氫燃料電池行業(yè)研究

1、目錄1、氫燃料電池概況 11.1 燃料電池概念 11.2 燃料電池分類 11.3 燃料電池優(yōu)勢 22、氫燃料電池產業(yè)鏈解析 33、氫燃料電池市場細分 43.1 固定領域 63.2 交通運輸領域 73.2.1 核心應用：叉車 73.3.2 燃料電池車的產業(yè)化 83.2.3 燃料電池車未來開展 93.3 便攜式領域 94、相關企業(yè) 9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復原反響，把燃料中的 化學能轉化為電能的電池。即使用氫氣作為燃料，利用電解水的逆反響產電的一種 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，

2、氫原子 變成一個正電荷的氫離子和一個負電荷的電子， 其中氫離子通過電解質到達陰極板， 而電子不能通過電解質，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、電解質和陰極。兩個化學反響發(fā)生在三個不同區(qū)段的借口之間。兩 種反響的凈結果是燃料的消耗、水或者二氧化碳的產生，和電流的產生，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；按電解質種類又可分為 堿性染料電池AFQ、磷酸鹽型燃料電池PAFC、熔融碳酸鹽型燃料電池MCF 固化氧化物型燃料電

3、池SOFC和質子交換膜燃料電池PEMF燃料電池按電解質種類分類燃料純氫氫氣氫氣、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、氧氣電解質氫氧化鉀磷酸鹽基質碳酸鋰、碳 酸鈉、碳酸 基質穩(wěn)定氧化鋯 等溥膜或溥 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-100kw100-400kw300kw-3mw1kw-2mw用途太空用電 源、

4、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、 特種車輛數據來源：?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給 氫氣并與時把水帶走，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jij1燃料電池屬于清潔能源的一局部，由于其反響過程就是無污染的水 ！ 反響，反響過程不會產生污染物，其主要污染物來自于燃料，可能 存在氮氧化物等污染。相對

5、于普通火力發(fā)電的空氣污染以與傳統(tǒng)電 1 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 1 燃料電池，其燃料為純潔無污染的氫氣，相對其他燃料而言，廢氣 i 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零污 染的環(huán)保能源。 i高效的能 量轉換效 率1h 1 3 1 1 1 1 DBaBB3iiinnBaii i i 燃料電池的發(fā)電效率也處于較咼水平。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澈率。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 遍使用的燃機效率?？傮w而言,燃料電池的能量轉換效率在其類似:替代能源中都

6、處于較高水平。ir燃料易獲t氫是宇宙中最常見的元素,氫與其同位素占到了太陽總質量的84%'" 得；宇宙質量的75%fE是氫。氫分子在地球上不是以天然的氣體存在，;'大局部氫結合氧存在水中，可以說水資源在一定程度上代表了氫能-的儲存量。比擬于傳統(tǒng)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，出現故障的概率較低；比擬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擬明顯， 首先是運行溫度與能量轉換效率成正比，但較高的運行溫度限定了應用圍，同時無 論是從燃料電池本身的本錢，還是從燃料本錢上都還遠

7、遠高于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、排放與空間要求高，但同時對于設 備、燃料經濟性要求較低的領域，PLUG勺叉車概念就是最好的例證。2、氫燃料電池產業(yè)鏈解析氫燃料電池主要包括電池組件和燃料兩個局部。因此其上游主要是氫氣供給以 與電池零組件。氫氣供給局部主要是為燃料氫氣而準備的，主要流程包括氫氣生產、 輸送和充氣機。而電池零組件局部那么主要生產燃料電池組、氫氣存儲設備和配件。 中游那么是將上述組裝，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)構依 據其不同的應用領域而有所不同。下游的應用板塊那么主要包括了固定、交通運輸和 便攜式三個主要領域。產業(yè)鏈的核心在于

8、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、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本錢的影響最為巨大。 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，不同技術類 型的燃料電池對電解質的要求不同，不同的電解質的價格也會有多不同，并最終對 燃料電池價格產生影響。PEM然料電池本錢分布情況i1:a1:i金屬鉑價格美元/盎司1100110011001500金屬鉑本錢美元/80千瓦559528621974電池堆

9、本錢美元/千瓦25222027輔助設備成 本美元/千瓦25262627其他本錢美元/千瓦1111系統(tǒng)總本錢美元/千瓦51494755催化劑本錢 占比%13.7%13.5%16.5%22.1%燃料電池下游領域情況汽車能量使用效率較高，零排放生產本錢過咼，制氫、 運輸氫、儲氫本錢較 咼，咼壓儲氫平安性本田、豐田、奔 馳問題巴士燃料電池巴士比柴油和天 然氣巴士的燃料經濟性高出 39%-141%生產本錢過咼，制氫、 運輸氫、儲氫本錢較 咼，咼壓儲氫平安性 問題UTC Powe、豐 田、Ballard、 Hydrogenics、 Prot on Motor叉車燃料電池在工業(yè)應用最大 的部門之一，室使用無

10、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、聯邦快遞、可口 可樂、金佰利等對室 環(huán)境要求較咼的食品 快遞企業(yè)叉車市場Plug摩托車/自行車零排放，根本無噪音經濟型不高，續(xù)航里程較低In tellige nt 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)現概率，續(xù) 航能力突出，無廢氣排放， 可產生飲用水德國海軍造船 廠便攜式電 源筆記 本、智能 、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，功率可調節(jié)體積較大，且實際使 用本錢遠咼于充電成 本移動基 站、分

11、布 式發(fā)電、 不間斷電 源穩(wěn)定可靠本錢較咼氫電池產業(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：本錢與性能已經接近商業(yè)化門檻。 劣勢：催化劑貴、氫純度要求咼、老化冋題、電池壽命。環(huán)節(jié)二制氫環(huán)節(jié)本錢已根本到達目標上限環(huán)節(jié)二加氫站本錢仍然較咼，商業(yè)化尚需時日 平安性仍需要提升，性價比與平安性是關鍵考慮問題環(huán)節(jié)四氫氣運輸本錢太咼環(huán)節(jié)五氫儲存儲存冋題是核心難題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如今，伴隨各類電子智能設備的崛起以與新能源汽車的風行，氫燃料電池

12、主要運營于三大領域：固定領域、運輸領域、便攜式領域。2021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2021 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2021年的2000臺迅速上升至2.5萬臺。交通運輸燃料電池開展相對平穩(wěn)，在未來其開展的主要看 點集中在輕型燃料電池電動汽車數量的增加和物料搬運設備市場的大幅增長。在三 個領域中，便攜式領域的開展幾乎處于停滯狀態(tài)，即使目前已經有許多公司陸續(xù)推 出 用氫燃料電池，但就整體而言，該類產品的商業(yè)化尚未得到實現，未來開展 還需要很長時間。日本富士經濟公司針對產業(yè)和商業(yè)、家用、燃料電池車、叉車等 驅動、便攜和應急以

13、與便攜終端6個領域進行了調查，預測到2025年，全球市場總 計將到達52843億日元，相當于2021年的74.2倍。2021-2021年全球燃料電池出貨量單位：臺30000便攜式交通運輸固定式量25000貨出2000015000 10000500020212021202120212021 年度招商證券研究員表示，從全球燃料電池趨勢看，以現階段技術，燃料電池更適 合用于固定設備醫(yī)院不間斷電源、分布式發(fā)電、軍用等設備穩(wěn)定性與噪音有特殊 要求領域，而北美地區(qū)運輸業(yè)下游市場的增長那么主要來自于叉車等對排放、靈活性要求較高的專用車領域。北業(yè)地區(qū)燼卿電溥出貨童產下辭甫毎檜吧電也出賞養(yǎng)良下會*歸悄兀熾轄電兩

14、專.嘆斡電津由買量會31劇停審槽妃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給，包括發(fā)電站、樓宇、工程等領域的大型首要電源、備用電源或熱點聯產CHP，用于家庭住宅和商業(yè)的微型熱點聯產，以與遠程或根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，美國外鄉(xiāng) 的 Bloom Energy， Fuel Cell Energy， UTCpower 和加拿大的 Ballard Power System 是該領域的主要生產公司。在固定式燃料電池的應用中，各地區(qū)略有差異。對亞太地區(qū)而言，輔助電源Aux Power

15、是目前占比最大的應用，其他主要應用那么是備用電源Backup Power和熱電聯產CHP。在北美地區(qū)，備用電源、熱電聯產和分布式發(fā)電 DG是三類主要 的應用領域。連*也區(qū)囲底瓦崑瓣朝池眉闍福測北贏弭宣弍燃斛電池雉11麺竊ft«FjS.jck 單 rmt » PaiMif f dafl Pawr ofamnMiQtf |vemc藝3TO2OU20+5Tit* Bkdiup aCHP HDO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

16、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、高可靠性以與 高環(huán)保性的燃料電池在具有本錢競爭力的情況下，已經在固定領域中進入了商業(yè)化 的應用，目前主要應用在熱電聯產、備用電源和分布式電源三個區(qū)域。1熱電聯產熱電聯產CHP,是指在同一電廠中將供熱和發(fā)電聯合在一起，簡稱CHP熱電聯產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%這意味著每產出1 兆焦的電源，就有2兆焦的熱量白白浪費掉。將這局部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。熱電聯產的

17、實現有多種方式，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產中能夠將多余熱能回收用于住宅或者工廠，產生的 熱量金可用于集中供暖或供給熱水。相比其他方式的熱電聯產，燃料電池熱電聯產 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、蓄能單元與人機接口構成。外部市電供給正常時，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

18、電，并由控制單元啟動氫氣供給和燃料電池系統(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)也正在逐步開展。 作為燃料電池的大生產商， Ballard Power Systems 在 2021 年就生產了近 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有的中心 電站輸配電系統(tǒng)出現了過載現象。更為嚴重的是，近年來世界圍的大電網故障以與 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

19、 發(fā)電技術能夠幫助緩解電力供給的緊局面，提高供電質量和可靠性，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)電的好方法。3.2 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，船只以與物料搬運設備等，使用的燃料電池類型僅僅是質子交換膜PEMFC。目前，交通運輸領域實現商業(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， 并方案于 2021-2021 年實現商業(yè)化。 北美的 Plug Power 和加拿大 Ballard Power systems 是該領域的

20、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 商業(yè)化較為活潑的主要品種。其主要生產商為 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表達了經濟、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

21、池由于燃料補給迅速， 且具有更長的室友壽命而關注。提高生產效率的同時，燃料電池叉車還可以降低運營本錢。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，該工程在 7 年將減少運行本錢 110 萬美元。沃爾瑪現在已經有超過 500輛燃料電池叉車運行在包括冷凍設施在的三個倉庫中。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)。 2021年時全美燃料電池叉車的總是才幾百輛

22、， 而到 2021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開展。t'LLC；又車又車價樓對岀址吳贈+f電尚又車Jt量菱船SctOrirt背事口鍛工斗燃料叉車市場的供給商主要有H2Logic, Hydrogenics , Nuvera Fuel Cell ,OorjaProtonics 和Plug Power。其中Plug Power是最大的供給商，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，這局部是因為燃料電池銷 售價格高于普通叉車，如上圖單位：美元。就2021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)

23、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 領域的根底，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，所以使得本錢下降通道難以大幅翻開，“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，與豪華車具備了性能以與經濟性替代條件的企業(yè)，但燃 料電池的關鍵阻力因素尚未解決，前端本錢過高仍是其突破替代臨界點的關鍵阻力。332燃料電池車的產業(yè)化1本錢：開展的首要障礙燃料電池車目前普與非常低，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 Mode

24、l 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宣告，預 計將于2021年上市，豐田的目標定價在5萬美元，而上汽的本錢預計在 50萬人民 幣，假設屆時能夠到達目標價位，那么燃料電池車開展可待。燃料電池車本錢中有2/3是燃料電池系統(tǒng)的花費，目前燃料電池系統(tǒng)的本錢下 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力系 統(tǒng)也已開發(fā)第7代燃料電池電堆HD7該電堆的本錢比上一代的 HD6要減少75%燃料電池車本錢構成燃料電池系統(tǒng)其他各類汽車價格比照單位：美元120嚴燃料電池大巴 Model S 豐田2021E 上汽202

25、1E2加氫站加氫站建設難也是制約燃料電池汽車開展的另一大因素。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。全球加氫設施的開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，數量不僅遠遠低于美國，也遠遠低于國和日本。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)勢在于更平安、本錢更低；而燃料電池的

26、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。而鋰電池從創(chuàng)造以來，隨著技術的進步和產業(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，電動車的普與度有望進一步提升?？偠灾?，短期來看鋰電池主導的電 動車會是主要方向，氫燃料電池那么需要長期的開展。燃料電池車未來開展目前多家汽車供給商已將氫燃料電池列入方案， 預計最早2021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，方案在未來數年推出燃料電池車投入使用。豐田于2021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2021年爭取推廣與普與燃料電池車。此外，通用汽 車和本田汽車宣布將聯合開發(fā)下一代燃料電池技術，以便 2021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