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                燃料電池進入快車道,產業鏈優質環節迎發展機遇-攀業氫能
                2021/5/10 10:59:18

                國家制定“碳達峰”、“碳中和”長期方向,節能減排是重要碳“減法”,未來交通領域的能源轉型是關鍵,尤其有望在高排放高污染的中重型商用車上加速推行。氫能源作為零污染清潔能源,未來應用面有望持續擴大。作為氫能源在交通領域的應用載體, 。燃料電池燃料電池相比傳統燃油、純電動具有能效高、排放低等優勢,有望迎來長期發展。

                商用車市場優勢凸顯,燃料電池有望優先放量

                長期來看新能源車與燃料電池車均是能源轉型重要發展方向。中國新能源車在乘用化領 域已逐漸形成完備的產業鏈與技術,未來有望持續普及;但在商用車領域,新能源車仍 然面臨續航較短、充電時間長等使用經濟性痛點,而這恰恰是燃料電池車的優勢所在。 與新能源車相互補足共同發展,未來燃料電池車有望在商用車領域優先切入應用。

                從政府扶植到形成產業化,燃料電池步入發展快車道

                當前燃料電池產業化程度仍然偏低,核心掣肘在于規?;蛯е鲁杀具^高、基礎設施不 完善限制市場應用。汽車領域新技術的推廣往往需要規模、技術、基礎設施的前置,因 此短期內政府扶植是產業化起步關鍵,我國推行示范城市群以獎代補政策,著重獎勵燃 料電池車與核心零部件的推廣、氫能供應鏈的完善,未來燃料電池產業化有望健康起步; 長期來看,降低成本是產業化提速關鍵,規?;c國產化并行將推動我國燃料電池產業 化加速。我們預計到 2025/2030 年中國燃料電池車銷量分別達到 6.4/35.1 萬輛水平。

                國產化格局:各環節技術逐步突破,國產替代空間廣大

                海外燃料電池產業起步早,技術相比中國國內仍有較大優勢,具體體現在多個產業鏈重 要環節,但中國憑借技術突破,已實現一定程度國產替代。具體來看,中國本土企業在 電池/電堆總成、雙極板、空壓機、儲氫瓶等領域已實現量產突破,但與海外仍有技術差 距,在電堆關鍵材料(催化劑、質子交換膜、氣體擴散層)等方面仍在市場化探索。當 前中國已有整車與零部件龍頭布局燃料電池,技術與產品迎來良好起步,未來隨著技術 的加速追趕,中國國產化有望迎來更大發展空間。

                一、“碳中和”國策加快能源轉型,燃料電池是重點方向

                “碳達峰”、“碳中和”成為今年兩會以來國家重點工作以及市場熱點之一,兩會期間政 府工作報告將“做好碳達峰、碳中和工作”列為 2021 年重點任務之一,另外,“十四五” 規劃也將加快推動綠色低碳發展列入其中。

                什么是“碳達峰”、“碳中和”?“碳達峰”是指二氧化碳排放總量達到峰值,且此后開 始逐年減少?!疤贾泻汀笔侵钙髽I、團體或個人在一定時間內直接或間接產生的溫室氣體 排放總量,通過植樹造林、節能減排等形式抵消自身產生的二氧化碳排放,實現二氧化 碳的“零排放”。整體而言,“碳達峰”是為最終實現碳中和的階段性目標和任務。

                “碳中和”是中國對世界的承諾,也是 2021 年及十四五規劃的工作重點。2020 年 9 月 22 日,第 75 屆聯大一般性辯論上的講話中宣示,“將提高國家 自主貢獻力度,采取更加有力的政策和措施,二氧化碳排放力爭于 2030 年前達到峰值, 努力爭取 2060 年前實現碳中和”?!疤歼_峰”、“碳中和”雖然是中長期目標,卻也是當 前的工作重點,2020 年中央經濟工作會議將“做好碳達峰、碳中和工作”作為 2021 年 要抓好的重點任務,提出“要抓緊制定 2030 年前碳排放達峰行動方案,支持有條件的 地方率先達峰”。

                “減法”助力實現“碳中和”,優化能源結構是重中之重。實現“碳中和”必需做好“減 法”和“加法”,一方面是減少二氧化碳等溫室氣體的排放,另外一方面是增加碳匯、發 展碳捕集和封存技術等,最終實現排放量和吸收量的平衡,達到碳中和。短中期來看, 或者說為達到“碳達峰”的目標,或將主要依靠“減法”,即減少碳排放。從當前我國能 源消費結構來看,原煤占比是最高的,達到 58%左右,煤炭消費占比高與我國資源稟賦 相關,但也導致了大量的碳排放,煤炭也是我國碳排放量占比最大的能源類型,未來能 源消費結構的調整或將是中短期內的任務重點。

                汽車領域排放問題在中重型車輛上尤其明顯,將是“碳中和”的重點領域。根據中國溫 室氣體排放相關數據,2014 年交通運輸溫室氣體排放量約為 8.2 億噸二氧化碳當量, 其中接近 50%由中重型商用車產生,然而同期中重型商用車保有量僅占汽車保有量的 6.7%,可見中重型商用車是排放的重災區,也將是“碳中和”優化能源結構的重點領域。

                發展氫能是優化能源結構的重要方向。

                1)氫能作為二次能源,可從化石能源當中獲取, 有助于煤炭等一次能源高效利用,另外,通過電解水制取,也可增加電力系統靈活性, 有助于形成可持續高彈性的創新型多能互補系統;

                2)在提高能源安全方面,氫能有助 于大幅減少中國交通運輸領域石油和天然氣的消費總量,降低能源對外依存度并提升大 氣質量;

                3)應對氣候變化方面,氫能有助于引導大量可再生能源從電力部門流向交通 運輸、工業和建筑等終端使用部門,從而實現深度脫碳。

                交通領域將是氫能消費的重要突破口,根據中國氫能聯盟預測,到 2050 年交通領域氫 能消費可達 2458-4178 萬噸/年,占交通領域整體用能的 19%-28%。

                燃料電池是氫能在交通領域的重要應用方式,兼具能效高、排放低等優勢。氫燃料電池 車作為氫能在交通領域的主要使用途徑,相比傳統燃油車、新能源車(純電動)在能效 利用率、碳排放等方面均具有一定優勢。

                1) 能效利用率方面,根據中國電動汽車百人會相關資料,引入 Well-to-Wheel(從油 井到車輪,即能源生產到交通使用過程中的能耗)分析,燃料電池汽車整體能效轉 化率達到 40%,高于純電動與傳統汽油車。(注:此處默認氫氣制取方式為天然氣 制氫,能效轉化率高,中國當前仍以煤制氫為主,能效轉化率較低,但未來也有望 持續向天然氣制氫過渡);

                2) 碳排放方面,根據德勤相關資料,通過衡量各能源類型車輛全產業鏈(包括從能源 制取、到核心零部件生產、到車輛使用過程排放再到車輛報廢處理)當中平均二氧 化碳排放水平來看,燃料電池平均排放水平為 130-230g/km,低于電動車的 160- 250g/km 與傳統燃油車的 180-270g/km。

                國家政策為燃料電池發展保駕。國家層面從過去以來持續提出扶植燃料電池產業發展, 從早期補貼到當期的以獎代補,燃料電池有望逐步進入產業化加速階段。

                二、商用車市場優勢凸顯,燃料電池有望優先放量

                燃料電池(Fuel Cell) 是通過氧化還原化學反應,將燃料及氧化劑中蘊含的化學能轉換為 電能的裝置,以氫氣作為陽極反應氣體的燃料電池在近年來取得了較大的發展。

                燃料電池基本結構主要是由四部分組成,分別為陽極、陰極、電解質和外部電路。通常 陽極為氫電極,陰極為氧電極。陽極和陰極上都需要含有一定量的電催化劑,用來加速 電極上發生的電化學反應,兩電極之間是電解質。

                氫氣首先進入燃料電池的陽極,然后氫氣與覆蓋在陽極上的催化劑反應,釋放電子形成 帶正電荷的氫離子即質子;氫離子穿過電解液到達陰極。電子流入電路,形成電流,產 生電能。在陰極,催化劑使氫離子與空氣中的氧結合形成反應的唯一副產品——水。燃 料電池的陰陽極反應和總反應分別為:

                陽極:H2 → 2H++2e-;

                陰極:1/2 O2+2H++2e-→H2O;

                總反應:H2+1/2O2 →H2O。

                質子交換膜燃料電池是車用主流技術。燃料電池按導電離子類別可分為酸性燃料電池、 堿性燃料電池、烙融碳酸鹽燃料電池和固體氧化物燃料電池,其中酸性燃料電池可分為 PEMFC(質子交換膜)、直接醇類燃料電池和磷酸燃料電池。

                PEMFC 具有可低溫下快速啟動和工作、無電解液流失、壽命長、比功率與比能量高等 突出優點,被認為是將來替代內燃機作為汽車動力電源最理想方案。

                新能源車仍有消費痛點:續航焦慮、充電時間長,商用車上應用尤其受阻。當前階段新 能源車與燃料電池車均為國家重點推行的低能耗類型,其中新能源車已率先實現產業化, 于 2018 年起已建立超過 100 萬輛的市場規模,并已形成較為完備的產業鏈體系。但是 新能源車在滿足日常運輸需求上仍有較大痛點。一方面,續航焦慮使得新能源車通常難 以承擔長途旅行等需求,另一方面,充電時間長也是難點之一,家用日常充電往往需要 幾個小時方能充滿電。

                新能源車需求痛點在商用車上的體現尤其明顯,以卡車為例,中重卡對于中長途的需求 較為普遍,而且對于行駛經濟性的要求較高,續航少、充電等待時間等問題會較大程度 影響中重卡的經濟性,使得中重卡難以實現新能源化。當前中國新能源乘用化發展迅速, 而商用化仍然受阻,過去幾年新能源商用車在新能源內部滲透率快速下降,到了 2020 年占比僅有 9%,明顯低于商用車整體占汽車的 20%比重。
                燃料電池的三大優勢:能量密度(續航)高、“充電”快。與純電動車的痛點相比,燃料 電池車恰恰具有能量密度高、充電快等優勢,這個也是在新能源車逐漸普及的當前發展 燃料電池車的合理之處。

                能量密度高

                對于車輛而言,運輸效率是重要指標,而燃料的運輸效率通常與其比能有關,即單位質 量當中能量,比能越大的燃料,運輸效率越高,對應續航也越長。主流燃料當中氫燃料 比能達到 142MJ/KG,明顯高于汽油 46.4MJ/KG,鋰電池 1.8MJ/KG 等。從當前主流純 電動車型與燃料電池車型續航對比可見一斑,豐田 Mirai 在 2020 年 12 月發布了第二代 車型,WLTP 工況續航里程達到 850 公里,明顯高于同期純電動明星車型 Model Y、比 亞迪漢、ID.4.CROZZ 等。
                “充電”快

                燃料電池本質上可直接將燃料的化學能轉化為電能,無燃料燃燒過程,也不需要經過化學能-機械能-電能的轉化過程,燃料電池僅提供反應與發電場所,只要燃料和氧化劑被持續供給,在外加負載中就可以形成持續電流,不存在二次電池(充電電池)的充-放電循 環過程。因此,燃料電池實際上屬于發電裝置,而不是儲能裝置,燃料電池的“充電” 與燃油車加油類似,就是加氫,主流加氫過程通常持續時間不超過 10 分鐘(乘用車不 超過 5 分鐘),快捷有效。相對而言,鋰電池充電時間往往較長,即便是特斯拉超充站 通常也需要50分鐘-1個小時充滿全部電量,而家用充電的時常往往達到8個小時以上。

                另外,市場會擔心氫氣使用安全性的問題,實際上燃料電池的安全性能突出。

                市場通常覺得將氫氣作為燃料安全系數很低,因為氫氣容易爆炸,實則不然。燃料在空 氣中燃燒或者爆炸需要達到一定濃度,氫氣的燃燒濃度下限相對于汽油更高,爆炸濃度 下限更是遠超汽油,因此即便遇上火源燃燒或者爆炸可能性并不高。另一方面,氫氣相 比汽油、天然氣具有更大的逃逸能力和快速揮發性,因此在空氣中聚集一定濃度的氫氣 本就較為困難。

                根據美國邁阿密大學的試驗,即便發生泄漏燃燒事件,氫燃料車上只有漏出的氫氣在燃 燒,而且火勢向上延伸,并未影響到車體,相比之下汽油車因為汽油泄露在車身上而被 燃燒波及,并且汽油因為在空氣中難以揮發擴散,爆炸的可能性反而較大。
                三、從政府扶植到形成產業化,燃料電池步入發展快車道

                1.產業掣肘:規?;蛯е鲁杀靖?、基礎設施欠缺導致應用面窄

                成本高、基礎設施欠缺是制約燃料電池產業化的重要因素。燃料電池雖然具有諸多優勢, 是較為理想的運輸能源,但成本高與基礎設施欠缺是限制其產業化的兩座大山,2020 年 中國燃料電池車銷量僅 1177 輛,與新能源車的 136.7 萬輛形成了鮮明對比。

                成本高

                規?;潭鹊拖拗屏巳剂想姵禺a業盈利能力、研發投入與資本擴張,導致從上游制氫、 儲氫、加氫等環節再到中游零部件與整車制造環節成本過高,對于消費者的直觀體現就 是燃料電池車貴、用車費用高。以購置成本為例,2020 年中國燃料電池系統成本大概 約為 5000 元/kw,按乘用車適用的 60kw 電堆額定功率計算,則燃料電池系統成本達到 30 萬元,按通常燃料電池車當中電池價值量占比 50%-60%來計算,則燃料電池乘用車 成本達到 50-60 萬元,遠高于居民主流購車價格區間。

                豐田的第二代 Mirai 在日本本土補貼前售價 710-805 萬日元,即便扣除政府補貼+稅收 減免,售價仍然高達 540-665 萬元,與 Mirai 尺寸相近的凱美瑞同期售價僅 348-467 萬 日元,二者價格差距較大。

                 另外,從用車(加氫)成本來看,按 Mirai 氫氣罐儲氣 5kg,日本加氫價格 50 元人民幣 /kg(中國國內 30-80 元/kg),單次實際續航 650km 來計算,Mirai 每百公里成本約 40 元。相對應地,凱美瑞每百公里成本約 50 元(僅統計純汽油版更能代表燃油車普遍油 耗,百公里平均油耗 8L,油價 6.6 元/L),中國國內純電動代表車型比亞迪漢每百公里 成本僅需 10 元(按百公里平均電耗 15 度,度電成本 0.6-0.7 元)。由上可見,加氫成本 高使得燃料電池車在用車環節的經濟性并沒有明顯優勢,甚至相比新能源車劣勢明顯。

                技術差距較大、基礎設施欠缺

                燃料電池推廣難不僅體現在消費者購車、用車成本高,也體現在技術與基礎設施的不足, 技術方面與海外主流仍有一定差距,技術不足限制了燃料電池應用面的擴大,基礎設施 方面加氫站數量低不利于日常使用。

                根據香橙會研究院信息,截至 2020 年底中國加氫站僅有 118 座,與同期加油站 11.9 萬 座的規模差異懸殊,并且分布不均,僅廣東就有 30 座加氫站;按每座加氫站配備 1-2 個 加氫機來算,中國整體加氫機數量不超過 300 個,按每個加氫機配 2 個加氫槍來看中國 整體加氫槍數量不超過 600 個,與充電樁 168 萬個的規模也難以比擬。

                 限制加氫站的根本原因在于成本高,目前 35MPa 的加氫站,加注能力不等,投資規模 基本上都需要 1000 萬元以上(不含土地購置成本),相當于傳統加油站的 3 倍,特斯拉 超充站的 5 倍(單個超充站成本約 150-200 萬人民幣),除建設成本以外,設備維護、 運營等成本也同樣較高。

                2.短期支撐:政府指導與扶植驅動燃料電池產業化起步

                燃料電池受限于技術難度大、成本高,難以規?;?,短期來看產業化發展離不開政府的 扶植,國家層面也對燃料電池給予了重要指導與支持。

                指導方面,國家指定了燃料電池汽車路線圖,對涵蓋了氫燃料電池汽車的氫能供應鏈和 汽車關鍵系統技術鏈未來的發展目標均有了清晰規劃。

                路線圖明確了:

                1)量化了車用氫能需求,設立截至 2025 年加氫站建設目標 1000 座, 2030-2035 年為 5000 座;

                2)應用領域上表示燃料電池汽車以客車和城市物流車為切入領域,重點在可再生能源制氫和工業副產氫豐富的區域推廣中大型客車、物流車,逐步 推廣至重量大、長距離的中重卡、牽引車、港口拖車及乘用車等,實現氫燃料電池車更 大范圍的應用;

                3)推廣過程中,要求進一步提高燃料電池車低溫啟動、可靠耐久、使用 壽命等性能并降低整車成本,逐步擴大燃料電池系統產能,完善氫氣供應、運輸及加注 基礎設施建設。

                支持方面,強調以獎代補,重點扶植示范城市群氫燃料產業發展。

                2020 年 9 月,財政部、工信部、科技部、發改委、能源局五部委正式聯合發布《關于 開展燃料電池汽車示范應用的通知》,正式啟動了燃料電池“以獎代補”國家政策。

                1)扶植對象上,采取示范城市群的形式,城市間可跨省聯合申報;

                2)時間窗口上,為期 4 年時間;

                3)扶植方式上,以獎代補,強調以結果為導向,達到一定產業化標準后進行事后獎勵, 避免了行業“大水漫灌”式野蠻發展;

                4)扶植內容上,對燃料電池汽車推廣應用(含整車、零部件)與氫氣供應(加氫、制氫) 達到一定標準后均可享受積分補貼(積分對應獎勵金額)。

                3.長期驅動:降成本是關鍵,規?;c國產化并行

                政府扶植的主要目的在于短期內彌補燃料電池產業化早期造成的成本虧空,而長期來看 脫離政府幫助、形成產業自循環發展才是核心。氫燃料電池推廣難的根本原因之一在于 成本高,而降低成本的有效手段主要包括規?;c國產化。

                規?;兄谄綌倖挝怀杀?、加速技術迭代,是成本下降的關鍵因素

                根據 DOE 預測,燃料電池電堆年產 1000 套時系統、電堆成本分別為 215、153 美元 /kw,年產規模達到 10 萬套時系統、電堆成本分別可降低至 59、31 美元/kw,降幅超過 70%。(注:DOE 預測基于國外較為成熟的技術水平,初始成本比中國低)

                國產化同步進行,加速成本下探,追趕海外一流水平

                燃料電池產業鏈從上游制氫到中游零部件制造,中間涉及的環節數量眾多,其中從生產 成本角度來看,燃料電池系統占到整車成本的約 60%,而其中電堆占到燃料電池系統比 重的 60%,電堆當中催化劑、雙極板、質子交換膜等核心部件又占有相當比重。

                過去中國在燃料電池系統當中的關鍵原材料和零部件均依賴進口,例如空壓機、氫氣循 環泵、質子交換膜、催化劑、碳紙等,造成生產成本較高。近年來,隨著部分重要環節 國產化技術的突破,國產化替代帶來的成本下降空間巨大。當前中國除了電堆關鍵三大 材料(質子交換膜、催化劑、氣體擴散層)尚未突破以外,其他環節均實現了(程度不 等)的國產替代。未來隨著已突破環節國產化應用提升、難點環節國產技術攻克,中國 燃料電池成本有望實現持續快速下降。

                規?;?國產化助力成本快速下降,根據中國氫能聯盟估計,到 2025、2035 年燃料電 池系統成本分別有望降低至 4000 元/kw、800 元 kw。
                4.規模展望:由商至乘,產業化有望加速

                應用路徑:先商后乘,逐步擴大應用面

                燃料電池當前應用場景以客車、貨車為主。從當前氫燃料電池應用場景來看,以 2019 年為標準,中國國內燃料電池車終端銷售共計 3190 輛,其中貨車 2014 輛,客車 1176 輛,無乘用車。貨車當中均為中型貨車,具體包括廂式運輸車與保溫車,客車當中大中 輕客車均有應用,城市公交、公路運營均有包含。(注:之所以不用 2020 年是因為 2020 年因疫情以及政策調整等因素,各區域燃料電池政策進度放緩,銷量分布或不如 2019 年更能體現真實產業化情況。)

                我們認為當前燃料電池在貨車、客車領域優先推廣背后原因在于:

                1)商用車領域純電 動車所面臨的續航、“充電”等問題,燃料電池將有更好表現(前文中有提到),未來燃 料電池經濟性或更優;

                2)乘用車領域純電動車已形成較為完備的產業鏈與應用場景, 短期來看燃料電池在各地推廣取代純電動車的難度較大。
                展望未來,我們認為短期內燃料電池的產業化發展仍將以商用車為主,其中中重型商用車為應用主體。受限于加氫站基礎設施的布點數量較少,早期加氫站分布于城市固定站 點、干線站點等區域,便于城市內客車/物流運營、城市間干線運輸等商用車形成早期產 業化。從國家以獎代補政策來看,2020 年乘用車、中小型商用車、大型商用車、重型貨 車的單車補貼上限分別為 25、20、36、40-55 萬元,在大型商用車領域補貼金額明顯更高。
                從未來大規模產業化時間節點來看,中重型商用車、乘用車達成與純電動車經濟性平價 的時間點分別在 2025-2030 年、2035-2040 年。如果引入全生命周期持有成本(TCO, 包含購置、維護、用車成本)來看,根據中國氫能聯盟預測,客車/大型貨車/物流車的 TCO有望于2025-2030年間率先降低至與純電動車型相當的水平,往后成本優勢凸顯, 其應用有望從商用車領域率先擴散;乘用車 TCO 有望于 2035 年起與純電動車差距縮 短至 0.1 元/km 以內,成為消費者可接受成本的類型之一。

                預計 2025、2030 年中國燃料電池車銷量分別達到 6.4、35.1 萬輛。2020 年中國燃料電 池汽車銷量為 1497 輛,全部是中大型商用車。我們假設未來中國乘用車、中大型商用 車每年復合增速為 2%,假定 2025、2030 年燃料電池中大型商用車/乘用車滲透率分別 為 2%/0.1%、10%/0.5%,預計 2025、2030 年中國燃料電池汽車銷量分別達到 6.4、 35.1 萬輛,其中中大型商用車/乘用車銷量分別為 4.1/2.2、22.9/12.3 萬輛。

                從燃料電池系統價值量來看,預測 2025、2030 年單價分別為 3000、1500 元/kw,隨著 技術進步,系統額定功率持續快速提升至 100、150kw,則單車價值量分別為 30、22.5 萬元,預測到 2025、2030 年燃料電池系統市場規模分別為 191.0、790.8 億元。
                四、國產化格局:各環節技術逐步突破,國產替代空間廣大

                中國國產化進度在各產業鏈環節有所不同。中國本土企業在燃料電池諸多環節已實現了 自主可控,但仍有例如電堆核心材料等領域尚未實現規模量產突破,或者在技術層面與 國際廠商仍有一定差異。

                電堆系統:國產電堆出貨量占比超過一半,但與國際廠商技術差距仍然較大

                電堆是發生電化學反應的場所,也是燃料電池動力系統核心部分,由多個單體電池以串 聯方式層疊組合構成。將雙極板與膜電極交替疊合,各單體之間嵌入密封件,經前、后 端板壓緊后用螺桿緊固拴牢,即構成燃料電池電堆。

                電堆系統國際廠商主要有 Ballard、Hydrogenics,本土廠商主要有攀業氫能、重塑股份、億華通、 新源動力、捷氫科技、弗爾賽、未勢能源等。
                雖然本土電堆市場份額已取得領先優勢,但從技術來看仍與海外有一定差距,具體體現 在電堆功率、電池系統耐久性、產品穩定性等方面,未來仍需加速追趕。

                催化劑:海外巨頭占據約80%份額

                燃料電池催化劑性能要求高,國內仍優先采購海外產品。催化劑的作用在于促進氧化劑 和氫氣的反應,使電子離開氫原子。催化劑對活性、穩定性、耐久性等各項性能指標要 求很高,需要經歷長期的使用過程,才能慢慢形成可以規?;a的商用產品,現階段 國內燃料電池選用催化劑會優先選擇應用國外已經通過驗證的催化劑,主要是高質量活 性、低鉑載量的催化劑;同時去測試國產催化劑。

                從催化劑格局來看,根據高工產研數據,2019 年國內有燃料電池催化劑企業 15 家,中 國燃料電池汽車主要使用日本田中貴金屬(TANAKA)和英國莊信萬豐(Johnson Matthey) 的催化劑,國內氫燃料電池催化劑市場主要被國外企業占據,約占市場 75%-82%份額, 國內主要企業仍處于小批量生產或研發階段。

                質子交換膜:科慕一家獨大,占據絕大部分市場份額

                燃料電池催化劑性能要求高,國內仍優先采購海外產品。質子交換膜是質子交換膜燃料 電池的核心組件,其好壞決定著燃料電池的壽命。質子交換膜最大的功能則是傳輸質子, 保證質子通過,并將電子、氫分子、水分子等攔截下來,是電堆的壽命、性能等指標的 基礎保障。

                當前市場核心技術主要掌握在美國科慕(原杜邦分拆出來)手中,科慕占據了全球絕大 多數份額,其所生產的 Nafion 膜片,該種膜片具有質子電導率高和化學穩定性好等優 點。國內市場方面,當前僅有東岳集團實現了小規模量產,為了獲得穩定而廉價的燃料 電池,質子交換膜是最大的瓶頸和未來必須突破的領域。

                氣體擴散層(GDL):海外壟斷,國內僅小批量試驗

                氣體擴散層國內尚未產業化。氣體擴散層(GDL)包括基底層(BL)和覆蓋在其上的表 面涂層微孔層(MPL),是質子交換膜燃料電池(PEMFC)的重要組成部分,對燃料電 池的性能好壞起著至關重要的作用。目前,氣體擴散層技術相對成熟,碳纖維紙憑借制 造工藝成熟、性能穩定、成本相對較低和適于再加工等優點,成為氣體擴散層商業化的 首選基底材料。

                格局方面,氣體擴散層核心材料碳紙被海外壟斷,龍頭主要是日本東麗、加拿大巴拉德 動力系統及德國 SGL 三家企業,國內在該領域尚沒有商業化產品,亟需開發自主可控 的擴散層產品。目前,中南大學正持續開展燃料電池用碳紙的研究,江蘇天鳥高新技術 股份有限公司基于碳纖維產品進行碳紙研發。

                雙極板:本土企業主要突破金屬雙極板,性能有待追趕石墨雙極板

                國產金屬雙極板份額快速提升。雙極板又叫流場板,是電堆中的“骨架”,與膜電極層疊 裝配成電堆,在燃料電池中起到支撐、收集電流、分配氣體的重要作用。雙極板根據材 料可分為石墨雙極板(或含復合材料)與金屬雙極板,其中石墨雙極板是目前國內主流 雙極板,導電性、導熱性、穩定性和耐腐蝕性等性能較好;金屬雙極板相對于石墨雙極 板而言可以減小重量和體積,對于汽車應用而言,輕質薄金屬板可提高功率密度,但是 其耐久性有待進一步驗證。

                隨著金屬雙極板的性能逐漸提升,其市場份額迎來快速提升。高工產研數據顯示,2020 年石墨雙極板,市場規模占比高達 65%,仍然是市場主流術,金屬雙極板用量快速增長, 市場占比達 35%,相比 2019 年提升了 13 個百分點。國內金屬雙極板技術領先的企業有新源動力、上海佑戈、捷氫科技、未勢能源等。

                氫氣循環泵:海外壟斷,國內技術仍然不成熟

                氫氣循環泵是氫燃料電池發動機的關鍵零部件,發揮著提高燃料利用率、確保氫安全(氫 氣溢出在外界環境中引起不安全因素)等重要作用。對于氫氣循環泵而言,要做到密封設 計好(氫氣容易泄露)、耐水性強(經過電堆反應后剩余的氫氣帶有少量水蒸氣)、流量 大(適應大功率電堆)、壓力輸出穩定(低壓轉為高壓)、無油(保證氫氣純度)等,技 術難度較大。

                技術較為成熟的企業主要有美國 Park,開發出氫氣循環泵可用于不同的氫燃料電池汽 車,國內尚無替代品。目前國內涉足氫氣循環泵的本土企業有雪人股份、漢鐘精機、濟 南思明特、浙江恒友、伯肯子公司北京蘭天達等,但是受制于氫氣密封和水汽腐蝕和沖 擊等,問題適配 60kW 及以上電堆的大流量氫氣循環泵都不成熟。

                空氣壓縮機:國產空壓機市場份額已超過90%

                空壓機主要作用是為電堆提供適量適壓的氧氣。在工程實際中,除了電堆之外,空壓機 往往是最需要解決的瓶頸。哪一種空壓機更適合燃料電池,需要驗證其在變工況、冷啟 動、振動、啟停等方面的優異性和可靠性,該過程需要大量樣本和時間。

                根據高工產研數據,空壓機是燃料電池關鍵部件中國產化程度較高的一款,2020 年國 產空壓機市場份額超過 90%。2020 年國內市場空壓機供應商主要有勢加透博、金士頓 科技、東德實業等。

                儲氫瓶:35MPa儲氫瓶國產廣泛使用,70MPa儲氫瓶量產早期

                儲氫瓶顧名思義主要起到儲存氫氣的作用,anzhao 材質/纏繞方式可分為從 I 型到 V 型 5 種形式,其中目前中國國內應用較多的是 III 型 35MPa 儲氫瓶,國外應用較多的是 IV 型 70MPa 儲氫瓶。國外之所以用 IV 型氫瓶,主要因為國外技術逐漸成熟背景下,IV 型 瓶基體采用塑料材料,具有重量輕、成本低、質量儲氫密度大等優點,是乘用車應用更 優選擇(重卡等領域國外也用 III 型儲氫瓶);國內以 35MPa 儲氫瓶為主主要仍然受制 于技術尚未突破。

                雖然目前國內 70MPa 高壓儲氫瓶還未真正裝車上路,國內已有 6 家領先企業正在研發 或已具備量產 70MPaⅢ型甚至 IV 型瓶能力,并開始配合車企展開上車實驗,分別是科 泰克、未勢能源、天海工業、中材科技、富瑞氫能、斯林達,其中未勢能源已于近期發 布了 70MPa IV 型瓶技術。

                五、國內汽車板塊5家上市公司氫能布局情況

                長城汽車(未勢能源發布“1+3+5”領先氫檸技術)

                2021 年 3 月 29 日,長城汽車發布全球氫能戰略發布會,不僅構建了國際級“制-儲-運加-應用”一體化供應鏈生態,打破核心技術壁壘,還聯通上下游產業鏈,加速氫能商業 化推廣。此外,氫能戰略還推出了一套國際領先的車規級“氫動力系統”全場景解決方案 —氫檸技術。

                長城汽車氫檸技術是一套國際領先的車規級“氫動力系統”全場景解決方案,總結為 “1+3+5”, 即 1 整套車規級研發體系,3 大技術平臺和 5 大性能優勢:

                1)“1”是指 1 整套車規級研發體系是氫檸技術的根本,它包含 100 多項企業標準,500 多項硬件需求,5000 多項軟件需求,數千項檢測和數萬次試驗。并可根據氫能整車需 求從上至下快速定義、分解、仿真和設計燃料電池發動機系統、零部件和材料,并通過 試制試驗從而確保產品的高性能、高質量和低成本。

                2)“3”是指氫電平臺(HE)、電堆平臺(HS)、儲氫平臺(HP)3 大技術平臺是氫檸技 術的核心。其中氫電平臺(HE)具有可靠性、耐久性,安全性,環境適應性、大功率, 高功率密度的特點。電堆平臺(HS)已開發完成第一代單堆額定功率 150kW,峰值功 率 160kW 燃料電池金屬板電堆,功率密度達到 4.2kW/L 以上。儲氫平臺(HP)包括 70MPa IV 型儲氫瓶、70MPa 瓶口閥和減壓閥,以及儲氫系統的集成和控制。

                3)“5”是指未來五年,長城汽車將重點圍繞燃料電池系統全面走向‘五高’,即:高功 率(>200kW),高效率(>60%),高溫度(>100℃),高耐久(>20000 小時)和高互聯(新能 源+智能網聯)。

                濰柴動力(戰略投資與合作燃料電池電堆、空壓機等關鍵領域)

                濰柴動力對于氫燃料的布局主要可分為 2 個板塊。

                1) 濰柴動力最早于 2018 年 11 月以 1.64 億美元認購了 Ballard(巴拉德)19.9%股權, 成為巴拉德第一大股東,后者是全球氫燃料電池領軍企業,主要從事設計、開發、 制造、銷售可應用于不同領域的質子交換膜燃料電池產品并提供技術服務,產品和 工程服務主要應用于重型動力系統,包括客車、卡車、輕軌和船舶等。巴拉德在全球 主要市場,包括美國、歐洲、中國、日本等市場均有領先的客戶。

                同日,濰柴動力與巴拉德簽署《研發合作協議》,并且后續成立了濰柴巴拉德氫能科 技有限公司(濰柴控股 51%),具體合作內容如下:濰柴巴拉德與加拿大巴拉德聯 合開發下一代質子交換膜燃料電池電堆,以及應用于客車、商用卡車和叉車的下一 代質子交換膜燃料電池模組。濰柴巴拉德為聯合開發提供工程服務、市場需求信息 等相關支持,加拿大巴拉德為聯合開發提供技術研發服務。

                2) 2021 年 3 月濰柴動力宣布與瑞士飛速集團戰略合作,投資入股其燃料電池空壓機 業務并在中國設立合資公司,共同打造成為全球領先的燃料電池空壓機提供商。在 此之前,濰柴動力已戰略投資氫燃料電池全球領導者巴拉德,通過本次戰略合作, 濰柴動力將進一步縱向延伸燃料電池產業鏈布局,提高燃料電池動力總成的核心競 爭力。

                宇通客車(客車領域燃料電池龍頭)

                公司早在 2009 年便開始研發燃料電池客車,近年來,通過燃料電池客車整車集成與控 制、動力系統匹配等關鍵技術突破,宇通氫燃料電池客車已經完成多代產品開發,2019 年宇通實現 232 臺燃料電池客車銷售。

                上汽集團(捷氫科技燃料電池電堆與系統實現量產)

                上汽集團(直接+間接)持股 90%下的捷氫科技主要提供燃料電池產品及工程服務,已 完成多款燃料電池電堆和系統的產品開發,功率涵蓋 30kW~140kW 以上,并廣泛應用 于乘用車、輕型客車、城市客車和輕中重型卡車等諸多領域。2020 年公司燃料電池電 堆和系統累計銷量近 450 臺套,配套車型近 20 款。

                2020 年 3 月,捷氫科技上海新園區項目于嘉定氫能港正式開工。建成后園區將實現研 發辦公、測試驗證、生產制造、氫氣供應四大功能,預計一期產能將達到 12,000 臺套/ 年。
                亞普股份(國內儲氫瓶業務領先企業)

                公司作為全球第一陣營的塑料燃料系統集成供應商,在乘用車塑料儲能領域內積累了豐 富的研發經驗,正在研發 IV 型 70Mpa 儲氫氣瓶,有以下技術優勢:

                1)容量大:存儲氫氣壓力達 70MPa, 且內膽壁厚相對更薄,因此相同外徑下存儲容量 更大;

                2)重量輕:內膽材料高分子聚合物,重量更輕,具有更高的儲氫質量比;

                3)耐疲勞:內膽材料為高聚物,耐溫度和壓力交變性能更好,因此具有長壽命的優勢;

                4)更安全:即使爆破也無碎片飛出,減輕事故傷害能力、無氫脆問題,維檢簡便;

                5)耐腐蝕:IV 型瓶對于環境腐蝕的敏感度更低。

                公司在年報中披露預計于 2023 年完成大容積儲氫瓶商用化應用的準備。

                上海攀業氫能源科技有限公司(Pearl Hydrogen Co.,Ltd.)成立于2006年1月,致力于氫能電源產品的研發、生產和銷售的高科技企業。作為國內燃料電池研發和生產的領先者,攀業匯集了近20年的燃料電池領域的頂尖技術及開發經驗,擁有一流的研發團隊和自主研發的國內領先的核心技術,是中國領先的燃料電池產品與氫能源綜合應用解決方案的供應商。

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