燃料电池氢能加氢站行业分析报告Word下载.docx

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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。

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。

一、燃料电池介绍

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。

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：

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。

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）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。

（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。

（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。

（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。

（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。

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，导致成本较高；

2）对温度和含水量要求高，Nafion系列膜的最佳工作温度为70～90℃，超过此温度会使其含水量急剧降低，导电性迅速下降，阻碍了通过适当提高工作温度来提高电极反应速度和克服催化剂中毒的难题；

3）某些碳氢化合物，如甲醇等，渗透率较高，不适合用作直接甲醇燃料电池（DMFC）的质子交换膜。

目前就技术而言，千瓦级的PEMFC技术已基本成熟，阻碍其大规模商业化的主要原因是燃料电池的价格问题，影响成本的两大因素材料价格昂贵及组装工艺没有突破，例如使用贵金属铂作为催化剂，昂贵的质子交换膜及石墨双极板加工成本等。

导致PEMFC成本约为汽油、柴油发动机成本（50$/kW）的10~20倍。

PEMFC要作为商品进入市场，必须大幅度降低成本，这依赖于燃料电池关键材料价格的降低和性能的进一步提高。

磷酸电解质燃料电池（PAFC），这种电池使用液体磷酸为电解质，通常位于碳化硅基质隔板中。

电解质其常温下是固体，相变温度是42℃，磷酸燃料电池的工作温度位于160-220℃左右，需要电极上的白金（Pt）催化剂来加速反应。

由于其工作温度较高，所以其阴极上的反应速度要比质子交换膜燃料电池的阴极的速度快。

较高的工作温度也使其对杂质的耐受性较强，反应物中含有1-2%的一氧化碳和百万分之几的硫时，依然可以工作。

且不受二氧化碳影响，可以直接使用空气作为氧化剂。

但其也有着明显的不足，效率较其他类型燃料电池低约为40%，而且加热的时间较质子交换膜燃料电池长。

磷酸燃料电池也拥有许多优点，例如构造简单，稳定，电解质挥发度低等，可用作公共汽车的动力。

但是这种电池似乎将来也不会用于私人车辆。

一般来说，磷酸燃料电池适合运用于固定的应用场所，分布式发电。

例如为医院，学校和小型电站提供动力为0.2-20MW的发电装置。

熔融碳酸盐燃料电池（MCFC），由多孔陶瓷阴极、多孔陶瓷电解质隔膜、多孔金属阳极、金属极板构成的燃料电池，其电解质是熔融态碳酸盐，工作温度为600-700℃，一般为碱金属Li、K、Na、Cs的碳酸盐混合物，隔膜材料是LiAiO2，正极和负极分别为添加锂的氧化镍和多孔镍。

主要应用于分布式发电以及电力公司发电厂。

4、燃料电池技术发展一波三折

总体来看，燃料电池技术发展经历了三个比较好的发展阶段，第一次是1973年能源危机的时候，OPEC组织对石油限产，造成各国开始对各种能源形式特别是交通领域供给进行统一考虑，当时处于技术研发阶段；

第二次是2000年左右，成立了很多燃料电池相关公司，但由于石油价格从150美元/桶降到50美元/桶，最终没有发展起来；

第三次是现在，随着2018年丰田Mirai的销量大幅增长，燃料电池汽车完成了从实验室阶段到产业化初期，与此同时，各国政府特别是中国分别出台鼓励氢能及燃料电池发展的政策和规划，也促进了燃料电池发展热情。

质子交换膜燃料电池在交通领域的应用是目前燃料电池最主要的应用场景，考虑到不同燃料电池技术路线适合不同的应用场景，PEMFC装机套数最多，SOFC近三年增长迅速。

从使用场景来看，交通领域和电站占比最大，便携式领域几乎可以忽略不计。

特别是交通领域，16/17/18年分别为307.2/435.7/562.6MW,三年复合增长率为70.5%。

由此可见，不管从装机套数还是装机量，PEMFC技术路线和交通领域的应用是燃料电池主要应用场景。

二、燃料电池目前处于产业化初期，PEMFC是主流技术路线

1、质子交换膜燃料电池是交通领域主流技术路线

质子交换膜燃料电池（PEMFC）汽车占所有燃料电池汽车比例为90%，是交通领域采用最多的技术路线，其系统组成如下：

PEMFC的基本组成为电极（阴极和阳极），多孔质气体扩散层、质子交换膜和催化层。

其中，气体扩散层、质子交换膜和催化层为一个类似于“三明治”的整体，称为膜电极三合一组件。

燃料电池的最外层是由改性不锈钢或者纯石墨制成的双极板；

次外层为聚四氟乙烯或橡胶密封垫片；

接着是集电流网，为经憎水化处理的纤细钛网或镍网；

中间为膜电极三合一组件（MEA），是PEMFC的心脏。

燃料电池汽车产业链包括上游的包括铂矿，石墨，树脂，碳纤维在内的原材料，中游的燃料电池系统和下游的整车，同时还有氢燃料制取与配套。

根据燃料电池产业链，相关公司梳理如下：

2、燃料电池目前处于产业化初期，政策为主要驱动力

近年来国内外燃料电池技术不断取得突破，除部分一直做燃料电池相关产品的企业外，如亿华通、新源动力等，传统车企产业链和传统能源产业链上的企业亦开始关注燃料电池的发展，共同推动燃料电池商业化进程。

截止到2018年底，全国超过13个城市陆续开展了燃料电池汽车示范推广工作，包括：

广东云浮、佛山、成都、上海、北京、张家口、辽宁新宾、武汉、郑州、江苏如皋、盐城、苏州、大同等城市。

示范运行以来，陆续发现了很多问题，以蜀都客车在成都郫都区的示范来看，截至目前，单车最长运营里程已超4万公里，累计运营里程已超28万公里，平均氢耗为3.4kg/百公里。

累计出现故障100余次。

主要有6类故障，为氢燃料电池汽车的应用推广积累了经验，形成了一套科学的维保规范，促进了管理体系的优化提升。

与此同时积累了大量的数据，为产品的开发、设计、优化及质量控制等提供了支撑。

随着示范运行的不断改善，燃料电池汽车技术将不断迭代，带给消费者的体验越来越好，产销量也将逐年攀升。

从政策的角度来看，中央政府对氢燃料电池的支持政策主要分为两大类：

一类为在汽车政策、能源政策中均会提及燃