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1.燃料电池概述 燃料电池是一种电化学反应装置，直接将化学能转化为电能。燃料电池同样有正负极和电解质，只需要将负极注入燃料，正极输送空气或氧气，便可产生稳定的电流。与传统发电方式相比，燃料电池不受卡诺循环限制，因此能量转换效率高，而且具备零排放、无污染、噪声低、安装灵活等优点。燃料电池的主要应用领域包括交通运输、固定发电站，其中在交通运输领域燃料电池汽车被视为新能源汽车的终极绿色解决方案。 氢燃料电池，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，是质子交换膜燃料电池。 氢燃料电池与普通电池的最大的区别在于没有电池容量的问题：普通电池是将活性物质贮存在电池内正负极，电池容量决定于活性物质可释放的化学能，因此容量有限；而燃料电池本身不包含活性物质，电极只是催化元件，通过不断的在正极输入空气或氧气，负极输入燃料就可以产生源源不断的稳定电流。该化学反应原理可以看做电解水的逆过程，反应方程如下： （氢燃料电池化学反应过程） 氢燃料电池工作原理即：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到达阴极板，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，与氧原子和氢离子重新结合为水。 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，能量转换效率更高，且其燃料氢气来源广泛，可再生。因此氢燃料电池是目前发展最好的燃料电池。 氢燃料电池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。 从细分环节来看，氢燃料电池的核心是氢能，氢能产业链三大环节，每个环节都有很高的技术壁垒和技术难点，目前上游的电解水制氢技术、中游的化学储氢技术和下游的燃料电池在车辆和分布式发电中的应用被广泛看好。 图表1 氢产业链 资料来源：一览众咨询 氢能的上游是氢气的制备，主要技术方式有传统能源的化石原料制氢、化工原料制氢、工业尾气制氢、电解水制氢、新型制氢技术；中游是氢气的储运环节，主要技术方式包括高压气态、低温液态、固体材料储氢和有机液态储运；下游是氢气的应用，氢气应用可以渗透到能源的各个方面，除了传统石化工业应用如合成氨、石油与煤炭深加工外，在新能源应用方面包括加氢站、燃料电池下游各种应用。 （氢能产业链各环节市场及企业分析详见一览众咨询撰写的《2018-2025年氢燃料电池产业链市场调研及投资前景报告》） 燃料电池（Fuel Cell）是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。它从外表上看有正负极和电解质等，像一个蓄电池，但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”，所以一个完整运作的氢能源汽车燃料电池动力系统由两个核心部分组成，提供能量的燃料电池堆，以及支持燃料电池堆的运作的辅助子系统。 本文讨论的质子交换膜燃料电池（PEMFC）堆的主要组成部分包括：膜电极组件、双极板、密封件和紧固件，其中膜电极又可以分为催化剂、膜材料和扩散层。 产业链的核心在于中游的燃料电池系统，系统的组成必定要对应下游的应用，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、催化剂和双极板构成，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。 总体来看，燃料电池系统的产业链主要由上游原材料商、中游组装商和应用方三部分构成。全球众多公司在开展相关业务，其中美国、日本、欧洲和加拿大实力比较强。 图表2 全球燃料电池供应商 资料来源：一览众咨询整理 辅助系统辅助子系统中最主要的就是供氢和供氧系统，包括空压机、增湿器、氢气循环泵、高压储氢罐等组件，另外还有水热管理子系统及监控子系统等。 图表3 氢燃料电池动力系统部件 资料来源：一览众咨询 燃料电池堆的基本结构主要由质子交换膜、催化剂层、扩散层、集流板（又称双极板）组成。聚合物电解质膜被碳基催化剂所覆盖，催化剂直接与扩散层和电解质两者接触以求达到最大的相互作用面。催化剂构成电极，在其之上直接为扩散层。电解质、催化剂层和气体扩散层的组合被称为膜片-电极组件。 从成本构成来看，双极板和电催化剂在燃料电池堆中的成本占比分别为23%和36%，膜电极的成本占比为16%，技术壁垒最高的组件质子交换膜的成本占比为12%。 图表4 氢燃料电池堆构成 资料来源：一览众咨询 |
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