解析氢燃料电池全产业链

氢燃料电池是将氢气和氧气的化学能直接转换成电能的发电装置，其原理是通过电解质隔膜两侧分别发生氢氧化反应与氧还原反应,如下图所示。

氨燃料电池反应原理

氢燃料电池产业链主要由上游材料、中游集成和下游应用构成

产业链上游:材料

氢燃料

制氢的过程可以分为三种。目前，我国氢气主要来自灰氢，但事实上只有绿氢才是真正零排放制氢方式。

根据相关数据,2021年,我国氢气年产能约4000万吨,产量为3300万吨。

膜电极

膜电极是氢燃料电池系统的核心组件，是质子交换膜燃料电池发生电化学反应的场所，是传递电子和质子的介质，通常由催化层、气体扩散层和质子交换膜构成。

质子交换膜

质子交换膜类型主要包括全氟磺酸质子交换膜、非全氟化质子交换膜、无氟化质子交换膜复合膜以及高温膜。代表性产品有:

美国GORE公司的GORE-select复合膜

美国科慕化学有限公司的Nafifion系列膜

武汉理工新能源有限公司的复合质子交换膜

东岳集团公司的DF988、DF2801的短链全氟硫磺酸膜。

电催化剂

常见的氢燃料催化剂分为3种：铂催化剂、低铂催化剂、非铂催化剂。

目前，燃料电池中常用的商用催化剂是Pt/C，除此之外，可以其他二元合金来做催化，如Pt-Co/C、Pt-Pb/C、Pt-Ni/C。Pt昂贵的价格导致低铂催化剂和非铂催化剂是目前的研究重点。

气体扩散层

气体扩散层的主要作用是支撑催化剂，同时为电极反应提供气体、质子、电子和水等多个通道。气体扩散层生产的一关键元素是碳纸选材，在全球范围内气体扩散层所需碳纸、碳布的供需呈现寡头格局，主要生产企业有加拿大Ballard、日本东丽、德国SGL、德国Freudenberg、加拿大Zenyatta等。

双极板

双极板起到均匀分配气体、排水、导热、导电的作用，占整个燃料电池60%的重量和20%的成本。燃料电池常采用的双极板材料包括石墨双极板、复合双极板、金属双极板3大类。

双极板种类及优缺点

产业链中游:集成

氢燃料电池系统按结构来拆分主要包括燃料电池电堆及辅助系统。电堆是氢燃料电池的主体部分,成本方面在系统中占比超过60%。

燃料电池电堆

电堆是氢燃料电池的主体部分,所占成本最多它主要由质子交换膜、电催化剂、气体扩散层、双极板、集流板、密封圈等零件组成，是决定氢燃料电池技术发展的主要方面。

电堆构成示意图

据相关数据，2021年我国燃料电池电堆年新增市场规模约为6.2亿元。预计2021-2025年燃料电池电堆新增市场需求的CAGR为87%。2025/2030年,燃料电池电堆新增市场分别为75/238亿元。

根据TrendBank数据，2021燃料电池电堆市场占比率前三分别为:

辅助系统

为了维持电堆的正常工作，氢燃料电池系统还需要供氢系统、供气系统、水管理系统、热管理系统等外部辅助子系统的协同配合,对应的系统部件有氢循环泵、氢瓶、增湿器、空气压缩机等。

氢循环泵

氢循环泵是燃料电池供氢系统的核心零部件可以实现将电堆的尾排端氢气重新加压至电堆入端口，实现氢气的循环利用。同时，可以将化学反应生成水供应到电堆，改善电堆湿润水平，提高水管理能力。

氢气循环泵类型及涉足企业

氢瓶

高压气态储氢是目前发展最成熟、各厂商采用最多的储氢技术，其关键是储氢瓶。对于储气瓶，全球呈现出从I型储氢瓶到IV型储氢瓶的技术发展趋势。储氢瓶类型及性能。

空气压缩机

空气压缩机是燃料电池进气系统的重要组成部分,通过对进堆的空气进行增压，可提高电堆的输出功率和效率。目前燃料电池系统使用的空压机主要包括：

其中离心式空压机是主要的发展方向。

产业链下游:应用

交通运输

交通动力应用是目前氢燃料电池应用领域中关注度最高的。2021年我国氢燃料电池汽车销量为1881辆，同比增长25.7%。从车型结构来看,2021年:

氢燃料电池客车

销量达到1032辆,尽管同比下降23.6%，但氢燃料电池客车依然是燃料电池汽车最主要的车型。

2017-2021年燃料电池汽车车型结构分析

同时，受政策导向作用影响，2021年氢燃料电池汽车车型结构进一步丰富,半挂牵引车、自卸车等中重型氢燃料电池汽车销量增幅明显 :

半挂牵引车，由2020年的17辆增长到2021年的375辆

自卸车，从0辆增长到340辆

2021年氢燃料电池专用车销量为115辆，同比小幅下滑，但氢燃料电池专用车车型结构基本保持一致，仍以保温，冷藏及厢式运输车等城市物流场景用车为主。除了氢燃料电池汽车，船舶、电动自行车、电动摩托车等也是氢燃料电池在交通运输方面需要考量的环节，尤其船舶领域。英国造船和航运市场分析机构Clarkson Research预测，2030年LNG将位居船舶替代能源的首位，而到2050年，氢燃料船舶将成为占比最大的替代能源船舶，占比达到40%。

替代燃料船舶占比预测

分布式发电

氢燃料电池分布式能源发电站适用于储能容量大、供电时间长的新能源储能、电网侧调峰等领域，且适用于热电联供的场合。当前国际上大型固定式氢燃料电池发电站主要分布在北美、韩国和日本。在这里就不得不提一下以“氢能社会”为国家愿景的日本了。家用燃料电池热电联供系统(ENE-FARM) 是日本氢能利用的重要领域之一,原理见下图

截至到2021年年中，日本的ENE-FARM系统累计销售超过40万套，仅松下一家就超过了20万套。

移动式电源

目前小于5kW功率等级的氢燃料电池主要作为笔记本电脑、手机、收音机及其他需要电源的移动设备的移动备用电源，应急供电及便携式电源等，以碱性氢燃料电池、质子交换膜氢燃料电池为主。

航空航天

氢燃料电池最早是应用在航空航天领域，20世纪60年代初期，燃料电池首次应用于宇宙飞船的空间电源。氢燃料电池的转化效率高达55%，比氢燃料发动机高出20%。目前，国际航空巨头波音、空客都在积极研发未来氢动力客机。

而随着氢燃料电池技术的不断发展，我们也同步迎来了工业无人机2.0时代,也就是理电无人机向氢能无人机转变的时代。目前，工业无人机市场正在快速增长，据据全球知名的咨询公司弗若斯特沙利文的相关数据显示，预计2024年,我国工业级无人机的市场规模可以1500亿元,复合增长率近100%。