【钱潮价投研究所】No.49 氢能源系列四：氢能的下游应用

钱潮价投俱乐部宗旨:坚持以价值投资为导向，发扬“我为人人，人人为我”的分享精神，提倡君子和而不同的交流原则，共建一个价值投资者的好友圈。

（一）氢能的下游利用途径多种多样，当前工业应用占绝大部分

目前，我国的制氢能力具备年产2000至3000万吨的水平，其中大部分氢气的用途都属于工业领域。石油化工和煤化工是使用的氢气最多的领域，能够达到总氢气使用量的50%；合成氨是氢气应用的第二大户，能够达到总氢气使用量的45%。未来，氢能将会向供动能、供电能、冶金等方面转移。

（二）燃料电池是氢能下游最关键应用，商用车是短期发展重点

燃料电池是一种能量转化装置，按照原电池工作原理，等温的把贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能，已被誉为是继水力、火力、核电之后的第四代发电技术。在氢能下游应用领域发展潜力十足。

在氢能产业发展初期，由于氢燃料电池系统成本性相对较高，电堆功率较低等经济性与技术方面原因，燃料电池对现有的电池设备替代性有限，尚未能得到规模化的应用。但道路车辆与当前燃料电池发展方向相匹配，预计氢燃料电池将以车用领域为核心应用。其中商用车存在较多相对固定路线的场景，对加氢站等基础设施需求较少，更适合当前燃料电池技术特点与产业基础，因此商用车将成为氢燃料电池的主要发展重点。

由于氢燃料电池优势在高功率和高能量密度，在载重与续航方面的表现使得燃料电池客车、重卡等商用车与同为新能源的纯电车相比仍具优势，主要可适用以下三种应用场景：

（1）固定路线：便于配套加氢站等基础设施建设，如城市公交、港口、物流园区等固定路线的场景；

（2）中长途干线：里程在400-800公里左右重卡货车远程运输，可明显超过纯电车的续航上限；

（3）高载重：纯电车型由于电池能量密度提升空间有限，重卡匹配一定续航里程的电池会导致自重较大，而氢燃料电池车则不存在此类问题，同时高功率的优势也更能突出载重优势。

一、氢能源汽车

二、产业链（质子交换膜电池）

目前，用于汽车领域的质子交换膜燃料电池系统包括六大部分，燃料电池电堆、供气系统、整车控制系统、辅助动力源系统、电机电控和热管理系统。其中，核心部件包括电堆、空压机和储氢瓶。

三、燃料电池

1、五种类型，质子交换膜燃料电池为主流

燃料电池技术包括碱性燃料电池（AFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）以及质子交换膜燃料电池（PEMFC）。其中质子交换膜燃料电池具备工作温度低、启动快、比功率高等优势，适用于交通和固定式电源领域，目前已发展成为国内外主流的燃料电池技术。另外，固体氧化物燃料电池由于其能量转换效率高，中长期内在储能等领域具备发展空间。

2、行业现状

与国外技术相比，我国质子交换膜燃料电池系统在技术指标上仍有一定的差距。具体来说，膜电极、双极板、质子交换膜等已具备国产化的能力，但生产规模偏小；电堆产业发展较好，但辅助系统关键零部件产业发展较为落后，电堆额定功率和体积功率密度相比国外还有一定差距；系统及整车产业发展较好，配套厂家较多且生产规模较大，但大多采用国外进口零部件，对外依赖度较高。在双碳目标下，政策持续支持氢能发展，国内企业在氢能领域不断发力，有望在核心零部件方面不断提升技术水平、不断规模化、不断降成本，有望追赶或超越国际领先水平。

以亿华通、上海重塑、新源动力、雄韬股份为代表的国内公司，现已具备年产万台燃料电池系统的批量化生产能力。

综合来看，我国燃料电池系统行业现已具备独立产品研发能力，且生产能力较强。核心零部件方面，国内水平与世界领先水平仍差距较大。

四、供气系统

1、空压机：离心式空压机综合性能较好，为未来发展方向。

2、氢能循环泵：再循环模式是主流

早期，直排模式具备控制简单的优点，然其氢气利用率仅有67%—91%，造成严重的氢气浪费，目前该模式已经淘汰；阳极死端模式通过封住燃料电池发动机的阳极出口，促使氢气可在电堆中停留更长时间，从而促使氢气利用率得到提高，然出口被封易造成积聚水，故需要频繁吹扫，造成氢气出口处气压呈周期波动，从而降低了稳定性，对电池的耐久性和经济性造成影响；氢气再循环模式可使未反应的氢气通过循环送入入口端，减少氢气浪费，且不会出现气压的周期性波动，从而促使燃料电池发动机更加稳定。目前，大部分先进的燃料电池均采用氢气再循环模式。

五、电堆

1、产品结构

电堆为燃料电池系统最为核心的部分，由多个单体电池以串联方式层叠组合构成。电堆工作时，氢气和氧气由外部供给，气体通过电堆气体主通道分配至各单电池的双极板，经双极板导流均匀分配至膜电极，与催化剂接触进行电化学反应。

2、产业现状

我国燃料电池电堆已经在逐渐起步，电堆及产业链公司数量逐渐提高，产能不断提升。目前，我国电堆制造商主要是有两大类：（1）自主研发，以新源动力、明天氢能、重塑股份和神力科技为代表；（2）引入国外完善电堆技术，以广东国鸿为代表，其他公司有潍柴动力、南通百应等。

整体而言，国内电堆产业发展较好，目前国内主流厂商发布的燃料电池的额定功率可超过100kW。

对比国内外燃料电池电堆，国内电堆在核心材料与关键技术方面仍存在短板，也是造成燃料电池电堆成本居高不下的主要原因，其中膜电极层三大关键材料P/t催化剂、质子交换膜、碳纸主要依赖进口，国产材料尚无法满足高性能燃料电池电堆使用需求；集流体双极板方面，石墨双极板经过多年开发已与国外技术水平相当，但低成本、轻薄的金属双板开发仍为空白。

3、成本构成

4、双极板：金属、复合材料双极板适合于批量化生产

双极板是电堆的重要组成部分，在燃料电池中起到连接单体模块、分隔反应气体、收集电流、散热和排水等作用。在燃料电池电堆中，双极板的质量占比达60-80%，成本占比20-40%，并且几乎占据了电堆的全部体积。

目前双极板基体材料主要有石墨、金属以及复合材料三类。

（1）石墨双极板具有良好化学稳定性和高导电率，是研究和应用最为广泛的材料，缺点是加工难度高、成本高、体积大等，但在目前小批量生产的背景下体现并不明显。适用于生产专用车和客车，代表性企业包括巴拉德（Ballard）、水吉能（Hydrogenics）等，目前国内已经实现国产规模化。

（2）金属双极板相具备优秀的力学性能和导电导热性，可使电堆具备更高的体积比功率密度，且成本低廉可进行批量生产，乘用车普遍采用金属双极板。但金属双极板表面易被腐蚀产生铁离子，会使电堆的性能下降，同时表面可能会形成金属钝化膜，增大接触电阻，使用寿命较低，金属双极板表面腐蚀能力是制约电堆寿命的关键。金属双极板主要应用于乘用车领域，代表性企业为丰田汽车等，目前国内尚未实现批量生产。

（3）复合双极板采用树脂混合石墨粉和增强纤维等材料形成预制料，具有石墨板和金属板的双重优点，质量轻且耐腐蚀，但加工较为复杂，生产成本加高，降低其生产成本使其更适合批量化生产，成为未来双极板发展方向之一。

5、膜电极：核心零部件与国际水平仍有差距

膜电极是燃料电池的核心之核心，是燃料电池发生电化学反应的场所，由催化剂、气体扩散层、质子交换膜组成。目前国内的鸿基创能、武汉理工新能源、苏州擎动等较为领先。

（1）质子交换膜

质子交换膜的核心作用为传导质子，隔绝两极。质子交换膜按照含氟量分为全氟磺酸膜、非全氟化聚合物膜、无氟聚合物膜、复合膜等。目前全氟质子交换膜（全氟磺酸膜）由于其优秀的热稳定性、化学稳定性、较高的力学强度以及较高的产业化程度而得到广泛应用。全氟质子交换膜主要应用在氯碱工业、燃料电池、电解水制氢、储能电池等领域。目前全氟质子交换膜是主流的技术，产业化程度较高。

目前主流使用全氟材料，技术难度较低，我国质子交换膜制备技术近年来蓬勃发展，但与国外进口产品仍有差距。

国外优质供应商包括戈尔、杜邦、陶氏、3M、旭化成等。

国内公司中，东岳集团进展最快。2004年东岳集团联合上海交通大学研发出质子交换膜，性能对标同类产品；东岳未来规划的150万平方米燃料电池膜和配套化学品产业化项目正在建设，同时配套建成年产50吨离子膜的全氟磺酸树脂生产装置，一期项目（50万平米）已于2021年投产。

江苏科润目前已经能够实现质子交换膜的小批量供货，目前科润集团拥有两条全氟离子膜生产线，全氟离子膜产能30万平米。

国家电投旗下的武汉绿动氢能目前已经完成30万平米的质子交换膜生产线，可生产8微米到20微米的质子交换膜；

此外，浙江汉丞、东材科技等公司均有年产30万平米以上的质子交换膜项目或计划落地。

通过拆解科慕Nafion质子交换膜成本结构可以发现，技术工艺占总生产成本的85%。我们相信，随着大规模的生产，质子交换膜的平均成本可以有效降低；如果实现国产化替代，预计将降低质子交换膜的价格30%-40%。同时近年来随着技术突破，国产质子交换膜的寿命逐年递增，单位时间的质子交换膜的成本也随之下降。

（2）催化剂

催化剂主要分为铂（Pt）催化剂，低铂催化剂和非铂催化剂三大类，常用的商用催化剂是Pt/C，由于铂催化剂存在成本高、活性耐久性差等缺点，催化剂的低铂化是未来的发展方向。目前国内催化剂仍以进口为主，国内产品的技术性能与国外仍有较大差距。国外主要企业包括日本田中、英国庄信万丰、比利时优美科，国内主要企业包括贵研铂业、中国科学院大连化学物理研究所。

在降低催化剂成本的方面，目前有两条路径，一条是降低铂的使用量，另一条则是研发非铂催化剂，两者都已有所进展。铂使用量的降低现在已有所成效，纵观燃料电池发展史，每平方厘米需要的铂已经从最初的50mg降低到了现在的不足0.2mg。而非铂催化剂也在研究中，虽然无铂催化剂尚未进入工业应用的阶段，但很可能是未来大幅降低燃料电池成本的关键。

在工业化生产方面，日本、英国、比利时等国外供应商的催化剂制备技术处于绝对的领先地位，已经能够实现批量化生产（＞10公斤/批次），而且性能稳定，可靠性高。国内目前几乎没有产业化催化剂制造企业，催化剂产品也比较单一。

（3）气体扩散层

气体扩散层通常由支撑层和微孔层组成，为参与反应的气体和生成的水提供传输通道。从目前的使用状况来看，碳纸因其制造工艺成熟、性能稳定，是气体扩散层材料的首选。国内企业在碳纸领域的与国外先进水平仍有差距，目前主要采购由德国SGL、日本Toray公司等公司垄断，我国企业尚处在产品研发及小规模生产环节。

全球GDL还未形成大规模批量生产，碳纸为目前主流产品。受制于市场需求低，且生产成本居高不下，难以形成大批量生产，日本东丽株式会所在1971年开始涉足碳纤维产品生产，为全球最大碳纤维产品供应商，其他知名产商还包括美国Avcard、德国SGL（西格里）等。国内只有江苏天鸟、通用氢能、上海何森等少数企业涉足研发气体扩散层，且大多处在小批样试产的状态。

六、相关公司

膜电极领域：国内典型企业如鸿基创能、武汉理工氢电、捷氢科技、擎动科技、道氏技术（300409.sz）、东岳硅材（300821.sz）、科力远（600478.sh）和威孚高科（000581.sz）等。

质子交换膜领域：主要包括东岳集团（0189.hk）、武汉理工新能源等。

催化剂领域：主要包括贵研铂业（600459.sh）、中自科技（688737.sh）、武汉喜马拉雅等。

气体扩散层领域：主要包括通用氢能、江苏天鸟、上海河森电气等。

双极板领域：国内石墨板相对成熟，主要企业包括国鸿氢能、中钢天源（002057.sz）、鑫能石墨等；金属板发展迅猛，主要企业包括上汽捷氢、新源动力、上海治臻、安泰科技（000969.sz）等；复合材料板主要包括新源动力、武汉喜马拉雅等。

电堆领域：国内电堆产业发展相对领先，已经形成了国鸿氢能、新源动力、捷氢科技、神力科技、明天氢能等一批知名企业。

燃料电池系统领域：以亿华通（688339.sh）等为代表，国内已产生一批以生产/控股燃料电池系统企业为主的上市公司，如美锦能源（000723.sz）、雄韬股份（002733.sz）、雪人股份（002639.sz）、大洋电机（002249.sz）、腾龙股份（603158.sh）、全柴动力（600218.sh）、重塑股份等。

燃料电池整车领域：以上汽集团（600104.SH）、福田汽车（600166.SH）、宇通客车（600066.SH）、东风汽车（600006.SH）、中通客车（000957.SZ）、金龙汽车（600686.SH）、中国重汽（000951.SZ）、飞驰汽车等为代表。

辅助系统之空压机领域：雪人股份（002639.sz）、金通灵（300091.sz）、势加透博、金士顿、汉钟精机（002158.sz）、冰轮环境（000811.sz）等；

辅助系统之氢气供给系统：东德实业、雪人股份（002639.sz）、艾尔科技、瑞驱科技等。