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氢能专题研究之一氢能重点产业链介绍行业研究 · 深度报告电力设备新能源· 氢能投资评级超配证券分析师王蔚祺E-MAIL wangweiqi2guosen.com.cn证券投资咨询执业资格证书编号S0980520080003 证券研究报告 | 2021年12月6日投资建议氢能作为一种清洁高效的二次能源，对于构建清洁低碳安全高效能源体系具有重大的意义。10月24日，中共中央国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见（简称意见）发布，氢能也被上升至国家层面的战略能源地位，将在碳达峰、碳中和的宏伟进程中发挥重要作用。目前我国每年氢气消费量超过3000万吨，中远期将有希望突破1亿吨。如果按照20元/kg的销售价格，对应5000万吨的销售规模估算，中长期也将是万亿元级别的能源市场。氢能在工业深度脱碳、交通以及跨季节储能领域可以很好地发挥与电力互补的优势。目前无论是大规模可再生能源制氢，还是氢能的储存、运输、分销，以及在工业和交通领域的应用，都处于技术示范和关键设备国产化的阶段，仍然需要国家补贴的大力支持。从我国的氢能战略上来看，当前重点需要突破交通领域关键设备和材料的技术，以及国产化应用，再通过交通领域的应用带动氢能的储运环节发展，形成螺旋上升的发展驱动力。最终推动可再生能源制氢后的终端需求市场成熟，推动可再生能源制氢的快速发展。我们预期氢能市场的投资机遇分为两个阶段第一阶段是关键设备和材料的市场机遇，第二阶段是中远期万亿元级别的氢气储运及分销市场机遇。我们看好当前从事氢能一体化业务发展的企业，这类企业短期能够充分受益于国家补贴支持下的市场增长红利，长期可以分享氢气销售的庞大市场蛋糕，拥有积极的发展前景。建议重点关注中国能源建设、阳光电源。风险提示1、国家宏观氢能规划政策出台的时间和发展规模不达预期；2、关键材料和装备国产化进程不达预期；3、海外专利保护纠纷。 WUDWwPmRoNqRqOtQsPsNrQ6McM7NoMnNnPoNeRoOqPfQpMqR6MnMrPNZrQxPMYsRtP 第一章氢能产业链上游氢能来源广泛的二次能源资料来源国鸿氢能，国信证券经济研究所整理应用场景丰富 02030401 交通运输领域氢燃料电池汽车交通运输业排放占全球碳排放量的1/3。燃料电池车具有零排放、续航里程长等特点，是交运行业减碳的最佳选择热值高氢气是常见燃料中热值最高的（143 kJ/g），是石油的约3倍，煤炭的4.5倍建筑领域分布式热-电联供系统氢气供燃料电池发电，燃料电池发电产生热量用于供暖与热水供应储能领域氢储能参与电网辅助氢储能系统耦合风光等可再生能源参与电网削峰填谷、调峰调频等作用工业领域氢能炼钢利用氢气的高还原性，代替焦炭作为高炉还原剂，以避免钢铁生产中的碳排放无碳排、无污染氢气燃烧过程无碳排放、无污染物产生安全性好氢气在发生泄露后极易扩散，爆炸下限浓度高于汽油和天然气图1氢能优势与应用场景 4 氢能产业链资料来源亿华通，国信证券经济研究所整理制氢氢储运氢加注化石能源制氢高压气氢低温液氢固态储氢加氢站煤制氢天然气制氢石油类燃料制氢工业副产氢焦炉气氯碱副产气丙烷脱氢副产气乙烷裂解副产气燃料电池动力系统燃料电池电堆催化剂质子交换膜气体扩散层双极板密封圈紧固件系统其他主要部件空压机氢气循环泵增湿器储气瓶散热器DC/DC泵与阀件等燃料电池应用交通汽车船舶轨道交通叉车固定式应用分布式电力系统家庭热电联产备用电源军用便携电源无人机舰艇动力系统备用电力系统航天火箭发动机上游中游（部分）下游图2氢能产业链概览 5 我国氢能产业具备长期发展潜力根据中国氢能联盟的预测，在2030年碳达峰愿景下，我国氢气的年需求量预期达到3,715万吨，在终端能源消费中占比约为5；可再生氢产量约为500万吨，部署电解槽装机约80GW。在2060年碳中和愿景下，我国氢气的年需求量将增至1.3亿吨左右，在终端能源消费中占比约为20。其中，工业领域用氢占比仍然最大，约7,794万吨，占氢总需求量60；交通运输领域用氢4,051万吨，建筑领域用氢585万吨，发电与电网平衡用氢600万吨。数据来源中国氢能联盟，国信证券经济研究所整理及预测3342 3715 5276 9690 1303002000400060008000100001200014000 2020 2030E 2040E 2050E 2060E 工业60交通运输31建筑领域4 发电与电网平衡5图3我国氢气年产量以及未来预期（万吨）图42060年我国氢气各领域用量展望数据来源中国氢能联盟，国信证券经济研究所整理 6 制氢路径及成本比较当前全球氢气年产能约7000万吨，我国氢气产能约3342万吨；国外市场以天然气制氢为主，占比约为75；我国以煤制氢为主，占60以上。全球可再生能源制氢占比极小，却是降低燃料电池汽车全生命周期碳排放量的主要途径，因此正在得到全球范围的大力推动。我国碱性水电解制氢技术较为成熟，应用比较广泛，但存在单体制氢能力较小、电流密度小、占地面积大等问题。质子交换膜电解制氢技术国内外均处于研发和小量应用阶段，我国质子交换膜制氢技术在设备成本、催化剂技术、质子交换膜本身等方面与国际先进水平差距较大。因此，短期以成熟的碱性水电解制氢技术为主，中长期为碱性、质子交换膜等多种制氢方式并存。其他制氢方式包括生物质制氢、光解水制氢、核能制氢等，但目前仍处于实验研发阶段，尚无规模化应用。数据来源中国氢能联盟，国信证券经济研究所整理技术路线优势劣势规模（立方米/小时）碳排放（kgCO2/kgH2化石原料制氢煤气化产量高，成本低，技术成熟工艺流程长，碳排放量大 5000500000 2530天然气重整 1000100000 1012工业副产氢焦炉煤气相比煤制氢初次投资更小，能耗更低建设地点受制于原料供应 5000100000 99.8 99.99 99.99能量效率 60-75 75-90 85-100操作特征快速启停，产气需要脱碱快速启停，产物仅水蒸气启停不便，产物仅水蒸气电能质量要求稳定电源稳定或波动电源稳定电源动态响应能力较强强较弱电解槽寿命 12000 h 10000 h 可维护性强碱腐蚀强，运维成本高无腐蚀性介质，运维成本低技术成熟度充分产业化初步产业化研发期特点技术成熟，成本低良好的可再生能源适应性转化效率较高表4电解水技术路线对比 10 制氢电解水制氢成本分析电解水制氢成本一般包括设备成本、能源成本（电力）、原料费用（水）以及其他运营费用。与化石能源制氢和工业副产氢相比，碱性和PEM制氢技术在生产运行成本与设备投资成本上均较为昂贵。随着未来可再生能源发电平价上网，尤其是对局部区域弃风弃光的充分利用，可再生能源电价有望持续降低。以目前的电解水平，当可再生能源电价降至0.2元/kWh时，电解水制氢成本将接近于化石原来制氢成本。同时，随着制氢项目的规模化发展、关键核心技术的国产化突破、电解槽能耗和投资成本的下降以及碳税等政策的引导下，电解制氢技术在降低成本方面极具发展潜力。表5电解水制氢成本构成碱性电解水 PEM电解水电解槽折旧费用（元/kg） 4.8 16.8土建与设备安装费用（元/kg） 0.4 0.6 人工与运维费用（元/kg） 2.3 2.3 电费（元/kg） 33.6 30.2 单位成本（元/kg） 41.1 49.9 数据来源氢能供应链成本分析及建议，国信证券经济研究所测算图7电解水成本（元/kg）随电价（元/kWh）变动走势图 0102030405060 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6碱性电解 PEM电解数据来源氢能供应链成本分析及建议，国信证券经济研究所测算 11 上市公司代码涉及业务宝丰能源 600989.SH 公司总投资14亿元建设全球最大规模的太阳能电解水制氢储能及综合应用示范项目，主要包括新建20,000Nm3/h碱性电解槽电解水制氢装置（合计年产氢气1.6亿Nm3/年）及配套公辅设施，制取绿氢用于化工生产。美锦能源 000723.SZ 公司采用焦炉煤气制氢，可实现低成本高效大规模制氢。东华能源 002221.SZ 公司目前拥有PDH产能198万吨/年，副产5.6万吨/年氢气。预计到2030年，公司将形成年产超900万吨PDH、800万吨PP、氢气产能45万吨中国石化 600028.SH 公司氢气年产能力超390万吨，占全国氢气产量的11左右中国旭阳集团 1907.HK 公司现运营焦化规模1210万吨/年，预计2025年达到3000万吨/年，2030年达到6000万吨/年；旭阳集团现有氢资源26.6亿方/年，预计2025年氢资源超过65亿方/年，2030年氢资源超过130亿方/年。华昌化工 002274.SZ 公司二期项目可生产合成气（氢气、一氧化碳），装置合成气生产能力总计为110000立方/小时，在氢气制取方面，每年可生产氢气达20万吨鸿达兴业 002002.SZ 公司目前拥有100万吨氯碱产能，副产氢气可达2.5万吨/年。金能科技 603113.SH 公司建设90万吨/年丙烷脱氢与86万吨/年绿色炭黑循环利用项目、6.5亿立方/年清洁氢能源项目，公司每年可副产氢气4.1万吨。卫星化学 002648.SZ 公司全资子公司浙江卫星能源已建成年产90万吨丙烷脱氢制丙烯装置，可副产氢气3万吨/年。滨化股份 601678.SH 公司与北京亿华通共同出资设立了山东滨华氢能源有限公司，主要业务方向是为氢燃料电池汽车加氢站提供氢气，目前公司副产氢气1.7万吨/年。制氢业务相关上市公司梳理数据来源各公司官网，Wind，国信证券经济研究所整理，注各公司最新情况以公司指引为准。表6制氢业务相关上市公司梳理 12 储氢运氢气、液、固三种方式比较氢储存的方式有高压气态储氢、低温液态储氢和固态储氢。目前高压气态储运氢技术相对成熟，是我国现阶段主要的储运方式。气氢通常以20MPa钢制氢瓶储存，并通过长管拖车运输，适用于短距离、小规模输运。管道输氢是实现氢气大规模、长距离运输的重要方式，但建设成本较大，目前我国仅有100km管道建设。据中国氢能产业基础设施发展蓝皮书预测，2030年我国氢气管道有望达到3000km。液态储氢是指在标准大气压下，将氢气冷却至零下252.72摄氏度液化储存在特制的高度真空的绝热容器中，常温常压下液氢的密度为气氢的845倍，适用于距离较远、运输量较大的场合，但装置投资较大，能耗较高。固态储运是以金属氢化物、化学氢化物或纳米材料等作为储氢载体，通过化学吸附和物理吸附的方式实现氢的存储。固态储氢具有储氢密度高、安全性好、氢气纯度高等优势。但技术复杂，成本高，尚无规模化使用。数据来源中国钢研科技集团，国信证券经济研究所整理储运方式运输工具压力（Mpa）载氢量（kg/车）体积储氢密度（kg/m3）质量储氢密度（wt）能耗（kwh/kg）经济距离（km）气态储运长管拖车 20 300-400 14.5 1.1 1-1.3 ≤200管道 1-4 － 3.2 - 0.2 ≥500液态储运液氢槽罐车 0.6 4500 64 14 15 ≥200固体储运货车 4 300-400 50 1.5 10-13.3 ≤150 表7不同氢储运方式比较 13 储氢运氢三种形式的结合应用前景对于高压气态运氢运输，当运输距离为50km时，运输成本为3.6元/kg，随着距离的增加长管拖车运输成本大幅上升，当运输距离为500km时，氢气的运输成本达到29.4元/kg。因此，长管拖车只适合短距离运输（小于200km）。液氢槽罐车运氢成本对距离不敏感，当加氢站距离氢源点50-500km时，运输价格在10.4-11.0元/kg范围内，这是由于液氢成本主要来源于液化过程中的耗电费用，仅与载氢量有关，而与距离无关。因此，液氢罐车在长距离运输下更具成本优势。管道运氢成本主要来源于与输送距离正相关的管材折旧及维护费用，当输送距离为100km时，运氢成本仅为0.5元/kg。但管道运氢成本很大程度上受到需求端的影响，在当前加氢站尚未普及、站点较为分散的情况下，管道运氢的成本优势并不明显。但随着氢能产业逐步发展，氢气管网终将成为低成本运氢方式的最佳选择。数据来源氢能供应链成本分析及建议，国信证券经济研究所测算；注长管拖车或液氢槽罐车百公里耗油25L，柴油价格7元/L，电价0.6元/kWh，过路费用0.6元/km，保养费用为0.3元/km，每车配备两名司机，装卸氢过程各需一名操作人员，人工费用为10万元/年；管道输氢建设成本基于济源-洛阳氢气管道项目测算。3.6 6.9 9.0 16.0 19.2 29.4 33.610.4 10.5 10.6 10.7 10.9 11.0 11.10.3 0.5 0.9 1.3 1.7 2.1 2.40.05.010.015.020.025.030.035.040.0 50 100 200 300 400 500 600运输距离（km）20MPa气氢液氢管道运氢成本测算基本假设气氢长管拖车价格 100万/台满载时氢气质量（20MPa） 430kg折旧年限 10年压缩过程耗电 1kWh/kg液氢槽罐车价格 350万/台满载时氢气质量 4300kg折旧年限 10年液化过程耗电 15kWh/kg气氢管道建设成本 617万/km输氢能力 10.04万吨/年折旧年限 20年压缩过程耗电 0.2kWh/kg图8不同输氢方式在不同运输距离下的成本对比（元/kg） 14 储氢运氢液氢关键技术与设备国产化是核心长期以来，受制于换热器、绝热器等设备，以及民用标准的缺乏，国内液氢主要用于航天和军工领域，民用液氢推进缓慢，氢液化设备也主要由美国空气产品、普莱克斯、德国林德等厂商提供。而目前日本、美国已将液氢罐车作为加氢站运氢的重要方式之一。随着近两年国内氢能兴起，民用液氢领域现已汇聚了中科富海、航天101所、国富氢能、鸿达兴业等一批机构和企业，在相关技术上屡获重大突破；同时国家已发布液氢生产、贮存和运输的国家标准，这使液氢民用有标可依，实现了我国液氢产业民用领域标准零突破，为液氢进入市场化发展提供重要支撑。在国家政策支持下，燃料电池汽车示范推广提速。数据来源GGII，国信证券经济研究所整理表8近期我国液氢项目进展时间相关规划2021年2月上海重塑、佛燃能源、国富氢能、泰极动力签署协议在佛山合作推进“液氢储氢加氢站项目2021年4月由财政部支持，中国科学院理化技术研究所承担的“液氦到超流氦温区大型低温制冷系统研制”项目通过验收及成果鉴定，相关技术已达到国际领先水平。2021年6月呼和浩特首个万吨级绿色液氢能源项目-空气产品久泰高效氢能综合利用示范项目正式签约2021年6月北京航天试验技术研究所成功完成国内首例车载液氢瓶火烧试验，实现了液氢储存领域的突破。 2021年7月航天六院101所作为国内液氢领域的中坚力量，于甘肃定西市开展液氢工厂项目的建设。2021年9月清华联手北汽福田的全球首辆35吨级、49吨级分布式驱动液氢燃料电池重型商用车成功问世，顺利通过综合测试。2021年9月河北建投集团与承德市政府、中国航天科技集团氢能工程研发中心签署共同推进国家级能源创新平台合作框架协议 15 储氢运氢加氢站目前国内已建成运营的加氢站设计最大氢气加注容量通常为 500kg/天或者1000kg/天。 2021年3月投入使用的北京大兴氢能科技园加氢站项目是目前全球规模最大的加氢站，最大加注量达4800Kg/天；可为日均600辆燃料电池物流车提供服务。除去土地成本外，建设一座35MP、日加氢500kg的固定式加氢站的平均投资在1500万元左右。未来几年，随着设备生产规模扩大以及关键设备如压缩机、加氢机的国产化，压缩系统、储氢系统以及加氢系统的成本将明显下降，国内加氢站建站成本有望下降超过20。数据来源Joint Agency Staff Report on Assembly Bill 8 Assessment of Time and Cost Needed to Attain 100 Hydrogen Refueling Stations in California ，GGII，国信证券经济研究所整理表9外供高压气氢加氢站建设成本（最大加氢量500kg/天）项目成本（万元）备注压缩机 203 40HP活塞式压缩机储氢瓶 278 250kg储能能力加氢系统 218 35/70Mpa双压力冷却系统 113 35/70Mpa双压力其他系统成本 395 阀门、管路、材料、连接设备等其他前期费用 306 调试费、设计施工费、工程管理费用、项目申请所产生费用等总计 1511 压缩机, 13 储氢瓶, 18加氢系统, 14冷却系统, 7其他系统成本, 26其他建成前所需费用, 20 图9外供高压气氢加氢站成本结构数据来源Joint Agency Staff Report on Assembly Bill 8 Assessment of Time and Cost Needed to Attain 100 Hydrogen Refueling Stations in California ，GGII，国信证券经济研究所整理 16 上市公司代码涉及业务加氢站建设美锦能源 000723.SZ 旗下已投运8座加氢站，并在计划在“十四五”期间规划建设100座加氢站。雪人股份 002639.SZ 公司筹划在福州市长乐区建设一座固定式加氢站。加氢站一期规模为500kg/d；二期拟增加70MPa储氢和加氢设备，可达到1000kg/d的供氢能力雄韬股份 002733.SZ 目前公司参与建设及投入运营的加氢站有三座，分别于大同、武汉、阳泉鸿达兴业 002002.SZ 目前公司已备案建设8座加氢站，其中3座已经投入运营。中国石化 600028.SH 十四五”期间将规划建设1000座加氢站，预计今年新发展加氢站数量将达100座。中国石油 601857.SH 公司已经有两座加氢站建成投运，六座加氢站正在建设中加氢设备厚普股份 300471.SZ 公司在加氢站建设方面已具备批量交付的能力。雪人股份 002639.SZ 公司具备加氢站核心设备制造能力可设计与制造加氢站、氢气压缩机组、氢气冷却机组等设备深冷股份 300540.SZ 公司已拥有氢液化、氢储运及加注等前端技术储备，并已注册氢液化装置相关专利。储氢瓶京城股份 600860.SH 公司下属的天海工业公司推出具有完全自主知识产权的新一代车载储氢IV型瓶，目前已建成一条柔性化IV型瓶生产线。亚普股份 603013.SH 公司自主研发的III型35MPa车载储氢系统正与相关方深度合作，产品近期将搭载成渝氢走廊项目进行示范运行；公司自主研发的IV型70MPa小容积车载储氢瓶正在搭载整车台架进行相关性能验证。中集安瑞科 3899.HK 公司通过旗下附属公司中集氢能科技与Hexagon Purus HK达成合营协议，成立高压储氢瓶合营公司和供氢系统合营公司中材科技 002080.SZ 公司现具备1-2万只35Mpa高压储氢瓶产能。加氢储氢业务相关上市公司梳理数据来源各公司官网，Wind，国信证券经济研究所整理，各公司最新情况以公司指引为准。表10加氢储氢业务相关上市公司梳理 17 第二章氢产业链中游（燃料电池动力系统）我国氢燃料电池汽车发展现状在政策的支持下，2016-2020年我国氢燃料电池汽车产量逐年提升；2020年受疫情影响，行业产量下滑至1199辆。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。 2020年，燃料电池商用车价格约为200万/辆，随着燃料电池系统生产规模化与燃料电池电堆核心零部件国产化，在2025年燃料电池汽车保有量达到5-10万辆的预期下，我们预计燃料电池汽车销售价格将以每年10的幅度下降。图10我国氢燃料电池汽车保有量（辆）图11我国氢燃料电池汽车年产量（辆） 639 1911 3438 6175 7352010002000300040005000600070008000 2016 2017 2018 2019 2020 629 1247 1619 3018 11990500100015002000250030003500 2016 2017 2018 2019 2020资料来源高工产业研究院，国信证券经济研究所整理资料来源高工产业研究院，国信证券经济研究所整理 19 氢燃料电池汽车结构氢燃料电池汽车的核心为燃料电池发动机系统，其结构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。供氢系统将氢从氢气罐输送到燃料电池电堆；由空气过滤器、空气压缩机和加湿器组成的供气系统为燃料电池堆提供氧气；水热管理系统采用独立的水和冷却剂回路来消除废热和反应产物（水）。燃料电池系统产生的电力通过动力控制单元驱动电动机，从而驱动车辆行驶，辅助电池则在需要时提供额外的电力。图12氢燃料电池汽车结构示意图资料来源Alternative Fuels Data Center，国信证券经济研究所整理图13氢燃料电池汽车组成燃料电池电堆 62 热管理系统 6 氢循环系统 4 增湿器 7成本占比空压机 14资料来源美国能源署，亿华通招股说明书，国信证券经济研究所整理 20 氢燃料电池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。由于该过程不受卡诺循环效应的限制，因此理论效率可达90以上，具有很高的理论经济性。不同于铅酸、锂电等储能电池，燃料电池类似于“发电机”，其在将化学能转化为电能的过程中产生的大部分是水，且整个过程不存在机械传动部件，因此没有有害气体排放与噪声污染。 2019年年产量规模达到百台以上的企业有四家，即上海神力、大连新源动力、江苏清能、广东国鸿。国际燃料电池堆企业已经进入中国市场，拥有较大的市场份额。加拿大巴拉德（Ballard）公司、水吉能（Hydrogenics）公司，日本丰田公司，瑞典PowerCell公司等，以产品销售、技术许可、合资建厂等方式在燃料电池堆输出总量上达到1400多台，占2019年国内电池堆总量的46.7，其中仅巴拉德一家就出货1370台，占据进口电池堆的97。图14燃料电池工作原理图氢燃料电池车电动车燃油车动力来源燃料电池发动机锂电池内燃机反应方式电化学反应电化学反应燃烧反应放能电电热反应效率 60 - 20-30安全性较燃油车与电动车高高能量密度与安全性难兼容爆燃与爆炸危险低温性能 -30 ℃可以启动 -20℃可启动 -18℃以下需润滑油、辅助点火装置加注时间 3 min 1-8 h 3 min续航里程 500 km 300 km 500km 表11不同类型汽车对比资料来源国信证券经济研究所整理资料来源GGII，国信证券经济研究所整理 21 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。资料来源美国能源署，国信证券经济研究所整理图15燃料电池电堆组成质子交换膜（成本占比16）作用传递在阳极形成的氢离子至阴极，同时隔离氢气与氧气商用产品全氟磺酸质子交换膜关键材料全氟磺酸树脂支撑板作用控制组装接触压力双极板成本占比23作用支撑机械结构、均匀分配气体、排水、导热、导电商用产品石墨板、金属板关键材料石墨粉/碳粉、不锈钢/钛合金气体扩散层（成本占比12）作用为气体提供输送通道、支撑催化层、稳定电极结构、传电和传热等功能商用产品碳纸关键材料碳纤维集流板作用收集电流催化剂成本占比36作用分解氢气和氧气并促进其结合生成水，同时产生电流商用产品Pt/C催化剂关键材料铂金 22 膜电极关键材料质子交换膜膜电极（MEA）由质子交换膜、催化层和气体扩散层组成，是燃料电池发电的关键核心部件，同时也是多相物质传输和电化学反应的场所，决定了燃料电池的性能、寿命和成本。主要性能指标包括单位表面积的输出功率（功率密度）、贵金属用量（单位功率输出的铂用量）、寿命和成本。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1.41.5W/cm2范围内，国内量产膜电极的功率密度为1.01.2W/cm2。国外膜电极供应商及丰田、本田等乘用车企业都已具备膜电极批量自动化生产线，单线年产能在数千平方米到万平方米级。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。资料来源未势能源，国信证券经济研究所整理图16燃料电池膜电极表12国内质子交换膜主要企业分布企业发展概况鸿基创能公司已建成目前国内产能最大的自主化膜电极生产线，年产能达30万平方米，当前CCM良品率达到了99.9，膜电极也达到99。武汉理工氢电公司已经实现卷对卷生产，每分钟能生产2-5米，累计销量突破170万片捷氢科技公司实现膜电极产线全自动化，线速度达到5m/min，年产能将达到500万片。擎动科技公司建设国内首条“卷对卷”直接涂布法膜电极生产线，设计产能达100万片资料来源鸿基创能，国信证券经济研究所整理 23 膜电极关键材料质子交换膜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（Solvay）公司，日本旭硝子玻璃（Asahi Glass）、旭化成（Asahi KASEI），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，目前应用最为广泛的是戈尔公司的Nafion系列膜（GORE-SELECT®PEM），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。资料来源氢燃料电池质子交换膜研究现状及展望，国信证券经济研究所整理表13不同种类质子交换膜对比类型材料工作温度（℃）优点缺点低温质子交换膜全氟磺酸树脂 80 化学稳定性强较高的力学强度寿命较长高离子传导特性需增湿、水管理系统对杂质气体耐受差氢气纯度要求高价格昂贵高温质子交换膜磷酸掺杂聚苯并咪唑 100-200 无需增湿对杂质气体耐受力高可降低铂担载量机械强度低有腐蚀性使用寿命短表14国内外质子交换膜（全氟磺酸膜）指标对比及主要企业性能指标国内国外产能（m2/年） 50000 1000000厚度一致性（�m） ±2 ±1溶胀率 25 2强度MPa 30 30 综合耐久性（h 6000 6000成膜聚合物当量质量（EW） 7001100 7001100资料来源节能与新能源技术路线图2.0，国信证券经济研究所整理 24 膜电极关键材料催化剂在燃料电池中，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。催化剂需要平衡成本与耐久性两方面的需求，新型高稳定、高活性铂或非铂催化剂是研究热点。铂合金催化剂取得很大进展，如铂钴、铂镍等正在得到实际应用；非铂催化剂性能与稳定性还有待提升。近年来，铂钴等合金催化剂也实现了商业化并逐渐取代铂碳广泛用于燃料电池产品中，如丰田Mirai。日本田中贵金属（Tanaka Kikinzoku Kogyo）、英国庄信万丰（Johnson Matthey）和比利时优美科（Umicore）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。表15燃料电池催化剂技术对比种类特点铂催化剂 Pt/C 活性高；但铂用量大，价格昂贵，易腐蚀低铂催化剂 Pt基合金催化剂低铂用量，铂利用率高；稳定性低，一致性差Pt基核壳结构催化剂Pt单原子催化剂非铂催化剂过渡金属氮化物价格低，稳定性强，抗中毒能力强；活性较低，一致性差过渡金属碳化物M-N-C 表16国内燃料电池催化剂企业介绍公司名称种类贵研铂业公司具备燃料电池催化剂相关技术,目前处于实验室阶段。中自科技公司基于对贵金属催化材料的技术积累，成功开发出氢燃料电池电催化剂，但尚处于小试阶段，尚未进行批量生产。资料来源氢燃料电池电催化剂研究进展，国信证券经济研究所整理资料来源Wind，国信证券经济研究所整理 25 膜电极关键材料气体扩散层气体扩散层（GDL）层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（Toray）及三菱（Mitsubishi）、德国西格里（SGL）和科德宝（Feudenberg）、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。气体扩散层的成本主要由加工费主导，若规模化生产将会带来大幅的成本削减。根据Strategic Analysis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。图17气体扩散层（左）与碳纸（右）性能指标国内国外空隙率（） 78.7 78透气率[m3/m2˙h˙kPa] 2278 1883石墨化度（） 82.2 66.5电阻率（10 3Ω˙m 2.17 5.88拉伸强度（N˙cm） 30.2 50 表17国内碳纸与国际同类产品比较资料来源通用氢能，国信证券经济研究所整理资料来源节能与新能源汽车技术路线图2.0，国信证券经济研究所整理 26 双极板双极板是燃料电池电堆的核心结构件，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；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。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。表18不同种类双极板对比双极板类型一般制法优点缺点石墨板利用碳粉或石墨粉混合石墨化树脂制备质量轻耐腐蚀性好导电性好厚度较大机械性能差，组装难度大石墨化时间长机械加工难，成本高金属板不锈钢、钛合金、铝合金等直接加工而成超薄导电导热性能好机械性能高阻气性好易腐蚀，寿命低装配精度要求高密度大，较重复合板热塑热塑或热固性树脂料混合石墨粉、增强纤维等形成预制料，并固化、石墨化后成型机械性能好耐腐蚀性高制备工艺繁杂成本高资料来源GGII，国信证券经济研究所整理 27 双极板石墨双极板电池堆技术代表性国外企业有加拿大巴拉德和氢能公司。石墨双极板技术最为成熟，基本已实现国产化，但耐久性和工程化有待验证。国内石墨双极板技术近年来发展十分迅速，技术水平与国外相当，但厚度通常在2mm以上。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，国内在薄碳板开发方面，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。金属板（钛或者不锈钢等）较石墨板更利于实现小型化，从而有利于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。表19国内外双极板企业图18国内外金属双极板主要指标对比双极板类型国外企业国内企业石墨板美国POCO、SHF公司；日本Fujikura Rubber公司、KyushuRefractories公司；英国Bac2公司；加拿大Ballard公司国鸿氢能、中钢天源、鑫能石墨、神州碳制品、沪江科技、联强碳素、喜丽碳素、弘枫实业、弘俊实业、信远工业金属板瑞典Cellimpact公司；德国Dana公司、Grabener公司、美国treadstone公司安泰科技、上汽捷氢、新源动力、上海治臻复合材料板英国Porvair公司、美国ORNL公司武汉理工大学、武汉喜马拉雅、爱德曼公司、新源动力、中科院大连化物所主要指标国外国内精细化加工工艺板材成形均匀单序冲压成型工艺，存在应力集中现象微流道深宽比 ≥0.7 ≤0.4制备碳膜速度（s/片） 25（丰田Mirai） 150200 资料来源GGII，节能与新能源汽车技术路线图2.0，国信证券经济研究所整理资料来源节能与新能源汽车技术路线图2.0，国信证券经济研究所整理28 空气循环系统空压机空气循环系统的关键部件为空压机，也为燃料电池阴极供气系统重要部件，通过对进堆空气进行增压，为电堆提供适量适压的氧气。空气压缩机的性能对燃料电池系统的效率、紧凑性和水平衡特性等有着重要影响。燃料电池系统用空压机主要有离心式、罗茨式、螺杆式三种类型。随着燃料电池系统功率的快速上升趋势，离心式空压机在效率、噪音、体积、无油、功率密度等方面具有良好的综合效果，已逐渐成为市场上的主流选择。从国产化率方面来说，空压机是燃料电池关键部件中国产化程度较高的一款。据势银（TrendBank）统计，相对于其它辅助系统产品而言，空压机已经较早的实现了