氢燃料电池产业链拆解（深度）

互推小编 2023-06-21

氢燃料电池：

相比于传统汽车，氢能源汽车使用氢燃料电池作为动力来源，具有能量转换效率高和完全无污染的优点。相比于锂电池电动车，氢能源汽车除了不受温度影响、续航里程更长以外，还具有能迅速补充燃料（3~5分钟）的优点。然而，不同于锂电池电动车可以利用现有电网建造充电站，氢能源汽车使用的加氢站目前完全依赖长管拖车运输，效率较低且成本较高。加氢站成本高昂、数量稀少加上汽车自身成本较高等一系列原因制约了氢能源汽车的发展，目前氢能源汽车尚未得到大范围应用。

氢燃料电池分类：

燃料电池按导电离子类别可分为酸性燃料电池、碱性燃料电池（AFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）和烙融碳酸盐燃料电池（MCFC），其中酸性燃料电池可分为 PEMFC（质子交换膜）、直接醇类燃料电池（DMFC）和磷酸燃料电池（PAFC）。PEMFC 具有功率密度大、重量轻、体积小、寿命长、工艺成熟、可低温下快速启动和工作等突出优点，被认为是将来车用燃料电池最理想技术方案。此外，在各技术路径中，固体氧化物燃料电池有望在储能等领域具有发展空间。

氢燃料电池竞争格局：

从燃料电池市场格局来看，目前属于寡头竞争，CR5占比50%。目前被纳入目录的燃料电池商用车型共185款，亿华通燃料电池发动机系统的配套商用车车型共计37款，占比为20.00%，属于国内唯一一家既具备自主研发能力又市场份额超前的燃料电池企业。

氢燃料电池产业链：

氢燃料电池原材料：

燃料电池系统有两部分核心构成：电堆和气体循环系统。电堆主要由膜电极和双极板构成，其中膜电极又由催化剂、气体扩散层（碳纸）和质子交换膜组成。气体循环系统主要作用是过滤空气，保证反应过程中压强稳定，控制氢气与空气流量、流速以延长电堆的使用寿命，主要包含空压机、氢气循环泵、储氢瓶等。

电堆：

电堆是燃料电池系统最为核心的部件，也是价值量最高的环节。电堆是燃料电池系统发生化学反应的场所，由多个单体电池以串联方式层叠组合而成。氢气与氧气通过一定比例分别通入电堆的阳极与阴极，化学反应生成水与电能。电堆的质量决定了燃料电池系统整体的功率密度。

单体电池则是由将双极板与膜电极(催化剂、质子交换膜、碳纸/碳布)、密封垫片、集流板和端板组成。若干单体之间嵌入密封件，经前端与后端板压紧后用螺杆紧固拴牢，即构成燃料电池电堆。单体电池中，膜电极催化剂的催化性能、质子交换膜的传导性、碳纸/碳布的气体扩散性能，以及双极板的导电性等均是决定单体电池功率密度及效用的关键因素；同时，单体电池的一致性也决定了电堆的稳定性与可靠性。

电堆竞争格局：

国内电堆厂商主要有两类：一是自主研发，以新源动力、亿华通为代表；二是引进国外成熟电堆技术，以广东国鸿为代表。

膜电极：膜电极是质子交换膜燃料电池的核心部件，是燃料电池内部能量转换的场所。膜电极主要由质子交换膜、催化剂层和气体扩散层组成。

质子交换膜：

作为燃料电池膜电极的核心材料，其主要功能是传导质子、阻隔阴阳极气体互串，作为催化剂或膜电极支撑材料的作用。质子交换膜性能好坏直接决定氢燃料电池的性能和使用寿命。对质子交换膜性能要求主要为低气体渗透性、高质子传导率、热稳定性好、干湿转换性能好、机械性能强等。

我国电堆质子交换膜性能已接近国际水准，国产替代刚刚起步。随着2020年东岳氢能150万平米的产线建设，以及2021年2月苏州科润每年100万平米质子交换膜项目产线正式投建，国产交换膜有望迎来大幅降本空间。东岳集团是国内质子交换膜领域的领先企业，2020年11月已落地每年50万平米产能，是国内首家实现大规模量产的企业。

气体扩散层：

由基底层和微孔层组成。基底层材料使用碳纤维纸、碳纤维织布及碳黑纸，起到支撑催化剂层作用。微孔层是改善基底层孔隙结构的一层碳粉，作用是降低催化层和基底层之间的接触电阻。碳纸产品由几个国际大厂垄断，例如日本东丽、德国SGL等，国产产品处于中试阶段。2020年4月，上海华谊与VIBRANT EPOCH LTD正式签署合作框架协议，在中国建立“气体扩散层用碳纸/碳布”生产基地。通用氢能、江苏天鸟等的气体扩散层进行客户产品送样测试。

催化剂层：

燃料电池反应催化剂是指在电池正负极反应过程中，加快和提高电化学反应速度，缩短反应时间的材料，大多数燃料电池选择高稳定性、高活性、不易污染的贵金属铂作为催化剂。现用的燃料电池铂催化剂具有催化效率高、稳定性好等特点，但是铂是稀有金属，价格昂贵，推广性差，成为制约燃料电池发展的瓶颈问题。超低铂、无铂催化剂是未来研发方向。国内催化剂产品铂载量高于国外，处于小规模生产阶段。

双极板：

燃料电池双极板是电池系统组件的主要组成部分之一，直接影响制约着电池寿命、性能、体积、成本、质量等方面。其作用主要是传导电子、分配反应气并带走生成水，燃料电池双极板要求具备较好的导电性、导热性、一定的强度、气体致密性，具备耐酸耐碱耐腐蚀性、与电解质相容无污染，同时易于加工、成本低廉，以满足燃料电池的发展。

燃料电池常采用的双极板材料包括金属双极板、石墨碳板、复合双极板三大类。由于车辆空间限制，薄金属双极板成为目前商业双极板的主要选择，金属双极板的技术难点在于成型技术、表面处理技术。复合双极板以非贵金属（如不锈钢、Ti）为基材、辅以表面处理技术是研究的热点，筛选导电、耐腐蚀兼容的涂层材料与保证涂层致密、稳定，将成为未来主要发展方向。

石墨双极板：在反应过程中不易被腐蚀，使用寿命较长。我国的石墨双极板企业已逐步实现量产化，以亿华通为例，已通过神力科技完全实现双极板自主供应。同时，上海弘枫、嘉裕碳素等自主企业已逐步进入量产阶段。

金属双极板：导电性能优异，大幅提升电堆整体的体积功率密度。不少电堆厂商逐渐转向采用金属板，但其使用寿命尚待考察。国内的金属板厂商尚处于小规模生产阶段，以上海治臻、上海佑戈等为主。根据氢能观察的数据，上海治臻在2020年6月投建1000万片/年的产线，2021年3月340万片/年的产能投产，有望迎来较大规模的金属双极板国产替代。

气体循环系统：

主要作用是过滤空气，保证反应过程中压强稳定，控制氢气与空气流量、流速以延长电堆的使用寿命，主要包含空压机、氢气循环泵、储氢瓶等。

空压机：

空压机被誉为燃料电池之“肺”，是车用燃料电池阴极供气系统的重要部件，通过对进堆空气进行增压，提高燃料电池的功率密度和效率，减小燃料电池系统的尺寸。但空压机的寄生功耗很大，约占燃料电池辅助功耗的80%，其性能直接影响燃料电池系统的效率、紧凑性和水平衡特性。因此，对空压机的基本要求为：无油、高效率、小型化、低成本、低噪音、特性范围宽、动态响应快。

目前国产化率接近100%。近两年国内市场空压机供应商主要有势加透博、金士顿科技、烟台东德实业、德燃动力、福建雪人股份等企业。

氢气循环泵：

对于燃料电池发动机这个心脏来说，作为“血液”的氢气是否能高效循环反应，是动力能否顺畅输出的关键，而氢循环模块就像是一个“起搏器”，是氢燃料电池发动机的关键技术之一。对氢循环模块的基本要求为：密封设计好（防止氢气泄露）、耐水性强（电堆反应过程中的水蒸气会伴随气路流动）、流量大、压力输出稳定、无油。

目前国内氢循环系统有氢循环泵和引射器两种产品，氢循环泵在主动可调节、快响应速度和宽工作区间等方面占有一定优势，引射器优势在于节省能耗、体积能做到氢循环泵的三分之一、成本为氢循环泵一半。从当前市场应用情况来看，氢循环泵是使用主流，引射器使用量逐渐增长，据GGII数据，2020年国内引射器的使用量约占氢循环系统出货量的11%左右。涉足氢气循环泵的本土企业有未势能源、东德实业、苏州瑞驱、浙江宏昇等，但是受制于氢气密封和水汽腐蚀和冲击等，适配大功率电堆的氢循环泵都不成熟。

应用：氢能源汽车

相比于传统汽车，氢能源汽车使用氢燃料电池作为动力来源，具有能量转换效率高和完全无污染的优点。相比于锂电池电动车，氢能源汽车除了不受温度影响、续航里程更长以外，还具有能迅速补充燃料（3~5 分钟）的优点。然而，不同于锂电池电动车可以利用现有电网建造充电站，氢能源汽车使用的加氢站目前完全依赖长管拖车运输，效率较低且成本较高。加氢站成本高昂、数量稀少加上汽车自身成本较高等一系列原因制约了氢能源汽车的发展，目前氢能源汽车尚未得到大范围应用。

燃料电池商用车率先商业应用。未来锂电与燃料电池不会是替代关系，而是互补关系。欧阳明高院士曾在2018年6月提出：“锂离子电池更适合替代汽油机，氢燃料电池系统更适合替代柴油机”。原因：（1）氢气运输成本高，加氢站投资成本也比较大，因此固定路线的车辆在应用中更有优势；（2）客车系统集成难度相对较低一些，目前国内主流客车企业都有燃料电池客车的布局，并且部分企业的产品已经正式交付运营。乘用车的系统集成难度更高，但单车功率不太大，相比重卡车或者大型公交车，搭载燃料电池系统的乘用车经济性不具备优势；（3）从边际成本的角度考虑，电动汽车构造简单，提升锂电池车的续航和载重需要加装电池，考虑锂电自重，其边际成本递增；燃料电池系统复杂，提高续航仅需增加储氢容量即可，边际成本递减。因此锂电池更适合乘用车领域，燃料电池系统适合有重载、长续航要求的商用车。