【摘要】

作為能源技術革命的重要方向，氫燃料電池汽車得到了日本、韓國、歐洲、美國、中國等國家的高度重視。截止2020年底，我國氫燃料電池汽車保有量為7352輛，進入商業化初期。

當前燃料電池系統國産化程度已從2017年的約30%提升至60%-70%，預計未來2-3年氫燃料電池産業鍊有望完全實現國産化供應。

根據《節能與新能源汽車技術路線圖2.0》規劃：到2025年，氫燃料電池汽車保有量達到10萬輛左右，加氫站數量達到1000座以上；到2035年，氫燃料電池汽車保有量達到100萬輛左右，加氫站數量達到5000座以上。截至2020年底，全球氫燃料電池汽車保有量為32535輛，同比增長38%。

燃料電池是一種将燃料所具有的化學能直接轉換成電能的裝置，基本原理是氫氣進入燃料電池的陽極，在催化劑的作用下分解成氫質子和電子，形成的氫質子穿過質子交換膜達到燃料電池陰極，在催化劑作用下與氧氣結合生成水，電子則通過外部電路到達燃料電池陰極形成電流。

其核心為燃料電池發動機系統，主要包括燃料電池發動機、車載儲氫系統、冷卻系統等。其中，燃料電池發動機系統主要由燃料電池電堆、氫氣供給系統、氧氣供給系統、發動機控制器等構成。

• 燃料電池電堆：關鍵材料與核心零部件國産化為降本關鍵

燃料電池電堆可謂氫能源車的心髒，燃料電池電堆主要由催化劑、質子交換膜、氣體擴散層、雙極闆，以及其他結構件如密封件、端闆和集流闆等組成。燃料電池電堆成本占據燃料電池系統成本60%以上，因此降低電堆成本是燃料電池汽車商業化的關鍵。膜電極與其兩側的雙極闆則組成燃料電池的基本單元。

相比國外燃料電池電堆，國内電堆在核心材料缺乏與關鍵技術方面仍存在短闆，也是燃料電池電堆成本居高不下的主要原因。如膜電極層三大關鍵材料鉑催化劑、質子交換膜、碳紙主要依賴進口，國産材料尚無法滿足高性能燃料電池電堆使用需求。

質子交換膜—膜電極關鍵材料

膜電極（MEA）由質子交換膜、催化層和氣體擴散層組成，決定了燃料電池的性能、壽命和成本，是燃料電池發電的關鍵核心部件。膜電極生産目前采用的是第二代生産技術——催化劑塗膜（CCM）技術，具有卷對卷（Roll-to-Roll）連續化高速生産能力。國際上，日、美、歐、加拿大等國家和地區憑借多年技術積累，在膜電極的基礎研究和制備技術上一直處于領先地位。

目前國際上最先進的膜電極商業化産品的功率密度在1.4-1.5W/cm2範圍内，國内量産膜電極的功率密度為1.0-1.2W/cm2。由于國産膜電極的設計與制造缺陷較多，産出的膜電極的功率密度、耐久性和貴金屬鉑使用載量等技術參數都有待于進一步提升，所采用的關鍵組件材料大都還依賴進口。

全球從事質子膜研究的主要有美國科慕、陶氏、3M公司、戈爾公司，比利時索爾維公司，日本旭硝子玻璃、旭化成，以及我國的東嶽氫能、泛亞微透等十餘家公司。其中，美國戈爾公司在增強膜方面具有知識産權優勢，Nafion系列膜目前全球市場占有率超過90%，每年出貨量達幾十萬平米，豐田MIRAI、現代NEXO和本田CLARITY等都采用戈爾産品。

東嶽氫能具有完整的全氟磺酸樹脂産業鍊，是繼戈爾、科慕兩家外國企業之後國内市場占比最大的企業，具有從原料、中間體、單體、聚合物膜全産業鍊，同時建成全國唯一全氟酸質子膜樹脂合成生産線，目前實現量産并批量供貨，但在産品可靠性、壽命、規模化生産及應用經驗方面還需提高。

催化劑膜—電極關鍵材料

在燃料電池中，催化劑起到分解氫氣和氧氣進行電化學反應産生電流的作用。目前商用催化劑為鉑碳催化劑，而稀有金屬鉑的高成本是燃料電池商業化的主要阻礙之一。國外催化劑用量已實現<0.2g/kW，而我國催化劑用量普遍處于0.3-0.4g/kW的水平。因此低鉑和非鉑催化劑的開發成為降低燃料電池成本的關鍵。

日本田中貴金屬、英國莊信萬豐和比利時優美科是全球最大的幾家燃料電池催化劑供應商，催化劑制備技術處于絕對領先地位，已經能夠實現批量化生産（大于10kg/批次），而且性能穩定，可靠性高。國内催化劑廠商包括貴研鉑業、中自科技、武漢喜馬拉雅以及上海濟平新能源等也從事相關産品研發。

氣體擴散層—膜電極關鍵材料

氣體擴散層（GDL）位于氣體流場層和催化層之間，由碳紙和防水劑聚四氟乙烯材料構成，以滿足高導電性、高強度、高孔隙度、耐腐蝕、結構緻密且表面平整等特點，起到支撐膜電極、收集電流、傳導氣體、管控反應水（氣）及熱等重要作用。

國外有日本東麗及三菱、德國西格裡和科德寶、美國AvCarb，韓國JNTG等制造廠商，都已實現氣體擴散層的規模化生産，且都有多款适應不同應用場景的産品銷售。

目前我國氣體擴散層技術還在進行探索，碳紙類材料的實驗室技術可對标國際部分先進産品水平，但在實現産品規模化生産方面還有一定差距。國内知名的氣體擴散層企業主要有台灣碳能、通用氫能、江蘇氫電、江蘇清能、上海河森電氣等。成本主要由加工費主導，根據StrategicAnalysis數據，當生産規模從1000套提升到50萬套時，成本會從$2,661/套降到$102/套，因此批量化生産是實現氣體擴散層降本的關鍵。

雙極闆—燃料電池電堆的核心結構件

雙極闆起到支撐機械結構、均勻分配氣體、排水、導熱、導電的作用，其性能優劣将直接影響電堆的體積、輸出功率和壽命。雙極闆可分為石墨雙極闆、金屬雙極闆和複合雙極闆。

石墨雙極闆具有質量輕、穩定性強和耐腐蝕性高等特點，但機械性能較差，目前技術最為成熟，基本已實現國産化，但耐久性和工程化有待驗證。代表性國外企業有加拿大巴拉德和氫能公司，國内技術水平與國外相當，但厚度通常在2mm以上。

金屬雙極闆具有機械性能強、厚度薄、阻氣性好等特點，但易被腐蝕，壽命較短。金屬闆（钛或者不鏽鋼等）較石墨闆更利于實現小型化，提高燃料電池電堆的功率密度，表面改性的多塗層結構是金屬雙極闆的主要發展方向，國内部分企業已實現金屬闆小規模量産。

複合雙極闆則兼具石墨闆和金屬闆的優點，但制備工藝繁雜，成本較高。複合膜壓碳闆在國外已突破0.8mm薄闆技術，具備與金屬闆同樣的體積功率密度。目前，國内除國鴻有來自加拿大巴拉德公司的授權技術外，其他複合膜壓碳闆尚處于研制開發階段。

逐步實現國産替代—氫氣供給系統

氫氣循環系統的作用是将電堆未反應的氫氣再次循環到電堆的氫氣入口，從而提升氫氣的利用率及涉氫安全，同時将電堆内部電化學反應生成的水也循環至燃料電池堆的入口，改善電堆濕潤水平和提高水管理能力。氫氣循環系統分為主動循環和被動循環兩種形式，主動循環形式的關鍵部件是氫氣循環泵，被動循環形式的關鍵部件是氫氣引射器。

2020年普旭基本退出國内市場，我國氫循環系統市場逐步實現國産替代。2020年國内氫循環系統有引射器和氫氣循環泵兩種産品，其中引射器的使用量約占氫循環系統出貨量的11%。

• 燃料電池電堆降本仍有空間

2020年，膜電極、雙極闆、燃料電池電堆、氫氣循環泵、空壓機等核心材料和關鍵部件價格均有明顯下降，同比2019年降幅在20%-50%。其中，燃料電池電堆、空壓機價格接近腰斬；膜電極實現20%-30%降價；氫氣循環泵價格從3萬元降到1-2萬元/台，國産氫氣循環泵相比進口産品可便宜70%以上。

國鴻氫能、氫璞創能、雄韬股份（旗下雄韬氫瑞）紛紛公布電堆大批量價格。得益于核心材料和關鍵部件的國産化進程加速，2020年我國燃料電池系統和電堆的價格已經實現30%-50%幅度的下調。未來幾年，随着國産核心零部件的規模化以及競争加劇，未來幾年電堆售價有望按照每年25%-30%的速度下降。

燃料電池系統及儲氫系統關鍵技術和材料的突破，以及規模化生産是燃料電池系統及儲氣系統價格下降的兩大驅動因素，其成本與量化規模、關鍵部件國産化率等因素密切相關。

随着燃料電池技術性能的提升，耐久性與壽命提高，燃料電池下遊應用的全生命周期成本将得到極大程度的改善。催化劑、質子交換膜、碳紙的國産化、電堆功率密度的提升、空壓機及氫氣循環泵的國産化，部件标準化模具開發、IV型儲氫瓶應用等是成本下降的主要叠代因素。

燃料電池業務相關上市公司梳理

參考資料：

20211203-國信證券-氫能專題研究之一：氫能重點産業鍊介紹

20211102-東莞證券-燃料電池專題報告：擁抱氫能，未來可期

20211011-國聯證券-氫能行業深度報告系列三：氫燃料電池汽車篇-氫風已至，蓄勢待發

本報告由研究助理協助資料整理，由投資顧問撰寫。投資顧問：黃波（登記編号：A0740620120007）研究助理：于鑫（登記編号：A0740120040019）

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