氢燃料电池主题研究——“氢”本佳人待君识【会员专稿】
1、氢燃料电池概况1.1、燃料电池种类多样
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电池。燃料电池有多种类型，但是它们都有相同的工作模式。它们主要由三个相邻区段组成：阳极、电解质和阴极。两个化学反应发生在三个不同区段的接口之间。两种反应的净结果是燃料的消耗、水或二氧化碳的产生，和电流的产生，可以直接用于电力设备。燃料电池按燃料类型可分为直接型、间接型和再生型；按电解质种类又可分为碱性燃料电池（AFC）、磷酸盐型燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐型燃料电池（MCFC）、固体氧化物型燃料电池（SOFC）和质子交换膜燃料电池（PEMFC）。
20多年来，燃料电池经历了碱性、磷酸、熔融碳酸盐和固体氧化物等几种类型的发展阶段，燃料电池的研究和应用正以极快的速度在发展。在所有燃料电池中，碱性燃料电池（AFC）发展速度最快，主要为空间任务，包括航天飞机提供动力和饮用水；质子交换膜燃料电池（PEMFC）已广泛作为交通动力和小型电源装置来应用；磷酸燃料电池（PAFC）作为中型电源应用进入了商业化阶段，是民用燃料电池的首选；熔融碳酸盐型燃料电池（MCFC）也已完成工业试验阶段；起步较晚的固态氧化物燃料电池（SOFC）作为发电领域最有应用前景的燃料电池，是未来大规模清洁发电站的优选对象，100kW管式SOFC电站已经在荷兰运行，Siemens和三菱重工都进行了SOFC发电系统的试验研究。相比之下，SOFC、MCFC和PEMFC会是最有前景的技术路线。
1.2、氢燃料电池是目前发展最好的燃料电池
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，是目前发展最好的燃料电池。其工作原理即：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。
1.3、氢燃料电池三大核心优势
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。
1.3.1、零污染的环保战士
燃料电池属于清洁能源的一部分，由于其反应过程就是无污染的水反应，反应过程不会产生污染物，其主要污染物来自于燃料，可能存在氮氧化物等污染。相对于普通火力发电的空气污染以及传统电池的重金属污染而言，燃料电池对环境的污染程度远远降低。而氢燃料电池，其燃料为纯净无污染的氢气，相对其他燃料而言，废气中也不存在污染物。可以说，氢燃料电池就是一个能真正实现零污染的环保能源。
1.3.2、高效的能量转换效率
燃料电池的发电效率也处于较高水平。在各种发电方式中，传统火力发电效率在30%左右，远低于燃料电池平均的40%-60%效率。而在汽车领域的应用中，燃料电池的效率可达60%，也高于目前汽车普遍使用的内燃机效率。总体而言，燃料电池的能量转换效率在其类似替代能源中都处于较高水平。
1.3.3、易于获得的燃料——氢气
氢是宇宙中最常见的元素，氢及其同位素占到了太阳总质量的84%，宇宙质量的75%都是氢。氢分子在地球上不是以天然的气体存在，大部分氢结合氧存在水中，可以说水资源在一定程度上代表了氢能的储存量。
制氢的能源和燃料可以来自多种来源例如天然气、核能、太阳能、风力、生物燃料、煤矿、其他化石燃油、地热。目前氢气主要是作为一种中间产品而生产的。主要是由化石能源天然气（CH4）、原油（烃）或煤等原料，与水蒸汽在高下经蒸汽转化法、部分氧化法、煤气化法等工艺生成。
2、氢燃料电池产业链解析
氢燃料电池主要包括电池组件和燃料两个部分。因此其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。下游的应用板块则主要包括了固定、交通运输和便携式三个主要领域。
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。对于PEMFC来说，由于其使用昂贵的铂族金属作为催化剂，其价格一直居高不下，可以说，催化剂是燃料电池价格的决定性因素之一。另一个重要的决定因素这是电解质，不同技术类型的燃料电池堆电解质的要求不同，不同的电解质的价格也会有所不同，并最终对燃料电池价格产生影响。
3、固定领域引领燃料电池市场
3.1、氢能和燃料电池市场空间广阔
氢燃料电池早在20世纪60年代就因其体积小、容量大的特点而成功应用于航天领域。进入70年代后，随着技术的不断进步，氢燃料电池也逐步被运用于发电和汽车。现如今，伴随各类电子智能设备的崛起以及新能源汽车的风靡，氢燃料电池主要应用于三大领域：固定领域、运输领域、便携式领域。
2012年，全球燃料电池系统的出货量近3万台，同比增长约34%，相对2008年增长超过321%。而在其中，固定式燃料电池的增长最为显著，从2008年的2000台迅速上升至2012年的2.5万台。交运用燃料电池的发展则相对平稳，在未来其发展的主要看点集中在轻型燃料电池电动汽车数量的增加和物料搬运设备市场的大幅增长。在三个主要领域中，便携式领域的发展几乎处于停滞状态，即使目前已有许多公司陆续推出手机用氢燃料电池，但就整体而言，该类产品的商业化尚未得到实现，未来发展还需很长时间。日本富士经济公司针对产业和商业、家用、燃料电池车、叉车等驱动、便携和应急以及便携终端6个领域进行了调查，预测称到2025年，全球市场总计将达到51843亿日元，相当于2011年的74.2倍。
单就氢燃料电池产业来讲，根据工研院IEK的统计，2011年全球氢能与燃料电池市场规模为10.3亿美元，较2010年6.7亿美元成长54%。日本日经bp清洁技术研究所日前发布的《世界氢能源基础设施项目总览》显示，到2015年预计包括液化氢基地、管道、固定式燃料电池以及燃料电池车在内的全球氢能源基础设施市场规模只有7万亿日元左右，但在2015年以后，氢能源基础设施市场开始缓慢增长；而在2020年以后该市场会呈现加速增长态势，到2025年，氢能源基础设施家用市场的规模将超过商用。也正因为如此，在到2025年的5年内，该市场规模将实现倍增，预计达到约20万亿日元；到2050年将达到约160万亿日元（约合1.56万亿美元）。
3.2、固定领域持续增长
固定式燃料电池市场包括多种尺寸和类型，主要用于各种固定位置的电力供应，包括主要应用于发电站、楼宇、工程等领域的大型首要电源、备用电源或热电联产（CHP），用于家庭住宅和商业的微型热电联产（CHP），以及远程或基本应用例如电讯塔的首要或备用电源。固定式燃料电池主要包括MCPC、SOFC、PAFC和PEMFC。在美国市场，美国本土的Bloom Energy,Fuel Cell Energy，UTC Power和加拿大的Ballard PowerSystems是该领域的主要生产公司。随着各国政府对清洁能源的关注，固定式燃料电池近几年的出货量不断攀升，根据Pike Research的预测，到2022年固定式燃料电池的出货量将达到35万台，相对于目前的2.1万台有一个巨幅的提升。目前更多的行业在考虑使用燃料电池，希望在发生自然灾害时，燃料电池可以独立于电网发电。随着对电的复原力需求的增强，以及全球越来越快地采用分布式发电技术，和家庭式热电联产的逐步普及，未来10年，固定式燃料电池产业将处于有利的引领地位。
在固定式燃料电池的应用中，各地区略有差别。对亚太地区而言，辅助电源（Aux Power）是目前占比最大的应用，其他主要应用则是备用电源(Backup Power)和热电联产（CHP）。在北美地区，备用电源（Backup）、热电联产（CHP）和分布式发电（DG）是三类主要的应用领域。无论是在亚太地区还是在北美地区，随着家庭式热电联产的逐步普及，CHP的应用占比都将会逐步增大，并成为固定领域中的主要应用。分布式发电和备用电源则作为辅助应用，共同支撑固定领域发展。
3.2.1、发电成本逐渐降低
日常生活中使用的电能，主要来自其他形式能量的转换，包括水能（水力发电）、热能（火力发电）、原子能（核电）、风能（风力发电）、化学能（电池）及光能（光电池、太阳能电池等）等。
目前，燃料电池发电成本约在2.5~3元/度电左右，而中国各类传统发电方式的上网电价都在1元/度电以下，即使是最昂贵的太阳能发电，目前价格也是0.9元/度电左右，氢燃料电池的发电成本离此还有很远的距离。另外就发电站建造而言，传统发电方式如火力发电厂，其建造成本约在1300美元/千瓦发电能力。燃料电池发电站以北美固定式燃料电池价格为例，从2008年到2012年，三类电池的价格都有明显的下降，都处于1500~2000美元/千瓦之间，相对传统发电方式而言已不存在太大差异。随着氢燃料电池价格的迅速下降，氢燃料电池发电的成本也将逐渐降低，其在发电领域的竞争力也将逐渐增强。
3.2.2、氢燃料电池在中国仍是空白，在美国已有一席之地
氢能发电也是利用氢气和氧燃烧来产生电力，燃料电池就是氢能发电的一种重要方式，70年代以来，日美等国加紧研究各种燃料电池，现已进入商业性开发，日本已建立万千瓦级燃料电池发电站，美国有30多家厂商在开发燃料电池。德、英、法、荷、丹、意和奥地利等国也有20多家公司投入了燃料电池的研究，这种新型的发电方式已引起世界的关注。2012年，美国氢能发电占比为7.9%，比例次于火力发电、水力发电和核电，但高于风能发电。而中国的电力市场目前火力发电仍为绝对主力，氢能发电还没有占据一席之地。我国的氢燃料电池发电还处于技术研发和储备阶段，实验性的产品也在缓慢推出，但目前还没有应用于商业上的成功案例，我国的氢燃料电池发电领域还是一块未曾开拓的土壤。
3.2.3、三高优点促进氢燃料电池在固定式领域的应用
氢燃料电池的优点除了零排放、高效率和燃料易获得外，其在外部环境剧烈变化的条件下，可以长时间连续工作且具有更高的可靠性。与柴汽油发电机相比，氢燃料电池的噪声很小且不排放有害气体。此外，氢燃料电池还有运动部件少、维修工作量小，更有利于远程控制、减少实际的维修时间。具备高效率/高可靠性/高环保性的燃料电池在具有成本竞争力的情况下，已经在固定领域中进入了商业化应用，目前主要应用在热电联产、备用电源和分布式电源三个区域。
（1）CHP
热电联产，是指在同一电厂中将供热和发电联合在一起，简称CHP。热电联产将普通电厂本来废弃的热量加以利用，为工业和家庭提供廉价的取暖用热，这样可大大提高热效率。通常的火力发电，其效率约为30～35％。这意味着每产出1兆焦的电能，就有2兆焦的热量白白浪费掉。将这部分热量重新用来加热水，完全可以满足工厂附近区域的工厂和住宅区的取暖需要。热电联产的实现有很多种方式，常见的有蒸汽轮机、燃气轮机、燃料电池等等。而将燃料电池技术集成在热电联产中能够将多余热能回收用于住宅或者工厂，产生的热量可用于集中供暖或供应热水。相比其他方式的热电联产，燃料电池热电联产拥有更高的能量利用效率，且对环境没有污染，运作也更为安静。
（2）电信应用领先备用电源领域
燃料电池备用电源（Backup）系统主要由储氢单元、燃料电池系统、DC/DC变换器、蓄能单元、控制单元及人机接口构成。外部市电供应正常时，通信设备使用外部整流装置提供的直流电，同时为备用电源系统的蓄能单元进行浮充，系统处于待机状态；一旦外部市电断电或整流装置出现故障，燃料电池备用电源系统进入运行状态，蓄能单元将不间断地为通信设备供电，并由控制单元启动氢气供应和燃料电池系统。
将燃料电池作为备用电源，在电信行业的应用是为普遍，而其他例如遥感和管道阴级保护系统充电也正在逐步发展。作为燃料电池的大生产商，Ballard Power Systems在2012年就生产了近400个Electra Gen备用电源系统。
（3）分布式发电
分布式发电，通常是指发电功率在几千瓦至数百兆瓦的小型模块化、分散式、布置在用户附近的高效、可靠的发电单元。日益增长的电力需求已使现有的中心电站和输配电系统出现了过载现象。更为严重的是,近年来世界范围内的大电网故障以及战争造成的大面积停电事故使各国都开始认识到电力体制改革的重要性。而分布式发电技术能够帮助缓解电力供应的紧张局面,提高供电质量和可靠性,因此成为传统发电技术的重要补充。虽然分布式发电很难取代大型发电厂，但对偏远地区而言，其不失为一种发电的好方法。
分布式发电技术包括许多类型，这些技术以其各自的特点和发展状况分别占优不同的市场。燃料电池产生的废热方便实现热电联供,可以进一步提高系统的效率,而且它可以利用多种燃料,如天然气、汽油、甲醇、丙烷、垃圾填埋气以及生物能等,因此在一定程度上有助于缓解全球能源短缺的局面。另外,燃料电池可以方便地与电网连接,或者与现有的蓄电池、可再生发电技术相结合实现混合发电和储能系统。因此,燃料电池是一种具有巨大竞争力的分布式发电技术,如果可以实现成本目标,那么燃料电池技术必将在未来的分布式发电市场占有相当大的份额。
3.3、运输领域寻求突破
交通运输领域的燃料电池细分有广泛的应用，主要包括车辆，公交车，小型飞机，船只以及物料搬运设备等，使用的燃料电池类型仅仅是质子交换膜（PEMFC）。目前，交运领域实现商业化的主要是物料搬运设备领域，而全球几家大型汽车制造商仍在继续追求燃料电池轻型汽车的应用，并计划与2015-2017年实现商业化。北美的Plugpower和加拿大Ballard PowerSystems是该领域的主要厂商。
3.3.1、高效环保低成本的氢燃料电池叉车为运输领域的核心应用
叉车是工业搬运车辆，是指对成件托盘货物进行装卸、堆垛和短距离运输作业的各种轮式搬运车辆，是物料搬运设备的一种。目前，叉车是交通运输领域中实现商业化较为活跃的主要品种。其主要生产商为Plug power公司。
叉车上的动力来源主要是电池。较常用的为铅酸电池，而目前燃料电池正取代铅酸电池成为电动叉车的主要能量。在高流通量的配送中心和仓库环境中，与传统充电电池系统相比，零排放燃料电池叉车体现了经济、实用、环保。燃料电池叉车的优势在于：通过恒功率输出和充氢气时间短显著提高叉车的生产率。铅酸电池的性能有限，过长的充电时间导致其效率低下。与之相比，燃料电池由于燃料补给迅速，且具有更长的使用寿命而备受关注。提高生产效率的同时，燃料电池叉车还可以降低运营成本。例如，沃尔玛超市在加拿大阿尔伯塔省的冷藏配送中心部署了95辆燃料电池叉车。与传统的充电电池动力叉车相比，该项目在7年内将减少运行成本110万美元。沃尔玛现在已有超过500辆燃料电池叉车运行在包括冷冻设施在内的三个仓库中运行。其余使用Plug power公司的Gen Drive系统的客户包括：宝洁公司部署在四个站点的340个燃料电池叉车系统；思科部署在7个站点的超过600个系统；可口可乐公司部署在2个站点的96个系统。2008年时全美燃料电池叉车的总数才几百辆，而到2012年时在19个州近40个城市共拥有4000多辆，燃料电池叉车在美国开始迅猛发展。
燃料电池叉车市场的供应商主要有H2Logic,Hydrogenics,NuveraFuelCells,OorjaProtonics和Plug power。其中Plug power是最大的供应商，其市场份额约为80%。
使用燃料电池叉车的企业目前来看多为大公司，这部分是因为燃料电池叉车的售价高于普通叉车。就2012年的主要订购商来看，主要集中在世界500强企业，其中又以零售业为主。
作为燃料电池叉车大厂商的Plug power公司在2013年第四季度接受了来自沃尔玛、宝洁、宝马等公司的订单，订单量较以往有较大增幅，截止目前，Plug power公司已累计提供4500多套叉车系统，且随着2013年第四季度订单的爆发，燃料电池在叉车领域的应用还将进一步扩展。
3.3.2、燃料电池车离产业化仍有不小距离
（1）成本：发展的首要阻碍
燃料电池车目前普及度非常低，国外的燃料电池大巴目前售价在100万美元上下，而特斯拉的“贵族”电动车ModelS售价也才为73万人民币，两厢对比下，燃料电池车的价格实在高出许多。但目前丰田、上汽等集团都发布了燃料电池车生产宣告，预计将于2015年上市，丰田的目标定价在5万美元，而上汽的成本预计在50万人民币，若届时能达到目标价位，则燃料电池车发展可待。燃料电池车成本中2/3是燃料电池系统的花费，目前燃料电池系统的成本下降速度很快，也还存在下降空间。全球领先的燃料电池技术公司~巴拉德动力系统也已开发出第7代燃料电池电堆HD7，该电堆的成本比上一代的HD6要减少75%。
燃料电池车使用的是质子交换膜电池。在PEMFC中，贵重金属催化剂铂的使用剂量在逐步降低，再加上电解槽等成本的降低，使得PEMFC的成本不断降低。根据美国能源部数据，2012年交通运输用燃料电池的成本为47美元/千瓦，相比2002年的估计成本下降了82.9%，且在逐年的下降中，成本价已接近美国能源部设定的2017年的目标价30美元/千瓦。根据英国碳信托咨询公司的报告，若燃料电池汽车需要规模化生产，其成本需达到36美元/千瓦才能与内燃机汽车竞争。而根据目前PEMFC成本的下降趋势以及目前的技术进步，该目标价位即有可能在2017年之前达成，届时燃料电池汽车就可以批量化生产。
（2）加氢站：需要时间积累的必备配套任务
加氢站建设难也是制约燃料电池汽车发展的另一大因素。和建设锂电池电动车所需的充电桩不一样，建设加氢站的可操作性难度非常高，除了需要较大的空间外，还要做环评、安评等一系列工作。全球加氢设施的发展主要集中在三大区域：北美、欧洲和日本，整个加氢站建设的密度将与燃料电池汽车的市场导入量相匹配。目前而言，中国仅有一个加氢站，加氢站不仅远远低于美国数量，也远远低于临近的韩国和日本，可以说国内在加氢站建设上还有很长的路要走。
预计到2014年，美国西海岸和东海岸的加氢站将分别达到37个，到2015年西海岸计划新建68个，东海岸到2020年则要建成100个。欧洲地区以德国、法国为核心，德国的目标是到2020年要实现加氢站境内全覆盖。日本则要在2015年将加氢站数目扩大到100个，东京、大阪等四个人口比较集中的城市里加氢站要实现全覆盖。发达地区加氢站的建设与其燃料电池车的发展相匹配，在这些地区，燃料电池车在2015年左右实现将不再是幻想。
（3）氢燃料电池VS锂电池：谁是赢家？
锂电池是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池，使用以下反应：Li+MnO2=LiMnO2,该反应为氧化还原反应，放电。由于锂金属的化学特性非常活泼，使得锂金属的加工、保存、使用，对环境要求非常高。锂电池的历史可以追溯到70年代，是目前应用最广泛的电池，特斯拉电动车使用的就是锂电池。
锂电池和燃料电池相比较，锂电池的优势在于更安全、成本更低；而燃料电池的优势则在于充电时间更短、能量密度更高。从目前的技术看，氢燃料电池需要新建一个产业链来支撑，这需要很长的时间和大量的投资。而锂电池从发明以来，随着技术的进步和产业化的扩充，每年都有小幅度的降价和容量提升。日本在2005年就开发出来了性能比特斯拉Model S更优异的Eliica，但是当时锂电池的高昂价格注定这个产品只是试验品。而目前特斯拉电动车火爆全球，比亚迪正在开发性能不逊色于特斯拉Model S的E9，宝马混合动力的i3、i8都要上市，保时捷918也已经预订。这都说明2013年锂电池的价格已经降低到一个可以接受的范围。未来几年，随着锂电池价格的进一步下降和容量的进一步提升，电动车的普及度有望进一步提升。总而言之，短期来看锂电池主导的电动车会是主要方向，氢燃料电池则需要长期的发展，但有望后来居上。
（4）燃料电池车突破只是时间问题
目前多家汽车供应商已将氢燃料电池列入计划，预计最早于2015年将会有氢燃料电池车投放市场。通用汽车和丰田等多家车企巨头各自同合作伙伴签订合作开发燃料电池协议，计划未来数年内推出燃料电池车投入实用。
丰田于2011年在东京车展上就亮相了FCV-R氢燃料电池概念车，今年东京车展则将展出量产型号，另外丰田公司同宝马签署协议在四个领域进行合作，其中就包括于2020年争取推广及普及燃料电池车。除了丰田，通用汽车和本田汽车宣布将联合开发下一代燃料电池技术，以便2020年投放到市场。韩国现代汽车已经率先投产燃料电池车；2013年1月份戴勒姆、福特与雷诺签订协议共同开发燃料电池系统，预计于2017年推出第一款燃料电池新车；3月份大众与Ballard也签订合作协议，并于今年8月开始对奥迪A7燃料电池汽车进行测试。
各大汽车公司除了纷纷宣告新汽车的推出外，在燃料电池车研制领域也在快马加鞭。根据美国近年来燃料电池专利持有情况来看，各大汽车公司在近几年都加大了对燃料电池的研发投入，专利数目节节攀升，2012年丰田公司更是以144项专利位居榜首。激烈的专利竞争为燃料电池车的顺利推出也奠定了技术基础，现在需要的只是时间，来讲技术推向市场。
目前燃料电池车仍在开发及测试阶段，距离量产仍有两三年时间。燃料电池车初期售价可能会偏高，不过随着技术逐步成熟，加上有政府补贴或免税等优惠，价格将会慢慢进入大众可接受范围之内。考虑到燃料电池高效、环保及安全等诸多优点，氢燃料电池车仍然值得我们期待。
3.4、便携领域尚未起飞
燃料电池在便携式领域的应用主要包括燃料电池盒、燃料电池玩具，以及小型燃料电池充电器等。目前销售的燃料电池充电器和其他类似的便携式应用市场尚未起飞，仍未出现成功商业化的案例。
3.5、氢市场不断扩大
随着氢能源汽车、固定式燃料电池等新技术的应用推动，全球掀起了利用氢能源的浪潮，根据日经BP清洁技术研究所的预测，全球氢基础设施的市场规模将从2015年的7万亿日元左右逐步上升至2015年的约160万亿日元。其中规模最大的是固定式燃料电池和燃料电池车，两者都将于2030年左右达到全面普及水平。
随着全球氢社会建设的加快，氢消费量也将快速增加，从2015年的小于1万亿上升到2050年的6.5万亿左右。在此期间，氢的价格也会逐渐下降。根据日本新能源产业技术综合开发机构的测算，刨除加氢站的利润，现在的供氢成本为1立方米120日元左右，而这个价格在2015年降低到90日元，到2020年仅为60日元。
4、全球主要燃料电池企业
特斯拉的火热带动力锂电池行业的发展，而与此同时，与锂电池存在密切关系的氢燃料电池也开始出现在公众面前。随着2014年初至今燃料电池相关的三支股票：PLUG、BLDP、FCEL股价的大幅上涨，人们对燃料电池的关注达到最高峰。在此，我们就选取股价涨幅最显著，同时也是燃料电池界翘楚的Plug power公司、Ballard PowerSystems公司和Fuelell公司，来分析成功燃料电池企业的特性。
通过对三者的分析，我们不难发现，订单的大量涌入是燃料电池企业飞涨的直接推动力，而造成订单迅速增长的背后原因则是北美地区燃料电池价格的逐步减低，企业对燃料电池应用的逐渐接受。目前来看，北美地区燃料电池此番上涨主要是由于燃料电池在叉车领域应用的增长，带动人们看到燃料电池潜在的巨大应用市场。但需注意的是，此番上涨迅猛的三家企业目前都未涉及氢燃料电池车领域，这也证实了前面所说该领域的发展仍有待观望。
另外，通过对三家公司的分析，我们不难发现，成功的燃料电池企业必定是技术密集型，核心技术起到了对公司主要产品强大的支撑力，有技术方能有产品，而技术的形成则基于公司对市场的准确判断。从与其他行业获批专利的对比中，我们也不难发现这一点，燃料电池行业的专利技术数量远远高于其他行业，这无疑印证了燃料电池行业是一个技术密集行业的说法。
4.1、Plugpower：订单驱动的股价大爆发
4.1.1、公司概况
Plug power是1999年成立的专注于设计、开发、制造和销售用于物料搬运叉车的燃料电池系统的供应商，是目前全球较大的燃料电池集成系统商。该公司的主要产品为质子交换膜燃料电池和燃料加工技术和燃料电池/蓄电池混合动力技术。公司的核心产品是氢燃料PEMGen Drive产品，此类产品主要用于大批量制造和高吞吐量地点的工业越野（叉车或材料处理），即属于交通运输领域的物料搬运市场。除了Gen Drive，公司还有限地生产Gen Sys和Gen Core产品，它们也都是氢燃料质子交换膜电池系统，主要为关键基础设施提供后备电源。
从Plug的供应链来看，其上游的供应商包括燃料电池生产商Ballard，和燃气供应商BASF和Air Liquide；下游客户包括雀巢，沃尔玛，联邦快递等货物量较大的公司。从此来看，公司的重心应该集中于系统（例如：叉车）的组装。
公司的主要客户为斯蒂尔、奔驰、宝马、沃尔玛、宝洁、可口可乐等公司，目前订单主要集中于Gen Drive产品，即物料搬运叉车应用。得益于燃料电池叉车的不断发展，公司于2013年第四季度实现了订单的爆发式增长。公司采取类似苹果的直接销售模式，其产品遍及世界各地，主要集中在北美。
4.1.2、营业分析
Plug公司的营业收入自2009年到2011年有明显上升，2012年又有微弱下降，整体而言波动较小，而净利润的波动则相当显著，公司目前仍然处于亏损状态，但随着2013年订单的爆发，公司亏损在2014年有望极大缩小，从而更快实现盈利。公司的主要收入来自于燃料电池产品和服务，其为营业收入的核心构成，过去六年中，该项收入不断攀升，在2009年到2010年间，增幅超过100%。除此之外，公司的燃料电池实验和发展以及专利技术都为公司带来了部分收入，但两项收入逐年递减，目前占比已相当低。
公司核心产品Gen Drive燃料电池系统近三年的出货量也在逐步攀升，从2010年的1100套迅速增加到2012年的2200套，随着订单的逐步增加，Plug公司的销售量还有望继续提升，持续拉动公司业绩发展。随着产品销量的不断攀升，产品成本却在逐年递增，2011年缩减为2010年成本的94%，2012年缩减为80%，2013年之后也预计会不断缩减，直到2015年缩减为2010年成本的58%，实现成本的极大减小。成本下降有利于提高公司的营收，同时有利于推动燃料电池产品价格的逐步下降，从而提高普及度。
4.1.3、专利分布
Plug公司有一定数量的基本专利，从1997年开始到2000年申请专利迅速增长，而其后维持在较高量上波动，而从2003年开始专利数量急剧萎缩，特别是从2008年开始到2012年间公司几乎没有申请专利。结合公司的研发支出来看，和专利申请基本保持一致。从2008年到2012年公司研发支出都在2千万美元以下，大大低于高峰时期的6千万美元，故而认为公司从1997年到2007都处于研发阶段，而从2009年开始则转向将专利市场化。
在Plug公司高被引的专利中，主要涉及了燃料处理系统、燃料电池系统、燃料电池组件、质子交换膜燃料电池等技术，从此我们可以推断公司的核心专利技术也是围绕在以上几个专利。虽然公司目前重心位于系统组装，但始终掌握着燃料电池的相关技术，因此公司始终手握燃料电池技术层面的话语权。
4.1.4、最新动态
目前Plug的制造水平可达到年产量一万台，意味着超过2亿美元的年收入。而这些收入还未包括Plug新推出的Gen Key中的后续服务收入。2013年，Plug共收到6180万美元的订单，相比往年有巨大的增幅，而80%的订单是在2013年的最后一个季度收到的，订单呈现爆炸式的增长。随着沃尔玛最近一份两年1700台的订单，以及预计会在2014年第二季度开始发货，预计Plug将迎来一个前所未有成功的季度。随着Plug销量的逐步攀升，其服务成本却在不断下降，这成为Plug到2014年实现净利润的推动力。
除了不断发展原有业务外，Plug还在积极扩充新领域。在去年已获得能源部的赞助支持研发新兴市场的产品：运输范围扩展，冷藏运输车及地面支持设备市场。今年Plug意欲通过合作的方式进入亚洲市场，并积极地测试他们为联邦快递公司研发的“里程数扩展”卡车。不仅如此，去年，Plug还与西斯科公司一道测试了他们的带有冷藏功能的卡车。未来里程扩展领域和冷藏功能卡车这两个新领域也可能成为Plug的新收入点。
4.2、BallardPower Systems：PLUG合作的技术雄厚电池供应商
4.2.1、公司概况
巴拉德动力系统公司是一家成立于1979年的加拿大公司，公司从1983年开始研发燃料电池。从2007年到2009年，公司完成了从长期、高成本的汽车燃料电池研发转向清洁能源燃料电池产品的市场化。目前公司的主要业务是质子交换膜燃料电池产品（包括燃料电池堆、模块和系统）的设计、开发、制造和服务，专注于商用市场（电信备用电源、物料搬运和工程服务）和开发阶段市场（公车、分布式发电和连续电源等）。迄今为止，公司氢燃料电池的出货量接近150MW，是目前当之无愧的氢燃料电池界翘楚。巴拉德公司提供多种产品来覆盖不同的需求，其产品覆盖了固定式领域和交通运输领域的主要应用市场。
巴拉德的客户面非常广，在后备电源领域，通过利益相关的DanthermPower公司以及合作伙伴Cascadiant和InalaTechnologies，公司把产品销往了SINE,HutchisonTelecom和Vodacom等遍布全球的公司；在物料搬运市场，公司与Plug power公司有着长久的合作关系，Plugpower公司所有的Gen Drive燃料电池系统系列产品全部采用巴拉德公司的燃料电池堆；公车领域的主要客户是BAESystems和WanHool；分布式发电领域则主要是将完整的电池系统ClearGen销售给TOYOTA和FirstEnergy公司。
4.2.2、营业分析
公司的主要收入来自于燃料电池产品和工程服务的收入，其中燃料电池产品收入占比较大，且呈逐年增长趋势，成为营收的支撑点。公司主营收入近几年自2010年来由于公司转型发展有逐渐下降趋势，但自2012年来由于燃料电池的迅速发展，预计未来公司主营收入将有将为明显的增长，同时公司的净利润也将逐步减小损失，往盈利方向前进。
公司燃料电池产品分为燃料电池堆、模块和系统三部分，燃料电池堆和燃料电池系统是主要部分。其中燃料电池系统出货量逐年增加，从2010年的58台迅速增加到2012年的399台。而燃料电池堆部分，可从Plug power公司数据窥探一二。由于巴拉德公司公司与Plug power公司有着长久的合作关系，Plugpower公司所有的Gen Drive燃料电池系统系列产品全部采用巴拉德公司的燃料电池堆，因此从Plug公司逐年递增的Gen Drive出货量就可以看出巴拉德公司的相关电池堆产品销售量也在不断攀升。自此，我们可以推断，公司产品的出货量呈现逐年增长的趋势。
4.2.3、专利分析
巴拉德公司最早在1990年申请了专利，此后从1996年开始迅速上升到2001年达到了专利申请的最高峰，在急速上升之后，2004年开始出现了快速下滑，并于2005年跌幅渐缓。由于从专利申请到专利公开一般有18个月的滞后期，所以图中专利公开量的变化趋势整体滞后于申请变化曲线一年半。将专利申请结合公司的研发开支来看，巴拉德公司从1996年开始到2005年左右都是处于研发阶段，该阶段的研发支出较高且申请专利数较多，自2005年之后研发支出和专利申请都处于下降中，公司开始将研发成果转投实际应用。
对巴拉德公司的所有专利族进行被引分析，发现其被引次数超过60次的专利族超过20余个，其中被引次数最多的专利族的被引次数超过了200次，排在第二位的高被引专利被引用的次数也将近达200次，可见该公司发明专利的影响力之大。
巴拉德公司技术重点集中在燃料电池电解质、固态氧化物电解质电池、燃料电池供应设备、用于压力控制的燃料电池辅助装置或方法、质子交换膜燃料电池等方面。由于自2009年以来公司研发支出较低，对整体的专利分布不构成较大影响，故而我们认为巴拉德公司近几年的技术分布还维持在原有已建立起来的技术领域，没有拓展新的领域。
4.3、FuelCell Energy：固定式领域标兵
4.3.1、公司概况
Fuel Cell Energy是一家全球领先的综合性燃料电池公司，公司成立于1969年，前身为能源研究公司，此后在1999年更名为Fuel Cell Energy。公司主要从事固定式燃料电池的研究，主要产品是可用于现场发电、热电联产及分布式发电的MCFC。产品主要服务于电力实业、商业和企业、政府机构等。目前公司产品DFC发电厂已在全球超过50个地点产生超洁净、高效和可靠的电力。公司已经生产超过1.5十亿千瓦时的超清洁电力，且拥有超过300兆瓦的发电装机容量。
公司主要产品为DFC系列发电产品，主要用作首要电源和热电联产以及分布式发电，公司产品的输出跨度极广，从几百千瓦到数兆瓦都有提供，而这样的输出在其他同类产品中又处于较高水平，因此DFC产品在固定式燃料电池领域极具竞争力。
在Fuel Cell Energy供应链中，上游的供应商POSCO主要从事钢材轧制品和板材的生产销售，其为Fuel Cell Energy提供生产DFC系列产品所需的外部封装材料。Fuel Cell Energy的客户主要是美国政府机构以及POSCO和DOMINION。其中POSCO拥有建筑分部，从事工业厂房和民用建筑工程项目的建设。另一大客户DOMINION是一家能源企业，主要从事能源的生产和运输，拥有众多发电组合和天然气输送设施。结合DFC产品功能来看，这两个客户应该都是将可使用的产品直接集成到原有系统投入使用，或用于发电或用于热电联产。从整个供应链来看，除了非核心的封装材料外，Fuel Cell Energy产品的部件如燃料电池是由自己生产的，包括系统的组装也是自己完成，那么其核心技术也应集中在燃料电池以及系统组装两个方面。
4.3.2、营业分析
Fuel Cell Energy的财务状况目前是三个公司中最好的。就其营收来看，主营收入呈现逐年递增稳步上升的趋势，目前已由2007年的48.23百万美元上升至2013年的187.66百万美元，上升幅度明显，增速稳定。净利润也随着营收而逐年递增，虽然目前仍处于亏空状态，但缺口已由2007年的68.67百万美元缩小到现在的34.36百万美元。毛利率也处于稳步上升中，目前已由2007年的-56.04%上升到2013年的3.80%。就其营收构成来看，电厂产品是其核心业务，且近年来占比还在不断提高。总体来看，Fuel Cell Energy营业收入在稳定的上升中。
2012年，公司销售收入达到1.206亿美元，同比下降1.6%，但值得注意的是公司的产品成本在不断下降。目前，公司燃料电池产品的生产成本已经降为2500美元/千万，中期目标是降至1250美元/千瓦。成本的进一步压缩，为公司产品在固定式燃料领域的发展提供了可能。
5、投资建议
5.1、投资逻辑
逻辑一：国内市场打开想象空间，选取掌握产业链核心技术的相关公司
随着氢能源汽车以及固定式燃料电池等新技术的应用推动，全球掀起了利用氢能源的浪潮，根据日经BP清洁技术研究所的预测，全球氢基础设施的市场规模将从2005年的7万亿日元左右逐步上升至2015年的约160万亿日元。其中规模最大的是固定式燃料电池和燃料电池车，两者都将于2030年左右达到全面普及水平。氢燃料电池汽车或将与锂电池汽车相较高下。
在交通运输领域的突破预计在2017年前完成，在PEMFC中，贵重金属催化剂铂的使用剂量也在逐步降低，再加上电解槽等成本的降低，使得PEMFC的成本不断降低。根据英国碳信托咨询公司的报告，若燃料电池汽车需要规模化生产，其成本需达到36美元/千瓦才能与内燃机汽车竞争，目前为47美元/千瓦。想象空间逐渐打开。
目前国内对氢燃料电池的关注度正逐渐提高，不过仍然局限于拥有相似技术的公司，未来随着主题炒作的深入，产业链上下游的公司也将被挖掘出来。同Tesla产业链主题投资一样，供应氢燃料电池所需正负极、电解质等材料的公司股票也会大幅上涨。
逻辑二：在新能源汽车概念被挖掘的差不多之后，市场转而寻求其他的清洁
能源概念股票，氢燃料电池便是一个非常好的选择由于燃烧矿物燃料，全球气候变暖日益加速；世界很多城市的空气质量在下降；与依赖石油进口相关的地缘政治不稳定日益加剧，而氢能源干净无污染，促使各国的能源政策转向氢能源。
氢能源的提炼成本跟汽油大致相当，这为它替代石油改变未来世界格局提供了经济价值基础。氢能源目前最大的问题是储运成本高于汽油，而氢的燃烧效率又比石油高，如与传统汽车相比，燃料电池车能量转化效率高达60%至80%，是内燃机的2倍至3倍。目前世界各国及企业在研究开发氢和燃料电池汽车技术方面取得了重大进展，加氢站等基于氢燃料的公共基础设施也在燃料电池车发展背景下逐渐普及，美国加利福尼亚州的目标是2015年普及1万辆FCV，建立约70座加氢站，2017年计划增加到100座以上。而我国对燃料电池的扶持力度也很大，“十二五”期间，科技部预算将投入2亿多元用于燃料电池汽车研发。
逻辑三：美股映射，美股PLUG和BLDP的暴涨引发国内拥有相似技术的公司股价上涨
首先，氢燃料电池的原理十分简单，氢燃料电池早在20世纪60年代就因其体积小、容量大的特点而成功应用于航天领域。就全球的发展情况来看，氢燃料电池主要应用于固定领域、运输领域和便携式领域。其中，固定领域的增长最为显著，运输领域相对平稳，便携式领域几乎处于停滞状态。
固定领域主要包括大中小型首要电源、备用电源或者热电联产，随着各国政府对清洁能源的关注，固定式燃料电池的出货量不断攀升。交通运输领域的应用更广泛，包括轿车、公交车、小型飞机、船只和搬运设备等，虽然PLUG在搬运设备领域实现了突破，但是在家用车领域，成本还不够低。便携式应用领域还有待发展，即使目前已有许多公司陆续推出手机用氢燃料电池，但就整体而言，该类产品的商业化尚未得到实现，未来发展还需很长时间。。
PLUG主要针对材料搬运车市场，设计，制造，研发，以及商业化燃料电池产品。许多期望降低成本和碳排放量的世界500强公司已经购买了PLUG的Gen Drive产品，着眼于替换现有的柴油机和电池叉车和液压搬运车，并在他们的仓库和配送中心使用。普拉格的客户中，有：可口可乐，宝洁，宜家，沃尔玛，劳尔斯，克罗格，文曼斯，联邦快递，西斯科，CVS，宝马，以及奔驰。实实在在的订单使得公司股价大幅上扬，公司预期2014年的第二或者第三季度将要扭亏为盈，使得公司可能成为第二个Tesla。
因此，PLUG必然引发国内的具有一定的氢燃料电池技术的公司的股票暴涨。
5.2、相关股票推荐
第一梯队：以参股等形式间接进入到产业链核心环节
国内氢燃料电池领域掌握技术领先的公司主要有中科同力化工材料有限公司和新源动力股份有限公司，但是由于这两家公司均未上市，因此退而求其次，寻找着两家公司股东中的上市公司，他们有望间接受益氢燃料电池的行业反转。
（1）同济科技（600846）、江苏阳光（600220）、复星医药（600196）
上海中科同力化工材料有限公司是中国科学院上海有机化学研究所、上海同济科技实业股份有限公司以及上海神力科技有限公司等共同组建。公司主要致力于研制和生产国产质子膜燃料电池汽车核心部件——质子膜，质子膜燃料电池已经同济大学研制成功并投放市场。同济科技持有中科同力36.23%的股份。中科同力，成立于2002年2月，由中国科学院上海有机化学研究所、上海同济科技实业股份有限公司以及上海神力科技有限公司等投资者共同组建而成。
上海神力科技有限公司，专门从事质子交换膜燃料电池产品研发与产业化的高科技民营企业。上海神力科技在国家科技部，上海市政府重点培育与支持下，通过承担与完成国家“九·五”重点攻关计划、“十·五”863及“十一·五”863重大攻关计划燃料电池发动机课题，已成为中国领先的燃料电池技术研发与产业化规模最大的高科技公司，拥有完全自主知识产权的燃料电池技术并达到国际先进水平。公司主要产品为燃料电池系统以及关键部件。上海神力科技有限公司股东：江苏阳光、复星医药分别参股上海神力科技有限公司31.04%和5.23%。
（2）上汽集团（600104）、长城电工（600192）、南都电源（300068）、新大洲A（000571）
新源动力股份有限公司主要从事质子交换膜燃料电池及组件的研制生产，被国家授予“燃料电池及氢源技术国家工程研究中心”，是目前国内燃料电池领域规模最大的企业。新源动力股东：上汽集团、长城电工、南都电源、新大洲A分别持有新源动力34.2%、9.0%、8.1%和3.4%的股权。
第二梯队：氢燃料电池产业链相关，包括电池和整车生产两块
（1）燃料电池部分：
氢气供应——国内相关上市企业：华昌化工（002274）
氢燃料电池的燃料：氢气，至关重要，如何安全储存运送氢气，更是成为重要课题。华昌化工产品硼氢化钠便是一种可能的贮氢材料，其单位质量的释氢量非常高，储运使用安全，有可能作为氢燃料电池的即时供应氢源。
电解质——国内相关上市企业：三爱富（600636）、巨化股份（600160）
各类电池的电解质各不相同：AFC（氢氧化钾），PAFC（磷酸盐基质），MCFC（碳酸锂、碳酸钠、碳酸基质），SOFC（稳定氧化锆等薄膜或薄板）和PEMFC（质子交换膜）。其中PEMFC目前常用的电解质为全氟磺酸型质子交换膜，这种交换膜的原料是全氟磺酸树脂，该种树脂由四氟乙烯和PSVE共聚二乘。三爱富曾开发出全氟磺酸树脂；巨化股份的主要产品中则包括了生产全氟磺酸树脂的四氟乙烯。两者都处于PEMFC质子交换膜产业链上。
催化剂——国内相关上市企业：贵研铂业（600459）
目前氢燃料电池中就PAFC和PEMFC两类使用铂作为催化剂，其他三类则不需要催化剂。国内生产铂的相关公司可能从氢燃料电池中受益。贵研铂业正是生产铂族金属的主要公司。
（2）应用部分
氢燃料汽车领域——金龙汽车（600686）、上汽集团（600104）
金龙汽车是我国新能源客车制造领域应用的主要代表，2005年苏州金龙开发出一辆KLQ6118GH氢燃料电池城市客车。2008年，苏州金龙汽车公司再度联手清华大学，合作开发了新一代燃料电池城市客车KLQ6129GH。目前公司的氢燃料电池客车仍处于研发试制阶段，尚未达到大规模商业应用的条件。
上汽集团旗下上海汽车为世博会提供了970辆新能源汽车，其中就包括燃料电池车，从目前运行来看，市场反应良好。上汽集团以国家863重大专项燃料电池轿车动力平台技术为核心，已与有关方面共同出资成立了上海燃料电池汽车动力系统有限公司，使上海汽车工业的开发能力紧跟世界最尖端水平。上汽集团利用别克GL8平台，通过与通用汽车公司的合作，研究开发的“凤凰”燃料电池汽车。公司作为集团下属的骨干力量，不排除会注入氢能源项目。目前，公司已经有5辆燃料电池汽车正在试验当中，下半年将增至20辆。
固定式领域——东方电气（600875）
东方电气集团旗下中央研究院燃料电池与钒电池创新团队自主研发的3.5kW燃料电池发电系统已于2012年12月25日成功实现满负荷发电试运行。
5.3、投资时点
PLUG和BLDP的订单量快速增加，股价继续大幅上涨，14年二季度扭亏
不断增加的订单是PLUG股价大幅上涨的驱动力，公司扭亏指日可待，一旦扭亏成功，市场对公司将会重新认识，也会引发国内相关股票的一波上涨的浪潮。现在PLUG的客户们总共拥有大约25万辆叉车，世界范围内共有大约6百万辆叉车，29万辆冷藏运输卡车，6万辆机场箱包运输车，未来随着PLUG的产能扩张，国内的主题炒作会逐渐深入。
政策引导下的企业研发投入增加
清洁能源是可持续发展的需要，国家必然会加大扶持力度，“十二五”期间，科技部预算将投入2亿多元用于燃料电池汽车研发。也许这2亿元并不是一个非常庞大的数字，但是在国家的引领下，相关企业增加研发投入，是推动我国氢燃料电池产业发展的根本动力，目标为降低氢燃料电池的发电成本。
氢燃料电池技术在家用车领域实现技术突破
科研成果成功实现产业转化。目前氢燃料电池的主要使用领域还是固定领域，交运运输领域的主要应用也是在物料搬运设备如叉车和大型运输卡车上，制冷机组是下一个目标。其单位成本对与家用车来讲还不够低，转折点或将出现在2015-2017年间。在CES2014上，丰田就宣布他们雄心勃勃的计划，将继续发展燃料电池为动力的汽车，并在2015年底前让它们上路。这表明燃料电池工业正在真实地崛起、站稳并且成长。星星之火，可以燎原，氢燃料电池将由搬运设备和运输卡车和制冷机组出发，逐渐走向家用汽车领域。
6、风险提示：向创新致敬的同时也尊重质疑
（1）普及性风险：成本降低不及预期或基础设施普及率提升不及预期；
（2）安全性风险：氢气的易燃性可能导致爆炸事故；
（3）盈利风险：目前美国的氢燃料电池企业尚未实现盈利；
（4）技术替代风险：锂电池压制氢燃料电池发展。
