2019氢能行业燃料电池汽车产业化 发展分析报告 日期： 2019 年 04 月 26 日目录 1.燃 料 电 池 介 绍 . 4 1.1燃 料 电 池 概 念 及 分 类 . 4 1.2燃 料 电 池 技 术 原理 . 4 1.3燃 料 电 池 分类 . 5 1.3.1质 子 交 换 膜 燃 料 电 池 . 5 1.3.2碱 性 燃 料 电池 . 5 1.3.3磷 酸 燃 料 电池 . 5 1.3.4熔 融 碳 酸 盐 燃 料 电 池 . 5 1.3.5固 态 氧 化 物 燃 料 电 池 . 5 1.4燃 料 电 池 技 术 发 展 一 波 三折 . 7 2、 燃 料 电 池 目 前 处 于 产业 化初 期 ， PEMFC 是 主 流 技 术路线 . 9 2.1质 子 交 换 膜燃料 电 池 是 交通 领 域 主 流 技 术 路 线 . 9 2.2燃 料 电 池 目 前 处 于 产 业 化初 期 ， 政 策 为 主 要 驱 动 力 . 11 3、 加 氢 站 建 设 滞 后 是 当前 制约 燃 料 电 池 汽 车 发 展 的 主要 矛 盾 . 17 3.1国 外 氢 能 管 理 经 验 值 得 国内 借 鉴 . 18 3.2加 氢 站 主 要 分 外 供 氢 和 内供 氢 两 种 形式 . 18 3.3外 供 氢 加 氢 站 的 工艺 流程 . 19 3.4外 供 氢 加 氢 站 的 建设 成本 构 成 . 21 4.相 关 企 业 梳理 . 24 5.风 险 提示 . 25 图表 1： 氢 氧 燃 料 电 池 反 应原理 . 4 图表 2： 氢 氧 燃 料 电 池 反 应原 理 示 意 图 . 4 图表 3： 燃 料 电 池 主 要 类 型及 优 缺点 . 6 图表 4： 不 同 类 型 燃 料 电 池应 用 场景 . 7 图表 5： 燃 料 电 池 技 术 和 燃料 电 池 汽 车 发 展 历 程 . 8 图表 6： 不 同 技 术 类 型 装 机情 况 （ 千 套） . 8 图表 7： 不 同 使 用 场 景 装 机情 况 （ MW） . 8 图表 8： PEMFC 燃 料 电 池发 动机 组 成 . 9 图表 9： 氢 燃 料 电 池 产 业 链 . 10 图表 10：燃 料 电 池 产 业链 公司 梳 理 . 10 图表 11：中 国 氢 燃 料 电池 汽车 示 范 运 行 情 况 . 11 图表 12：氢 燃 料 电 池 客车 示范 运 营 经 验 总结 . 12 图表 13：燃 料 电 池 汽 车销 量（ 辆 ） . 12 图表 14： 2019 年 纯 电 动乘 用车 正 式 期 补 贴 政 策相 比 2018 年 大 幅 退 坡 （ 万元 /倍） 12 图表 15： 2019 年 纯 电 动客 车正 式 期 补 贴 政 策 相 比 2018 年 大 幅 退 坡 （ 万 元 /倍 ） . 13 图表 16：中 央 政 府 燃 料电 池非 补 贴 类 政 策 汇总 . 13 图表 17：地 方 政 府 燃 料电 池支 持 政 策 汇总 . 14 图表 18：我 国 在 运 加 氢站 数量 严 重 不 足 . 16 图表 19：我 国 在 建 加 氢站 数量 有 待 增 加 . 16 图表 20：加 氢 站 等 级 划 分 . 17 图表 21：加 氢 加 油 合 建站 的等 级 划分 . 17 图表 22：加 氢 加 气 合 建站 的等 级 划分 . 18 图表 23：制 氢 、 运 氢 与加 氢站 示 意图 . 19 图表 24：站 外 制 氢 加 氢站 主要 设 备 和 工 艺 流程 . 19 图表 25： 196 辆 燃 料 电 池 汽车 氢 气 需 求量 . 20 图表 26： 2017 年 全 球 加氢 站建 设 情况 . 21 图表 27：国 外 加 氢 站 投资 建设 成 本 . 21 图表 28：佛 山 市 南 海 区加 氢站 建 设 补 贴 . 22 图表 29：佛 山 市 南 海 区加 氢站 运 营 补 贴 . 22 图表 30：全 球 加 氢 站 数量 预测 （ 座） . 22 图表 31：富 瑞 氢 能 加 氢 站 . 23 图表 32：加 氢 站 市 场 规 模 . 23 图表 33：加 氢 站 建 设 成本 构成 . 24 图表 34： PDC 氢 气 隔 膜 压 缩机 . 24 事件 ： 政府工作报告提出推动 加氢等设施建设 ， 4 月 23 日工信部表示大力 推进我们氢能及燃料电池汽车产业的创新发展，加氢站是燃料电池 产业发展的关键基础设施，目前有气态加氢站和液态加氢站，国内 气态加氢站以 35MPa 的站外制氢加氢站为主，液态加氢站适合更长 距离运输和更大规模，氢气液化过程存在 1/3 的能量损失，液态加 氢站处于技术试验期。加氢站的发展需要解决法规、资金、盈利、氢源四个方面的问题，目前已具备初步解决方案。 投资要点： 3 加氢站建设滞后成为 制约氢能发展的主要障碍： 今年 3 月份， 飞驰汽车向佛山市政府一次性交付 300 台公交车，由于交付 数量太多，需要等待相应的加氢站等配套设施建设完毕才能 投入运行。作为氢能源产业发展走在全国前列的佛山尚且面 临存量加氢站数量与公交车数量不匹配的情况，其他地区可 能更严重，加氢站建设滞后已成为制约氢能发展的主要障碍。 4 加氢站发展需要解决法规、资金、盈利和氢源问题，正在逐步解决： 佛山市已出台加氢站建设报批详细流程，为其他地区提供参考；与此同时，佛山市南海区给出了新建加氢站最 高 800 万元的补贴，加氢站建设好后 ，提供最高 20 元 /kg 的 运营补贴，不仅有效解决了建设期的资金问题，同时还解决 运营期的盈利问题，预计此类政策将引来其他地区借鉴和效 仿。氢源从本质来看是成本问题，目前主要采用的是工业副 产氢， 20MPa 储罐运氢存在 200km 的经济半径问题，燃料电池 汽车量起来后可以通过采用液态长距离运输的办法解决。 5 加氢站建设将迎来高速发展： 不完全统计，截止 3 月底国内在 运加氢站 18 座，2019 年在建加氢站 17 座； 2020 年各地加氢 站规划超过 100 座。预计 2020/2025 年全球加氢站市场累计规 模 61/146 亿元。目前除了氢隔膜压缩机尚未完成国产化， 其 余部件均已实现国产化，产业链相关公司将受益。 6 风险因素： 氢能及燃料电池政策不符合预期，燃料电池汽车补贴退坡幅度超预期，燃料电池汽车发展不及预期，加氢站成本下降不及预期等。 1、燃料电池介绍 1.1 燃料电池概念及分类 燃料电池是一种主要通过氧或其他氧化剂进行氧化还原反应，把燃料中的化学能 转化成电能的装置，又称电化学发电器。它是继水力发电、热能发电和原子能发电之 后的第四种发电技术。燃料电池是具有发展前途的新的动力电源，一般以氢气、碳、 甲醇、硼氢化 物、煤气或天然气为燃料，作为负极，用空气中的氧气作为正极，燃料 电池的活性物质 （ 燃料和氧化剂 ） 是在反应的同时进入。因此，这类电池实际上只是 一个能量转换装置，等温的按电化学方式，直接将化学能转化为电能而不必经过热机 过程，不受卡诺循环效应的限制，因此能量转化效率高。 1.2 燃料电池技术原理 燃料电池组成与一般电池相同，其单体电池是由正负两个电极：负极即燃料电极、 正极即氧化剂电极以及电解质组成。电池工作时，燃料和氧化剂由外部供给，进行反应。原则上只要反应物不断输入，反应产物不断排出，燃料电池就能连续地发电。以 氢 氧燃料电池为例来说明燃料电池反应技术原理，氢 -氧燃料电池反应原理反应是电 解水的逆过程： 图表 1：氢氧燃料电池反应原理 碱、盐溶液电解质 酸溶液电解质 负极（燃料极） H2 +2OH- 2H2O +2e- H2 2H+ 2e- 正极（空气极） 1/2O2 +H2O+2e- 2OH O2 + 4H+ 4e- 2H2O 电池总反应 H2+1/2O2 =H2O O2 + 2H2 = 2H2O 图表 2：氢氧燃料电池反应原理示意图 以酸溶液电解质燃料电池为例， H2在阳极催化剂作用下 被氧化成 H+和 e-， e-不可 以通过质子交换膜，但可以通过外电路到达阴极； H+可以通过质子交换膜达到阴极， 与 O2和通过外电路达到阴极的 e-反应生成水，连续不断的反应就产生了电流。 1.3 燃料电池分类 燃料电池按照不同的标准可以划分为不同的类型，分类标准主要包括运行机理、 电解质种类、燃料类型、工作稳定和结构类型等。目前主要依据电解质种类和燃料类型进行分类，汽车企业最常用到的电池为以氢气为燃料的质子交换膜燃料电池。按照 电解质不同，燃料电池可分为碱性燃料电池 （ AFC） 、质子交换膜电池 （ PEMFC） 、磷酸 燃料电池 （ PAFC） 、 熔融碳酸盐燃料电池 （ MCFC）及固态氧化物燃料电池（ SOFC）。 1.3.1 质子交换膜燃料电池 质子交换膜燃料电池也称聚合物电解质膜或固态聚合物电解质膜燃料电池，电解 质是一片薄的聚合物膜。在 80的温度下即可工作，在 -10的寒冷条件下也能迅速 启动。其电力密度高，其体积相对较小，同时工作效率高，并且能快速根据用电需求 而改变其输出。但这类燃料电池对膜材料要求较高，增加了制造成本。 此外，该类 电池需要采用贵金属作为催化剂，铂价格较高，增加了电池成本，且催化剂与工作介 质中的一氧化碳发生作用后发生 “中毒”而失效，会降低工作效率或完全损坏。 1.3.2 碱性燃料电池 该电池的结构与质子交换膜燃料电池类似，其电解液为水溶液或氢氧化钾基质。 工作温度较低，约为 80，因此启动较快，但能量密度较低，仅为质子交换膜燃料电 池的十分之一。 碱性燃料电池生产成本低，催化剂对一氧化碳等杂质也较敏感。可用于固定发电装置，在航天飞机 上也有所使用，提供动力和水。 1.3.3 磷酸燃料电池 该类电池的电解质为液体磷酸，通常位于碳化硅基质中。磷酸燃料电池的工作稳 定较高，约 150 -200，但亦需电极上的白金催化剂加速反应。由 于温度高，其反 映速度更快， 对杂质的耐受性也更强。磷酸燃料电池效率较低，约为 40%，加热时间 更长。该类电池可用为医院、学校、小型电站等提供动力。 1.3.4 熔融碳酸盐燃料电池 这类电池原理为温度加热到 650时，盐会产生熔化，产生碳酸根离子， 从阴极 流向阳极，与氢结合生成水、二氧化碳和电子。这种电池工作的高温能够在内部整合 天然气 和石油等碳氢化合物，在内部生成氢。此外，该类电池的催化剂可由镍替代， 产生的多余热量还可 被联合热电厂利用。但正是因为高温，电池需要较长时间才可达到工作温度，且在交通运输和家庭 发电方面均不太安全，对大规模的工业加工和发电气轮机更为适用。 1.3.5 固态氧化物燃料电池 该类电池的电解质为固态陶瓷电解质，工作温度更高， 800-1000之间。这类电 池能够抵御外界一氧化碳、硫等杂质的污染，也可以直接使用石油或天然气实现发电。 因使用的是固态电解质，这类电池比熔化的碳酸盐燃料电池更稳定，也更安全，但用 来承受其高温的建造材料也更昂贵。 图表 3：燃料电池主要类型及优缺点 电池类型 优点 缺点 PEMFC （ 1）体积相对较小 （ 1）铂催化剂昂贵 （质子交换膜 （ 2）工作效率高 （ 2）对 CO 和 S 中毒感 燃料电池） （ 3）相对能快速启动 低温燃料 （ 4） 技术成熟可靠性高，电力密度大， 寿 电池 命相对较长 AFC （碱性燃料电池） （ 1）燃料适应性 （ 2）可以不使用贵金属作为催化剂 （ 3）材料成本低，电解质成本非常低廉 （ 1）必须使用纯的 H2 和 O2 （ 2）需周期性地更换 KOH 电解质 （ 3）必须从阳极及时除水 （ 4）电解质容易 CO2 中毒 PAFC （ 1）阴极性能得到改善 （ 1）必须使用纯的 H2和 O2 中温燃料 (磷酸型燃料 （ 2）可以不使用贵金属作为催化剂 （ 2）需周期性地更换 KOH电解质 电池 电池 ) （ 3）材料成本低，电解质成本非常低 （ 3）必须从阳极及时除水 （ 4）电解质容易 CO2中毒 MCFC （ 1）燃料适应性广 （ 1）材料在高温下运行会产生 （熔融碳酸盐 （ 2）采用非贵金属作为催化剂 一系列问题如密封等 燃料电池） （ 3）高品位余热可用于热电联供 （ 2）熔融碳酸盐电解质有腐蚀性 （ 4）较高的功率密度 （ 3）退化 /寿命问题 （ 4）电池部件制造成本高 高温燃料 SOFC （ 1）燃料适应性广 （ 1）工作温度高，启动慢 电池 （固态氧化物 （ 2）固态电解质更安全 （ 2）制造材料成本高 燃料电池） （ 3）高品位余热可用于热电联供 （ 4）较高的功率密度 （ 5）对硫抗耐 不同类型的燃料电池具有不同的特点，也分别对应不同的应用领域。 质子交换膜燃料电池具有工作温度低、启动快、比功率高、结构简单、操作方便 等优点，被公认为电动汽车、固定发电站等的首选能源。 迄今最常用的质子交换膜 （ PEM） 仍然是美国杜邦公司的 Nafion 质子交换膜， 具有质子电导率高和化学稳定 性好的优点。国内装配 PEMFC 所用的 PEM 主要依靠进 口。但 Nafion 质子交换膜存在下述缺点： 1)制作困难、成本高，全氟物质的合成和 磺化都非常困难，导致