中，固定式燃料电池的

12、增长最为显着，从 2008年的2000 台迅速上升至2.5万台。交通运输燃料电池发展相对平稳，在未来其发展的主要看 点集中在轻型燃料电池电动汽车数量的增加和物料搬运设备市场的大幅增长。在三 个领域中，便携式领域的发展几乎处于停滞状态，即使目前已经有许多公司陆续推 出手机用氢燃料电池，但就整体而言，该类产品的商业化尚未得到实现，未来发展 还需要很长时间。日本富士经济公司针对产业和商业、家用、燃料电池车、叉车等 驱动、便携和应急以及便携终端6个领域进行了调查，预测到2025年，全球市场总 计将达到52843亿日元，相当于2011年的74.2倍。招商证券研究员表示，从全球燃料电池趋势看，以现阶段技术

13、，燃料电池更适 合用于固定设备（医院不间断电源、分布式发电、军用等设备稳定性及噪音有特殊 要求领域），而北美地区运输业下游市场的增长则主要来自于叉车等对排放、灵活性要求较高的专用车领域。固定领域固定式燃料电池包括多种尺寸和类型，主要用于各种固定位置的电力供应，包括发电站、楼宇、工程等领域的大型首要电源、备用电源或热点联产（CHP,用于家庭住宅和商业的微型热点联产，以及远程或基本应用例如电讯塔的首要或备用电固定式燃料电池主要包括 MCPCSOFC PAFCffi PEMFC在美国市场，美国本土 的 Bloom Energy, Fuel Cell Energy, UTCpower和力口拿大的 Ba

14、llard Power System 是该领域的主要生产公司。在固定式燃料电池的应用中，各地区略有差别。对亚太地区而言，辅助电源（Aux Power）是目前占比最大的应用，其他主要应用则是备用电源（ Backup Power）和热 电联产（CHP。在北美地区，备用电源、热电联产和分布式发电（ DG是三类主要 的应用领域。重土地瓜，定式螭料电地或周馥淘无亮固定式燃料电池或用发诏理七 即3 及CT 23M ZXB Zl Z31I 皿运 2口 2D 14 2D 5Pcfwb田 一.Backup nCHP .Mt氢燃料电池的优点除了零排放、高效率和燃料易获得外，其在外部环境剧烈变 化的条件下，可以长时

15、间连续工作且具有更高的可靠性。与柴汽油发电机相比，氢 燃料电池的噪声很小且不排放有害气体。止匕外，氢燃料电池还有运动部件少，维修 工作量小，更有利于远程控制、减少时间的维修时间。具备高效率、高可靠性以及 高环保性的燃料电池在具有成本竞争力的情况下，已经在固定领域中进入了商业化 的应用，目前主要应用在热电联产、备用电源和分布式电源三个区域。(1)热电联产热电联产(CHP,是指在同一电厂中将供热和发电联合在一起，简称 CHP热 电联产将普通电厂本来废弃的热量加以利用，为工业和家庭提供廉价的取暖用热， 这样可大大提高热效率。通常的火力发电，其效率约为30%-35%这意味着每产出1 兆焦的电源，就有2

16、兆焦的热量白白浪费掉。将这部分热量重新用来加热水，完全 可以满足工厂附件区域的工厂和住宅区的取暖需要。热电联产的实现有多种方式，常见的有蒸汽轮机、燃气轮机、燃料电池等。而 将燃料电池技术集成在热电联产中能够将多余热能回收用于住宅或者工厂，产生的 热量金可用于集中供暖或供应热水。相比其他方式的热电联产，燃料电池热电联产 拥有更高的热量利用效率，且对环境没有污染，运作也更为安静。(2)备用电源燃料电池备用电源(Backup)系统主要由储氢单元、燃料电池系统、DC/DC变换器、蓄能单元及人机接口构成。外部市电供应正常时，通信设备使用外部整流装 置提供的直流电，同时为备用电源系统的蓄能单元进行浮充，系

17、统处于待机状态； 一旦外部市电断电或整流装置出现故障，燃料电池备用电源系统进入运行状态，蓄 能单元将不间断地为通信设备供电，并由控制单元启动氢气供应和燃料电池系统。将燃料电池作为备用电源，在电信行业的应用尤为普遍，而其他例如遥感和管 道阴极保护系统也正在逐步发展。作为燃料电池的大生产商，Ballard Power Systems 在2012年就生产了近400个ElectraGen备用电源系统。(3)分布式发电分布式发电，通常是指发电功率在几千瓦至数百兆瓦的小型模块化、分散式、 布置在用户附近的高效、可靠的发电单元。日益增长的电力需求已使用现有的中心 电站输配电系统出现了过载现象。更为严重的是，

18、近年来世界范围内的大电网故障 以及战争造成的大面积停电事故使各国都开始认识到电力体制改革的重要性。而分 布式发电技术能够帮助缓解电力供应的紧张局面，提高供电质量和可靠性，因此成 为传统发电技术的重要补充。虽然分布式发电很难取代大型发电厂，但对偏远地区 而言，其不失为一种发电的好办法。交通运输领域交通运输领域的燃料电池细分有广泛的应用，主要包括车辆，公交车，小型飞 机，船只以及物料搬运设备等，使用的燃料电池类型仅仅是质子交换膜(PEMFB目前，交通运输领域实现商业化的主要是物料搬运设备领域，而全球几家大型汽车 制造商仍在继续追求燃料电池轻型汽车的应用， 并计划于2015-2017年实现商业化。

19、北美的Plug Power和加拿大Ballard Power systems 是该领域的主要厂商。叉车是工业搬运车辆，是指对成件托盘货物进行装卸、堆垛和短距离运输作业 的各种轮式搬运车辆，是物料搬运设备的一种。目前，叉车是交通运输领域中实现 商业化较为活跃的主要品种。其主要生产商为 Plug Power公司。叉车的动力来源主要为电池。较常用的为铅酸电池，而目前燃料电池正取代铅 酸电池成为电动叉车的主要能量。在高流通量的派送中心和仓库环境中，与传统充电电池系统相比，零排放燃料电池叉车体现了经济、实用、环保。燃料电池叉车的 优势在于：通过恒功率输出和充氢气时间短显着提高叉车的生产率。铅酸电池的性

20、能有限，过长的充电时间导致其效率低下。 与之相比，燃料电池由于燃料补给迅速， 且具有更长的室友寿命而关注。提高生产效率的同时，燃料电池叉车还可以降低运营成本。例如，沃尔玛超市在加拿大阿尔伯塔省的冷藏配送中心部署了 95辆燃料电池叉车。与传统的充电电池 动力叉车相比，该项目在7年内将减少运行成本110万美元。沃尔玛现在已经有超 过500辆燃料电池叉车运行在包括冷冻设施在内的三个仓库中。其余使用PlugPower公司的GenDrive系统的客户包括：保洁公司部署在四个站点的 340个燃料电 池叉车系统；思科部署在7个站点的超过600个系统；可口可乐公司部署在 2个站 点的96个系统。2008年时全

21、美燃料电池叉车的总是才几百辆， 而到2012年时在19 个州近40个城市共拥有4000多辆，燃料电池叉车在美国开始迅猛发展。燃料叉车市场的供应商主要有H2Logic, Hydrogenics , Nuvera Fuel Cell ,OorjaProtonics 和Plug Power。其中Plug Power是最大的供应商，其市场份额约 为80%使用燃料电池叉车的企业目前来看均为大公司，这部分是因为燃料电池销 售价格高于普通叉车，如上图(单位：美元)。就2012年的主要订购商来看，主要 集中在世界500强企业，其中又以零售业为主。但是，招商证券研究院表示，PLUG既念不具备使燃料电池由叉车市场

22、切入乘车 领域的基础，因为真正推进“氢动力”规模化推广的核心阻力在于储氢技术缺乏革 命性突破，所以使得成本下降通道难以大幅打开，“氢动力”仍然处于概念阶段。但 无论是从技术突破还是在商业模式上，特拉斯是真正使得电动车在乘用车市场找到 了替代市场并对传统超跑，及豪华车具备了性能以及经济性替代条件的企业，但燃 料电池的关键阻力因素尚未解决，前端成本过高仍是其突破替代临界点的关键阻力。(1)成本：发展的首要障碍燃料电池车目前普及非常低，国外的燃料电池大巴目前售价在 100万美元上下， 而特斯拉的“贵族”电动车 Model S售价也才73万人民币，相比之下，燃料电池车 的价格实在高出许多。但目前丰田、

23、上汽等集团都发布了燃料电池车生产宣告，预 计将于2015年上市，丰田的目标定价在5万美元，而上汽的成本预计在 50万人民 币，若届时能够达到目标价位，则燃料电池车发展可待。燃料电池车成本中有2/3是燃料电池系统的花费，目前燃料电池系统的成本下 降速度很快，也还存在下降空间。全球领先的燃料电池技术公司一一巴拉德动力系 统也已开发第7代燃料电池电堆HD7该电堆的成本比上一代的 HD觎减少75% (2)加氢站加氢站建设难也是制约燃料电池汽车发展的另一大因素。和建设锂电池电动车 所需要的充电桩不一样，建设加氢站的可操作性难度非常高，除了需要较大的空间 外，还要做环评、安评等一系列工作。全球加氢设施的发

24、展主要集中在三大区域：北美、欧洲和日本，整个加氢站建 设的密集度将与燃料电池汽车的市场导入量相匹配。目前而言，中国仅有一个加氢 站，数量不仅远远低于美国，也远远低于韩国和日本。(3)竞争：锂电池锂电池是一类由锂金属或锂合金为负极材料，使用非水电解质溶液的电池，具 历史可以追溯到70年代，是目前应用最广泛的电池，特斯拉电动车使用的就是锂电 池。二者相比，锂电池的优势在于更安全、成本更低；而燃料电池的优势在于充电 时间更官、能量密度更高。从目前技术来看，氢燃料电池需要新建一个产业链来支撑，这需要很长的时间 和大量的投资。而锂电池从发明以来，随着技术的进步和产业化的扩充，每年都有 小幅度的降价和容量

25、的提升。未来几年，随着锂电池价格的进一步下降和容量的进 一步提升，电动车的普及度有望进一步提升。总而言之，短期来看锂电池主导的电 动车会是主要方向，氢燃料电池则需要长期的发展。目前多家汽车供应商已将氢燃料电池列入计划， 预计最早2015年将会有氢燃料 电池车投放市场。通用汽车和丰田等多家汽车企业巨头各自同合作伙伴签订合作开 发燃料电池协议，计划在未来数年内推出燃料电池车投入使用。丰田于2011年在东京车展上就亮相了 FCV-R氢燃料电池概念车，并与宝马签署 四个领域的合作，其中就包括于2020年争取推广及普及燃料电池车。止匕外，通用汽 车和本田汽车宣布将联合开发下一代燃料电池技术，以便 2020年投放到市场。各大汽车公司除了纷纷宣告新汽车的推广外，在燃料电池车研制领域也在快马 加鞭。根据美国近年来燃料电池专利持有情况来看，各大汽车公司在近几年都加大 了对燃料电池的研发投入，专利数目节节攀升，2012年丰田公司更是以144项专利 位居榜首。激烈的专利竞争