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(yùn)輸和儲(chǔ)藏，在加氫站對(duì)氫燃料電池系統(tǒng)進(jìn)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(jìn)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(yùn)輸、便攜式電源和固定式電源三個(gè)方向；消費(fèi)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(kuò)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(guó)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(guó)產(chǎn)化能力，氣體擴(kuò)散層有小批量供應(yīng)，催化劑具備研發(fā)能力。

相比國(guó)外燃料電池電堆，國(guó)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(guó)內(nèi)以石墨板為主，金屬板為未來(lái)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(chǎng)份額，成本難以進(jìn)一步降低，行業(yè)發(fā)展，需等待上游石墨材料技術(shù)升級(jí)帶來(lái)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(jì)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(guó)外代表企業(yè)有美國(guó)Poco、加拿大Ballard等；國(guó)內(nèi)技術(shù)已達(dá)國(guó)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(qiáng)、上海弘竣和國(guó)鴻氫能等，其中上海弘楓產(chǎn)品已實(shí)現(xiàn)海外出口；國(guó)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(lái)源：上海神力官網(wǎng)

金屬雙極板

金屬雙極板相對(duì)來(lái)說(shuō)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(guó)外代表企業(yè)有美國(guó)Dana、日本本田等。

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

上海治臻可以實(shí)現(xiàn)雙極板國(guó)產(chǎn)化、批量化生產(chǎn)，設(shè)計(jì)年產(chǎn)量可達(dá)50萬(wàn)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(qiáng)度，效果最好，但其加工繁瑣，成本較高，尚未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。

整體來(lái)看，雙極板的國(guó)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(guò)程中，逐步實(shí)現(xiàn)全面國(guó)產(chǎn)化。國(guó)內(nèi)廠商新源動(dòng)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(chǎng)所，由催化劑、氣體擴(kuò)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(jìn)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(guó)外催化劑用量已實(shí)現(xiàn)<0.2g/kW，而我國(guó)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(kāi)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(guó)巴斯夫（BASF）、英國(guó)莊信萬(wàn)豐（JohnsonMatthey）、比利時(shí)優(yōu)美科（Umicore），三者全球市占率占比約90%，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)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(guó)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(jì)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(jī)氟化工產(chǎn)業(yè)鏈末端，其上游是有機(jī)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(chǔ)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(duì)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?duì)柟?，比利時(shí)索爾維公司，日本旭硝子玻璃、旭化成，以及我國(guó)的東岳集團(tuán)、泛亞微透等十余家公司。

我國(guó)東岳集團(tuán)具有完整的全氟磺酸樹(shù)脂產(chǎn)業(yè)鏈，是繼戈?duì)枴⒖颇絻杉彝鈬?guó)企業(yè)之后國(guó)內(nèi)市場(chǎng)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(shí)建成全國(guó)唯一全氟酸質(zhì)子膜樹(shù)脂合成生產(chǎn)線，目前實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)并批量供貨。

燃料電池電堆工作原理：

氣體擴(kuò)散層

氣體擴(kuò)散層（GDL）層位于氣體流場(chǎng)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(lái)源：NPTEL

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

目前我國(guó)氣體擴(kuò)散層技術(shù)還在進(jìn)行探索，碳紙類材料的實(shí)驗(yàn)室技術(shù)可對(duì)標(biāo)國(guó)際部分先進(jìn)產(chǎn)品水平，但在實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品規(guī)?；a(chǎn)方面還有一定差距。

國(guó)內(nèi)知名的氣體擴(kuò)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(yùn)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(yùn)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(yùn)行的重要因素。

對(duì)于BOP，其成本構(gòu)成相對(duì)分散，空壓機(jī)和電機(jī)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(jī)：燃料電池系統(tǒng)的核心部件?

燃料電池空壓機(jī)對(duì)電堆的性能有較大的促進(jìn)作用。其種類較多，其中離心式壓縮機(jī)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(guó)產(chǎn)化率方面來(lái)說(shuō)，空壓機(jī)是燃料電池關(guān)鍵部件中國(guó)產(chǎn)化程度較高的一款。

據(jù)勢(shì)銀統(tǒng)計(jì)，相對(duì)于其它輔助系統(tǒng)產(chǎn)品而言，空壓機(jī)已經(jīng)較早地實(shí)現(xiàn)了全功率段國(guó)產(chǎn)化，目前國(guó)產(chǎn)化率接近100%。

近兩年國(guó)內(nèi)市場(chǎng)燃料電池空壓機(jī)供應(yīng)商主要有雪人股份、勢(shì)加透博、金士頓科技、穩(wěn)力科技、煙臺(tái)東德實(shí)業(yè)、德燃動(dòng)力、冰輪環(huán)境等企業(yè)。

燃料電池系統(tǒng)裝機(jī)市場(chǎng)格局

整體而言，近年來(lái)中國(guó)氫燃料電池裝機(jī)量增速快。目前市場(chǎng)區(qū)域性訂單多，同時(shí)批量供貨的競(jìng)爭(zhēng)者開(kāi)始增多，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)開(kāi)始由一向多發(fā)展，市場(chǎng)集中度逐年下降，2020年CR5為64%，較2019年降低14%，預(yù)計(jì)2-3年內(nèi)仍會(huì)下降。

2020年燃料電池汽車發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)裝機(jī)份額TOP3分別是愛(ài)德曼市占率為16.%，億華通市占率為15.%，國(guó)鴻重塑市占率為12%。

得益于核心材料和關(guān)鍵部件的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程加速，2020年我國(guó)燃料電池系統(tǒng)和電堆的價(jià)格已經(jīng)實(shí)現(xiàn)30%-50%幅度的下調(diào)。

未來(lái)幾年，隨著國(guó)產(chǎn)核心零部件的規(guī)?；约案?jìng)爭(zhēng)加劇，未來(lái)幾年電堆售價(jià)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(guó)發(fā)展迅速，但主要以整車組裝、示范運(yùn)營(yíng)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(dòng)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(chǔ)存等技術(shù)指標(biāo)來(lái)看，國(guó)內(nèi)水平距離國(guó)際水平差距較大。目前我國(guó)自主研發(fā)和引進(jìn)國(guó)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。