氫燃料電池行業(yè)研究

1、目錄1、氫燃料電池概況21.1燃料電池概念21.2燃料電池分類21.3燃料電池優(yōu)勢22、氫燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈解析33、氫燃料電池市場細分53.1固定領域63.2交通運輸領域73.2.1核心應用：叉車73.3.2燃料電池車的產(chǎn)業(yè)化83.2.3燃料電池車未來發(fā)展93.3便攜式領域94、相關企業(yè)10氫燃料電池行業(yè)分析1、氫燃料電池概況1.1燃料電池概念燃料電池，是一種主要通過氧或者其他氧化劑進行氫化還原反應，把燃料中的化學能轉(zhuǎn)化為電能的電池。即使用氫氣作為燃料，利用電解水的逆反應產(chǎn)電的一種燃料電池。其工作原理是：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

2、中氫離子通過電解質(zhì)達到陰極板，而電子不能通過電解質(zhì)，而只能通過外部電路形成電流。電子到達陰極板后，與氫原子和氫離子重新結(jié)合為水。1.2燃料電池分類燃料電池有多種類型，但是它們都有相同的工作模式。他們主要由三個相鄰區(qū)段組成：陽極、電解質(zhì)和陰極。兩個化學反應發(fā)生在三個不同區(qū)段的借口之間。兩種反應的凈結(jié)果是燃料的消耗、水或者二氧化碳的產(chǎn)生，和電流的產(chǎn)生，可以直接用于電力設備。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(zhì)種類又可分為堿性染料電池（AFC）、磷酸鹽型燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽型燃料電池（MCFC）、固化氧化物型燃料電池（SOFC）和質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）。燃料

3、電池按電解質(zhì)種類分類類型堿性燃料（AFC）磷酸鹽型（PAFC）碳酸鹽型（SOFC）固體氧化物（SOFC）氣質(zhì)交換膜（PEMFC）燃料純氫氫氣氫氣、煤氣、天然氣、沼氣等氫氣、煤氣、天然氣、沼氣等氫氣、甲醇氧化劑純氧空氣、氧氣空氣、氧氣空氣、氧氣空氣、氧氣電解質(zhì)氫氧化鉀磷酸鹽基質(zhì)碳酸鋰、碳酸鈉、碳酸基質(zhì)穩(wěn)定氧化鋯等薄膜或薄板聚合物膜催化劑無鉑無無鉑工作溫度9-100190-200600-700700-100080-100水管理蒸發(fā)排水蒸發(fā)排水氣態(tài)水氣態(tài)水蒸發(fā)排水+動力排水發(fā)電效率60%40%45%-50%60%固定式35%運輸60%發(fā)電能力10-100kw1kw-100kw100-400kw300

4、kw-3mw1kw-2mw用途太空用電源、軍用電源分布式發(fā)電、廢水處理廠、醫(yī)院、應急電源分布式發(fā)電、電力公司輔助電源、電力公司、分布式發(fā)電備用電器、移動電源、分布式發(fā)電、運輸、特種車輛數(shù)據(jù)來源：燃料電池1.3燃料電池優(yōu)勢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并及時把水帶走，氫燃料電池就可以不斷提供電能。相對于其他能源，氫燃料電池的發(fā)電過程無污染、能量轉(zhuǎn)換效率高，且其燃料氫氣來源廣泛，可再生。燃料電池主要優(yōu)勢列表無污染燃料電池屬于清潔能源的一部分，由于其反應過程就是無污染的水反應，反應過程不會產(chǎn)生污染物，其主要污染物來自于燃料，可能存在氮氧化物等污染。相對于普通

5、火力發(fā)電的空氣污染以及傳統(tǒng)電池的重金屬污染而言，燃料電池對環(huán)境的污染程度遠遠降低。而氫燃料電池，其燃料為純凈無污染的氫氣，相對其他燃料而言，廢氣中也不存在污染物。可以說，氫燃料電池就是一個能真正實現(xiàn)零污染的環(huán)保能源。高效的能量轉(zhuǎn)換效率燃料電池的發(fā)電效率也處于較高水平。在各種發(fā)電方式中，傳統(tǒng)火力發(fā)電效率在30%左右，遠低于燃料電池平均的40%-60%效率。而在汽車領域的應用中，燃料電池的效率可達60%，也高于目前汽車普遍使用的內(nèi)燃機效率?？傮w而言，燃料電池的能量轉(zhuǎn)換效率在其類似替代能源中都處于較高水平。燃料易獲得氫是宇宙中最常見的元素，氫及其同位素占到了太陽總質(zhì)量的84%，宇宙質(zhì)量的75%都是氫

6、。氫分子在地球上不是以天然的氣體存在，大部分氫結(jié)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。比較于傳統(tǒng)內(nèi)燃機，氫燃料最大的優(yōu)勢就是無排放（排放為純水），同時穩(wěn)定性高、可以持續(xù)工作，出現(xiàn)故障的概率較低；比較與鋰離子電池等電動車，其最大的優(yōu)勢就是功率密度高，不需要裝載笨重的電池系統(tǒng)。但是燃料電池的劣勢也比較明顯，首先是運行溫度與能量轉(zhuǎn)換效率成正比，但較高的運行溫度限定了應用范圍，同時無論是從燃料電池本身的成本，還是從燃料成本上都還遠遠高于內(nèi)燃車和鋰離子電動車。所以燃料電池的應用領域一般都是針對穩(wěn)定性、排放及空間要求高，但同時對于設備、燃料經(jīng)濟性要求較低的領域，PLUG的叉車概念就是最

7、好的例證。2、氫燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈解析氫燃料電池主要包括電池組件和燃料兩個部分。因此其上游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(chǎn)、輸送和充氣機。而電池零組件部分則主要生產(chǎn)燃料電池組、氫氣存儲設備和配件。中游則是將上述組裝，形成一個完整的可投入使用的燃料電池系統(tǒng)，每種系統(tǒng)構成都依據(jù)其不同的應用領域而有所不同。下游的應用板塊則主要包括了固定、交通運輸和便攜式三個主要領域。產(chǎn)業(yè)鏈的核心在于中游的燃料電池系統(tǒng)，系統(tǒng)的組成對于下游的應用。而在燃料電池系統(tǒng)中，燃料電池模塊是最為重要的。一般燃料電池由電解質(zhì)、催化劑和雙極板組成，在這三者中，催化劑的有無對燃料電池

8、成本的影響最為巨大。對于PEMFC來說，由于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因素之一。另一個重要決定因素是電解質(zhì)，不同技術類型的燃料電池對電解質(zhì)的要求不同，不同的電解質(zhì)的價格也會有多不同，并最終對燃料電池價格產(chǎn)生影響。PEM燃料電池成本分布情況單位2010201120122013金屬鉑價格美元/盎司1100110011001500金屬鉑成本美元/80千瓦559528621974電池堆成本美元/千瓦25222027輔助設備成本美元/千瓦25262627其他成本美元/千瓦1111系統(tǒng)總成本美元/千瓦51494755催化劑成本占比%13.7%13

9、.5%16.5%22.1%燃料電池下游領域情況應用領域優(yōu)點缺點代表公司汽車能量使用效率較高，零排放生產(chǎn)成本過高，制氫、運輸氫、儲氫成本較高，高壓儲氫安全性問題本田、豐田、奔馳巴士燃料電池巴士比柴油和天然氣巴士的燃料經(jīng)濟性高出39%-141%生產(chǎn)成本過高，制氫、運輸氫、儲氫成本較高，高壓儲氫安全性問題UTC Power、豐田、Ballard、Hydrogenics、Proton Motor叉車燃料電池在工業(yè)應用內(nèi)最大的部門之一，室內(nèi)使用無污染氣體排放、電能持續(xù)時間長，降低電池體積下游客戶局限在西斯科、聯(lián)邦快遞、可口可樂、金佰利等對室內(nèi)環(huán)境要求較高的食品快遞企業(yè)叉車市場Plug摩托車/自行車零排放

10、，基本無噪音經(jīng)濟型不高，續(xù)航里程較低Intelligent Energy、本田飛機低噪音，低散熱，可作為無人偵察機，續(xù)航時間長，故障率低造價高波音潛艇低噪音，低散熱，在雷達探測上可降低被發(fā)現(xiàn)概率，續(xù)航能力突出，無廢氣排放，可產(chǎn)生飲用水德國海軍造船廠便攜式電源（筆記本、智能手機、取暖器）主要用于野外使用，不需要發(fā)電，直接通過添加燃料，方便快速，功率可調(diào)節(jié)體積較大，且實際使用成本遠高于充電成本移動基站、分布式發(fā)電、不間斷電源穩(wěn)定可靠成本較高氫電池產(chǎn)業(yè)各環(huán)節(jié)優(yōu)劣勢分析環(huán)節(jié)一燃料電池堆系統(tǒng)優(yōu)勢：成本及性能已經(jīng)接近商業(yè)化門檻。劣勢：催化劑貴、氫純度要求高、老化問題、電池壽命。環(huán)節(jié)二制氫環(huán)節(jié)成本已基本達到

11、目標上限環(huán)節(jié)三加氫站成本仍然較高，商業(yè)化尚需時日安全性仍需要提升，性價比與安全性是關鍵考慮問題環(huán)節(jié)四氫氣運輸成本太高環(huán)節(jié)五氫儲存儲存問題是核心難題3、氫燃料電池市場細分氫燃料電池早在20世紀60年代就因其體積小、容量大的特點而成功應用于航天領域。進入70年代后，隨著科學技術的不斷進步，氫燃料電池也逐步被運用于發(fā)電和汽車?，F(xiàn)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，氫燃料電池主要運營于三大領域：固定領域、運輸領域、便攜式領域。2012年，全球燃料電池系統(tǒng)的出貨量近3萬臺，同比增長約34%。相對于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

12、臺迅速上升至2.5萬臺。交通運輸燃料電池發(fā)展相對平穩(wěn)，在未來其發(fā)展的主要看點集中在輕型燃料電池電動汽車數(shù)量的增加和物料搬運設備市場的大幅增長。在三個領域中，便攜式領域的發(fā)展幾乎處于停滯狀態(tài)，即使目前已經(jīng)有許多公司陸續(xù)推出手機用氫燃料電池，但就整體而言，該類產(chǎn)品的商業(yè)化尚未得到實現(xiàn)，未來發(fā)展還需要很長時間。日本富士經(jīng)濟公司針對產(chǎn)業(yè)和商業(yè)、家用、燃料電池車、叉車等驅(qū)動、便攜和應急以及便攜終端6個領域進行了調(diào)查，預測到2025年，全球市場總計將達到52843億日元，相當于2011年的74.2倍。招商證券研究員表示，從全球燃料電池趨勢看，以現(xiàn)階段技術，燃料電池更適合用于固定設備（醫(yī)院不間斷電源、分布式

13、發(fā)電、軍用等設備穩(wěn)定性及噪音有特殊要求領域），而北美地區(qū)運輸業(yè)下游市場的增長則主要來自于叉車等對排放、靈活性要求較高的專用車領域。3.1固定領域固定式燃料電池包括多種尺寸和類型，主要用于各種固定位置的電力供應，包括發(fā)電站、樓宇、工程等領域的大型首要電源、備用電源或熱點聯(lián)產(chǎn)（CHP），用于家庭住宅和商業(yè)的微型熱點聯(lián)產(chǎn)，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，F(xiàn)uel Cell Energy，UTC power和加拿大的Ballard Power System是該領域的主要生產(chǎn)公司

14、。在固定式燃料電池的應用中，各地區(qū)略有差別。對亞太地區(qū)而言，輔助電源（Aux Power）是目前占比最大的應用，其他主要應用則是備用電源（Backup Power）和熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP）。在北美地區(qū)，備用電源、熱電聯(lián)產(chǎn)和分布式發(fā)電（DG）是三類主要的應用領域。氫燃料電池的優(yōu)點除了零排放、高效率和燃料易獲得外，其在外部環(huán)境劇烈變化的條件下，可以長時間連續(xù)工作且具有更高的可靠性。與柴汽油發(fā)電機相比，氫燃料電池的噪聲很小且不排放有害氣體。此外，氫燃料電池還有運動部件少，維修工作量小，更有利于遠程控制、減少時間的維修時間。具備高效率、高可靠性以及高環(huán)保性的燃料電池在具有成本競爭力的情況下，已經(jīng)在固定領域

15、中進入了商業(yè)化的應用，目前主要應用在熱電聯(lián)產(chǎn)、備用電源和分布式電源三個區(qū)域。（1） 熱電聯(lián)產(chǎn)熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP），是指在同一電廠中將供熱和發(fā)電聯(lián)合在一起，簡稱CHP。熱電聯(lián)產(chǎn)將普通電廠本來廢棄的熱量加以利用，為工業(yè)和家庭提供廉價的取暖用熱，這樣可大大提高熱效率。通常的火力發(fā)電，其效率約為30%-35%。這意味著每產(chǎn)出1兆焦的電源，就有2兆焦的熱量白白浪費掉。將這部分熱量重新用來加熱水，完全可以滿足工廠附件區(qū)域的工廠和住宅區(qū)的取暖需要。熱電聯(lián)產(chǎn)的實現(xiàn)有多種方式，常見的有蒸汽輪機、燃氣輪機、燃料電池等。而將燃料電池技術集成在熱電聯(lián)產(chǎn)中能夠?qū)⒍嘤酂崮芑厥沼糜谧≌蛘吖S，產(chǎn)生的熱量金可用于集中供暖或供

16、應熱水。相比其他方式的熱電聯(lián)產(chǎn)，燃料電池熱電聯(lián)產(chǎn)擁有更高的熱量利用效率，且對環(huán)境沒有污染，運作也更為安靜。（2） 備用電源燃料電池備用電源（Backup）系統(tǒng)主要由儲氫單元、燃料電池系統(tǒng)、DC/DC變換器、蓄能單元及人機接口構成。外部市電供應正常時，通信設備使用外部整流裝置提供的直流電，同時為備用電源系統(tǒng)的蓄能單元進行浮充，系統(tǒng)處于待機狀態(tài)；一旦外部市電斷電或整流裝置出現(xiàn)故障，燃料電池備用電源系統(tǒng)進入運行狀態(tài)，蓄能單元將不間斷地為通信設備供電，并由控制單元啟動氫氣供應和燃料電池系統(tǒng)。將燃料電池作為備用電源，在電信行業(yè)的應用尤為普遍，而其他例如遙感和管道陰極保護系統(tǒng)也正在逐步發(fā)展。作為燃料電池的

17、大生產(chǎn)商，Ballard Power Systems在2012年就生產(chǎn)了近400個ElectraGen備用電源系統(tǒng)。（3） 分布式發(fā)電分布式發(fā)電，通常是指發(fā)電功率在幾千瓦至數(shù)百兆瓦的小型模塊化、分散式、布置在用戶附近的高效、可靠的發(fā)電單元。日益增長的電力需求已使用現(xiàn)有的中心電站輸配電系統(tǒng)出現(xiàn)了過載現(xiàn)象。更為嚴重的是，近年來世界范圍內(nèi)的大電網(wǎng)故障以及戰(zhàn)爭造成的大面積停電事故使各國都開始認識到電力體制改革的重要性。而分布式發(fā)電技術能夠幫助緩解電力供應的緊張局面，提高供電質(zhì)量和可靠性，因此成為傳統(tǒng)發(fā)電技術的重要補充。雖然分布式發(fā)電很難取代大型發(fā)電廠，但對偏遠地區(qū)而言，其不失為一種發(fā)電的好辦法。3.2

18、交通運輸領域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，船只以及物料搬運設備等，使用的燃料電池類型僅僅是質(zhì)子交換膜（PEMFC）。目前，交通運輸領域?qū)崿F(xiàn)商業(yè)化的主要是物料搬運設備領域，而全球幾家大型汽車制造商仍在繼續(xù)追求燃料電池輕型汽車的應用，并計劃于2015-2017年實現(xiàn)商業(yè)化。北美的Plug Power和加拿大Ballard Power systems是該領域的主要廠商。3.2.1核心應用：叉車叉車是工業(yè)搬運車輛，是指對成件托盤貨物進行裝卸、堆垛和短距離運輸作業(yè)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(xiàn)商業(yè)化較為活躍的主要品種。其

19、主要生產(chǎn)商為Plug Power公司。叉車的動力來源主要為電池。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。在高流通量的派送中心和倉庫環(huán)境中，與傳統(tǒng)充電電池系統(tǒng)相比，零排放燃料電池叉車體現(xiàn)了經(jīng)濟、實用、環(huán)保。燃料電池叉車的優(yōu)勢在于：通過恒功率輸出和充氫氣時間短顯著提高叉車的生產(chǎn)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，燃料電池由于燃料補給迅速，且具有更長的室友壽命而關注。提高生產(chǎn)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(tǒng)的充電電池動力叉車相比，該項目在7年內(nèi)將減少

20、運行成本110萬美元。沃爾瑪現(xiàn)在已經(jīng)有超過500輛燃料電池叉車運行在包括冷凍設施在內(nèi)的三個倉庫中。其余使用Plug Power公司的GenDrive系統(tǒng)的客戶包括：保潔公司部署在四個站點的340個燃料電池叉車系統(tǒng)；思科部署在7個站點的超過600個系統(tǒng)；可口可樂公司部署在2個站點的96個系統(tǒng)。2008年時全美燃料電池叉車的總是才幾百輛，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(fā)展。燃料叉車市場的供應商主要有H2Logic，Hydrogenics，Nuvera Fuel Cell，OorjaProtonics和Plug Power。其中Plug Powe

21、r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(yè)目前來看均為大公司，這部分是因為燃料電池銷售價格高于普通叉車，如上圖（單位：美元）。就2012年的主要訂購商來看，主要集中在世界500強企業(yè)，其中又以零售業(yè)為主。但是，招商證券研究院表示，PLUG概念不具備使燃料電池由叉車市場切入乘車領域的基礎，因為真正推進“氫動力”規(guī)?；茝V的核心阻力在于儲氫技術缺乏革命性突破，所以使得成本下降通道難以大幅打開，“氫動力”仍然處于概念階段。但無論是從技術突破還是在商業(yè)模式上，特拉斯是真正使得電動車在乘用車市場找到了替代市場并對傳統(tǒng)超跑，及豪華車具備了性能以及經(jīng)濟性替代條件的企業(yè)，但燃料電池的關鍵阻

22、力因素尚未解決，前端成本過高仍是其突破替代臨界點的關鍵阻力。3.3.2燃料電池車的產(chǎn)業(yè)化（1） 成本：發(fā)展的首要障礙燃料電池車目前普及非常低，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Model S售價也才73萬人民幣，相比之下，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(fā)布了燃料電池車生產(chǎn)宣告，預計將于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，若屆時能夠達到目標價位，則燃料電池車發(fā)展可待。燃料電池車成本中有2/3是燃料電池系統(tǒng)的花費，目前燃料電池系統(tǒng)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

23、力系統(tǒng)也已開發(fā)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%。（2） 加氫站加氫站建設難也是制約燃料電池汽車發(fā)展的另一大因素。和建設鋰電池電動車所需要的充電樁不一樣，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(huán)評、安評等一系列工作。全球加氫設施的發(fā)展主要集中在三大區(qū)域：北美、歐洲和日本，整個加氫站建設的密集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，數(shù)量不僅遠遠低于美國，也遠遠低于韓國和日本。（3） 競爭：鋰電池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(zhì)溶液的電池，其歷史可以追溯到70年代，是目前應用最廣泛的電池，特斯拉

24、電動車使用的就是鋰電池。二者相比，鋰電池的優(yōu)勢在于更安全、成本更低；而燃料電池的優(yōu)勢在于充電時間更官、能量密度更高。從目前技術來看，氫燃料電池需要新建一個產(chǎn)業(yè)鏈來支撐，這需要很長的時間和大量的投資。而鋰電池從發(fā)明以來，隨著技術的進步和產(chǎn)業(yè)化的擴充，每年都有小幅度的降價和容量的提升。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?？偠灾?，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(fā)展。3.2.3燃料電池車未來發(fā)展目前多家汽車供應商已將氫燃料電池列入計劃，預計最早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汽車企業(yè)巨頭各自同合作伙伴簽訂合作開發(fā)燃料電池協(xié)議，計劃在未來數(shù)年內(nèi)推出燃料電池車投入使用。豐田于2011年在東京車展上就亮相了FCV-R氫燃料電池概念車，并與寶馬簽署四個領域的合作，其中就包括于2020年爭取推廣及普及燃料電池車。此外，通用汽車和本田汽車宣布將聯(lián)合開發(fā)下一代燃料電池技術，以便2020年投放到市場。各大汽車公司除了紛紛宣告新汽車的推廣外，在燃料電池車研制領域也在快馬加鞭。根據(jù)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(fā)投入，專利數(shù)目節(jié)節(jié)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