【摘要】
作为能源技术革命的重要方向，氢燃料电池汽车得到了日本、韩国、欧洲、美国、中国等国家的高度重视。截止2020年底，我国氢燃料电池汽车保有量为7352辆，进入商业化初期。
当前燃料电池系统国产化程度已从2017年的约30%提升至60%-70%，预计未来2-3年氢燃料电池产业链有望完全实现国产化供应。
根据《节能与新能源汽车技术路线图2.0》规划：到2025年，氢燃料电池汽车保有量达到10万辆左右，加氢站数量达到1000座以上；到2035年，氢燃料电池汽车保有量达到100万辆左右，加氢站数量达到5000座以上。截至2020年底，全球氢燃料电池汽车保有量为32535辆，同比增长38%。
燃料电池是一种将燃料所具有的化学能直接转换成电能的装置，基本原理是氢气进入燃料电池的阳极，在催化剂的作用下分解成氢质子和电子，形成的氢质子穿过质子交换膜达到燃料电池阴极，在催化剂作用下与氧气结合生成水，电子则通过外部电路到达燃料电池阴极形成电流。
其核心为燃料电池发动机系统，主要包括燃料电池发动机、车载储氢系统、冷却系统等。其中，燃料电池发动机系统主要由燃料电池电堆、氢气供给系统、氧气供给系统、发动机控制器等构成。
- 燃料电池电堆：关键材料与核心零部件国产化为降本关键
燃料电池电堆可谓氢能源车的心脏，燃料电池电堆主要由催化剂、质子交换膜、气体扩散层、双极板，以及其他结构件如密封件、端板和集流板等组成。燃料电池电堆成本占据燃料电池系统成本60%以上，因此降低电堆成本是燃料电池汽车商业化的关键。膜电极与其两侧的双极板则组成燃料电池的基本单元。
相比国外燃料电池电堆，国内电堆在核心材料缺乏与关键技术方面仍存在短板，也是燃料电池电堆成本居高不下的主要原因。如膜电极层三大关键材料铂催化剂、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。
质子交换膜—膜电极关键材料
膜电极（MEA）由质子交换膜、催化层和气体扩散层组成，决定了燃料电池的性能、寿命和成本，是燃料电池发电的关键核心部件。膜电极生产目前采用的是第二代生产技术——催化剂涂膜（CCM）技术，具有卷对卷（Roll-to-Roll）连续化高速生产能力。国际上，日、美、欧、加拿大等国家和地区凭借多年技术积累，在膜电极的基础研究和制备技术上一直处于领先地位。
目前国际上最先进的膜电极商业化产品的功率密度在1.4-1.5W/cm2范围内，国内量产膜电极的功率密度为1.0-1.2W/cm2。由于国产膜电极的设计与制造缺陷较多，产出的膜电极的功率密度、耐久性和贵金属铂使用载量等技术参数都有待于进一步提升，所采用的关键组件材料大都还依赖进口。
全球从事质子膜研究的主要有美国科慕、陶氏、3M公司、戈尔公司，比利时索尔维公司，日本旭硝子玻璃、旭化成，以及我国的东岳氢能、泛亚微透等十余家公司。其中，美国戈尔公司在增强膜方面具有知识产权优势，Nafion系列膜目前全球市场占有率超过90%，每年出货量达几十万平米，丰田MIRAI、现代NEXO和本田CLARITY等都采用戈尔产品。
东岳氢能具有完整的全氟磺酸树脂产业链，是继戈尔、科慕两家外国企业之后国内市场占比最大的企业，具有从原料、中间体、单体、聚合物膜全产业链，同时建成全国唯一全氟酸质子膜树脂合成生产线，目前实现量产并批量供货，但在产品可靠性、寿命、规模化生产及应用经验方面还需提高。
催化剂膜—电极关键材料
在燃料电池中，催化剂起到分解氢气和氧气进行电化学反应产生电流的作用。目前商用催化剂为铂碳催化剂，而稀有金属铂的高成本是燃料电池商业化的主要阻碍之一。国外催化剂用量已实现<0.2g/kW，而我国催化剂用量普遍处于0.3-0.4g/kW的水平。因此低铂和非铂催化剂的开发成为降低燃料电池成本的关键。
日本田中贵金属、英国庄信万丰和比利时优美科是全球最大的几家燃料电池催化剂供应商，催化剂制备技术处于绝对领先地位，已经能够实现批量化生产（大于10kg/批次），而且性能稳定，可靠性高。国内催化剂厂商包括贵研铂业、中自科技、武汉喜马拉雅以及上海济平新能源等也从事相关产品研发。
气体扩散层—膜电极关键材料
气体扩散层（GDL）位于气体流场层和催化层之间，由碳纸和防水剂聚四氟乙烯材料构成，以满足高导电性、高强度、高孔隙度、耐腐蚀、结构致密且表面平整等特点，起到支撑膜电极、收集电流、传导气体、管控反应水（气）及热等重要作用。
国外有日本东丽及三菱、德国西格里和科德宝、美国AvCarb，韩国JNTG等制造厂商，都已实现气体扩散层的规模化生产，且都有多款适应不同应用场景的产品销售。
目前我国气体扩散层技术还在进行探索，碳纸类材料的实验室技术可对标国际部分先进产品水平，但在实现产品规模化生产方面还有一定差距。国内知名的气体扩散层企业主要有台湾碳能、通用氢能、江苏氢电、江苏清能、上海河森电气等。成本主要由加工费主导，根据StrategicAnalysis数据，当生产规模从1000套提升到50万套时，成本会从$2,661/套降到$102/套，因此批量化生产是实现气体扩散层降本的关键。
双极板—燃料电池电堆的核心结构件
双极板起到支撑机械结构、均匀分配气体、排水、导热、导电的作用，其性能优劣将直接影响电堆的体积、输出功率和寿命。双极板可分为石墨双极板、金属双极板和复合双极板。
石墨双极板具有质量轻、稳定性强和耐腐蚀性高等特点，但机械性能较差，目前技术最为成熟，基本已实现国产化，但耐久性和工程化有待验证。代表性国外企业有加拿大巴拉德和氢能公司，国内技术水平与国外相当，但厚度通常在2mm以上。
金属双极板具有机械性能强、厚度薄、阻气性好等特点，但易被腐蚀，寿命较短。金属板（钛或者不锈钢等）较石墨板更利于实现小型化，提高燃料电池电堆的功率密度，表面改性的多涂层结构是金属双极板的主要发展方向，国内部分企业已实现金属板小规模量产。
复合双极板则兼具石墨板和金属板的优点，但制备工艺繁杂，成本较高。复合膜压碳板在国外已突破0.8mm薄板技术，具备与金属板同样的体积功率密度。目前，国内除国鸿有来自加拿大巴拉德公司的授权技术外，其他复合膜压碳板尚处于研制开发阶段。
逐步实现国产替代—氢气供给系统
氢气循环系统的作用是将电堆未反应的氢气再次循环到电堆的氢气入口，从而提升氢气的利用率及涉氢安全，同时将电堆内部电化学反应生成的水也循环至燃料电池堆的入口，改善电堆湿润水平和提高水管理能力。氢气循环系统分为主动循环和被动循环两种形式，主动循环形式的关键部件是氢气循环泵，被动循环形式的关键部件是氢气引射器。
2020年普旭基本退出国内市场，我国氢循环系统市场逐步实现国产替代。2020年国内氢循环系统有引射器和氢气循环泵两种产品，其中引射器的使用量约占氢循环系统出货量的11%。
- 燃料电池电堆降本仍有空间
2020年，膜电极、双极板、燃料电池电堆、氢气循环泵、空压机等核心材料和关键部件价格均有明显下降，同比2019年降幅在20%-50%。其中，燃料电池电堆、空压机价格接近腰斩；膜电极实现20%-30%降价；氢气循环泵价格从3万元降到1-2万元/台，国产氢气循环泵相比进口产品可便宜70%以上。
国鸿氢能、氢璞创能、雄韬股份（旗下雄韬氢瑞）纷纷公布电堆大批量价格。得益于核心材料和关键部件的国产化进程加速，2020年我国燃料电池系统和电堆的价格已经实现30%-50%幅度的下调。未来几年，随着国产核心零部件的规模化以及竞争加剧，未来几年电堆售价有望按照每年25%-30%的速度下降。
燃料电池系统及储氢系统关键技术和材料的突破，以及规模化生产是燃料电池系统及储气系统价格下降的两大驱动因素，其成本与量化规模、关键部件国产化率等因素密切相关。
随着燃料电池技术性能的提升，耐久性与寿命提高，燃料电池下游应用的全生命周期成本将得到极大程度的改善。催化剂、质子交换膜、碳纸的国产化、电堆功率密度的提升、空压机及氢气循环泵的国产化，部件标准化模具开发、IV型储氢瓶应用等是成本下降的主要迭代因素。
燃料电池业务相关上市公司梳理
参考资料：
20211203-国信证券-氢能专题研究之一：氢能重点产业链介绍
20211102-东莞证券-燃料电池专题报告：拥抱氢能，未来可期
20211011-国联证券-氢能行业深度报告系列三：氢燃料电池汽车篇-氢风已至，蓄势待发
本报告由研究助理协助资料整理，由投资顾问撰写。投资顾问：黄波（登记编号：A0740620120007）研究助理：于鑫（登记编号：A0740120040019）
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