燃料電池星星之火，正待燎原：2014年11月豐田發(fā)布燃料電動車Mirai，2015年1月，豐田宣布在范圍內開放5680項技術，其中包括Mirai的1970項關鍵技術。豐田一些列動作表明其在燃料電池汽車技術上已趨成熟，正進入技術優(yōu)化和商業(yè)生態(tài)構建階段。在我國,以國鴻氫能與Ballad合作為代表的“市場換技術”模式已經(jīng)落地，并計劃在兩年內投放3000套燃料電池系統(tǒng)，同時福田汽車公告斬獲北京有車租賃100輛歐輝氫燃料電池電動客車訂單等消息亦顯示國內燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)化已悄然開啟。

具備高能量密度特性,氫燃料電池市場潛力巨大：氫燃料電池通過氫氣和氧氣電化學反應產(chǎn)生電能（核心部件為雙極板、電解質、擴散層、催化劑），具有*的能量密度并兼具*特點，無疑是我們所追求的潛力能源利用方式。在燃料電池汽車、鋰電池增程汽車、無人機、IDC等領域潛力巨大，根據(jù)富士經(jīng)濟預測未來十年燃料電池市場空間將達到3400億元以上。

工業(yè)廢氫利用可顯著降低氫使用成本，美國已規(guī)劃電堆成本下降目標：美國計劃在2020年實現(xiàn)非重整法（電解法、生物法等）加氫平準用氫價格降至10美元/kWh。電堆成本方面,在50萬套80kW電池系統(tǒng)產(chǎn)量規(guī)模下，實現(xiàn)由2015年的53美元/kW（合3.01萬/套），下降至2020年40美元/kW（合2.34萬/套），并期望zui終達到30美元/kW（合1.75萬/套）。此外,當前我國每年大約有10億立方米的廢氫被排放，能產(chǎn)生電能約130億度電，若將其在燃料電池側加以利用,經(jīng)濟價值巨大。

政策力挺燃料電池技術，購車補貼2020年之前不退坡：政策給予小型/輕型/大型燃料電池車補貼20/30/50萬元/臺、加氣站400萬元/個補貼。并出臺《中國制造2025—能源裝備實施方案》、《能源技術革命創(chuàng)新行動計劃（2016-2030）》等支持文件,制定2020年達產(chǎn)1000輛燃料電池汽車并進行示范運行的目標。另一方面巴黎峰會成功召開，我國到2030年GDP碳排放需較2005年下降60-65%。目前政府行政手段治理壓力大、效率低，ZEV、碳稅等經(jīng)濟手段的出臺將為燃料電池車加速發(fā)展奠定基礎。

1.氫燃料電池為燃料電池主流方向，市場空間超3000億

燃料電池通過燃料的電化學反應直接產(chǎn)生電能，相當于一個小型發(fā)電裝臵（主要包括雙極板、電解質、擴散層、催化劑）。根據(jù)電解質和燃料的不同，燃料電池分為六類：質子交換膜燃料電池（PEMFC）、直接甲醇燃料電池（DMFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）、堿性燃料電池（AFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、磷酸燃料電池（PAFC）。燃料電池核心電化學方程式如下：

鑒于燃料電池仍是新興產(chǎn)業(yè)，多種技術路線并存（不只有氫燃料電池路線），我們對6種燃料電池分別從各自反應原理、輸出效率等方面進行了梳理，以使大家更全面的了解燃料電池產(chǎn)業(yè)，并通過對比思考出更為符合我國國情的技術方向。

1.1.六類燃料技術各有用武之地，質子交換膜燃料電池實現(xiàn)跨越式發(fā)展

1.1.1.質子交換膜燃料電池（PEMFC）：低溫運行，主要應用于交通領域

PEMFC采用水基酸性聚合物(一般為全氟磺酸)作為電解質、鉑作為催化劑，是當前燃料電池汽車和物料搬運車的技術路線。相較其余5類電池，其特點為運行溫度相對較低（一般低于100℃），同時可以根據(jù)需要靈活調整電堆輸出功率。但因相對低的啟動溫度并采用貴金屬基電極，這類電池必須使用高純度的氫。

為克服高純度氫氣需求限制，目前PEMFC出現(xiàn)高溫型技術路線，其原理為將水基電解質變成無機酸基電解質，該類電池運行溫度可以高達200℃，對氫氣的純度要求較低，但有能量密度較低的弊端。

1.2.甲醇燃料電池（DMFC）：運行溫度適中，主要應用于消費電子

DMFC是相對較新的技術，由美國NASA和噴氣式推進實驗室在90年代發(fā)現(xiàn)。與PEMFC電池一樣需要使用聚合物膜（如全氟磺酸）作為電解質，不同點為其采用鉑-釕金催化劑，燃料可以是氫也可以是液態(tài)甲醇，因此被稱作直接甲醇燃料電池。

甲醇具有相對高的能量密度，很容易運輸和存儲?；谄溥\行溫度60-130℃特點，效率60%左右，直接甲醇燃料電池主要應用方向為電子產(chǎn)品、移動充電寶、物料搬運車等領域。

1.3.固體氧化物燃料電池（SOFC）：運行溫度高，主要應用于電站

SOFC采用固體陶瓷作為電解質（例如氧化鋯-氧化釔），運行溫度非常高，zui高運行溫度高達800-1000℃，對鉑催化劑依賴較小，可采用多種碳氫化合物燃料（甲烷、煤氣等）。其能量轉換效率超過60%，如果放出的熱量能夠被回收利用，轉化率則可高達80%。但受限于啟動時間長，很難應用于汽車領域。

固體燃料電池在大型、小型固定式熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電站中應用較多，例如Bloom的100kW離網(wǎng)發(fā)電站。此外，輸出功率W級的管狀固體燃料電池還成功應用在便攜式充電裝臵領域。

1.4.堿性燃料電池（AFC）：可用非貴金屬催化劑，主要應用于航天領域

AFC采用如氫氧化鉀、堿性聚合物之類的堿性電解質，要求高純度氫，運行溫度70℃左右。zui先被NASA應用在航天器上用于生產(chǎn)電能和水的電池，鮮被應用于商業(yè)領域。其優(yōu)點是可采用非貴金屬作為催化劑（鎳zui常見），轉換效率可高達60%。

1.5.熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）：運行溫度高，大型電站

MCFC采用附著在多孔陶瓷上的熔融碳酸鹽（包括碳酸鋰、碳酸鉀及碳酸鋰）作為電解質。運行溫度高達650℃，具備三大優(yōu)點：1）對貴金屬催化劑的依賴較低；2）比起低溫電池，可減少催化劑中毒概率；3）可以使用多種燃料（例如煤氣、甲烷等）；缺點是存在高溫腐蝕。目前，MCFC主要用在一些大型電站、熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP）、熱冷聯(lián)產(chǎn)（CCP），轉換效率高達60%，聯(lián)產(chǎn)效率高達80%以上。

1.6.磷酸燃料電池（PAFC）：上一代主流燃料電池技術

作為2001年之前的主流燃料電池都技術，PAFC采用磷酸或磷酸基電解質，能有效減少鉑催化劑（運行溫度180℃左右）中毒，但發(fā)電效率較低，當熱電聯(lián)產(chǎn)時效率可達80%。主要應用在功率100-400kW的固定式發(fā)電站中，也有少量應用在大型汽車中。

1.7.各類型電池出貨情況：受益交通應用拉動，PEMFC出現(xiàn)跨越式發(fā)展

2010-2015年，PEMFC、SOFC、MCFC三種類型電池占據(jù)了歷年總出貨量的90%以上，其中受交通運輸領域需求拉動，PEMFC在2015年出貨量出現(xiàn)了跨越式增長，同比增長高達147.04%；SOFC、MCFC在固定式電站或熱電聯(lián)產(chǎn)上應用較為成熟，年均復合增長率45.87%。

1.8.燃料電池市場空間有望達到3400億，PEMFC占多數(shù)

根據(jù)日本富士經(jīng)濟預測，至2025年，燃料電池市場有望達到5.2萬億日元（合約人民幣3400億元）。通過分析，我們發(fā)現(xiàn)2015年之前，燃料電池應用以產(chǎn)業(yè)和商業(yè)用途及家庭用途領域為主，但因燃料電池汽車商業(yè)化不斷落地的催化，下游市場已出現(xiàn)結構性變化。2011年燃料電池汽車市場僅為3億日元，未來隨著技術升級、加氫站等基礎設施的完善、政策支持力度加大，預計到2025年燃料電池汽車市場有望擴大到2.91萬億日元（合約人民幣1900億元），占整體市場一半以上，增長潛力巨大。

2.三大應用領域，交通領域潛力

通過上文分析，可發(fā)現(xiàn)燃料電池應用主要集中在電站（含熱電聯(lián)產(chǎn)）、交通運輸領域。事實上,早期燃料電池的應用主要集中在潛艇、航天等特殊領域，且技術已相對成熟。而在民用領域主要包括固定式領域、交通運輸領域和便攜式領域三大類，受益各國政策支持，汽車技術上取得較大突破，豐田、本田、現(xiàn)代等均推出了各自的量產(chǎn)燃料電池汽車，商業(yè)化進程正在加速。

從應用場景的市場結構來看，交通領域無疑潛力。2015年，燃料電池系統(tǒng)的出貨量為7萬多套（較2009年增長366%），但與大規(guī)模商業(yè)化仍存在一定差距。縱觀2010-2015年，燃料電池的出貨量：50%~60%集中在固定式領域，20%~30%用于便攜式領域。但在2015年燃料電池在交通運輸領域的出貨量幾乎翻倍。而從容量看，大功率燃料電池在交通運輸領域實現(xiàn)了快速上升，前景值得期待。

2.1.交通運輸領域：燃料汽車經(jīng)濟性凸顯，無人機大有可為

2.1.1.物料搬運車試水在先

以PEMFC為動力的叉車是當前燃料電池在交通應用內zui大的部門之一，國外已有大批量物流公司（如Fedex）正在使用燃料電池物流搬運車。

2.1.2.氫燃料電池汽車商業(yè)化黎明前夜

氫燃料電池車主要由燃料電池系統(tǒng)（包含反應堆、空氣壓縮機等）、儲氫裝臵、輔助電池、控制裝臵和驅動電機構成，續(xù)航力強、噪音低、*，適合我國人口密集城市的日常需求。根據(jù)巴黎峰會規(guī)則，我國到2030年GDP碳排放將較2005年下降60-65%。當前，我國城市空氣污染惡劣，行政手段治理壓力大、效率低，ZEV、碳稅等經(jīng)濟手段的預期推出將為燃料電池車加速發(fā)展奠定基礎。

Mirai推出加速產(chǎn)業(yè)拐點到來，公開掀起產(chǎn)業(yè)化浪潮

豐田2014年11月發(fā)布Mirai燃料電池汽車，其性能已經(jīng)與現(xiàn)有電動車*TeslaMoedls60車型媲美。2015年1月，豐田宣布在求范圍內開放耗時20多年、耗資上千億資金開發(fā)的5680項燃料電池技術，其中包括Mirai的1970項關鍵技術。從商業(yè)戰(zhàn)略的角度看，我們認為豐田此舉已經(jīng)昭示其技術已經(jīng)相當成熟，進入了技術優(yōu)化和商業(yè)生態(tài)構建的階段。

對比三種不同化石能源利用效率（內燃機為37%，燃料電池為45.7%，鋰電池為49.2%），我們發(fā)現(xiàn)鋰電池和燃料電池較傳統(tǒng)燃油汽車都具有較大優(yōu)勢。當前鋰電池車產(chǎn)業(yè)發(fā)展更為完善、積累的運行數(shù)據(jù)更多，但燃料電池車潛力巨大，兩種路線并重更符合我國的國情。同時燃料電池作為鋰電動車的增程手段不失為一種技術和商業(yè)上可行的過渡方案。

燃料電池車與鋰電池zui大不同在于驅動力來源，燃料電池車動力來源包含電池控制器、儲氫裝臵、電池堆、輔助蓄電池、燃料處理器、壓縮機和加濕器，而鋰電池車主要包含電池控制器、電池組、車載充電器，其他部件兩種車相似。

進一步對比燃料電池和鋰電池性能參數(shù)，可見燃料電池具有非常高的能量密度（決定續(xù)航能力的因素），在其核心部件成本有望進一步下降大背景下，燃料電池的應用有大幅提升空間。但鋰電池配套設施已經(jīng)開始大規(guī)模興建，并形成了一定的產(chǎn)業(yè)規(guī)模，同時燃料電池汽車也需要二次電池（包括鋰電池）作為輔助電源，鋰電池仍將作為我國未來電動汽車主導產(chǎn)業(yè)之一。

2.1.3.成熟技術可保障燃料電池車安全運行

目前，世界上已有豐田MIrai、本田Clarity等氫燃料電池車實現(xiàn)量產(chǎn)，人們對于氫燃料電池車的安全性普遍存在顧慮，但以豐田為代表的汽車制造廠商已經(jīng)有周全的安全方案。

2.1.4.政策助力燃料電池加速發(fā)展

政策歷來是國家推動新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指揮棒。我國政府對燃料電池汽車的發(fā)展規(guī)早在2001年就已經(jīng)啟動，2001年的“863計劃——電動汽車重大專項”項目，確定了“三縱三橫”戰(zhàn)略，其中“三縱”即包括純電動、混合電動、燃料電池汽車。到2015年，《中國制造2025》規(guī)劃綱要出臺，提出了燃料電池汽車的三步發(fā)展戰(zhàn)略，zui終在2020年，達到生產(chǎn)1000輛燃料電池汽車并進行示范運行的目標。

技術方面，科技部的《“十三五”電動汽車規(guī)劃》給出了指引，未來幾年需要攻克薄金屬雙極板表面改性技術、車用燃料電池耐久性技術、推進加氫站建設和燃料電池汽車示范運行等多項工作，關鍵基礎器件、燃料電池系統(tǒng)、基礎設施與示范三個方面需繼續(xù)加大研發(fā)和投入力度。為了達到上述規(guī)劃目標并攻克技術難題，中央自2009年起對燃料電池汽車持續(xù)地給予財政補貼和稅收減免，近幾年的財政補貼積極促進燃料電池汽車的市場化導入。

根據(jù)中央的補貼標準，2013-2015年，燃料電池乘用車的補貼標準逐年遞減5%，從2013年20萬元降低到2015年的18萬元，但根據(jù)《關于2016-2020年新能源汽車推廣應用財政支持政策的通知》，2016-2020年又重新恢復到20萬元，而純電動和插電混合乘用車的補貼逐漸退坡。除此之外，還給予燃料電池商用車中型30萬、重型50萬的補貼。

2.1.5.經(jīng)濟性在公交車和物流搬運車側逐步凸顯

私家車使用者需要培育消費心理、汽車使用習慣不統(tǒng)一、利用率低、受利己驅動明顯，短期內氫燃料電池車難以大規(guī)模推廣。而公交車在國家減排政策和財政支持共同推動下段，具有經(jīng)濟性。我們以一種燃料電池增程的中型物流車做分析：采用30kW+30kWh增程配臵，燃料電池系統(tǒng)約44萬+鋰電池系統(tǒng)約3.6萬+常規(guī)部件8萬=55.6萬。國補30萬，不算地方補貼成本為25.6萬，若考慮地方補助，經(jīng)濟性更佳。此外，在國外物流搬運車領域應用已經(jīng)非常成熟，我們認為，燃料電池汽車行業(yè)大規(guī)模商業(yè)化會在公交車和物流搬運車細分行業(yè)優(yōu)先展開。

2.1.6.無人機行業(yè)需求迫切

無人機廣泛應用于航拍、巡檢、軍事等領域，發(fā)展如火如荼，無人機領域大疆創(chuàng)新銷售收入更是呈現(xiàn)跨越式增長。但電池的續(xù)航能力一直限制著無人機功能發(fā)揮，而燃料電池技術有望*改變這一現(xiàn)狀，使無人機產(chǎn)業(yè)進入一個全新的發(fā)展階段。

2.2.固定式領域：應用zui為成熟，多用于分布式電站和備用電源

污染重、能效低一直是困擾火力發(fā)電的核心問題，燃料電池不僅具有*、率優(yōu)勢，更是在外部環(huán)境劇烈變化的條件下，可以長時間連續(xù)工作，可靠性更高，受到國內外的普遍重視。燃料電池在該領域已有不少商業(yè)化應用，目前主要在分布式電源和備用電源兩大領域，廣泛應用于IDC、醫(yī)院等重要部門。

2.2.1.固定式分散電站：能量利用效率高

燃料電池電站不同于燃料電池汽車，沒有頻繁啟動的問題，一般采用以下4種電池技術：磷酸燃料電池PAFC、質子交換膜燃料電池PEMFC、固體氧化物燃料電池SOFC、熔融碳酸鹽燃料電池MCFC。

2.2.2.備用電源：可靠性高

將燃料電池作為備用電源，在電信、銀行、醫(yī)院等行業(yè)zui為普遍，作為燃料電池的大生產(chǎn)商，BallardPowerSystems在2012年就生產(chǎn)了近400個ElectraGen備用電源系統(tǒng)。

2.3.便攜式領域：尚未起飛

在三種主要的領域中，便攜式領域的發(fā)展幾乎處于停滯狀態(tài)，便攜式產(chǎn)品面臨的環(huán)境較為簡單，對電池安全性的要求較低，卻對續(xù)航能力有很高要求，燃料電池恰恰符合這一領域的應用標準，雖然目前已有許多公司陸續(xù)推出氫燃料電池手機，但燃料電池在該領域一直未有實質性突破。

3.zui有發(fā)展前景的燃料電池——PEMFC產(chǎn)業(yè)鏈全梳理PEMFC產(chǎn)業(yè)鏈分為制氫、氫的運輸分配、氫存儲、燃料電池系統(tǒng)四個環(huán)節(jié)，我們根據(jù)四個環(huán)節(jié)梳理出上游、中游、下游產(chǎn)業(yè)鏈的成本下降路徑和技術革新，深入的了解PEMFC發(fā)展情況。

3.1.氫的生產(chǎn)：天然氣重整制氫成本媲美燃油，廢氫利用進一步降低使用成本

氫可以用多種技術生產(chǎn)，包括用化石能源、核能和可再生能源重整化石燃料、電解水、生物質、高溫分解等。天然氣制氫成本已經(jīng)媲美汽油成本，根據(jù)美國能源部測算，到2020年將新技術制氫（不包含重整法），加注站售價4美元/gge，相當于汽油價1.057美元/L。

3.1.1.分布式制氫

分布式制氫不需要大量的運輸設備或投資大型制氫工廠，是目前zui可行的方法。當前主要的制氫技術有兩種：

（1）重整天然氣或者液態(tài)燃料（乙醇等）；

（2）小規(guī)模的電解水法。

蒸汽重整甲烷制氫是現(xiàn)今在成本上能與汽油媲美的技術。使用可再生能源，高溫和生物液體重整是兩種能大幅減少溫室氣體排放的技術，其中生物液體重整技術可廣泛應用于分布式、集中式生產(chǎn)氫。使用風電、水電、太陽能等可再生能源電解水是*制氫技術。當前制氫設備、運維成本和電費成本制約該技術的大規(guī)模應用，技術上仍然有待進一步開發(fā)空間，電費價格降低到當前電價的一半時，該種方法具有經(jīng)濟性。

3.1.2.集中式制氫

長期來看，大型工廠化制氫可以充分利用規(guī)模經(jīng)濟優(yōu)勢滿足日益增長的氫燃料需求，集中制氫的能源主要有化石能源、核能和可再生能源。隨著的水裂解化學工藝和材料發(fā)展，采用集中式太陽能高溫熱化學制氫將成為一種潛在可能技術方案。

我們認為我國具有巨大的人力資源和市場容量，非重整法規(guī)模效應顯著，參照風電、光伏、鋰電池等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展軌跡，一旦引入國內成本有30%左右下降空間。此外，我國每年大約有10億立方米的廢氫被排放掉，能產(chǎn)生電能約130億度電，若能利用到燃料電池車中，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟價值和環(huán)保價值。

3.2.氫氣的提純：碳氫膜技術替代現(xiàn)有成本高昂的冷卻技術

當前的氫提純技術主要采用冷卻分離技術，成本較高，限制了氫利用的商業(yè)化。美國正在開發(fā)一種碳氫膜分離系統(tǒng)，可以應用在大規(guī)模煤制氣聯(lián)合系統(tǒng)中用于分離氫氣和二氧化碳，可替代成本高昂的冷卻技術。

3.3.氫的儲運和加注：國外已有成熟技術應用

常見的運輸方式有液化汽車運輸、高壓氣體汽車運輸和管道運輸（方法一、二、三），目前各國正在研發(fā)氫載體方式運輸氫（方法四），我國的富瑞特裝已經(jīng)在有機物儲氫技術上取得階段性成果。同時，采用各種基本運輸方式的組合運輸形式。氫的加注和天然氣加注方式比較相似，氣態(tài)氫直接加注，液態(tài)氫經(jīng)過氣化后在進行加注。

氫的存儲技要求、安全、便捷、低成本，主要技術指標有容量、加注便捷性、耐久性。物理存儲氫（壓縮氣體、低溫液體容器）技術是當前zui成熟的存儲技術。未來能夠夠使汽車商業(yè)化，主要集中在規(guī)模效應和新技術降低碳纖維成本之上。另外在研雙向可逆的金屬氫化物存儲技術也在研發(fā)之中。

3.4.燃料電池系統(tǒng)：規(guī)?；?、新技術降本路線清晰

燃料電池系統(tǒng)是燃料電動車的核心，一般由電池堆、燃料處理器、空氣壓縮機和組成增濕器（豐田已經(jīng)省去）組成。根據(jù)美國能源部測算，2016年在年產(chǎn)2萬臺規(guī)模下成本大約280美元/kW，到2020年PEMFC效率會達到65%，鉑金屬用量由0.16降低到0.125g/kW，雙極板成本從7美元/kW降低到3美元/kW，50萬臺批量成產(chǎn)成本40美元/kW（zui終目標實現(xiàn)30美元/kW），國內當前成本1-1.5萬/kW。

4.投資建議

國外技術的不斷突破，讓我們看到了氫燃料電池成本下降路徑。重整法制氫成本已可媲美燃油（約合1.25美元/kg）、電池系統(tǒng)成本2015年約53美元/kW，2020年有望下降至40美元/kW，同時我國廢氫的利用將使使用成本進一步降低。政策方面，我國給予乘用車/中型/大型車補貼20/30/50萬/臺的強力支持，落實到具體訂單上，福田汽車斬獲北京有車租賃100輛歐輝氫燃料電池電動客車的訂單。

綜上所述，燃料電池在交通領域（汽車、無人機）的市場導入已經(jīng)開始，未來幾年有望逐步放量，未來或許成為主流動力汽車能源之一，也許是二十年也許是五十年，但總歸比之今天的鋰電或許更具備典型意義。