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燃料电池进入快车道,产业链优质环节迎发展机遇-攀业氢能
2021/5/10 10:59:18

国家制定“碳达峰”、“碳中和”长期方向,节能减排是重要碳“减法”,未来交通领域的能源转型是关键,尤其有望在高排放高污染的中重型商用车上加速推行。氢能源作为零污染清洁能源,未来应用面有望持续扩大。作为氢能源在交通领域的应用载体, 。燃料电池燃料电池相比传统燃油、纯电动具有能效高、排放低等优势,有望迎来长期发展。

商用车市场优势凸显,燃料电池有望优先放量

长期来看新能源车与燃料电池车均是能源转型重要发展方向。中国新能源车在乘用化领 域已逐渐形成完备的产业链与技术,未来有望持续普及;但在商用车领域,新能源车仍 然面临续航较短、充电时间长等使用经济性痛点,而这恰恰是燃料电池车的优势所在。 与新能源车相互补足共同发展,未来燃料电池车有望在商用车领域优先切入应用。

从政府扶植到形成产业化,燃料电池步入发展快车道

当前燃料电池产业化程度仍然偏低,核心掣肘在于规模化低导致成本过高、基础设施不 完善限制市场应用。汽车领域新技术的推广往往需要规模、技术、基础设施的前置,因 此短期内政府扶植是产业化起步关键,我国推行示范城市群以奖代补政策,着重奖励燃 料电池车与核心零部件的推广、氢能供应链的完善,未来燃料电池产业化有望健康起步; 长期来看,降低成本是产业化提速关键,规模化与国产化并行将推动我国燃料电池产业 化加速。我们预计到 2025/2030 年中国燃料电池车销量分别达到 6.4/35.1 万辆水平。

国产化格局:各环节技术逐步突破,国产替代空间广大

海外燃料电池产业起步早,技术相比中国国内仍有较大优势,具体体现在多个产业链重 要环节,但中国凭借技术突破,已实现一定程度国产替代。具体来看,中国本土企业在 电池/电堆总成、双极板、空压机、储氢瓶等领域已实现量产突破,但与海外仍有技术差 距,在电堆关键材料(催化剂、质子交换膜、气体扩散层)等方面仍在市场化探索。当 前中国已有整车与零部件龙头布局燃料电池,技术与产品迎来良好起步,未来随着技术 的加速追赶,中国国产化有望迎来更大发展空间。

一、“碳中和”国策加快能源转型,燃料电池是重点方向

“碳达峰”、“碳中和”成为今年两会以来国家重点工作以及市场热点之一,两会期间政 府工作报告将“做好碳达峰、碳中和工作”列为 2021 年重点任务之一,另外,“十四五” 规划也将加快推动绿色低碳发展列入其中。

什么是“碳达峰”、“碳中和”?“碳达峰”是指二氧化碳排放总量达到峰值,且此后开 始逐年减少。“碳中和”是指企业、团体或个人在一定时间内直接或间接产生的温室气体 排放总量,通过植树造林、节能减排等形式抵消自身产生的二氧化碳排放,实现二氧化 碳的“零排放”。整体而言,“碳达峰”是为最终实现碳中和的阶段性目标和任务。

“碳中和”是中国对世界的承诺,也是 2021 年及十四五规划的工作重点。2020 年 9 月 22 日,第 75 届联大一般性辩论上的讲话中宣示,“将提高国家 自主贡献力度,采取更加有力的政策和措施,二氧化碳排放力争于 2030 年前达到峰值, 努力争取 2060 年前实现碳中和”。“碳达峰”、“碳中和”虽然是中长期目标,却也是当 前的工作重点,2020 年中央经济工作会议将“做好碳达峰、碳中和工作”作为 2021 年 要抓好的重点任务,提出“要抓紧制定 2030 年前碳排放达峰行动方案,支持有条件的 地方率先达峰”。

“减法”助力实现“碳中和”,优化能源结构是重中之重。实现“碳中和”必需做好“减 法”和“加法”,一方面是减少二氧化碳等温室气体的排放,另外一方面是增加碳汇、发 展碳捕集和封存技术等,最终实现排放量和吸收量的平衡,达到碳中和。短中期来看, 或者说为达到“碳达峰”的目标,或将主要依靠“减法”,即减少碳排放。从当前我国能 源消费结构来看,原煤占比是最高的,达到 58%左右,煤炭消费占比高与我国资源禀赋 相关,但也导致了大量的碳排放,煤炭也是我国碳排放量占比最大的能源类型,未来能 源消费结构的调整或将是中短期内的任务重点。

汽车领域排放问题在中重型车辆上尤其明显,将是“碳中和”的重点领域。根据中国温 室气体排放相关数据,2014 年交通运输温室气体排放量约为 8.2 亿吨二氧化碳当量, 其中接近 50%由中重型商用车产生,然而同期中重型商用车保有量仅占汽车保有量的 6.7%,可见中重型商用车是排放的重灾区,也将是“碳中和”优化能源结构的重点领域。

发展氢能是优化能源结构的重要方向。

1)氢能作为二次能源,可从化石能源当中获取, 有助于煤炭等一次能源高效利用,另外,通过电解水制取,也可增加电力系统灵活性, 有助于形成可持续高弹性的创新型多能互补系统;

2)在提高能源安全方面,氢能有助 于大幅减少中国交通运输领域石油和天然气的消费总量,降低能源对外依存度并提升大 气质量;

3)应对气候变化方面,氢能有助于引导大量可再生能源从电力部门流向交通 运输、工业和建筑等终端使用部门,从而实现深度脱碳。

交通领域将是氢能消费的重要突破口,根据中国氢能联盟预测,到 2050 年交通领域氢 能消费可达 2458-4178 万吨/年,占交通领域整体用能的 19%-28%。

燃料电池是氢能在交通领域的重要应用方式,兼具能效高、排放低等优势。氢燃料电池 车作为氢能在交通领域的主要使用途径,相比传统燃油车、新能源车(纯电动)在能效 利用率、碳排放等方面均具有一定优势。

1) 能效利用率方面,根据中国电动汽车百人会相关资料,引入 Well-to-Wheel(从油 井到车轮,即能源生产到交通使用过程中的能耗)分析,燃料电池汽车整体能效转 化率达到 40%,高于纯电动与传统汽油车。(注:此处默认氢气制取方式为天然气 制氢,能效转化率高,中国当前仍以煤制氢为主,能效转化率较低,但未来也有望 持续向天然气制氢过渡);

2) 碳排放方面,根据德勤相关资料,通过衡量各能源类型车辆全产业链(包括从能源 制取、到核心零部件生产、到车辆使用过程排放再到车辆报废处理)当中平均二氧 化碳排放水平来看,燃料电池平均排放水平为 130-230g/km,低于电动车的 160- 250g/km 与传统燃油车的 180-270g/km。

国家政策为燃料电池发展保驾。国家层面从过去以来持续提出扶植燃料电池产业发展, 从早期补贴到当期的以奖代补,燃料电池有望逐步进入产业化加速阶段。

二、商用车市场优势凸显,燃料电池有望优先放量

燃料电池(Fuel Cell) 是通过氧化还原化学反应,将燃料及氧化剂中蕴含的化学能转换为 电能的装置,以氢气作为阳极反应气体的燃料电池在近年来取得了较大的发展。

燃料电池基本结构主要是由四部分组成,分别为阳极、阴极、电解质和外部电路。通常 阳极为氢电极,阴极为氧电极。阳极和阴极上都需要含有一定量的电催化剂,用来加速 电极上发生的电化学反应,两电极之间是电解质。

氢气首先进入燃料电池的阳极,然后氢气与覆盖在阳极上的催化剂反应,释放电子形成 带正电荷的氢离子即质子;氢离子穿过电解液到达阴极。电子流入电路,形成电流,产 生电能。在阴极,催化剂使氢离子与空气中的氧结合形成反应的唯一副产品——水。燃 料电池的阴阳极反应和总反应分别为:

阳极:H2 → 2H++2e-;

阴极:1/2 O2+2H++2e-→H2O;

总反应:H2+1/2O2 →H2O。

质子交换膜燃料电池是车用主流技术。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、烙融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池,其中酸性燃料电池可分为 PEMFC(质子交换膜)、直接醇类燃料电池和磷酸燃料电池。

PEMFC 具有可低温下快速启动和工作、无电解液流失、寿命长、比功率与比能量高等 突出优点,被认为是将来替代内燃机作为汽车动力电源最理想方案。

新能源车仍有消费痛点:续航焦虑、充电时间长,商用车上应用尤其受阻。当前阶段新 能源车与燃料电池车均为国家重点推行的低能耗类型,其中新能源车已率先实现产业化, 于 2018 年起已建立超过 100 万辆的市场规模,并已形成较为完备的产业链体系。但是 新能源车在满足日常运输需求上仍有较大痛点。一方面,续航焦虑使得新能源车通常难 以承担长途旅行等需求,另一方面,充电时间长也是难点之一,家用日常充电往往需要 几个小时方能充满电。

新能源车需求痛点在商用车上的体现尤其明显,以卡车为例,中重卡对于中长途的需求 较为普遍,而且对于行驶经济性的要求较高,续航少、充电等待时间等问题会较大程度 影响中重卡的经济性,使得中重卡难以实现新能源化。当前中国新能源乘用化发展迅速, 而商用化仍然受阻,过去几年新能源商用车在新能源内部渗透率快速下降,到了 2020 年占比仅有 9%,明显低于商用车整体占汽车的 20%比重。
燃料电池的三大优势:能量密度(续航)高、“充电”快。与纯电动车的痛点相比,燃料 电池车恰恰具有能量密度高、充电快等优势,这个也是在新能源车逐渐普及的当前发展 燃料电池车的合理之处。

能量密度高

对于车辆而言,运输效率是重要指标,而燃料的运输效率通常与其比能有关,即单位质 量当中能量,比能越大的燃料,运输效率越高,对应续航也越长。主流燃料当中氢燃料 比能达到 142MJ/KG,明显高于汽油 46.4MJ/KG,锂电池 1.8MJ/KG 等。从当前主流纯 电动车型与燃料电池车型续航对比可见一斑,丰田 Mirai 在 2020 年 12 月发布了第二代 车型,WLTP 工况续航里程达到 850 公里,明显高于同期纯电动明星车型 Model Y、比 亚迪汉、ID.4.CROZZ 等。
“充电”快

燃料电池本质上可直接将燃料的化学能转化为电能,无燃料燃烧过程,也不需要经过化学能-机械能-电能的转化过程,燃料电池仅提供反应与发电场所,只要燃料和氧化剂被持续供给,在外加负载中就可以形成持续电流,不存在二次电池(充电电池)的充-放电循 环过程。因此,燃料电池实际上属于发电装置,而不是储能装置,燃料电池的“充电” 与燃油车加油类似,就是加氢,主流加氢过程通常持续时间不超过 10 分钟(乘用车不 超过 5 分钟),快捷有效。相对而言,锂电池充电时间往往较长,即便是特斯拉超充站 通常也需要50分钟-1个小时充满全部电量,而家用充电的时常往往达到8个小时以上。

另外,市场会担心氢气使用安全性的问题,实际上燃料电池的安全性能突出。

市场通常觉得将氢气作为燃料安全系数很低,因为氢气容易爆炸,实则不然。燃料在空 气中燃烧或者爆炸需要达到一定浓度,氢气的燃烧浓度下限相对于汽油更高,爆炸浓度 下限更是远超汽油,因此即便遇上火源燃烧或者爆炸可能性并不高。另一方面,氢气相 比汽油、天然气具有更大的逃逸能力和快速挥发性,因此在空气中聚集一定浓度的氢气 本就较为困难。

根据美国迈阿密大学的试验,即便发生泄漏燃烧事件,氢燃料车上只有漏出的氢气在燃 烧,而且火势向上延伸,并未影响到车体,相比之下汽油车因为汽油泄露在车身上而被 燃烧波及,并且汽油因为在空气中难以挥发扩散,爆炸的可能性反而较大。
三、从政府扶植到形成产业化,燃料电池步入发展快车道

1.产业掣肘:规模化低导致成本高、基础设施欠缺导致应用面窄

成本高、基础设施欠缺是制约燃料电池产业化的重要因素。燃料电池虽然具有诸多优势, 是较为理想的运输能源,但成本高与基础设施欠缺是限制其产业化的两座大山,2020 年 中国燃料电池车销量仅 1177 辆,与新能源车的 136.7 万辆形成了鲜明对比。

成本高

规模化程度低限制了燃料电池产业盈利能力、研发投入与资本扩张,导致从上游制氢、 储氢、加氢等环节再到中游零部件与整车制造环节成本过高,对于消费者的直观体现就 是燃料电池车贵、用车费用高。以购置成本为例,2020 年中国燃料电池系统成本大概 约为 5000 元/kw,按乘用车适用的 60kw 电堆额定功率计算,则燃料电池系统成本达到 30 万元,按通常燃料电池车当中电池价值量占比 50%-60%来计算,则燃料电池乘用车 成本达到 50-60 万元,远高于居民主流购车价格区间。

丰田的第二代 Mirai 在日本本土补贴前售价 710-805 万日元,即便扣除政府补贴+税收 减免,售价仍然高达 540-665 万元,与 Mirai 尺寸相近的凯美瑞同期售价仅 348-467 万 日元,二者价格差距较大。

 另外,从用车(加氢)成本来看,按 Mirai 氢气罐储气 5kg,日本加氢价格 50 元人民币 /kg(中国国内 30-80 元/kg),单次实际续航 650km 来计算,Mirai 每百公里成本约 40 元。相对应地,凯美瑞每百公里成本约 50 元(仅统计纯汽油版更能代表燃油车普遍油 耗,百公里平均油耗 8L,油价 6.6 元/L),中国国内纯电动代表车型比亚迪汉每百公里 成本仅需 10 元(按百公里平均电耗 15 度,度电成本 0.6-0.7 元)。由上可见,加氢成本 高使得燃料电池车在用车环节的经济性并没有明显优势,甚至相比新能源车劣势明显。

技术差距较大、基础设施欠缺

燃料电池推广难不仅体现在消费者购车、用车成本高,也体现在技术与基础设施的不足, 技术方面与海外主流仍有一定差距,技术不足限制了燃料电池应用面的扩大,基础设施 方面加氢站数量低不利于日常使用。

根据香橙会研究院信息,截至 2020 年底中国加氢站仅有 118 座,与同期加油站 11.9 万 座的规模差异悬殊,并且分布不均,仅广东就有 30 座加氢站;按每座加氢站配备 1-2 个 加氢机来算,中国整体加氢机数量不超过 300 个,按每个加氢机配 2 个加氢枪来看中国 整体加氢枪数量不超过 600 个,与充电桩 168 万个的规模也难以比拟。

 限制加氢站的根本原因在于成本高,目前 35MPa 的加氢站,加注能力不等,投资规模 基本上都需要 1000 万元以上(不含土地购置成本),相当于传统加油站的 3 倍,特斯拉 超充站的 5 倍(单个超充站成本约 150-200 万人民币),除建设成本以外,设备维护、 运营等成本也同样较高。

2.短期支撑:政府指导与扶植驱动燃料电池产业化起步

燃料电池受限于技术难度大、成本高,难以规模化,短期来看产业化发展离不开政府的 扶植,国家层面也对燃料电池给予了重要指导与支持。

指导方面,国家指定了燃料电池汽车路线图,对涵盖了氢燃料电池汽车的氢能供应链和 汽车关键系统技术链未来的发展目标均有了清晰规划。

路线图明确了:

1)量化了车用氢能需求,设立截至 2025 年加氢站建设目标 1000 座, 2030-2035 年为 5000 座;

2)应用领域上表示燃料电池汽车以客车和城市物流车为切入领域,重点在可再生能源制氢和工业副产氢丰富的区域推广中大型客车、物流车,逐步 推广至重量大、长距离的中重卡、牵引车、港口拖车及乘用车等,实现氢燃料电池车更 大范围的应用;

3)推广过程中,要求进一步提高燃料电池车低温启动、可靠耐久、使用 寿命等性能并降低整车成本,逐步扩大燃料电池系统产能,完善氢气供应、运输及加注 基础设施建设。

支持方面,强调以奖代补,重点扶植示范城市群氢燃料产业发展。

2020 年 9 月,财政部、工信部、科技部、发改委、能源局五部委正式联合发布《关于 开展燃料电池汽车示范应用的通知》,正式启动了燃料电池“以奖代补”国家政策。

1)扶植对象上,采取示范城市群的形式,城市间可跨省联合申报;

2)时间窗口上,为期 4 年时间;

3)扶植方式上,以奖代补,强调以结果为导向,达到一定产业化标准后进行事后奖励, 避免了行业“大水漫灌”式野蛮发展;

4)扶植内容上,对燃料电池汽车推广应用(含整车、零部件)与氢气供应(加氢、制氢) 达到一定标准后均可享受积分补贴(积分对应奖励金额)。

3.长期驱动:降成本是关键,规模化与国产化并行

政府扶植的主要目的在于短期内弥补燃料电池产业化早期造成的成本亏空,而长期来看 脱离政府帮助、形成产业自循环发展才是核心。氢燃料电池推广难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规模化与国产化。

规模化有助于平摊单位成本、加速技术迭代,是成本下降的关键因素

根据 DOE 预测,燃料电池电堆年产 1000 套时系统、电堆成本分别为 215、153 美元 /kw,年产规模达到 10 万套时系统、电堆成本分别可降低至 59、31 美元/kw,降幅超过 70%。(注:DOE 预测基于国外较为成熟的技术水平,初始成本比中国低)

国产化同步进行,加速成本下探,追赶海外一流水平

燃料电池产业链从上游制氢到中游零部件制造,中间涉及的环节数量众多,其中从生产 成本角度来看,燃料电池系统占到整车成本的约 60%,而其中电堆占到燃料电池系统比 重的 60%,电堆当中催化剂、双极板、质子交换膜等核心部件又占有相当比重。

过去中国在燃料电池系统当中的关键原材料和零部件均依赖进口,例如空压机、氢气循 环泵、质子交换膜、催化剂、碳纸等,造成生产成本较高。近年来,随着部分重要环节 国产化技术的突破,国产化替代带来的成本下降空间巨大。当前中国除了电堆关键三大 材料(质子交换膜、催化剂、气体扩散层)尚未突破以外,其他环节均实现了(程度不 等)的国产替代。未来随着已突破环节国产化应用提升、难点环节国产技术攻克,中国 燃料电池成本有望实现持续快速下降。

规模化+国产化助力成本快速下降,根据中国氢能联盟估计,到 2025、2035 年燃料电 池系统成本分别有望降低至 4000 元/kw、800 元 kw。
4.规模展望:由商至乘,产业化有望加速

应用路径:先商后乘,逐步扩大应用面

燃料电池当前应用场景以客车、货车为主。从当前氢燃料电池应用场景来看,以 2019 年为标准,中国国内燃料电池车终端销售共计 3190 辆,其中货车 2014 辆,客车 1176 辆,无乘用车。货车当中均为中型货车,具体包括厢式运输车与保温车,客车当中大中 轻客车均有应用,城市公交、公路运营均有包含。(注:之所以不用 2020 年是因为 2020 年因疫情以及政策调整等因素,各区域燃料电池政策进度放缓,销量分布或不如 2019 年更能体现真实产业化情况。)

我们认为当前燃料电池在货车、客车领域优先推广背后原因在于:

1)商用车领域纯电 动车所面临的续航、“充电”等问题,燃料电池将有更好表现(前文中有提到),未来燃 料电池经济性或更优;

2)乘用车领域纯电动车已形成较为完备的产业链与应用场景, 短期来看燃料电池在各地推广取代纯电动车的难度较大。
展望未来,我们认为短期内燃料电池的产业化发展仍将以商用车为主,其中中重型商用车为应用主体。受限于加氢站基础设施的布点数量较少,早期加氢站分布于城市固定站 点、干线站点等区域,便于城市内客车/物流运营、城市间干线运输等商用车形成早期产 业化。从国家以奖代补政策来看,2020 年乘用车、中小型商用车、大型商用车、重型货 车的单车补贴上限分别为 25、20、36、40-55 万元,在大型商用车领域补贴金额明显更高。
从未来大规模产业化时间节点来看,中重型商用车、乘用车达成与纯电动车经济性平价 的时间点分别在 2025-2030 年、2035-2040 年。如果引入全生命周期持有成本(TCO, 包含购置、维护、用车成本)来看,根据中国氢能联盟预测,客车/大型货车/物流车的 TCO有望于2025-2030年间率先降低至与纯电动车型相当的水平,往后成本优势凸显, 其应用有望从商用车领域率先扩散;乘用车 TCO 有望于 2035 年起与纯电动车差距缩 短至 0.1 元/km 以内,成为消费者可接受成本的类型之一。

预计 2025、2030 年中国燃料电池车销量分别达到 6.4、35.1 万辆。2020 年中国燃料电 池汽车销量为 1497 辆,全部是中大型商用车。我们假设未来中国乘用车、中大型商用 车每年复合增速为 2%,假定 2025、2030 年燃料电池中大型商用车/乘用车渗透率分别 为 2%/0.1%、10%/0.5%,预计 2025、2030 年中国燃料电池汽车销量分别达到 6.4、 35.1 万辆,其中中大型商用车/乘用车销量分别为 4.1/2.2、22.9/12.3 万辆。

从燃料电池系统价值量来看,预测 2025、2030 年单价分别为 3000、1500 元/kw,随着 技术进步,系统额定功率持续快速提升至 100、150kw,则单车价值量分别为 30、22.5 万元,预测到 2025、2030 年燃料电池系统市场规模分别为 191.0、790.8 亿元。
四、国产化格局:各环节技术逐步突破,国产替代空间广大

中国国产化进度在各产业链环节有所不同。中国本土企业在燃料电池诸多环节已实现了 自主可控,但仍有例如电堆核心材料等领域尚未实现规模量产突破,或者在技术层面与 国际厂商仍有一定差异。

电堆系统:国产电堆出货量占比超过一半,但与国际厂商技术差距仍然较大

电堆是发生电化学反应的场所,也是燃料电池动力系统核心部分,由多个单体电池以串 联方式层叠组合构成。将双极板与膜电极交替叠合,各单体之间嵌入密封件,经前、后 端板压紧后用螺杆紧固拴牢,即构成燃料电池电堆。

电堆系统国际厂商主要有 Ballard、Hydrogenics,本土厂商主要有攀业氢能、重塑股份、亿华通、 新源动力、捷氢科技、弗尔赛、未势能源等。
虽然本土电堆市场份额已取得领先优势,但从技术来看仍与海外有一定差距,具体体现 在电堆功率、电池系统耐久性、产品稳定性等方面,未来仍需加速追赶。

催化剂:海外巨头占据约80%份额

燃料电池催化剂性能要求高,国内仍优先采购海外产品。催化剂的作用在于促进氧化剂 和氢气的反应,使电子离开氢原子。催化剂对活性、稳定性、耐久性等各项性能指标要 求很高,需要经历长期的使用过程,才能慢慢形成可以规模化生产的商用产品,现阶段 国内燃料电池选用催化剂会优先选择应用国外已经通过验证的催化剂,主要是高质量活 性、低铂载量的催化剂;同时去测试国产催化剂。

从催化剂格局来看,根据高工产研数据,2019 年国内有燃料电池催化剂企业 15 家,中 国燃料电池汽车主要使用日本田中贵金属(TANAKA)和英国庄信万丰(Johnson Matthey) 的催化剂,国内氢燃料电池催化剂市场主要被国外企业占据,约占市场 75%-82%份额, 国内主要企业仍处于小批量生产或研发阶段。

质子交换膜:科慕一家独大,占据绝大部分市场份额

燃料电池催化剂性能要求高,国内仍优先采购海外产品。质子交换膜是质子交换膜燃料 电池的核心组件,其好坏决定着燃料电池的寿命。质子交换膜最大的功能则是传输质子, 保证质子通过,并将电子、氢分子、水分子等拦截下来,是电堆的寿命、性能等指标的 基础保障。

当前市场核心技术主要掌握在美国科慕(原杜邦分拆出来)手中,科慕占据了全球绝大 多数份额,其所生产的 Nafion 膜片,该种膜片具有质子电导率高和化学稳定性好等优 点。国内市场方面,当前仅有东岳集团实现了小规模量产,为了获得稳定而廉价的燃料 电池,质子交换膜是最大的瓶颈和未来必须突破的领域。

气体扩散层(GDL):海外垄断,国内仅小批量试验

气体扩散层国内尚未产业化。气体扩散层(GDL)包括基底层(BL)和覆盖在其上的表 面涂层微孔层(MPL),是质子交换膜燃料电池(PEMFC)的重要组成部分,对燃料电 池的性能好坏起着至关重要的作用。目前,气体扩散层技术相对成熟,碳纤维纸凭借制 造工艺成熟、性能稳定、成本相对较低和适于再加工等优点,成为气体扩散层商业化的 首选基底材料。

格局方面,气体扩散层核心材料碳纸被海外垄断,龙头主要是日本东丽、加拿大巴拉德 动力系统及德国 SGL 三家企业,国内在该领域尚没有商业化产品,亟需开发自主可控 的扩散层产品。目前,中南大学正持续开展燃料电池用碳纸的研究,江苏天鸟高新技术 股份有限公司基于碳纤维产品进行碳纸研发。

双极板:本土企业主要突破金属双极板,性能有待追赶石墨双极板

国产金属双极板份额快速提升。双极板又叫流场板,是电堆中的“骨架”,与膜电极层叠 装配成电堆,在燃料电池中起到支撑、收集电流、分配气体的重要作用。双极板根据材 料可分为石墨双极板(或含复合材料)与金属双极板,其中石墨双极板是目前国内主流 双极板,导电性、导热性、稳定性和耐腐蚀性等性能较好;金属双极板相对于石墨双极 板而言可以减小重量和体积,对于汽车应用而言,轻质薄金属板可提高功率密度,但是 其耐久性有待进一步验证。

随着金属双极板的性能逐渐提升,其市场份额迎来快速提升。高工产研数据显示,2020 年石墨双极板,市场规模占比高达 65%,仍然是市场主流术,金属双极板用量快速增长, 市场占比达 35%,相比 2019 年提升了 13 个百分点。国内金属双极板技术领先的企业有新源动力、上海佑戈、捷氢科技、未势能源等。

氢气循环泵:海外垄断,国内技术仍然不成熟

氢气循环泵是氢燃料电池发动机的关键零部件,发挥着提高燃料利用率、确保氢安全(氢 气溢出在外界环境中引起不安全因素)等重要作用。对于氢气循环泵而言,要做到密封设 计好(氢气容易泄露)、耐水性强(经过电堆反应后剩余的氢气带有少量水蒸气)、流量 大(适应大功率电堆)、压力输出稳定(低压转为高压)、无油(保证氢气纯度)等,技 术难度较大。

技术较为成熟的企业主要有美国 Park,开发出氢气循环泵可用于不同的氢燃料电池汽 车,国内尚无替代品。目前国内涉足氢气循环泵的本土企业有雪人股份、汉钟精机、济 南思明特、浙江恒友、伯肯子公司北京兰天达等,但是受制于氢气密封和水汽腐蚀和冲 击等,问题适配 60kW 及以上电堆的大流量氢气循环泵都不成熟。

空气压缩机:国产空压机市场份额已超过90%

空压机主要作用是为电堆提供适量适压的氧气。在工程实际中,除了电堆之外,空压机 往往是最需要解决的瓶颈。哪一种空压机更适合燃料电池,需要验证其在变工况、冷启 动、振动、启停等方面的优异性和可靠性,该过程需要大量样本和时间。

根据高工产研数据,空压机是燃料电池关键部件中国产化程度较高的一款,2020 年国 产空压机市场份额超过 90%。2020 年国内市场空压机供应商主要有势加透博、金士顿 科技、东德实业等。

储氢瓶:35MPa储氢瓶国产广泛使用,70MPa储氢瓶量产早期

储氢瓶顾名思义主要起到储存氢气的作用,anzhao 材质/缠绕方式可分为从 I 型到 V 型 5 种形式,其中目前中国国内应用较多的是 III 型 35MPa 储氢瓶,国外应用较多的是 IV 型 70MPa 储氢瓶。国外之所以用 IV 型氢瓶,主要因为国外技术逐渐成熟背景下,IV 型 瓶基体采用塑料材料,具有重量轻、成本低、质量储氢密度大等优点,是乘用车应用更 优选择(重卡等领域国外也用 III 型储氢瓶);国内以 35MPa 储氢瓶为主主要仍然受制 于技术尚未突破。

虽然目前国内 70MPa 高压储氢瓶还未真正装车上路,国内已有 6 家领先企业正在研发 或已具备量产 70MPaⅢ型甚至 IV 型瓶能力,并开始配合车企展开上车实验,分别是科 泰克、未势能源、天海工业、中材科技、富瑞氢能、斯林达,其中未势能源已于近期发 布了 70MPa IV 型瓶技术。

五、国内汽车板块5家上市公司氢能布局情况

长城汽车(未势能源发布“1+3+5”领先氢柠技术)

2021 年 3 月 29 日,长城汽车发布全球氢能战略发布会,不仅构建了国际级“制-储-运加-应用”一体化供应链生态,打破核心技术壁垒,还联通上下游产业链,加速氢能商业 化推广。此外,氢能战略还推出了一套国际领先的车规级“氢动力系统”全场景解决方案 —氢柠技术。

长城汽车氢柠技术是一套国际领先的车规级“氢动力系统”全场景解决方案,总结为 “1+3+5”, 即 1 整套车规级研发体系,3 大技术平台和 5 大性能优势:

1)“1”是指 1 整套车规级研发体系是氢柠技术的根本,它包含 100 多项企业标准,500 多项硬件需求,5000 多项软件需求,数千项检测和数万次试验。并可根据氢能整车需 求从上至下快速定义、分解、仿真和设计燃料电池发动机系统、零部件和材料,并通过 试制试验从而确保产品的高性能、高质量和低成本。

2)“3”是指氢电平台(HE)、电堆平台(HS)、储氢平台(HP)3 大技术平台是氢柠技 术的核心。其中氢电平台(HE)具有可靠性、耐久性,安全性,环境适应性、大功率, 高功率密度的特点。电堆平台(HS)已开发完成第一代单堆额定功率 150kW,峰值功 率 160kW 燃料电池金属板电堆,功率密度达到 4.2kW/L 以上。储氢平台(HP)包括 70MPa IV 型储氢瓶、70MPa 瓶口阀和减压阀,以及储氢系统的集成和控制。

3)“5”是指未来五年,长城汽车将重点围绕燃料电池系统全面走向‘五高’,即:高功 率(>200kW),高效率(>60%),高温度(>100℃),高耐久(>20000 小时)和高互联(新能 源+智能网联)。

潍柴动力(战略投资与合作燃料电池电堆、空压机等关键领域)

潍柴动力对于氢燃料的布局主要可分为 2 个板块。

1) 潍柴动力最早于 2018 年 11 月以 1.64 亿美元认购了 Ballard(巴拉德)19.9%股权, 成为巴拉德第一大股东,后者是全球氢燃料电池领军企业,主要从事设计、开发、 制造、销售可应用于不同领域的质子交换膜燃料电池产品并提供技术服务,产品和 工程服务主要应用于重型动力系统,包括客车、卡车、轻轨和船舶等。巴拉德在全球 主要市场,包括美国、欧洲、中国、日本等市场均有领先的客户。

同日,潍柴动力与巴拉德签署《研发合作协议》,并且后续成立了潍柴巴拉德氢能科 技有限公司(潍柴控股 51%),具体合作内容如下:潍柴巴拉德与加拿大巴拉德联 合开发下一代质子交换膜燃料电池电堆,以及应用于客车、商用卡车和叉车的下一 代质子交换膜燃料电池模组。潍柴巴拉德为联合开发提供工程服务、市场需求信息 等相关支持,加拿大巴拉德为联合开发提供技术研发服务。

2) 2021 年 3 月潍柴动力宣布与瑞士飞速集团战略合作,投资入股其燃料电池空压机 业务并在中国设立合资公司,共同打造成为全球领先的燃料电池空压机提供商。在 此之前,潍柴动力已战略投资氢燃料电池全球领导者巴拉德,通过本次战略合作, 潍柴动力将进一步纵向延伸燃料电池产业链布局,提高燃料电池动力总成的核心竞 争力。

宇通客车(客车领域燃料电池龙头)

公司早在 2009 年便开始研发燃料电池客车,近年来,通过燃料电池客车整车集成与控 制、动力系统匹配等关键技术突破,宇通氢燃料电池客车已经完成多代产品开发,2019 年宇通实现 232 台燃料电池客车销售。

上汽集团(捷氢科技燃料电池电堆与系统实现量产)

上汽集团(直接+间接)持股 90%下的捷氢科技主要提供燃料电池产品及工程服务,已 完成多款燃料电池电堆和系统的产品开发,功率涵盖 30kW~140kW 以上,并广泛应用 于乘用车、轻型客车、城市客车和轻中重型卡车等诸多领域。2020 年公司燃料电池电 堆和系统累计销量近 450 台套,配套车型近 20 款。

2020 年 3 月,捷氢科技上海新园区项目于嘉定氢能港正式开工。建成后园区将实现研 发办公、测试验证、生产制造、氢气供应四大功能,预计一期产能将达到 12,000 台套/ 年。
亚普股份(国内储氢瓶业务领先企业)

公司作为全球第一阵营的塑料燃料系统集成供应商,在乘用车塑料储能领域内积累了丰 富的研发经验,正在研发 IV 型 70Mpa 储氢气瓶,有以下技术优势:

1)容量大:存储氢气压力达 70MPa, 且内胆壁厚相对更薄,因此相同外径下存储容量 更大;

2)重量轻:内胆材料高分子聚合物,重量更轻,具有更高的储氢质量比;

3)耐疲劳:内胆材料为高聚物,耐温度和压力交变性能更好,因此具有长寿命的优势;

4)更安全:即使爆破也无碎片飞出,减轻事故伤害能力、无氢脆问题,维检简便;

5)耐腐蚀:IV 型瓶对于环境腐蚀的敏感度更低。

公司在年报中披露预计于 2023 年完成大容积储氢瓶商用化应用的准备。

上海攀业氢能源科技有限公司(Pearl Hydrogen Co.,Ltd.)成立于2006年1月,致力于氢能电源产品的研发、生产和销售的高科技企业。作为国内燃料电池研发和生产的领先者,攀业汇集了近20年的燃料电池领域的顶尖技术及开发经验,拥有一流的研发团队和自主研发的国内领先的核心技术,是中国领先的燃料电池产品与氢能源综合应用解决方案的供应商。

http://www.pearlhydrogen.com/