氫能源行業(yè)專題研究：燃料電池產(chǎn)業(yè)方興未艾國產(chǎn)企業(yè)將大有可為

氫能源行業(yè)專題研究：燃料電池產(chǎn)業(yè)方興未艾，國產(chǎn)企業(yè)將大有可為氫能應(yīng)用：燃料電池產(chǎn)業(yè)方興未艾，國產(chǎn)企業(yè)將大有可為氫能應(yīng)用環(huán)節(jié)及市場空間的概況雙碳目標下，國內(nèi)氫能源具有巨大的發(fā)展空間，氫能將主要應(yīng)用于交通運輸、工業(yè)、電力、建筑等領(lǐng)域。在“碳達峰碳中和”（3060）的目標導(dǎo)向下，氫能作為一種最清潔無碳的二次能源，憑借著來源豐富、靈活高效、應(yīng)用場景廣泛等優(yōu)點，在全球都迎來了巨大的發(fā)展機遇。氫能作為脫碳最有效手段，原料和燃料屬性皆具備，有望在交通運輸（燃料電池車等）、工業(yè)領(lǐng)域（冶金、化工等）、建筑領(lǐng)域（供熱取暖等）、電力（電網(wǎng)平衡等）等四大領(lǐng)域大顯身手。根據(jù)中國氫能聯(lián)盟測算，至2060年，我國氫氣的年需求量將達到1.3億噸左右（2019年約為2500萬噸），可減排二氧化碳18億噸，約占當前國內(nèi)二氧化碳總排放量19%，其中工業(yè)領(lǐng)域用氫約7794萬噸，占總用氫量約60%，交通運輸領(lǐng)域用氫4051萬噸，占比約為31%，發(fā)電與電網(wǎng)平衡用氫600萬噸，占比約為5%，建筑領(lǐng)域用氫585萬噸，占比約為4%。燃料電池將是氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的抓手，2050年氫能產(chǎn)業(yè)預(yù)計將會是10萬億以上級別市場。燃料電池裝臵有助于實現(xiàn)氫能的移動化、輕量化和大規(guī)模普及，可廣泛應(yīng)用在交通、工業(yè)、建筑、軍事等場景，因此燃料電池成為氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的抓手。截至2019年，氫能在我國能源體系中占比僅為2.7%，預(yù)計到2050年提升至10%，2060年提升至20%，氫氣需求量也將分別達到6000萬噸、1.3億噸。2050年加氫站建設(shè)達到1萬座，燃料電池車產(chǎn)量達到500萬輛/年，固定式電源將達到2萬座，燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)能達到550萬套/年，產(chǎn)業(yè)規(guī)模將達到12萬億元級別。燃料電池車具有獨特優(yōu)勢，有望迎來爆發(fā)式的增長燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)的構(gòu)成。與鋰電池作為儲能裝臵不同，燃料電池是一種非燃燒過程的能量轉(zhuǎn)換裝臵，通過電化學(xué)反應(yīng)將陽極的氫氣和陰極的氧氣（或空氣）的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能。燃料電池核心組件是電堆，主要有膜電極組件和雙極板組成，其中膜電極組件包括質(zhì)子交換膜、催化劑和氣體擴散層，為反應(yīng)發(fā)生場所，雙極板是帶流道的金屬或石墨薄板，其主要作用是通過流場給膜電極組件輸送反應(yīng)氣體，同時收集和傳導(dǎo)電流并排出反應(yīng)產(chǎn)生的水和熱。燃料電池電堆配套氫氣供給系統(tǒng)、氧氣供給系統(tǒng)、發(fā)動機控制器、發(fā)動機附件等，構(gòu)成了燃料電池發(fā)動機，再輔之以直流電壓變換器（DC/DC）、車載儲氫系統(tǒng)等，就構(gòu)成了燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)，系統(tǒng)為燃料電池車輛提供核心動力來源。燃料電池具體工作過程如下：（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)生產(chǎn)的氫離子穿過質(zhì)子交換膜到達陰極與氧氣反應(yīng)生產(chǎn)水，而電子通過外電路到達陰極生產(chǎn)電。燃料電池汽車相比電動車在低溫性能、加注時間、續(xù)航里程等方面具有強勁的競爭優(yōu)勢。隨著碳排放壓力的日益增大，交通運輸領(lǐng)域主要用鋰電池、燃料電池等新能源產(chǎn)品替代傳統(tǒng)燃油發(fā)動機以緩解碳排放帶來的環(huán)境壓力。燃料電動車相比鋰電池車，在低溫性能方面（-30℃低溫自啟動），加注時間方面（商用車15分鐘）和續(xù)航里程方面（>500km）具有非常強勁的競爭優(yōu)勢，這些優(yōu)勢決定著燃料電池車在商用車等領(lǐng)域具備極具競爭力的優(yōu)勢?？v觀全球，近年來中國燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)后來居上，發(fā)展迅猛。燃料電池車為代表的交通領(lǐng)域是氫能初期應(yīng)用的突破口與主要市場。根據(jù)國際能源署（IEA）的統(tǒng)計，截至2021上半年末，全球合計有燃料電池車保有量4.3萬輛，其中韓國、美國、中國、日本、歐洲、其他地區(qū)等分別有1.46萬輛、1.11萬輛、0.84萬輛、0.56萬輛、0.31萬輛及0.03萬輛，占比分別為34%、26%、20%、13%、7%和1%?？梢杂^察到，2017年以來中國燃料電池產(chǎn)業(yè)后來居上，從2017年末50輛增長到2021上半年末的8440輛，不到四年時間增長了168倍。2020年全球存量的燃料電池車合計3.48萬輛，其中乘用車2.6萬輛、公交車0.57萬輛、商用車0.32萬輛，占比分別為75%/16%/9%，當前全球范圍來看，燃料電池車以乘用車為主。國內(nèi)“以獎代補”新政，每個城市群最高可獲得18.7億元補貼。2020年9月財政部、工信部、科技部、發(fā)改委、能源局等五部委聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于開展燃料電池汽車示范應(yīng)用的通知》，將對燃料電池汽車的購臵補貼政策，調(diào)整為燃料電池汽車示范應(yīng)用支持政策，對符合條件的城市群開展燃料電池汽車關(guān)鍵核心技術(shù)產(chǎn)業(yè)化攻關(guān)和示范應(yīng)用給予獎勵。示范期暫定為四年，示范期間將采取“以獎代補”方式，對入圍示范的城市群按照其目標完成情況給予獎勵。根據(jù)文件，每個示范城市群最高可獲得17億補貼（超額完成可額外再+10%），獎勵資金由地方和企業(yè)統(tǒng)籌用于燃料電池汽車關(guān)鍵核心技術(shù)產(chǎn)業(yè)化，人才引進及團隊建設(shè)，以及新車型、新技術(shù)的示范應(yīng)用等。通過2018年國補政策與2020年“以獎代補”政策對比發(fā)現(xiàn)，新政策將有助于加快燃料電池核心零部件環(huán)節(jié)的國產(chǎn)化進程。新政策在主要性能指標方面要求明顯提升，同時補貼的側(cè)重點（從下游主機廠轉(zhuǎn)向上游核心零部件及關(guān)鍵材料企業(yè)）、補貼的直接獲得對象（從主機廠轉(zhuǎn)向牽頭城市主導(dǎo)）、直接受益對象（不僅是主機廠，地方政策還可以直接補貼到零部件和材料企業(yè)）等都有較大變化，新政策將有助于加快燃料電池核心零部件環(huán)節(jié)的國產(chǎn)化進程。5大示范城市群率先落地，十四五期間燃料電池車及加氫站有望迎來大面積推廣。截至2021年末，首批燃料電池汽車五個城市群名單全部發(fā)布，分別為京津冀示范城市群（北京牽頭）、上海示范城市群（上海牽頭）、廣東省示范城市群（佛山牽頭）、河南省示范城市群（鄭州牽頭）和河北省示范城市群（張家口牽頭），行業(yè)進入落地實施階段，根據(jù)披露統(tǒng)計，“十四五”期間五大城市群車輛推廣目標預(yù)計分別為1.63、1.65、1.56、2.45、1.79萬輛，加氫站推廣目標分別為136、140、120、172、174座。燃料電池車主要產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)及技術(shù)路線分析當前最主流的燃料電池是質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)。燃料電池技術(shù)路線主要包括堿性燃料電池（AFC）、磷酸燃料電池（PAFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）和質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）等幾類，從商業(yè)用途來看，后三者是最主要的技術(shù)路線。其中，質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)由于具備工作溫度低、啟動快、比功率高等優(yōu)勢，非常適合用于交通與固定式電源領(lǐng)域，成為現(xiàn)階段國內(nèi)外最主流的技術(shù)（下文如非特指，燃料電池指的都是質(zhì)子交換膜PEMFC技術(shù)路線）。固體氧化物燃料電池具有燃料適應(yīng)性廣、能量轉(zhuǎn)換效率高、全固態(tài)、模塊化組裝、零污染等優(yōu)點，主要應(yīng)用在大型集中供電、中型分電和小型家用熱電聯(lián)產(chǎn)等領(lǐng)域。電堆方面：燃料電池發(fā)動機核心部件主要包括電堆及其核心部件、輔助系統(tǒng)等，電堆是燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)的心臟，是燃料電池發(fā)動機的動力來源，其主要由膜電極和雙極板堆疊而成。國內(nèi)燃料電池電堆已逐漸起步，目前國內(nèi)電堆廠商主要分為兩種：（1）自主研發(fā)類型，以新源動力、神力科技和明天氫能等為代表。（2）引進國外成熟電堆技術(shù)，以廣東國鴻、南通百應(yīng)等為代表。整體而言，國內(nèi)電堆產(chǎn)業(yè)發(fā)展較好，目前國內(nèi)主流廠商發(fā)布的燃料電池的額定功率可超過100kW。膜電極（MEA）：CCM為當前膜電極主流技術(shù)，有序化膜電極可能是未來發(fā)展方向。膜電極是PEMFC發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的場所，作為為傳遞電子和質(zhì)子的介質(zhì)，為電化學(xué)反應(yīng)提供了緊密接觸的場所，其由質(zhì)子交換膜、催化劑與氣體擴散層等組成，是燃料電池電堆的核心部件。膜電極經(jīng)歷三代技術(shù)發(fā)展，第一代技術(shù)為氣體擴散電極（GDE），將催化層制備到擴散層上，具有制備工藝簡單、技術(shù)成熟優(yōu)點，但存在催化劑利用率低以及催化層和質(zhì)子膜之間結(jié)合性差問題，因此已基本被淘汰。第二代技術(shù)為催化劑涂層（CCM），將催化層改為制備到質(zhì)子交換膜上，與GDE相比，提高了催化劑利用率和耐久性，減少了催化層和質(zhì)子交換膜之間傳輸阻力，從而提高了膜電極性能，成為當前膜電極生產(chǎn)的主流技術(shù)，但存在反應(yīng)過程中催化層結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，壽命有限的不足。第三代有序化膜電極，運用有序化結(jié)構(gòu)，可以減少催化劑和貴金屬用量，提高催化層性能，目前該技術(shù)處于研發(fā)階段，目前技術(shù)被以美國3M公司為代表的國際材料巨頭所掌握。質(zhì)子交換膜（PEM）：全氟質(zhì)子交換膜為當前主流，高溫膜、堿性膜、復(fù)合膜成為未來發(fā)展方向。質(zhì)子交換膜作用是在反應(yīng)時只讓陽極失去電子的氫離子（質(zhì)子）透過到達陰極，但阻止電子、氫分子、水分子等通過，類似于檢票員的角色。目前，全氟磺酸膜具有機械強度高、化學(xué)穩(wěn)定性強、高濕度下導(dǎo)電率高、質(zhì)子傳導(dǎo)電阻小等優(yōu)勢，為質(zhì)子交換膜材料主流，但高額的制作成本以及存在高溫時易發(fā)生化學(xué)降解，導(dǎo)致質(zhì)子傳導(dǎo)性變差的缺點。提高質(zhì)子交換膜的耐高溫性以及降低生產(chǎn)成本成為其研發(fā)方向，復(fù)合膜可通過工藝加工來改變?nèi)突撬崮ば再|(zhì)，從而提高其高溫耐性；堿性膜可使燃料電池系統(tǒng)的工作環(huán)境為堿性，從而使催化劑的選擇范圍更為廣泛，從而使用其他材料來替代昂貴的鉑。高溫膜、堿性膜以及復(fù)合膜為未來發(fā)展方向。質(zhì)子交換膜國內(nèi)外市場狀況：美國杜邦的Nafion膜目前處于霸主地位，國產(chǎn)化產(chǎn)品剛起步。國際市場方面，杜邦的Nafion膜在國際市場的全氟磺酸膜領(lǐng)域占有最大的份額，其膜價格一般在500美元/m2以上，同時國內(nèi)裝配質(zhì)子交換膜也主要來自杜邦公司。此外，加拿大Ballard公司的BAM膜的實驗室壽命已超過4500h，價格僅為Nafion膜的1/10。國內(nèi)市場方面，我國已實現(xiàn)全氟質(zhì)子交換膜國產(chǎn)化，但質(zhì)量與耐久性方面與國外還存在差距，東岳已建成500噸/年的生產(chǎn)線，其最新產(chǎn)品DF260膜厚度可達到15微米，在OCV工況下耐久性大于600h。此外，武漢理工新能源所生產(chǎn)的復(fù)合質(zhì)子膜厚度達到16.8微米，已向國外數(shù)家研究單位提供測試樣品。催化劑（CL）：降低Pt含量成為未來發(fā)展趨勢。膜電極組件中的催化劑，通常為均勻涂覆在質(zhì)子交換膜上的微小顆粒，這些微小顆粒通常為碳載體和鉑顆粒，可將氫氣離化成氫離子，使氫離子可以透過質(zhì)子交換膜與空氣中的氧氣進行反應(yīng)。催化劑主要作用于兩個反應(yīng)，陽極氫氧化反應(yīng)

（

H2—>2H++H2O,HOR

）和陰極氧還原反應(yīng)

（

1/2O2+2H+—>H2O,ORR），陽極HOR反應(yīng)為快速動力學(xué)過程，陰極ORR為緩慢動力學(xué)過程。目前，貴金屬Pt及其合金仍為HOR和ORR最好的催化劑，Pt/C為最常用的商用催化劑，然Pt價格較為昂貴，加之Pt的稀缺性和極低的供應(yīng)量，可能對燃料電池的發(fā)展造成一定障礙，因此降低催化劑中鉑含量成為目前催化劑的主要發(fā)展方向。國際市場方面，美國的3M公司、Gore公司和E-TEK公司，英國的JohnsonMatthery(莊信萬豐)公司，德國的BASF公司，日本的Tanaka(田中貴金屬)公司和TKK公司，比利時的Umicore公司等為主要生產(chǎn)商，其中本田FCVClarity燃料電池汽車催化劑Pt含量已將至0.12g/kW，豐田Mirai燃料電池汽車催化劑Pt含量為0.175g/kW。國內(nèi)市場方面，我國催化劑還未實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)，貴研鉑業(yè)和武漢喜馬拉雅是領(lǐng)頭企業(yè)。氣體擴散層（GDL）：全球GDL還未形成大規(guī)模批量生產(chǎn)，碳紙為目前主流產(chǎn)品。氣體擴散層（GDL）在質(zhì)子交換膜燃料電池起到支撐催化層、收集電流、傳導(dǎo)氣體和排出反應(yīng)產(chǎn)物水的重要作用，通常由碳纖維紙、碳纖維編織布、非織造布及炭黑紙等材料構(gòu)成。由于碳紙質(zhì)量輕、表面平整、耐腐蝕、孔隙率均勻且強度高，厚度可根據(jù)使用要求調(diào)整，更適合耐久性燃料電池使用。目前，全球GDL生產(chǎn)廠家較少，受制于市場需求低，且生產(chǎn)成本居高不下，難以形成大批量生產(chǎn)，日本東麗株式會所在1971年開始涉足碳纖維產(chǎn)品生產(chǎn)，為全球最大碳纖維產(chǎn)品供應(yīng)商，其他知名產(chǎn)商還包括美國Avcard、德國SGL（西格里）等。國內(nèi)只有江蘇天鳥、通用氫能、上海何森等少數(shù)企業(yè)涉足研發(fā)氣體擴散層，且大多處在小批樣試產(chǎn)的狀態(tài)。雙極板：石墨雙極板已實現(xiàn)國產(chǎn)規(guī)?；?，金屬雙極板有待批量生產(chǎn)。燃料電池電堆的核心結(jié)構(gòu)件，通常為正反均帶有氣體流道的石墨或金屬薄板，臵于膜電極兩側(cè)，起到支撐機械結(jié)構(gòu)、均勻分配氣體、排水、導(dǎo)熱、導(dǎo)電的作用，其性能優(yōu)劣將直接影響電堆的體積、輸出功率與壽命。一般而言，雙極板分為石墨雙極板、金屬雙極板和復(fù)合材料雙極板，石墨為最早用于質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板材料，具有高耐腐蝕性、高耐久性，然制作周期長、抗壓性差、加工難度大、制作成本高，適用于生產(chǎn)專用車和客車，代表性企業(yè)包括巴拉德（Ballard）、水吉能（Hydrogenics）等，目前國內(nèi)已經(jīng)實現(xiàn)國產(chǎn)規(guī)?；?。其中基于薄型的金屬雙極板具備優(yōu)秀的力學(xué)性能和導(dǎo)電導(dǎo)熱性，可使電堆具備更高的體積比功率密度，且成本低廉可進行批量生產(chǎn)，乘用車普遍采用金屬雙極板。但金屬雙極板表面易被腐蝕產(chǎn)生鐵離子，會使電堆的性能下降，同時表面可能會形成金屬鈍化膜，增大接觸電阻，使用壽命較低，金屬雙極板表面腐蝕能力是制約電堆壽命的關(guān)鍵。金屬雙極板主要應(yīng)用于乘用車領(lǐng)域，代表性企業(yè)為豐田汽車等，目前國內(nèi)尚未實現(xiàn)批量生產(chǎn)。雙極板國內(nèi)研究方向：主要集中于提升金屬雙極板抗腐蝕性，以及降低復(fù)合雙極板生產(chǎn)成本。目前，石墨雙極板已實現(xiàn)國產(chǎn)化，金屬雙極板實現(xiàn)小批量生產(chǎn)，但耐久性和可靠性還待后續(xù)研究突破。金屬雙極板作為未來最有可能替代石墨雙極板的替代品，一直受制于其易腐蝕特性，目前金屬雙極板多在表面涂覆耐腐蝕性涂層材料，如貴金屬、金屬化合物、碳類膜等，來增加金屬雙極板耐腐蝕性。復(fù)合雙極板采用樹脂混合石墨粉和增強纖維等材料形成預(yù)制料，具有石墨板和金屬板的雙重優(yōu)點，質(zhì)量輕且耐腐蝕，但加工較為復(fù)雜，生產(chǎn)成本加高，降低其生產(chǎn)成本使其更適合批量化生產(chǎn)，成為未來雙極板發(fā)展方向之一。輔助系統(tǒng)之空壓機：離心式空壓機綜合性能較好，為未來發(fā)展方向?？諝鈮嚎s機簡稱空壓機，主要由電機和膨脹機組成，對進入空氣進行增壓，提高燃料電池的功率密度和效率?？諌簷C作為輔助系統(tǒng)重要組件功耗占輔助系統(tǒng)的80%，約為燃料電池輸出功率的20%—30%（來源北極星氫能網(wǎng)），主要分為渦旋式空壓機、雙螺桿空壓機以及離心式空壓機三種，其中渦旋式空壓機和雙螺桿空壓機的頁片之間產(chǎn)生的摩擦?xí)斐奢^大噪聲，且無法對于排氣能量進行回收，離心式空壓機具備較好的綜合性能，是目前最理想的燃料電池專用空壓機類型。輔助系統(tǒng)之氫能循環(huán)泵：再循環(huán)模式是主流。早期，直排模式具備控制簡單的優(yōu)點，然其氫氣利用率僅有67%—91%，造成嚴重的氫氣浪費，目前該模式已經(jīng)淘汰；陽極死端模式通過封住燃料電池發(fā)動機的陽極出口，促使氫氣可在電堆中停留更長時間，從而促使氫氣利用率得到提高，然出口被封易造成積聚水，故需要頻繁吹掃，造成氫氣出口處氣壓呈周期波動，從而降低了穩(wěn)定性，對電池的耐久性和經(jīng)濟性造成影響；氫氣再循環(huán)模式可使未反應(yīng)的氫氣通過循環(huán)送入入口端，減少氫氣浪費，且不會出現(xiàn)氣壓的周期性波動，從而促使燃料電池發(fā)動機更加穩(wěn)定。目前，大部分先進的燃料電池均采用氫氣再循環(huán)模式。綜合來看，與國外技術(shù)相比，我國質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)在技術(shù)指標上仍有一定的差距。具體來說，膜電極、雙極板、質(zhì)子交換膜等已具備國產(chǎn)化的能力，但生產(chǎn)規(guī)模偏?。浑姸旬a(chǎn)業(yè)發(fā)展較好，但輔助系統(tǒng)關(guān)鍵零部件產(chǎn)業(yè)發(fā)展較為落后，電堆額定功率和體積功率密度相比國外還有一定差距；系統(tǒng)及整車產(chǎn)業(yè)發(fā)展較好，配套廠家較多且生產(chǎn)規(guī)模較大，但大多采用國外進口零部件，對外依賴度較高。在雙碳目標下，政策持續(xù)支持氫能發(fā)展，國內(nèi)企業(yè)在氫能領(lǐng)域不斷發(fā)力，有望在核心零部件方面不斷提升技術(shù)水平、不斷規(guī)模化、不斷降成本，有望追趕或超越國際領(lǐng)先水平。燃料電池車的降本空間大從燃料電池整車成本構(gòu)成來看，燃料電池系統(tǒng)和儲氫系統(tǒng)占比較高。目前燃料電池系統(tǒng)和儲氫系統(tǒng)占據(jù)整車成本的65%，大幅高于鋰離子純電動汽車的電池成本占比（約40%）。其中燃料電堆、空氣供給系統(tǒng)、氫氣供給系統(tǒng)、增濕換熱、控制系統(tǒng)