氢燃料电池行业研究.doc

目录1、氢燃料电池概况21.1燃料电池概念21.2燃料电池分类21.3燃料电池优势22、氢燃料电池产业链解析33、氢燃料电池市场细分53.1固定领域63.2交通运输领域73.2.1核心应用：叉车73.3.2燃料电池车的产业化83.2.3燃料电池车未来发展93.3便携式领域94、相关企业10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（AFC）磷酸盐型（PAFC）碳酸盐型（SOFC）固体氧化物（SOFC）气质交换膜（PEMFC）燃料纯氢氢气氢气、煤气、天然气、沼气等氢气、煤气、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、碳酸基质稳定氧化锆等薄膜或薄板聚合物膜催化剂无铂无无铂工作温度9-100190-200600-700700-100080-100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。高效的能量转换效率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%左右，远低于燃料电池平均的40%-60%效率。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。燃料易获得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%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2010201120122013金属铂价格美元/盎司1100110011001500金属铂成本美元/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系统总成本美元/千瓦51494755催化剂成本占比%13.7%13.5%16.5%22.1%燃料电池下游领域情况应用领域优点缺点代表公司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天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 Power、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高的食品快递企业叉车市场Plug摩托车/自行车零排放，基本无噪音经济型不高，续航里程较低Intelligent Energy、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、取暖器）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，且实际使用成本远高于充电成本移动基站、分布式发电、不间断电源稳定可靠成本较高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、氢纯度要求高、老化问题、电池寿命。环节二制氢环节成本已基本达到目标上限环节三加氢站成本仍然较高，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氢气运输成本太高环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。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%。（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类别Horizon燃料电池技术公司新加坡MINPAKPEMLillputian系统公司美国NectarSOFCmyFC公司瑞典Power TrekkPEMSFC能源公司德国EFOY COMFORTPEM4、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。