燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)鏈概覽

在氫燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈中，上游是氫氣的制取、運輸和儲藏，在加氫站對氫燃料電池系統(tǒng)進行氫氣的加注；中游電堆等關(guān)鍵零部件的生產(chǎn)，將電堆和配件兩大部分進行集成，形成氫燃料電池系統(tǒng)；在下游應(yīng)用層面，主要有交通運輸、便攜式電源和固定式電源三個方向；消費終端為料電池汽車生產(chǎn)、銷售環(huán)節(jié)。

燃料電池電堆

燃料電池電堆是燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的心臟，成本占據(jù)燃料電池系統(tǒng)成本60%以上，且技術(shù)門檻較高。

燃料電池電堆主要由催化劑、質(zhì)子交換膜、氣體擴散層、雙極板，以及其他結(jié)構(gòu)件如密封件、端板和集流板等組成。

國內(nèi)燃料電池電堆產(chǎn)業(yè)鏈初成雛形，上游廠商齊全，膜電極、質(zhì)子交換膜和雙極板具備國產(chǎn)化能力，氣體擴散層有小批量供應(yīng)，催化劑具備研發(fā)能力。

相比國外燃料電池電堆，國內(nèi)電堆在核心材料缺乏與關(guān)鍵技術(shù)方面仍存在短板，也是燃料電池電堆成本居高不下的主要原因，因此當(dāng)前降低電堆成本仍是燃料電池汽車商業(yè)化的關(guān)鍵。

燃料電池結(jié)構(gòu)：膜電極、雙極板堆疊形成電堆

雙極板：電堆中的“骨架”?

雙極板是電堆中的“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、為冷卻液提供通道、分隔氧化劑和還原劑等作用。其性能優(yōu)劣將直接影響電堆的體積、輸出功率和壽命。

雙極板按材料主要分為石墨板、金屬板、復(fù)合板。

目前國內(nèi)以石墨板為主，金屬板為未來主流技術(shù)。商用車傾向配備石墨板，乘用車因空間要求高配備金屬板。

石墨雙極板

石墨雙極板是目前質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)中應(yīng)用最廣泛的材料，具有較好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性，耐腐蝕性等，常用于商用車領(lǐng)域。

石墨板目前在技術(shù)、商業(yè)化層面均已成熟且占據(jù)大量市場份額，成本難以進一步降低，行業(yè)發(fā)展，需等待上游石墨材料技術(shù)升級帶來成本降低激發(fā)需求。

常用石墨雙極板厚度約2～3.7mm，經(jīng)銑床加工成具有一定形狀的導(dǎo)流流體槽及流體通道，其流道設(shè)計和加工工藝與電池性能密切相關(guān)。

石墨雙極板技術(shù)壁壘較低，國外代表企業(yè)有美國Poco、加拿大Ballard等；國內(nèi)技術(shù)已達國際一流水平，代表性企業(yè)有上海神力（億華通子公司）、上海弘楓、淄博聯(lián)強、上海弘竣和國鴻氫能等，其中上海弘楓產(chǎn)品已實現(xiàn)海外出口；國鴻氫能石墨雙極板技術(shù)成熟、可批量和定制化生產(chǎn)。?

圖片來源：上海神力官網(wǎng)

金屬雙極板

金屬雙極板相對來說易受腐蝕，但其體積小、生產(chǎn)周期短，易于大批量快速生產(chǎn)，可用于乘用車領(lǐng)域，國外代表企業(yè)有美國Dana、日本本田等。

金屬雙極板將成為未來的發(fā)展方向。率先掌握金屬板國產(chǎn)批量化生產(chǎn)的企業(yè)有望在燃料電池乘用車市場搶占先機。國內(nèi)代表企業(yè)有上海治臻、上海佑戈、新源動力和奇瑞汽車等。

上海治臻可以實現(xiàn)雙極板國產(chǎn)化、批量化生產(chǎn)，設(shè)計年產(chǎn)量可達50萬副，至少可供1500輛以上FCV使用，已經(jīng)小批量供給上汽捷氫金屬板電堆。

復(fù)合材料雙極板

復(fù)合材料雙極板兼具了石墨的耐腐蝕性與金屬的高強度，效果最好，但其加工繁瑣，成本較高，尚未實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。

整體來看，雙極板的國產(chǎn)化替代已經(jīng)發(fā)展到一定水平，在石墨雙極板向金屬雙極板的技術(shù)切換過程中，逐步實現(xiàn)全面國產(chǎn)化。國內(nèi)廠商新源動力、武漢喜馬拉雅光電和氫璞創(chuàng)能等企業(yè)具備研制能力。

膜電極：燃料電池技術(shù)核心?

?膜電極與其兩側(cè)的雙極板則組成燃料電池的基本單元。

膜電極是燃料電池電堆最核心的部件，作為化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生場所，由催化劑、氣體擴散層、質(zhì)子交換膜構(gòu)成。

膜電極組件是將兩張噴涂有Nafion溶液及Pt催化劑的碳纖維紙電極分別置于經(jīng)預(yù)處理的質(zhì)子交換膜兩側(cè)，使催化劑靠近質(zhì)子交換膜，在一定溫度和壓力下模壓制成。

催化劑

在燃料電池中，催化劑起到分解氫氣和氧氣進行電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)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(yè)化的主要阻礙之一。

國外催化劑用量已實現(xiàn)<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(fā)成為降低燃料電池成本的關(guān)鍵。

全球催化劑廠商三巨頭為德國巴斯夫（BASF）、英國莊信萬豐（JohnsonMatthey）、比利時優(yōu)美科（Umicore），三者全球市占率占比約90%，國內(nèi)市場占有率約70%。已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)批量化生產(chǎn)（大于10kg/批次），而且性能穩(wěn)定，可靠性高。

國內(nèi)催化劑廠商包括貴研鉑業(yè)、中自科技、華昌化工、上海唐峰、武漢喜馬拉雅以及上海濟平新能源等也從事相關(guān)產(chǎn)品研發(fā)。

質(zhì)子交換膜

質(zhì)子交換膜處于有機氟化工產(chǎn)業(yè)鏈末端，其上游是有機氟化工的單體材料，下游是基于質(zhì)子交換膜的氯堿工業(yè)、燃料電池、電解水、儲能電池等應(yīng)用領(lǐng)域。

質(zhì)子交換膜屬于燃料電池中的核心部件，膜厚度、化學(xué)穩(wěn)定性、質(zhì)子傳導(dǎo)率等直接影響著燃料電池的綜合性能，因此對質(zhì)子交換膜性能有高要求。

全球從事質(zhì)子膜研究的主要有杜邦、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，以及我國的東岳集團、泛亞微透等十余家公司。

我國東岳集團具有完整的全氟磺酸樹脂產(chǎn)業(yè)鏈，是繼戈爾、科慕兩家外國企業(yè)之后國內(nèi)市場占比最大的企業(yè)，具有從原料、中間體、單體、聚合物膜全產(chǎn)業(yè)鏈，同時建成全國唯一全氟酸質(zhì)子膜樹脂合成生產(chǎn)線，目前實現(xiàn)量產(chǎn)并批量供貨。

燃料電池電堆工作原理：

氣體擴散層

氣體擴散層（GDL）層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(gòu)成，起到支撐膜電極、收集電流、傳導(dǎo)氣體、管控反應(yīng)水（氣）及熱等重要作用。

資料來源：NPTEL

海外企業(yè)技術(shù)成熟已實現(xiàn)量產(chǎn)，國外廠商日本東麗（Toray）及三菱（Mitsubishi）、德國西格里（SGL）和科德寶（Feudenberg）、美國AvCarb，韓國JNTG等制造廠商，都已實現(xiàn)氣體擴散層的規(guī)?；a(chǎn)，且都有多款適應(yīng)不同應(yīng)用場景的產(chǎn)品銷售。

目前我國氣體擴散層技術(shù)還在進行探索，碳紙類材料的實驗室技術(shù)可對標(biāo)國際部分先進產(chǎn)品水平，但在實現(xiàn)產(chǎn)品規(guī)?；a(chǎn)方面還有一定差距。

國內(nèi)知名的氣體擴散層企業(yè)主要有安泰科技、通用氫能、江蘇氫電、江蘇清能、上海河森電氣等。

BOP是電堆穩(wěn)定運行的關(guān)鍵環(huán)境?

相應(yīng)的輔助設(shè)備(BOP,Balance Of Plant)是電堆穩(wěn)定運行的關(guān)鍵環(huán)境。

從豐田Mirai燃料電池系統(tǒng)概覽圖可以明顯地看出燃料電池系統(tǒng)BOP部件為電堆提供了必要的外部環(huán)境，引導(dǎo)氫氣流、空氣流、冷凝水流有序組織協(xié)同，是電堆穩(wěn)定運行的重要因素。

對于BOP，其成本構(gòu)成相對分散，空壓機和電機是空氣回路部分核心部件。

Mirai燃料電池系統(tǒng)概覽圖：

空壓機：燃料電池系統(tǒng)的核心部件?

燃料電池空壓機對電堆的性能有較大的促進作用。其種類較多，其中離心式壓縮機在密度、效率、噪聲的方面擁有較好的綜合效果，是主要發(fā)展方向。

從國產(chǎn)化率方面來說，空壓機是燃料電池關(guān)鍵部件中國產(chǎn)化程度較高的一款。

據(jù)勢銀統(tǒng)計，相對于其它輔助系統(tǒng)產(chǎn)品而言，空壓機已經(jīng)較早地實現(xiàn)了全功率段國產(chǎn)化，目前國產(chǎn)化率接近100%。

近兩年國內(nèi)市場燃料電池空壓機供應(yīng)商主要有雪人股份、勢加透博、金士頓科技、穩(wěn)力科技、煙臺東德實業(yè)、德燃動力、冰輪環(huán)境等企業(yè)。

燃料電池系統(tǒng)裝機市場格局

整體而言，近年來中國氫燃料電池裝機量增速快。目前市場區(qū)域性訂單多，同時批量供貨的競爭者開始增多，市場競爭開始由一向多發(fā)展，市場集中度逐年下降，2020年CR5為64%，較2019年降低14%，預(yù)計2-3年內(nèi)仍會下降。

2020年燃料電池汽車發(fā)動機系統(tǒng)裝機份額TOP3分別是愛德曼市占率為16.%，億華通市占率為15.%，國鴻重塑市占率為12%。

得益于核心材料和關(guān)鍵部件的國產(chǎn)化進程加速，2020年我國燃料電池系統(tǒng)和電堆的價格已經(jīng)實現(xiàn)30%-50%幅度的下調(diào)。

未來幾年，隨著國產(chǎn)核心零部件的規(guī)?；约案偁幖觿。磥韼啄觌姸咽蹆r有望按照每年25%-30%的速度下降。

目前燃料電池產(chǎn)業(yè)在我國發(fā)展迅速，但主要以整車組裝、示范運營為主，產(chǎn)業(yè)鏈中電堆、膜電極、雙極板等核心技術(shù)布局較少。

從燃料電池動力系統(tǒng)集成度、環(huán)境適應(yīng)性、可靠性和壽命、成本控制、氫氣儲存等技術(shù)指標(biāo)來看，國內(nèi)水平距離國際水平差距較大。目前我國自主研發(fā)和引進國外成熟技術(shù)的廠商并存，但關(guān)鍵部件材料性能與生產(chǎn)亟待提升。