核心觀點
環(huán)保、熱值等特性加持，政策推動，氫燃料車用場景快速拓展。氫能是一種清潔脫碳、應用場景豐富的二次能源，也是可再生能源儲存和轉化的理想載體和媒介。在遠期“碳中和”實現的過程中，氫能的地位將越發(fā)重要，在傳統(tǒng)工業(yè)、交通、建筑等領域脫碳中將扮演重要作用。在此背景下，我們認為燃料電池汽車將進入快速發(fā)展的黃金十年，產業(yè)鏈配套的材料、設備生產商將迎來巨大成長機遇。我們梳理了主要環(huán)節(jié)如下：
1）電堆：國產化仍需巨大努力。巴拉德較為領先，國內廠商集成能力有待增強，目前國內擁有上海重塑、億華通等燃料電池系統(tǒng)供應商。
2）質子交換膜：國內廠商產品已經商業(yè)化，成本品質有待提升。國際材料巨頭如杜邦等已經具有非常成熟的技術，國內廠商已經具有商業(yè)化產品，但是穩(wěn)定性、成本有待改善，主要國內供應商有東岳集團、鴻達興業(yè)（獲得技術授權）等。
3）催化劑：需要通過改善催化劑結構實現降本。催化劑的核心痛點是降本提效，仍需在催化劑合金結構等方面進行改善。
4）氣體擴散層：國內基材落后較大，產業(yè)化水平有待提升。碳纖維布、非織造布、碳黑紙及碳纖維紙作為基體材料，成本占整個燃料電池成本的20%～25%，目前國內基材生產能力和成本控制能力仍具有較大劣勢。
5）雙極板：核心難度在于設計，金屬雙極板國內布局廣泛。在石墨雙極板方面，國內較為落后，但是金屬雙極板布局廣泛（如安泰科技等），未來有彎道超車的可能。
6）密封膠、緊固件、空壓機、循環(huán)泵等：可承接部分傳統(tǒng)工藝（如汽車），市場仍被海外企業(yè)主導，未來國產化可能性較高。
氫能源汽車：“碳中和”背景下或將高速增長
政策推動下，環(huán)保、熱值、儲量等多方面具有優(yōu)勢，氫能時代或來臨汽車是當前人類最重要的交通工具之一，目前的動力來源均來自化學能向機械能的轉化，主要的轉換方式有三種：1）燃油/天然氣汽車：利用內燃機對化石燃料燃燒產生的能量進行轉化；2）鋰電車：利用電池和電機實現電化學儲能的動力轉化；3）氫能車：利用電堆發(fā)生原電池反應實現氫氣儲存的化學能轉化。我們認為，氫能解決方案具有以下優(yōu)勢：
環(huán)保友好：主要排放物為水，不存在污染和CO2的問題。
儲量豐富：氫是宇宙中分布最廣泛的物質，它構成了宇宙質量的75%，不過主要以化合態(tài)的形式出現，分離提純需要一定的成本。
熱值高：除核燃料外，氫的發(fā)熱值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的；汽油的3倍，乙醇的近4倍，煤炭的5～6倍。
過去幾年，氫能經過技術發(fā)展、產業(yè)化初期的探索以及海外技術的逐步擴散，氫能在國內的發(fā)展也完成了“從0到1”的突破，產業(yè)鏈具備了雛形，政策力度也在加大。從分行業(yè)的技術規(guī)劃、到寫入全國政府工作報告、再到能源法的征求意見稿中將氫能正式列入能源范疇，顯示出政策對氫能發(fā)展的成熟度和長期發(fā)展方向的肯定，特別是2020年對氫燃料電池汽車示范應用等鼓勵政策的落地，對氫能產業(yè)的支持更為細化和明確，也有助于政策支持效果更快的顯現。
對于地方政府政策而言，根據賽迪科創(chuàng)的《2020年氫應用發(fā)展白皮書》顯示，中國已有20余個?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）、市、縣出臺氫能產業(yè)專項政策約42個，省級、市級、縣級政策占比分別為28.6%、54.7%、16.7%。地方政策出臺較多的區(qū)域主要集中在廣東、浙江、江蘇、山東等區(qū)域，核心聚焦在氫燃料汽車（主要為城市公交大巴車和物流車）的推廣、氫燃料電池核心技術研發(fā)、加氫站等基礎設施以及氫能示范城區(qū)的建設等等。預計在中央政府和地方政府的政策加持下，在技術基礎條件較好、經濟實力較強的區(qū)域，氫能發(fā)展有望逐步提速。
燃料電池：更新節(jié)能環(huán)保發(fā)電新技術
燃料電池是一種把燃料所具有的化學能直接轉換成電能的化學裝置，又稱電化學發(fā)電器。它是繼水力發(fā)電、熱能發(fā)電和原子能發(fā)電之后的第四種發(fā)電技術。由于燃料電池是通過電化學反應把燃料的化學能中的吉布斯自由能部分轉換成電能，不受卡諾循環(huán)效應的限制，因此效率高；另外，燃料電池用燃料和氧氣作為原料，同時沒有機械傳動部件，故沒有噪聲污染，排放出的有害氣體極少。由此可見，從節(jié)約能源和保護生態(tài)環(huán)境的角度來看，燃料電池是最有發(fā)展前途的發(fā)電技術。
燃料電池是大功率、高比功率與高比能量的電池，具有很高的經濟性。燃料電池起源于19世紀，是一種將燃料與氧化劑通過電化學反應直接轉換成電能的發(fā)電裝置。20世紀70-80年代，全球能源危機和航天軍備競賽大大推動了燃料電池的發(fā)展。20世紀90年代至今，人類日益關注環(huán)境保護，燃料電池工作可靠、操作簡單、清潔高效、電化學反應有害產物較少，因而得到長足發(fā)展，核心關鍵技術不斷突破，商業(yè)化應用前景廣闊，也被視作最具發(fā)展前途的能源動力裝置之一。
燃料電池發(fā)電原理
氫能燃料電池是使用化學元素氫作為燃料的清潔電池，基本原理是將氫能注入燃料電池的陽極（即負極），經過鉑等催化劑的作用，在電極上與電解質發(fā)生反應失去電子，氫離子穿過質子交換膜到達燃料電池陰極（即正極），電子通過外部電路到達燃料電池正極產生電流。
燃料電池組成主要分兩部分：膜電極組件(MEA)和雙極板，其他結構件包括：密封件、端板和集流板等。而電堆是由多片單電池組成的結構，電堆及其監(jiān)測單元(CVM)、外部封裝、流體岐管總成叫燃料電池模塊。
燃料電池產業(yè)鏈梳理
燃料電池產業(yè)鏈：上游材料、部件、系統(tǒng)，下游整車生產
燃料電池汽車產業(yè)鏈主要包含上游（燃料電池動力系統(tǒng)及關鍵部件）和下游（整車生產）兩大部分。與傳統(tǒng)汽車產業(yè)鏈相比，燃料電池汽車產業(yè)鏈主要新增了燃料電池系統(tǒng)和車載供氫系統(tǒng)，其中燃料電池系統(tǒng)是核心結構。
國內燃料電池汽車產業(yè)鏈狀況：廣泛布局，體量快速增長
下游整車產業(yè)，大品類齊全，實際量產以商用車為主。商用車是目前中國燃料電池汽車的主要應用領域，產品種類主要包括大中型客車、輕型客車、輕型貨車（物流車）。主要參與企業(yè)包括宇通、中通、北汽福田、佛山飛馳、上海申沃、南京金龍、上汽大通、東風、奧新新能源等。另外，中國重汽已推出一款氫燃料電池港口牽引重卡。乘用車方面國內較早涉足的僅有上汽（榮威950），近期發(fā)布燃料電池汽車乘用車樣車的企業(yè)包括武漢格羅夫和愛馳汽車（甲醇燃料電池汽車），長城、廣汽、奇瑞、吉利（甲醇燃料電池）等車企規(guī)劃3～5年內推出其燃料電池車型。但截至目前，燃料電池乘用車總體上均處于研發(fā)驗證階段。在產品路徑上，當前中國以商用車產品為主，而日本和韓國以乘用車為主。
上游部件產業(yè)：主要部件總體實現從無到有，部分尚存空白。燃料電池電堆、燃料電池系統(tǒng)、車載高壓供氫系統(tǒng)等核心主要部件總體實現從無到有。其中產業(yè)鏈比較密集的領域有燃料電池電堆集成、燃料電池系統(tǒng)集成、大功率燃料電池汽車用DC/DC、儲氫瓶、高壓儲氫瓶用鋁合金；企業(yè)數量較少，產業(yè)鏈相對薄弱的領域有膜電極、雙極板、催化劑、質子膜；產業(yè)鏈尚屬空白的領域有炭紙、氣體擴散層、氫氣循環(huán)泵、增濕器、碳纖維儲氫材料、塑料儲氫材料、瓶口組合閥、高壓管路、減壓器等。鑒于無增濕燃料電池電堆已成為發(fā)展趨勢，且中國新源動力等企業(yè)也已研發(fā)出無增濕燃料電池電堆，增濕器目前產業(yè)空白的影響可忽略。
實際量產中，依賴進口的核心部件和關鍵基礎材料仍較多。受國內工業(yè)基礎能力依然薄弱的影響，若追溯到關鍵基礎材料、核心基礎零部件、元器件的層面，批量化產品的應用仍需依賴進口。依賴進口的原因主要有兩種，一種是國內產業(yè)鏈尚存空白；另一種是國內有供應商，但產品性能或供應商配套能力不能滿足要求。在燃料電池汽車核心部件方面，中國目前主要掌握的是電堆和電堆系統(tǒng)的集成、車載儲氫瓶的集成。
生產和研發(fā)測試設備是較大短板。燃料電池試制及生產設備，如專用涂布機等，目前國內有自行研發(fā)，但主要是企業(yè)自用，尚未形成通用產品。測試設備目前主要依賴進口，比如膜電極、高壓儲氫瓶、供氫閥件的測試設備主要來自加拿大GREENLIGHT公司、日本ESPEC和德國CTS公司等。另外，加氫站用設備包括空氣壓縮機、各類管路和閥件以及加氫槍等目前也主要依賴于國外進口。其中站用壓縮機生產企業(yè)主要有美HYDRO-PAC公司、美國PDC公司、德國Linde公司，站用高壓儲氫罐代表生產企業(yè)為美國AP、美國CPI公司，氫氣加注機主要由德國Linde和美國AP公司供應。
近年產業(yè)集聚加速，初步形成幾大集聚區(qū)，有助于產業(yè)鏈的加速完善。截至2019年2月，中國燃料電池汽車相關企業(yè)數量近250家，其中近三年來相關企業(yè)數量增速加快，并初步形成了長三角、華南及環(huán)京幾大產業(yè)集聚區(qū)。另外，中部、西部、東北一些電動汽車產業(yè)相對落后，或工業(yè)副產氫以及光電水電資源較為豐富以及氣候極寒等地區(qū)，也是布局燃料電池汽車產業(yè)的重要區(qū)域。
大型企業(yè)集團進場，加快產業(yè)鏈構建和集聚。2017年以來，上汽集團、濰柴集團、長城集團、雪人股份等國內大型企業(yè)紛紛調整業(yè)務戰(zhàn)略或增加業(yè)務板塊，快速布局氫能與氫燃料電池核心零部件產業(yè)，其中上市公司超過30家。大型企業(yè)集團進入燃料電池核心零部件產業(yè)，憑借資金實力和渠道優(yōu)勢以及大規(guī)模的研發(fā)和產業(yè)投入加速產業(yè)鏈的構建和集聚，加快燃料電池汽車國產重要部件性能提升和規(guī)?；a的時間表。
地方政府積極推動，有助于產業(yè)鏈進一步健全。截至2020-05，全國有近50個省、市、地區(qū)出臺相關規(guī)劃、政策，鼓勵當地氫能及氫燃料電池汽車的發(fā)展。其中長三角、珠三角省市政策數量占地方政策總數的60%左右，這些政策涉及加氫站建設補貼、車輛推廣應用補貼、氫能產業(yè)規(guī)劃、重點項目研發(fā)等諸多方面。多地區(qū)通過氫能小鎮(zhèn)、氫能產業(yè)園、氫能科技園等多種形式，鼓勵氫能及氫燃料電池汽車發(fā)展。
主要零部件及材料梳理
氫燃料電池主要由陽極、陰極和質子交換膜構成，陽極為氫燃料發(fā)生氧化的場所，陰極為氧化劑還原的場所，兩極都含有加速電化學反應的催化劑。按照氫燃料電池的構造劃分，關鍵材料可以分為電堆材料和氫燃料電池系統(tǒng)材料。其中電堆材料包括膜電極材料、氣體擴散層材料、雙極板材料、密封圈材料和端板材料五大類；氫燃料電池系統(tǒng)材料包括儲氫瓶材料、壓縮機材料、氫循環(huán)系統(tǒng)材料和增濕器材料四大類。
電堆：仍需巨大努力
國外主要燃料汽車廠商如豐田、本田、現代等大多自行開發(fā)電堆，加拿大的巴拉德和氫能公司可以單獨提供車用電堆產品。國內現在能獨立自主開發(fā)電堆的企業(yè)有限，雖然已經達到商業(yè)化應用的技術指標要求，但都正處于從小批量生產到產業(yè)化轉化的關鍵階段，與國外相比還有很大的技術差距。質子交換膜：產品已經商業(yè)化，成本品質有待提升在氫燃料電池的膜電極材料中，質子交換膜最為關鍵，其作用是在反應時，只讓陽極失去電子的氫離子(質子)透過到達陰極，但阻止電子、氫分子、水分子等通過。全氟磺酸質子交換膜材料具備機械強度高、化學穩(wěn)定性強、在低溫下電流密度大、高濕度下導電率高、質子傳導電阻小等特點，可以滿足氫燃料電池對膜電極的性能要求，是質子交換膜材料的主流，高溫膜、復合膜、堿性膜是未來發(fā)展方向。
全球全氟磺酸型膜的供應商集中于美國、日本、加拿大。其中應用最廣泛的是美國杜邦公司的Nafion系列膜、Dow化學公司的Dow膜和3M公司的PAIF全氟碳酸高溫質子交換膜;日本AsahiChemical(旭化成)公司的Aciplex膜和AsahiGlass(旭硝子)公司的Flemion膜;加拿大Ballard公司BAM膜。目前Nafion膜的售價一般在500$/m2以上，DOE數據顯示80kW的燃料電池需要約11.8m2的質子交換膜，質子交換膜材料成本至少為73.75$/kW。
我國已具備全氟磺酸型質子交換膜產業(yè)化能力。東岳集團質子交換膜性能出色，年產500t的生產裝置已經建成投產。目前，東岳DF260膜厚度可做到15μm，在OCV工況下耐久性大于600h。武漢理工新能源公司、上海神力科技公司、新源動力股份有限公司和三愛富新材料科技有限公司都有全氟磺酸型質子交換膜的生產能力；在復合膜方面，武漢理工新能源公司已向國內外數家研究單位提供測試樣品；中科院大連化物所和上海交通大學也在質子交換膜的研究領域有所突破。隨著燃料電池批量化生產，預計質子交換膜生產成本會明顯下降。
催化劑：需要通過改善催化劑結構實現降本
催化劑是燃料電池的關鍵材料之一，其工作原理是作用于氫氣，促使電子離開氫原子。目前，燃料電池中常用的商用催化劑是Pt/C，由納米級的Pt顆粒(3～5nm)和支撐這些Pt顆粒的大比表面積活性碳構成。選用Pt是由于其為所有金屬材料中催化HOR和ORR性能最高的材料，而且滿足作為電極催化材料的其他要求(高導電率、高穩(wěn)定性、抗腐蝕等)［14］。然而，Pt是稀有金屬，昂貴的價格(目前Pt基催化劑在燃料電池電堆中所占的成本比例約為50%)和極低的供應量已成為燃料電池技術走向商業(yè)化應用的主要障礙。
燃料電池催化劑主要生產商為美國的3M公司、Gore公司和E-TEK公司，英國的JohnsonMatthery(莊信萬豐)公司，德國的BASF公司，日本的Tanaka(田中貴金屬)公司和TKK公司，比利時的Umicore公司等。本田FCVClarity燃料電池汽車催化劑Pt含量已經降至0.12g/kW，豐田Mirai燃料電池汽車催化劑Pt含量為0.175g/kW。目前，我國催化劑企業(yè)還未實現產業(yè)化的實質性突破。貴研鉑業(yè)股份有限公司、武漢喜瑪拉雅光電科技股份有限公司、中科院大連化物所具備小規(guī)模生產的能力，中科院長春應用化學所、天津大學和中山大學等研究機構正在進行積極的產業(yè)化攻關。
氣體擴散層：國內基材落后較大，產業(yè)化水平有待提升
氣體擴散層位于氣體流場層與催化層之間，主要作用是為參與反應的氣體和生成的水提供傳輸通道并支撐催化劑，其性能對燃料電池的性能產生直接影響。氣體擴散層由碳布/碳網和防水劑聚四氟乙烯材料構成，滿足高導電性、高強度、高孔隙度、耐腐蝕、結構致密且表面平整的特點。
氣體擴散層的碳紙/碳布由碳纖維布、非織造布、碳黑紙及碳纖維紙作為基體材料構成，成本占整個燃料電池成本的20%～25%。氣體擴散層行業(yè)由幾個國際大公司壟斷。目前全球的材料供應商僅有日本Toray(東麗)公司、加拿大Ballard及德國SGL三家。Toray目前占據較大的市場份額，且擁有較多的碳紙相關專利，生產的碳紙具有高導電性、高強度、高氣體通過率、表面平滑等優(yōu)點。但Toray碳紙的脆性大，因此不能連續(xù)生產，導致其難以實現規(guī)?；?，極大地限制了供應量的增長。我國是碳纖維紙需求大國，然而，受供應不足的影響，近年來國內碳纖維紙市場發(fā)展相對較為緩慢。我國對碳紙的研發(fā)主要集中于中南大學、武漢理工大學以及北京化工大學等高校，上海和森公司已有小批量碳紙產品供貨。
雙極板：核心難度在于設計
雙極板在燃料電池中主要起輸送和分配燃料的作用，在電堆中負責隔離陰陽兩極的氣體，目前廣泛采用的雙極板材料有石墨板、金屬板及復合材料板。
雙極板約占整個燃料電池質量的60%，占成本的13%。主要功能有連接單體模塊、分隔反應氣體、收集電流、散熱和排水等。其基體材料需具有強度高，致密性好，耐蝕性、導電性和導熱性好等特點，材料的選擇將直接影響燃料電池的電性能和使用壽命。
石墨雙極板石墨雙極板目前最成熟，金屬與復合材料雙極板有較大的發(fā)展空間。石墨雙極板主流供應商有美國POCO公司、SHF公司、Graftech公司，日本的FujikuraＲubber公司、KyushuＲefractories公司，英國Bac2公司，加拿大Ballard公司等。我國的石墨雙極板廠商主要有廣東國鴻氫能科技有限公司、中鋼集團安徽天源科技股份有限公司、杭州鑫能石墨有限公司、江蘇神州碳制品有限公司、江陰滬江科技有限公司、淄博聯強碳素材料有限公司、上海喜麗碳素有限公司、上海弘楓實業(yè)有限公司、上海弘竣實業(yè)有限公司等企業(yè)，但國產石墨雙極板缺乏耐久性和工程化驗證。
金屬雙極板：金屬雙極板最有可能替代石墨雙極板，表面改性的多涂層結構是金屬雙極板的主要發(fā)展方向。目前，金屬雙極板主要供應商有瑞典Cellimpact公司，德國的Dana公司、Grabener公司，美國的treadstone公司等。國內主要有上海汽車集團股份有限公司、新源動力股份有限公司、上海治臻新能源裝備有限公司等企業(yè)。復合材料雙極板兼具石墨材料的耐腐蝕性和金屬材料高強度的特性，預計未來將向低成本化方向發(fā)展。美、英復合材料雙極板處于世界先進水平，主要企業(yè)有英國的Porvair公司和美國的OＲNL公司。而我國相關企業(yè)起步較晚，目前仍處于研發(fā)試制階段。主要研究機構及企業(yè)有安泰科技、武漢理工大學、愛德曼公司、新源動力股份有限公司和中科院大連化物所等。
密封膠：作為新的產品剛剛起步
燃料電池各部件的集成力與緊湊性直接影響電堆的性能。密封膠是電堆內部的主要承力與傳力部件，作用是實現電堆的緊湊性布置和整體密封，直接影響燃料電池的電化學性能。密封墊片置于電堆的各單元之間，在保證氫、氧和水的通路的前提下，防止氫和氧的泄漏。密封墊片可在燃料電池制造的最后工序中與電池單元一體加工成形。2014年日本三井化學試制出了燃料電池密封墊圈的液態(tài)EPT橡膠(三元乙丙橡膠)，這種橡膠耐酸堿性強，能與金屬一體成形，與普通的乙丙橡膠相比成形(交聯)時間更短。日本住友理工公司在“人與車科技展2015”上展出其為豐田燃料電池汽車“Mirai”提供的燃料電池用橡膠制黏結材料，即“電池單元用密封墊片”。
當前國內在該領域還處于起步階段。2017年7月21日中科院大連化物所研發(fā)成功一款應用于燃料電池上的高精密氟橡膠密封墊，并由此開啟了與寶馬汽車合作的序幕。杜科新材料有限公司研發(fā)成功氫燃料電池雙極板組裝用粘接密封膠和雙極板用石墨微孔堵漏膠，已經為國內外多家氫燃料電池企業(yè)供貨。
緊固件：承接汽車制造工藝，與海外差距不大
燃料汽車緊固件是其工業(yè)的重要組成部分，也是燃料汽車工業(yè)發(fā)展最為重要的基礎。通常僅在主機廠裝配的汽車零部件數量就超過1500個，而所有散件總和超過2萬個。某種程度上講，汽車零部件的質量決定了汽車整個生命周期質量的可靠性和穩(wěn)定性。
空壓機：市場仍海外壟斷
空壓機在氫燃料電池系統(tǒng)中起著重要的作用，屬于關鍵零部件。與傳統(tǒng)工業(yè)用空壓機不同，氫燃料電池空壓機要求可靠性高、壽命長、排氣無油、低噪聲、輕量化、小型化、低成本、響應速度快等特點。目前，氫燃料電池空壓機市場基本被國外品牌所壟斷（日本豐田，美國UQM,美國蓋瑞特等），國內對此類空壓機的研究起步較晚，產品可靠性差，性能不穩(wěn)定，目前仍處在研發(fā)和小批量試制階段。而國外氫燃料電池空壓機因研發(fā)較早，產品可靠性高，性能穩(wěn)定，但價格昂貴，一臺單價動輒10-30萬，已經成為氫燃料電池產業(yè)發(fā)展的瓶頸之一。
循環(huán)泵：仍是海外供應商主導市場
氫氣循環(huán)泵是氫燃料電池發(fā)動機的關鍵零部件，發(fā)揮著提高燃料利用率、確保氫安全(氫氣溢出在外界環(huán)境中引起不安全因素)等重要作用。對于氫氣循環(huán)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(wěn)定（低壓轉為高壓）、無油（保證氫氣純度）等，技術難度相較于傳統(tǒng)氣體循環(huán)泵要高很多。
國外品牌以德國普旭為主，占據國內約90%的市場份額。普旭是一家德國公司，產品在瑞士生產，在國內上海擁有全資子公司。普旭氫氣循環(huán)泵采用爪式，與豐田旗下子公司豐田自動織機、日本公司Ougra等技術路線類似。
目前國內也有個別企業(yè)在小批量供貨氫氣循環(huán)泵。供貨數量少，沒有品牌，還不能稱之為嚴格意義上的產品。技術路線方面，有企業(yè)跟隨普旭爪式路線的，也有企業(yè)依托自身優(yōu)勢開發(fā)渦旋式的，還有企業(yè)研發(fā)類似羅茨式。如果加上研發(fā)樣機的及送樣測試的，意圖分享氫氣循環(huán)泵市場蛋糕的約7-8家。
