燃料电池是将化学能通过电化学反应直接转换为电能的发电装置。燃料电池不经过燃烧过程直接以电化学反应方式将燃料（如氢气、天然气等和氧化剂）中的化学能直接转化为电能。燃料电池作为开放式系统，通过外部给予氧化剂及燃料可实现持续发电，其能量转化效率在40～60%，如果实现热电联供，燃料的总利用率可高达80%以上。
一、中国燃料电池行业概况分析
1、燃料电池主要由阳极、阴极、电解质和外部电路等四部分组成。电池的阴、阳两极兼具电子传导及催化剂的作用，燃料气由阳极通入，反应放出的电子经外电路传导到阴极，再与氧化气结合生成离子。离子在电场作用下,通过电解质迁移到阳极上,与燃料气反应,构成回路产生电流。在此过程中，燃料电池由于自身的电化学反应以及内阻,仅产生一定的热量，生成物主要是水，无任何有害气体排放，是真正的清洁环保电源。
燃料电池通过电化学方式取得能量
2、燃料电池虽受限于成本及体积等问题，但凭借转化效率高、环境友好、可连续工作等优异性能的优势在便携式领域、固定式领域和交通运输等领域的应用持续拓展，预计随着技术提升及成本的下行，应用将呈现高速发展。
从全球范围来看，美国能源署数据显示，2014年全球燃料电池出货量超过50000组，同比增长37%，销售金额达到22亿美元，同比增长了69.2%。其中便携式、固定式、交通运输领域的市场份额分别为31.1%、64.9%、4%，固定电源市场份额仍然最高。国内燃料电池应用市场重点集中在运输工具领域，占比为74%，其次是便携领域为16%，固定领域10%。
燃料电池应用领域广泛
便携式设备应用多是指在数码产品（相机、笔记本电脑，打印机，收音机）、教育工具和玩具等作为小型移动电源，以及辅助装置系统（APU）、无人机等领域。以甲醇燃料电池(DMFC)或质子交换膜（PEM）技术为主。固定式应用从UPS、小家用热电联产设备(CHP)、独立电源装置到MW级的并网发电站等，其中家用CHP的高效节能且产热水，在日韩等国应用增长迅速。基础发电设施应用是在中大型的发电站提供电力，美日等国在这方面的出货量近年来保持21%的增长。日本富士经济预计2025年家用燃料电池系统市场规模预估将达708亿元。
交通运输应用有望成为燃料电池爆发的主推力。燃料电池叉车在北美增长较为快速，燃料电池朝大功率发展，当前全球燃料电池电动车的保有量不足千辆，欧洲、美国、日本等国家政府正大力支持燃料电池车的产研发展，日本政府宣布计划2020年国内燃料电池保有量达到4万台，2030年之前达到80万台。英国预计2020年燃料电池车销量达到1万辆。
2008—2014年燃料电池出货量（单位：千件）
日本富士经济预测，2025年度全球燃料电池系统市场增至3281亿元的规模，燃料电池车用市场规模将暴增至1842亿元，行动装置用市场规模将达19.8亿元。
美国燃料电池车是交通运输应用领域的主要部分
国内各应用领域市场占比
3、新能源汽车应用的电池包括铅酸、锂电池、燃料电池等，主流趋势是配套动力锂电池，但锂离子电池存在的能量密度瓶颈注定其不可能是终极电源，业内专家预计磷酸铁锂、三元动力锂电池2020年的容量有望达到150Wh/Kg、200Wh/Kg，但后期容量提升的难度也随之增加。相比之下，燃料电池兼具高能量密度（氢燃料电池能量密度可达300~500wh/kg）、高功率密度，有望成为下一代配套应用。燃料电池凭借开放式系统，能量密度主要取决于储氢量，其能量密度提升的空间更大。燃料电池高倍率性能优异。丰田Mirai 的PEMFC系统的能量密度超过350Wh/Kg，而功率密度已经达到了2KW/Kg。动力锂电池虽然能承受一定程度的高倍率快速充电，但对电池的循环寿命形成永久伤害，且充电时长在30分钟以上，相比之下燃料电池车只需要3~5分钟即可完成加氢。
燃料电池性能比锂电池更优越，市场景气度高
燃料电池有质子交换膜燃料电池(PEMFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、碱性燃料电池(AFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)及熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)等类型，其中质子交换膜燃料电池最大优势在于其最佳工作温度60℃~100℃，是唯一的适合车辆的内置工作环境，低温启动快且便于小型化使其最有望替代内燃机成为汽车动力源的燃料电池。
4、日韩在燃料电池车领域的产研推进领先于其它国家，日本的新能源战略以燃料电池车为主，目标到2020年燃料电池汽车达到500万辆，到2030年要全面普及燃料电池汽车，丰田、本田、现代等车企都均已推出相关车型，提出燃料电池汽车商业化目标，，预计全球燃料电池新车型将于未来两年密集上市销售，燃料电池车商业化已开始逐步推动。
丰田在2014年底发布的首款燃料电池汽车Mirai，年产量2016 年扩大至约2000 辆，到2017 年将扩大至约3000 辆，计划2020 年该燃料电池车销量达到1 万辆。本田在2016年3月宣布开始对外出租Clarity燃料汽车，日产汽车公司宣布已经研发出使用生物乙醇作为能源供给的燃料电池车有望大幅延长续航里程。同时日本加速商业化配套，2015年已建设45座加氢站并投入使用。韩国率先进入千辆燃料电池汽车生产阶段。截止2015年，已推出了第3代燃料电池SUV和客车，现代的ix35燃料电池SUV生产近千辆，SUV采用100kW燃料电池、24kW锂离子电池和100kW电机，70MPa的氢瓶可以储5.6kg氢气，NEDC循环工况续驶里程588km。欧洲正在加快研发，英国Riversimple氢燃料汽车充满燃料之后可以连续行驶483公里，目前在路测，预计2018年上市。梅赛德斯推出的GLCF-Cell是全球范围内首款插电式燃料电池的车型，配置两个碳纤维储氢罐，可载氢燃料容量超过8公斤，最大续航里程有望突破500公里。
全球主要燃料电池汽车性能对比
Navigant Research预测到2021年，全球燃料电池汽车（包括巴士）销量将超过5万辆，到2024年全球燃料电池车大规模量产时，年销量将达到22.8万辆。预计总市场规模将达到456亿元。
2015—2024年燃料电池汽车（包括巴士）销量预估
5、根据U.S.DrivePartnership制定的“燃料电池技术路线图”中显示，目前系统的耐久性为2500h，以年产50万台计系统成本在49美元/kW，美国能源部目标是燃料电池系统的成本下降到30美元/kW，达到和内燃机成本同样的水平。日本NEDO数据显示，当功率密度为4kW/m2时，从生产5万辆到500万辆燃料电池汽车的规模效应下，成本将从167美元/kW下降到38美元/kW。综上我们认为燃料电池的成本在产业规模化下存较大的下降的空间。
燃料电池的目标状态
质子交换膜及催化剂是降低成本的关键。质子交换膜及铂金催化剂是发生电化学反应的关键成分，成本约7万元，占燃料电池系统成本15%以上，通过对质子交换膜、催化剂进行提升优化，配合规模化生产，燃料电池的成本存在大幅下降空间。
美国能源部的成本目标为30美元/kw
规模效应会降低电池成本
获取氢气的方法有：生物制氢、太阳能制氢、工业制氢。生物制氢是常温常压下利用微生物对有机废水，垃圾或者生物质进行酶反应制氢，具备发展前景但仍不成熟，但最常用的是工业制氢，工业制氢可分为：天然气蒸汽、轻油蒸汽制氢，焦炭和石油焦等煤制氢，甲醇或氨裂解制氢，水电解制氢。
工业制氢方法比较
2015年日本新增28座，是所有国家中新建数目最多的国家，其次是欧洲，新增19座，全球共新增54座加氢站，全球加氢站存量共有214座正在运营。全球各国计划2016年新增104座加氢站。目前建设加氢站的成本较高，建设加氢站的成本保守计预计为1200~1500万元，我国虽没有明确的规划，但对日产200kg以上的加氢站给予400万元的补贴。从规划远景来看，日本规划2025年达到800座加氢站，韩国规划2020年建设168座加氢站，德国规划2025年达到千座以上。
全球主要国家加氢站建设规划
二、中国燃料电池行业发展趋势预测
1、国家在十二五期间主要对锂电池为核心的电动车进行了大规模的扶持和推动，燃料电池目前的发展落后与日韩等国，十三五初期提升了对燃料电池的补贴，从补贴18万提升至20万~50万，并持续到2020年不进行退坡，相比锂电池电动车面临的20%的退坡，显示出发展燃料电池车的决心，在《中国制造2025》中明确了支持燃料电池汽车发展，推动自主品牌节能与新能源汽车与国际先进水平接轨的发展战略，提出三个发展阶段：第一是在关键材料零部件方面逐步实现国产化；第二是燃料电池和电堆整车性能逐步提升；第三方面是要实现2020年燃料电池车的运行规模扩大到1000 辆运行规模，到2025 年制氢、加氢等配套基础设施基本完善。
多项政策出台，支持燃料汽车发展
我国2016年新能源客车补贴标准
2、类似锂电池客车及物流车的发展路径，车型高补贴后具备经济性是支撑商业化放量的核心，我们以轻型燃料电池物流车为例，在不考虑加氢站的成本的情境下测算车辆使用成本，氢燃料电池车百公里消耗氢气约4kg，使用成本在150~200元之间浮动，随着制氢产业规模化的提升，氢气成本预计将大幅下降，燃料电池车经济性将凸显。补贴后购置的经济性对比：在动力系统匹配上，国外的燃料电池系统功率一般在100 kW～200 kW，而国内燃料电池客车大多匹配小功率的燃料电池系统（不高于50 kW），满足于城市工况及降成本。以增程式的轻型燃料电池物流车为例，通过配置燃料电池30kW和锂电池30kWh，假设国补地补1:1的情境下，测算燃料电池车补贴后的价格仅为15.4万，已比传统燃油车相比具备经济性，考虑到明年锂电池车20%的退坡，我们认为燃料电池物流车将呈初步放量的趋势。
国内外燃料电池城市客车燃料电池参数
扣除补贴，我国燃料电池物流车价格
3、燃料电池乘用车在3~5年仍处市场导入阶段。丰田燃料电池汽车Mirai在日本的售价为700万日元左右，补贴后的价格为35万元人民币，预计2020年有望下降40%以上，根据美国能源部对轿车燃料成本的估计，预计到2020年，在年生产量20万辆的条件下，燃料电池轿车成本将低于3万美元，达到市场推广的程度。
国内高补贴背景下，多数车企预计将率先试水中型以上的物流车、客车等。福田汽车2013年研发氢燃料电池电动物流车，2014年生产出5辆第二代12米氢燃料电池电动客车，逐步从科研示范项目走向产业化，目前已成立欧辉、欧马可氢燃料电池车生产基地，形成各环节的完整产业链，此次福田欧辉揽获100辆BJ6852型氢燃料电池电动客车订单，全球范围内首例大批量订单，后续有望带动及加快中国氢燃料电池电动客车产业化进程。宇通2016年也推出第三代燃料电池客车FCEVG2，氢燃料加注时间仅需10 分钟，测试工况下续航里程超过600 公里，成本实现了大幅下降。中车电动通过配套加拿大Loop Energy燃料电池公司的燃料电池技术开发出燃料电池核心驱动系统，出口至美国开发出燃料电池物流拖车。
福田欧辉燃料电池客车
燃料电池轿车成本将大幅下降
