氢燃料电池行业研究

目录
1、氢燃料电池概况 ............................................................................... 2 1.1 燃料电池概念 ................................................................................... 2 1.2 燃料电池分类 ................................................................................... 2 1.3 燃料电池优势 ................................................................................... 4 2、氢燃料电池产业链解析 ................................................................... 5 3、氢燃料电池市场细分 ....................................................................... 8 3.1 固定领域 ......................................................................................... 10 3.2 交通运输领域 ................................................................................. 12 3.2.1 核心应用：叉车 ................................................................... 12 3.3.2 燃料电池车的产业化 ........................................................... 14 3.2.3 燃料电池车未来发展 ........................................................... 15 3.3 便携式领域 ..................................................................................... 16 4、相关企业 ......................................................................................... 16

氢燃料电池行业分析
1、氢燃料电池概况 1.1 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。其工作原理是：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。 1.2 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（ AFC ） 、磷酸盐型燃料电池（ PAFC ） 、熔融碳酸盐型燃料电池 （MCFC） 、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 类型 碱 性 燃 料 磷 酸 盐 型 碳 酸 盐 型 固体氧化物 气质交换膜 （AFC） 燃料 纯氢 （PAFC） 氢气 （SOFC） （SOFC） （PEMFC）
氢气、 煤气、 氢气、 煤气、 氢气、甲醇

天然气、沼 天然气、沼 气等 氧化剂 电解质 纯氧 氢氧化钾 气等
空气、氧气 空气、氧气 空气、氧气 空气、氧气 磷酸盐基质 碳酸锂、碳 稳定氧化锆 聚合物膜 酸钠、碳酸 等薄膜或薄 基质 板 无 700-1000 气态水 铂 80-100 蒸发排水+ 动力排水
催化剂 工作温度 水管理
无 9-100 蒸发排水
铂 190-200 蒸发排水
无 600-700 气态水
发电效率
60%
40%
45%-50%
60%
固 35%
定
式
运输 60% 发电能力 10-100kw 1kw-100kw 100-400kw 300kw-3m w 用途 太 空 用 电 分 布 式 发 分 布 式 发 辅助电源、 备用电器、 源、军用电 电、废水处 电、电力公 电力公司、 移动电源、 源 理厂、 医院、 司 应急电源 分布式发电 分 布 式 发 电、运输、 特种车辆 数据来源： 《燃料电池》 1kw-2mw

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 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 燃料电池，其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。 高 效 的 能 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 量 转 换 效 力发电效率在 30%左右，远低于燃料电池平均的 40%-60%效率。 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。 燃 料 易 获 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 得 84%，宇宙质量的 75%都是氢。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 的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 来说，由于其使用昂贵的铂族金属作为催化剂，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 燃料电池成本分布情况 单位 2010 2011 2012 2013

金属铂价格 金属铂成本
美元/盎司 美 元 /80 千 瓦
1100 559
1100 528
1100 621
1500 974
电池堆成本
美元/千瓦
25 25
22 26
20 26
27 27
辅助设备成 美元/千瓦 本 其他成本 系统总成本 美元/千瓦 美元/千瓦
1 51 13.7%
1 49 13.5%
1 47 16.5%
1 55 22.1%
催化剂成本 % 占比
燃料电池下游领域情况 应用领域 汽车 优点 缺点 代表公司
能量使用效率较高，零排放 生产成本过高，制氢、 本田、 丰田、 奔 运输氢、储氢成本较 驰 高，高压储氢安全性 问题
巴士
燃料电池巴士比柴油和天 生产成本过高，制氢、 UTC Power 、 然气巴士的燃料经济性高 运输氢、储氢成本较 丰田、Ballard、 出 39%-141% 高，高压储氢安全性 Hydrogenics、 问题 Proton Motor

叉车
燃料电池在工业应用内最 下游客户局限在西斯 大的部门之一，室内使用无 科、联邦快递、可口 污染气体排放、电能持续时 可乐、金佰利等对室 间长，降低电池体积 内环境要求较高的食 品快递企业叉车市场
Plug
摩 托 车 / 零排放，基本无噪音 自行车 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 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
经济型不高，续航里 Intelligent 程较低 造价高 Energy、本田 波音
——
德国海军造船 厂
便携式电 主要用于野外使用，不需要 体积较大，且实际使 源（笔记 发电，直接通过添加燃料， 用成本远高于充电成 本、智能 方便快速，功率可调节 手机、取 暖器） 移 动 基 稳定可靠 站、分布 式发电、 成本较高 本
——
——

不间断电 源
氢电池产业各环节优劣势分析 环节一 燃料电池堆系 优势：成本及性能已经接近商业化门槛。 统 环节二 环节三 制氢环节 加氢站 劣势： 催化剂贵、 氢纯度要求高、 老化问题、 电池寿命。 成本已基本达到目标上限 成本仍然较高，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 环节五 氢气运输 氢储存 成本太高 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 天领域。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%。 相对于 2008 年增长超过 321%。 而在其中， 固定式燃料电池的增长最为显著， 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。
35000 30000
出货量
2008-2012年全球燃料电池出货量（单位：台）
25000 20000 15000 10000 5000 0 2008 2009 2010 2011 2012
便携式 交通运输 固定式
年度
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，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。

3.1 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 电源。 固定式燃料电池主要包括 MCPC、SOFC、PAFC 和 PEMFC。在美国市场， 美国本土的 Bloom Energy，Fuel Cell Energy，UTC power 和加拿大的 Ballard 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。
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。此外，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 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，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。 3.2 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（PEMFC） 。 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。北美的 Plug Power 和加拿大 Ballard Power systems 是该领域的主要厂商。 3.2.1 核心应用：叉车 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著提高叉车的生产率。铅酸电池的性 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 Plug Power 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 概念不具备使燃料电池由叉车市场切入乘 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。 3.3.2 燃料电池车的产业化 （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、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——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 HD6 要减少 75%。
各类汽车价格对比（单位：美元）
燃料电池车成本构成
120 100 80
燃料电池系统 其他
60 40 20 0
燃料电池大巴 Model S 丰田2015E 上汽2015E

（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，其 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。 3.2.3 燃料电池车未来发展 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。此外，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。激烈的专利竞争为燃料电池车的顺利推出也奠定了技术基础，现在需 要的只是时间，来讲技术推向市场。 3.3 便携式领域 燃料电池在便携式领域的应用主要包括燃料电池盒、燃料电池玩具，以及小型 燃料电池充电器等。目前销售的燃料电池充电器和其他类似的便携式应用市场尚不 发达，国内外仍未出现成功的大型商业化案例。 2012 年全球便携式燃料电池制造商 制造商 国别 产品名称 MINPAK 类别 PEM
Horizon 燃料电池 新加坡 技术公司 Lillputian 系 统 公 美国 司 myFC 公司 SFC 能源公司 瑞典 德国
Nectar
SOFC
Power Trekk EFOY COMFORT
PEM PEM
4、相关企业

国内相关企业：大连新源动力股份有限公司；上海神力科技有限公司；上海恒 劲动力科技有限公司；弗尔赛能源有限公司。 国外相关企业： 普拉格能源（PLUG） ：美国最大的 PEMFC 燃料电池开发企业，也是巴拉德动 力（BLDP）系统最大的客户。公司是北美生产燃料电池叉车的领头羊企业，客户 有可口可乐、联邦快递、沃尔玛、克罗格和 CVS 的公司。2014 年初 Plug Power 称第四季度收到来自沃尔玛、宝马汽车和保洁等客户的订单，价格约在 3200 万美 元，公司计划于 2014 年中期达到盈亏平衡。 巴拉德动力系统（BLDP） ：公司主要从事车用 PEMFC 燃料电池组件的生产， 是 PEMFC 燃料电池技术领域中的先驱公司。公司提供清洁能源燃料电池产品，以 及众多应用提供优化电力系统， 公司已设计和运送超过 100 兆瓦的氢燃料电池产品。 2012 年，公司收入达到 4400 万美元，2013 年实现收入 6125 万美元，2013 年 Q4 公司 EBITDA 实现转正。 Fuel Cell Energy：公司成立于 1969 年，前身为能源研究公司，主要从事可用 于热电联产、分布式能源的熔融碳酸盐燃料电池，生产能力可达 90MW，公司和韩 国 POSCO Power 战略合作，为其电站提供 DCF 燃料电池组件，2013 年销售收入 达到 1.87 亿美元，同比增长 56%，公司目前也在开发直接燃料电池和固体氧化物 燃料电池。