1.燃料電池概述

燃料電池是一種電化學(xué)反應(yīng)裝置，直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。燃料電池同樣有正負(fù)極和電解質(zhì)，只需要將負(fù)極注入燃料，正極輸送空氣或氧氣，便可產(chǎn)生穩(wěn)定的電流。與傳統(tǒng)發(fā)電方式相比，燃料電池不受卡諾循環(huán)限制，因此能量轉(zhuǎn)換效率高，而且具備零排放、無污染、噪聲低、安裝靈活等優(yōu)點(diǎn)。燃料電池的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括交通運(yùn)輸、固定發(fā)電站，其中在交通運(yùn)輸領(lǐng)域燃料電池汽車被視為新能源汽車的終極綠色解決方案。

氫燃料電池，即使用氫氣作為燃料，利用電解水的逆反應(yīng)產(chǎn)電的一種燃料電池，是質(zhì)子交換膜燃料電池。

氫燃料電池與普通電池的最大的區(qū)別在于沒有電池容量的問題：普通電池是將活性物質(zhì)貯存在電池內(nèi)正負(fù)極，電池容量決定于活性物質(zhì)可釋放的化學(xué)能，因此容量有限；而燃料電池本身不包含活性物質(zhì)，電極只是催化元件，通過不斷的在正極輸入空氣或氧氣，負(fù)極輸入燃料就可以產(chǎn)生源源不斷的穩(wěn)定電流。該化學(xué)反應(yīng)原理可以看做電解水的逆過程，反應(yīng)方程如下：

（氫燃料電池化學(xué)反應(yīng)過程）

氫燃料電池工作原理即：將氫氣送到電池的陽極板，通過催化劑的作用，氫原子變成一個正電荷的氫離子和一個負(fù)電荷的電子，其中氫離子通過電解質(zhì)到達(dá)陰極板，而電子不能通過電解質(zhì)，而只能通過外部電路形成電流。電子到達(dá)陰極板后，與氧原子和氫離子重新結(jié)合為水。

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應(yīng)氫氣并及時把水帶走，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(zhuǎn)換效率更高，且其燃料氫氣來源廣泛，可再生。因此氫燃料電池是目前發(fā)展最好的燃料電池。

氫燃料電池上游主要是氫氣供應(yīng)以及電池零組件。氫氣供應(yīng)部分主要是為燃料氫氣而準(zhǔn)備的，主要流程包括氫氣生產(chǎn)、輸送和充氣機(jī)。而電池零組件部分則主要生產(chǎn)燃料電池組、氫氣存儲設(shè)備和配件。中游則是將上述組裝，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(gòu)成都依據(jù)其不同的應(yīng)用領(lǐng)域而有所不同。

從細(xì)分環(huán)節(jié)來看，氫燃料電池的核心是氫能，氫能產(chǎn)業(yè)鏈三大環(huán)節(jié)，每個環(huán)節(jié)都有很高的技術(shù)壁壘和技術(shù)難點(diǎn)，目前上游的電解水制氫技術(shù)、中游的化學(xué)儲氫技術(shù)和下游的燃料電池在車輛和分布式發(fā)電中的應(yīng)用被廣泛看好。

圖表1  氫產(chǎn)業(yè)鏈

資料來源：一覽眾咨詢

氫能的上游是氫氣的制備，主要技術(shù)方式有傳統(tǒng)能源的化石原料制氫、化工原料制氫、工業(yè)尾氣制氫、電解水制氫、新型制氫技術(shù)；中游是氫氣的儲運(yùn)環(huán)節(jié)，主要技術(shù)方式包括高壓氣態(tài)、低溫液態(tài)、固體材料儲氫和有機(jī)液態(tài)儲運(yùn)；下游是氫氣的應(yīng)用，氫氣應(yīng)用可以滲透到能源的各個方面，除了傳統(tǒng)石化工業(yè)應(yīng)用如合成氨、石油與煤炭深加工外，在新能源應(yīng)用方面包括加氫站、燃料電池下游各種應(yīng)用。

（氫能產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)市場及企業(yè)分析詳見一覽眾咨詢撰寫的《2018-2025年氫燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)袌稣{(diào)研及投資前景報(bào)告》）

燃料電池（Fuel Cell）是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。它從外表上看有正負(fù)極和電解質(zhì)等，像一個蓄電池，但實(shí)質(zhì)上它不能“儲電”而是一個“發(fā)電廠”，所以一個完整運(yùn)作的氫能源汽車燃料電池動力系統(tǒng)由兩個核心部分組成，提供能量的燃料電池堆，以及支持燃料電池堆的運(yùn)作的輔助子系統(tǒng)。

本文討論的質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）堆的主要組成部分包括：膜電極組件、雙極板、密封件和緊固件，其中膜電極又可以分為催化劑、膜材料和擴(kuò)散層。

產(chǎn)業(yè)鏈的核心在于中游的燃料電池系統(tǒng)，系統(tǒng)的組成必定要對應(yīng)下游的應(yīng)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(zhì)、催化劑和雙極板構(gòu)成，在這三者中，催化劑的有無對燃料電池成本的影響最為巨大。

總體來看，燃料電池系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)鏈主要由上游原材料商、中游組裝商和應(yīng)用方三部分構(gòu)成。全球眾多公司在開展相關(guān)業(yè)務(wù)，其中美國、日本、歐洲和加拿大實(shí)力比較強(qiáng)。

圖表2  全球燃料電池供應(yīng)商

資料來源：一覽眾咨詢整理

輔助系統(tǒng)輔助子系統(tǒng)中最主要的就是供氫和供氧系統(tǒng)，包括空壓機(jī)、增濕器、氫氣循環(huán)泵、高壓儲氫罐等組件，另外還有水熱管理子系統(tǒng)及監(jiān)控子系統(tǒng)等。

圖表3  氫燃料電池動力系統(tǒng)部件

資料來源：一覽眾咨詢

燃料電池堆的基本結(jié)構(gòu)主要由質(zhì)子交換膜、催化劑層、擴(kuò)散層、集流板（又稱雙極板）組成。聚合物電解質(zhì)膜被碳基催化劑所覆蓋，催化劑直接與擴(kuò)散層和電解質(zhì)兩者接觸以求達(dá)到最大的相互作用面。催化劑構(gòu)成電極，在其之上直接為擴(kuò)散層。電解質(zhì)、催化劑層和氣體擴(kuò)散層的組合被稱為膜片-電極組件。

從成本構(gòu)成來看，雙極板和電催化劑在燃料電池堆中的成本占比分別為23%和36%，膜電極的成本占比為16%，技術(shù)壁壘最高的組件質(zhì)子交換膜的成本占比為12%。

圖表4  氫燃料電池堆構(gòu)成