一 行業(yè)概況

 

1 氫燃料汽車發(fā)展簡史

 

當(dāng)下，氫能作為全球公認(rèn)最清潔的能源之一，被列為實現(xiàn)脫碳的重要途徑。事實上，人類對于氫能的探索由來已久，最早可追溯至500多年前。

1520年，瑞士醫(yī)生、煉金術(shù)士、非宗教神學(xué)家和德國文藝復(fù)興時期的哲學(xué)家Paracelsus通過將金屬（鐵、鋅和錫）溶解在硫酸中，觀察到了氫的存在；1839年，英國法官和科學(xué)家William Robert Grove（威廉·羅伯特·格羅夫）開發(fā)并制作了首個燃料電池-格羅夫電池，他因此被稱為燃料電池之父。1966年，通用汽車公司推出了世界上第一臺燃料電池汽車Electrovan。進入21世紀(jì)后，世界各國大力發(fā)展氫燃料電池和氫燃料汽車相關(guān)布局，推廣氫能源在上下游產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用，如果能真正做到氫能源的全面應(yīng)用，可達到真正意義上的零排放，實現(xiàn)綠色能源利用的目標(biāo)。

 

2 政策驅(qū)動力

 

氫能是用能終端實現(xiàn)綠色低碳轉(zhuǎn)型的重要載體，全球多國制定綠色轉(zhuǎn)型計劃，并制定中長期碳排放目標(biāo)，聯(lián)合國表示到2030年全球碳減排50%已成各國共識。

根據(jù)《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021-2035年）》，我國氫能燃料電池汽車發(fā)展預(yù)計經(jīng)過三個階段：

1）2020-2025年為初步示范階段：2020年初步實現(xiàn)氫能燃料電池汽車的商業(yè)化應(yīng)用，商業(yè)化規(guī)模達到1萬輛，投入運營的加氫站100座，在北京、上海、鄭州、武漢、成都、張家口、佛山等全國多個大中小不同的城市，以公共交通、倉儲物流為主要的業(yè)務(wù)，開展商業(yè)化示范運行，累計運行達到1 億公里。

 

2）2025-2030年為加快推廣階段：到2025年，加快實現(xiàn)氫能及燃料電池汽車的推廣應(yīng)用，以公共服務(wù)用車的批量應(yīng)用為主，基于現(xiàn)有的儲存、運輸和加注的技術(shù)，在150公里的輻射范圍內(nèi)，因地制宜地推廣氫能燃料電池技術(shù)，通過優(yōu)化燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，加速關(guān)鍵零部件的產(chǎn)業(yè)化，大幅度降低燃料電池系統(tǒng)的成本，車輛的保有量要達到5萬~10萬輛。

 

3）2030-2035年為大規(guī)模應(yīng)用階段：2030年到2035年，要實現(xiàn)氫能及燃料電池技術(shù)的大規(guī)模推廣應(yīng)用，大規(guī)模的氫的制取、儲存、運輸、應(yīng)用達到一體化，加氫站的現(xiàn)場儲氫、制氫規(guī)模的標(biāo)準(zhǔn)化和推廣應(yīng)用也到一定的程度，要完全掌握燃料電池核心關(guān)鍵技術(shù)，建立完備的燃料電池的材料、部件及系統(tǒng)的制備能力。

2021年8月，京津冀、上海、廣東三大城市群率先啟動燃料電池汽車示范應(yīng)用推廣；2021年12月，北、河南城市群入選第二批入選示范區(qū)。

 

圖表：國內(nèi)氫燃料電池汽車三步走路線

 

3 氫燃料電池原理

1）反應(yīng)氣體在氣體擴散層內(nèi)擴散；

2）反應(yīng)氣體在催化層內(nèi)被催化劑吸附后被離解；

3）陽極反應(yīng)生成的氫離子穿過質(zhì)子交換膜到達陰極與氧氣反應(yīng)生成水，而電子通過外電路到達陰極產(chǎn)生電。

 

圖表：氫燃料電池工作原理

 

二 行業(yè)現(xiàn)狀

 

1 行業(yè)政策

 

“以獎代補”形式：2020年五部委聯(lián)合下發(fā)《關(guān)于開展燃料電池汽車示范應(yīng)用通知》，設(shè)立五大城市群，針對燃料電池汽車關(guān)鍵核心技術(shù)、產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用進行突破，在示范期內(nèi)，若示范城市群滿足相關(guān)“推廣應(yīng)用車輛技術(shù)和數(shù)量”要求，可最多獲得1.5萬積分（對應(yīng)約15億元補貼）。

2020年9月財政部、工信部、科技部、發(fā)改委、能源局聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于開展燃料電池汽車示范應(yīng)用的通知》

2021年8月，京津冀、上海、廣東三大城市群率先啟動燃料電池汽車示范應(yīng)用推廣；

2021年12月，河北、河南城市群入選第二批入選示范區(qū)。中央財政計劃通過對新技術(shù)示范應(yīng)用以及關(guān)鍵核心技術(shù)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用給予獎勵，加快帶動相關(guān)基礎(chǔ)材料、關(guān)鍵零部件和整車核心技術(shù)研發(fā)創(chuàng)新。爭取用4年左右時間，逐步實現(xiàn)關(guān)鍵核心技術(shù)突破，構(gòu)建完整的燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)鏈。

 

圖表：示范城市群及燃料電池汽車推廣目標(biāo)

 

圖表：燃料電池汽車折算國補情況 (萬元)

 

2 市場空間

 

2023 年以來氫燃料電池汽車產(chǎn)銷量快速增長。

2016-2022年國內(nèi)燃料電池汽車銷售量整體呈現(xiàn)上升趨勢。2020-2021 年，由于氫燃料電池汽車示范城市群暫未確定，因此銷售量短暫下滑。

2022年，氫燃料汽車銷售實現(xiàn)倍增。根據(jù)中汽協(xié)，2022年氫燃料電池汽車銷售量為3367輛，同比增長112%。

 

圖表：2015-2022國內(nèi)氫燃料汽車產(chǎn)銷量 (輛)

 

國內(nèi)氫燃料電池商用車占據(jù)主導(dǎo)地位。

目前，國內(nèi)銷售的氫燃料汽車主要應(yīng)用在商用車領(lǐng)域。根據(jù)汽車總站數(shù)據(jù)，2022 年氫燃料電池汽車上險輛達5009輛，客車、重卡、其他貨車等商用車上險量達4782輛，占總上險量的95%，其中，重卡上險輛達2465輛，占比達 49%。

根據(jù)IEA數(shù)據(jù)，截至2022年末，我國商用車保有量占比約99%。國內(nèi)優(yōu)先發(fā)展商用車的原因在于兩方面：

1）商用車可實現(xiàn)批量示范，形成規(guī)模后可以推動燃料電池成本和氫氣成本下降；

2）商用車行駛在固定線路上且車輛集中，對加氫基礎(chǔ)設(shè)施布局的要求也相對更低。

因此在燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的初期，發(fā)展燃料電池重型載貨車的戰(zhàn)略引導(dǎo)作用高于乘用車。

2026年氫燃料商用車保有量有望超過7萬輛。

2022-2026年復(fù)合增速超50%。

在商用車節(jié)能減排的大背景下，我國氫燃料商用車銷售增速有望提升。根據(jù)國家能源局《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021-2035年）》，2025年我國燃料電池車輛保有量目標(biāo)約5萬輛，據(jù)中銀證券研究院預(yù)測：2023-2026年氫燃料電池商用車銷售量分別為0.75萬輛、1.15萬輛、1.89萬輛、2.86萬輛，銷量增速分別為 51%、67%、83%、60%；預(yù)測 2025、2026 年氫燃料電池商用車保有量分別約 5.12萬輛、7.98萬輛，2022-2026氫燃料商用車保有量復(fù)合增速或超過 50%。

 

圖表：2023-2026年燃料電池商用車保有量及銷售量預(yù)測 (千輛)

 

三 行業(yè)態(tài)勢

 

1 技術(shù)優(yōu)勢

 

燃料電池是一種把燃料所具有的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的化學(xué)裝置。由于燃料電池是通過電化學(xué)反應(yīng)把燃料的化學(xué)能中的吉布斯自由能部分轉(zhuǎn)換成電能，不受卡諾循環(huán)效應(yīng)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，故排放出的有害氣體極少，使用壽命長。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(shù)。

從商業(yè)應(yīng)用上來看，質(zhì)子交換膜燃料電池和固體氧化物燃料電池是當(dāng)前最主要的燃料電池技術(shù)路線。質(zhì)子交換膜燃料電池對氫氣的質(zhì)量要求高，所以成本也高，而固體氧化物燃料電池使用粗氫及碳?xì)淙剂霞纯桑芰哭D(zhuǎn)化率高，在大型集中供電、分布式發(fā)電、熱電聯(lián)供乃至交通領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。

 

從技術(shù)特性上，氫燃料電池汽車適用的應(yīng)用場景主要包括固定路線、中長途干線、高載重：

1）固定路線：便于配套加氫站等基礎(chǔ)設(shè)施，如礦山短道、港口、物流園區(qū)內(nèi)等相對封閉和固定路線的場景，方便氫燃料汽車布局加氫站等配套能源加注設(shè)施；

2）中長途干線：里程在400-800公里左右，超過純電的續(xù)航上限將成為氫燃料汽車的優(yōu)勢應(yīng)用場景區(qū)間；

3）高載重：純電車型由于電池能量密度提升空間有限，重卡匹配一定續(xù)航里程的電池必然導(dǎo)致自重較大，因此氫燃料過渡到液氫路線后車重較純電優(yōu)勢進一步放大，在載重量具有更大需求的場景上將更有優(yōu)勢。

 

2 行業(yè)挑戰(zhàn)

 

基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不足。

目前我國在氫能源基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面仍不夠完善，限制了氫能源的普及和應(yīng)用；在技術(shù)方面目前仍存在一些技術(shù)難題，如氫能源的轉(zhuǎn)化效率、安全性和可靠性方面還需突破；目前我國燃煤制氫的比例還較大，如果不能在制氫環(huán)節(jié)有效控制碳排放，依舊無法達到我國雙碳的目標(biāo)。

儲氫與運輸。

目前儲氫技術(shù)尚未完全成熟，儲氫密度低、儲氫成本高的問題一直都是需要核心突破的瓶頸；氫氣運輸需要高壓容器或者液態(tài)氫，目前運輸成本偏高，儲氫運輸過程中的安全性也需進一步進行標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證；我國制氫站的建設(shè)存在高投入，標(biāo)準(zhǔn)體系不完善等問題。以上所提到的制氫、運氫和儲氫系統(tǒng)的不完善，會導(dǎo)致加氫成本高于加燃油成本。

 

3 行業(yè)態(tài)勢

多家廠商入局，市場集中度持續(xù)下降。

2019~2021年市場集中度維持高位，基于對政策和未來市場前景的良好預(yù)期，進入燃料電池系統(tǒng)行業(yè)的企業(yè)持續(xù)增加，市場集中度有下降趨勢。2016-2021年6月末累計配套車輛上牌的TOP5分別是上海重塑、億華通、大洋電機、國鴻氫能（鴻力氫動）、百應(yīng)能源，TOP3和TOP5市占率分別為51%和66%，集中度較高。新進入企業(yè)在示范期間激烈的競爭中能否存活下來，存在較大不確定性。

 

圖表：2016-2021年6月末氫燃料電池系統(tǒng)累計銷量

 

四 系統(tǒng)關(guān)鍵材料國產(chǎn)化進程

 

1 燃料電池汽車核心零部件國產(chǎn)化進程

 

受制于材料、加工制造等基礎(chǔ)工業(yè)，中國燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)鏈布局呈現(xiàn)“倒金字塔”形，集成類企業(yè)多，關(guān)鍵材料及核心部件生產(chǎn)企業(yè)相對少。隨著“十四五”“雙循環(huán)”等政策推動下，我國氫燃料電池汽車核心技術(shù)不斷突破，加速核心部件國產(chǎn)替代。

 

圖表：燃料電池系統(tǒng)分布情況

2017年我國僅掌握系統(tǒng)集成、雙極板和DC/DC生產(chǎn)能力，其余主要依賴進口，國產(chǎn)化率約30%；

2020年，我國電堆、膜電極、空壓機、氫氣循環(huán)泵等核心部件均可自主控制，氣體擴散層、催化層和質(zhì)子交換膜等核心材料加速研發(fā)，總體國產(chǎn)化率約 60%；

2022年我國已經(jīng)基本實現(xiàn)了燃料電池系統(tǒng)的國產(chǎn)化。

 

圖表：燃料電池汽車核心零部件國產(chǎn)化進程

 

2 電堆

電堆=膜電極+雙極板+集流板+端板。

電堆是燃料電池系統(tǒng)的核心部件，成本占比較高。電堆維系著整個燃料電池系統(tǒng)的能量輸出過程，在很大程度上決定了燃料電池的整體性能、壽命和成本等關(guān)鍵因素。

燃料電池或電堆的核心技術(shù)指標(biāo)有：質(zhì)量功率密度、體積功率密度、電極功率密度、額定功率、系統(tǒng)低溫啟動能力等。

電堆市場集中度較高。根據(jù)中商情報網(wǎng)的數(shù)據(jù)，2022年國內(nèi)電堆企業(yè)top3分別為神力科技、國鴻氫能、捷氫科技，CR3市占率為54%。

 

圖表：2022年中國電堆企業(yè)市場份額占比

 

2 膜電極

 

膜電極=氣體擴散層+催化層+質(zhì)子交換膜。膜電極是燃料電池的核心組件，其制備工藝是燃料電池領(lǐng)域和核心技術(shù)之一，膜電極直接決定燃料電池的性能、壽命及成本。

膜電極國產(chǎn)化率較高，供應(yīng)商主要為專營膜電極的廠商。目前，國內(nèi)已上牌車輛裝堆膜電極企業(yè)近20家，作為專業(yè)第三方膜電極供應(yīng)商企業(yè)僅五家國產(chǎn)品牌企業(yè)，分別是唐鋒能源、擎動科技、鴻基創(chuàng)能、武漢理工和億氫科技，但該五家企業(yè)基本占據(jù)了國內(nèi)裝車市場75%左右市場份額，剩余市場主要包括如捷氫科技、國氫科技、愛德曼、新源動力、清能股份、明天氫能等自身擁有批量生產(chǎn)膜電極產(chǎn)能的電堆/系統(tǒng)企業(yè)，以及如豐田、巴拉德、莊信萬豐、greenerity等外資企業(yè)貢獻。

 

圖表：2022年上牌車輛裝機膜電極企業(yè)市占率

 

2.1 催化劑

陽極的電化學(xué)反應(yīng)過程很快，陰極的反應(yīng)過程緩慢，為提高燃料電池的整體反應(yīng)效率，需要用到催化劑來提高陰極的反應(yīng)速率。催化層是發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的場所，是電極的核心部分，關(guān)系到燃料電池電堆的性能和壽命。

催化劑有低鉑、鉑基及非鉑三類，目前EPMFC催化劑層中鉑(Pt)載量較高，價格高昂成為商業(yè)化的阻礙。

目前鉑催化劑市場仍由國外廠商占據(jù)，國內(nèi)部分企業(yè)著手布局追趕。根據(jù)36Kr的相關(guān)數(shù)據(jù)，截止2022年11月，國內(nèi)有近1萬臺燃料電池車在運行，其中超過90%的燃料電池在使用進口催化劑。在國內(nèi)市場活躍的國外燃料電池催化劑供應(yīng)商主要有田中貴金屬(TKK)、莊信萬豐(JM)、優(yōu)美科等多家公司，其中田中貴金屬和莊信萬豐占據(jù)較高的市場份額。

 

另外，氫燃料電池催化劑相關(guān)知識產(chǎn)權(quán)目前也主要掌握在西方少數(shù)發(fā)達國家手中，國內(nèi)企業(yè)大多數(shù)還處于實驗室階段，少數(shù)企業(yè)可實現(xiàn)量產(chǎn)。

2.2 質(zhì)子交換膜

質(zhì)子交換膜(PEM)也稱為質(zhì)子膜或氫離子交換膜，被譽為是燃料電池的芯片，其性能的好壞直接決定著燃料電池的性能和使用壽命。其作用是傳導(dǎo)質(zhì)子、隔離氣體和反應(yīng)物質(zhì)。全氟磺酸膜是PEM的主流路線。

目前國外廠商占據(jù)主要份額，國內(nèi)加速發(fā)展。根據(jù)高工產(chǎn)研GGII 的數(shù)據(jù)，燃料電池用質(zhì)子交換膜上，2020年國產(chǎn)化率為7.5%，2021年國產(chǎn)化率為 11.61%。

 

圖表： 燃料電池用質(zhì)子交換膜國產(chǎn)化率

 

國產(chǎn)化的替代難點一方面在于國內(nèi)企業(yè)的對于高工藝壁壘的突破，另一方面在于材料體系的轉(zhuǎn)換。

工藝方面，全氟磺酸膜制備的原材料反應(yīng)條件苛刻、核心原材料具有易爆炸的特點，同時樹脂的聚合與成膜過程，存在著機械強度難以保證、產(chǎn)品平整度和厚度難以取舍的問題。

材料體系方面，下游膜電極或電堆廠商批量導(dǎo)入國產(chǎn)質(zhì)子交換膜意味著原來的催化劑和氣體擴散層等材料都需要重新調(diào)整，這是一個系統(tǒng)性的工程，需要產(chǎn)業(yè)鏈多家公司配合測試驗證，更關(guān)鍵的是需要有下游客戶愿意提供訂單和運營測試的場景。

同時，國產(chǎn)質(zhì)子交換膜的性能需要在電堆層面長期的驗證，因此質(zhì)子交換膜的國產(chǎn)化替代仍然鞭長駕遠(yuǎn)。

 

2.3 氣體擴散層

氣體擴散層在燃料電池中起到支撐催化層、收集電流、傳導(dǎo)氣體和排出反應(yīng)產(chǎn)物水的重要作用。是燃料電池的主要部分。一般認(rèn)為氣體擴散層可以分成基底層(支撐層)和微孔層兩部分。

碳紙因其制造工藝成熟、性能穩(wěn)定，成為氣體擴散層材料的主流選擇。氣體擴散層從材料來源來看，大體分為四種，碳纖維紙、碳纖維編織布、無紡布以及碳黑紙。碳紙也因其制造工藝成熟、性能穩(wěn)定，成為氣體擴散層材料的主流選擇。

氣體擴散層的成本在燃料電池中占比較高，要降低燃料電池的成本，國產(chǎn)化突圍是必然的選項?，F(xiàn)階段，燃料電池生產(chǎn)商大多采用日本東麗、美國 Avcarb、德國SGL等廠商的氣體擴散層產(chǎn)品，其中日本東麗、Avcarb占據(jù)較大的市場份額。東麗和SGL的產(chǎn)品價值鏈?zhǔn)加谧约荷a(chǎn)的碳纖維碳紙，一直到微孔層 MPL涂布，具備深厚的基礎(chǔ)碳材料開發(fā)和規(guī)?；a(chǎn)能力。目前國內(nèi)只有少數(shù)企業(yè)涉足研發(fā)氣體擴散層，并且大多處在小批樣試產(chǎn)的狀態(tài)。

 

圖表：碳紙的制備方法

 

五 小結(jié)

 

技術(shù)與規(guī)模化相互促進，政策驅(qū)動產(chǎn)業(yè)發(fā)展積極性。

三大關(guān)鍵因素影響氫燃料汽車產(chǎn)業(yè)：

氫燃料電池產(chǎn)業(yè)屬于典型的技術(shù)密集型行業(yè)，產(chǎn)業(yè)鏈除了在規(guī)模化應(yīng)用前提下降低成本之外，還應(yīng)加快新型技術(shù)的突破與研發(fā)。

我國氫燃料電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展在一定程度上將對國外發(fā)達國家先進制造業(yè)產(chǎn)生沖擊，在知識產(chǎn)權(quán)和進出口關(guān)稅方面可能產(chǎn)生摩擦，進而對我國相關(guān)產(chǎn)業(yè)造成負(fù)面影響。

國內(nèi)氫燃料汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展還處于早期，目前已出臺多項政策驅(qū)動發(fā)展，就目前進展來看，補貼力度還未能達到預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)，一定程度上影響各地方產(chǎn)業(yè)發(fā)展的積極性。

我國目前氫燃料汽車在核心技術(shù)領(lǐng)域方面相對國外部分廠商還有一定追趕的距離，但是技術(shù)短板沒有太明顯；產(chǎn)業(yè)鏈中較多核心零部件國產(chǎn)化率已在不斷提升，不僅在國家戰(zhàn)略布局方面具備重要作用，同時還將帶動大批新的產(chǎn)業(yè)鏈形成。

 

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