燃料电池行业概览

什么是燃料电池

与锂电池作为储能装置不同，氢燃料电池是一种非燃烧过程的能量转换装置，通过电化学反应将阳极的氢气和阴极的氧气（空气）的化学能转化为电能。

燃料电池结构单元主要由膜电极组件和双极板构成，其中膜电极组件是由质子交换膜、催化剂与气体扩散层组合而成的，为反应发生场所；

双极板是带流道的金属或石墨薄板，其主要作用是通过流场给膜电极组件输送反应气体，同时收集和传导电流并排出反应产生的水和热。

燃料电池电堆是氢气和氧气发生电化学反应及产生电能的场所，是燃料电池基本原理得以实现的核心物质载体。

鉴于单个燃料电池单元输出功率较小，实践中通常通过将多个燃料电池单元以串联方式层叠组合构成电堆来提高整体输出功率。

因此，电堆是由双极板与膜电极交替叠合，各单体之间嵌入密封件，经前、后端板压紧后用螺杆拴牢，构成的复合组件。

除电堆以外，燃料电池发动机还需要一系列辅助系统才能实现其功能。其中控制系统通过高精度调节反应气体的压力及流量等使得电堆中的反应始终维持在输出功率、温度、湿度均合适的水平，保证发动机稳定可靠工作；

氢气和空气供给系统是为电堆提供合适压力、温度、湿度、流量的氢气与空气；水热管理系统用于保持燃料电池内部水平衡和热平衡。

此外，燃料电池发动机系统配备由车载高压储氢瓶和配套阀件组成的车载氢系统用于储存燃料，以及用于实现燃料电池与整车高压之间解耦的DC/DC变换器。

所以，最终发挥发动机作用的燃料电池发动机系统主要由燃料电池发动机、电压变换器（DC/DC）、车载氢系统等构成，其中燃料电池发动机主要部件包括电堆、发动机控制器、氢气供给系统、空气供给系统等。

车用燃料电池产业链

燃料电池的应用领域包括固定电源、便携电池和汽车，其中车用燃料电池作为动力系统有着续航里程长，加氢时间短和无污染等优势，是目前是爆发最迅猛,也是关注度最高的应用领域。

燃料电池汽车产业具有市场空间大、产业链长、参与方众多的特点，产业链上游主要为膜电极、双极板、各类管阀件与传感器、车载高压储氢瓶等发动机零部件生产制造行业，产业链中游主要为燃料电池发动机系统及电堆集成行业，产业链下游主要为燃料电池整车制造行业。

行业上游

燃料电池发动机核心部件主要包括电堆及其核心部件、辅助系统等，行业上游参与者主要为该等关键部件生产商，其中电堆作为燃料电池系统的核心组成部分，对燃料电池发动机的关键性能和成本具有较大的影响。

从燃料电池发动机成本构成来看，以年产200套公交车为例，电堆成本占比70%（其中质子交换膜27%、催化剂19%、扩散层19%、双极板5%），辅助系统占比22%。

行业下游

车用燃料电池的下游参与者主要为整车厂，普遍拥有雄厚的研发实力、资金实力、生产能力以及较大的知名度，并在燃料电池领域拥有一定的技术基础，在行业内部起到整合上游供应链并生产最终整车成品的作用。

我国燃料电池汽车产业发展路径为先商后乘，即通过商用车发展规模化降低燃料电池和氢气成本，同时带动氢能基础设施建设，后续拓展到乘用车领域，主要原因为：

1）我国城市人口密度和人口基数普遍较大，公共交通运输系统发达，公交车与城市客车保有量较大；

2）商用车一般存在固定路线，沿线建设加氢站可有效提升加氢站利用率，且燃料电池汽车从技术特点上更适合中长途、中重载运输体系；

3）我国依托政策优势可快速进行公共交通体系及城市配送领域的商业化推广，燃料电池公交车、城市客车、城市物流车节能减排效果显著，可有效缓解因燃油车油耗及碳排放较高带来的环保压力。

燃料电池的现在与未来

我国燃料电池的发展规划

氢燃料电池汽车早在“十五”期间即被确立为新能源汽车发展的主要技术路径之一。

过去十余年间在国家科技计划和技术创新工程的支持下，我国系统开展了氢燃料电池汽车的研究、开发、示范和运营工作，初步形成了从燃料电池电堆到整车的研发体系和制造能力，并开展了系统的示范运营。

自北京奥运会有20多辆燃料电池轿车和2辆客车在运行，到上海世博会将近200辆各类燃料电池汽车示范运行，到目前在新能源汽车推广财政补贴政策和科技部、联合国开发计划署的支持引领下，以客车、物流车等商用车型为先导陆续在全国范围内启动了商业化示范推广。

受益于此，我国燃料电池汽车销量于2016年开始快速起步，最近3年燃料电池汽车销量年复合增长率达到55.81%，2018年度燃料电池汽车销量达到1,527辆，表明我国燃料电池汽车产业已经从政府主导的技术探索、示范运营阶段发展至商业化初期阶段。

根据《节能与新能源汽车产业技术路线图》，到2030年将实现大规模商业化推广累计100万辆，燃料电池系统产能超过10万套/企业，整机性能达到与传统内燃机相当。

根据中国氢能联盟发布的《中国氢能源及燃料电池产业白皮书》（2019 年），认为氢能将成为中国能源体系的重要组成部分，预计2020-2025 年国内氢燃料电池汽车达到5万辆；2026-2035年达到130万辆；2036-2050年达到500万辆。

以每辆燃料电池车电堆功率60kW计算，2025年、2035年、2050年国内燃料电池系统产值分别为144亿元、720元亿和990亿元。

燃料电池的发展方向

根据《中国氢能源及燃料电池产业白皮书》（2019年），燃料电池系统技术未来发展将会有四个方向：1）持续开发高功率系统产品；2）通过系统结构设计优化提高产品性能；3）通过策略优化提高产品寿命；4）通过零部件优化及规模化效应持续降低成本。相关技术指标展望如下：

2017年美国燃料电池系统年产50万套成本已从2006年的124美元/Kw下降到45美元/Kw，根据DOE《Fuel Cell System Cost–2017》的预测，2020年将下降到40美元/Kw。

当产量达到50万台套时，规模效应将加速成本下降，燃料电池系统的成本将下降到45$/kWnet，电堆成本将下降到19$/kWnet。

燃料电池的核心零部件与相关企业

质子交换膜

质子交换膜的作用是在反应时，只让阳极失去电子的氢离子（质子）透过到达阴极，但阻止电子、氢分子、水分子等通过，因而对导电率、耐酸碱性、热稳定性、柔韧性等性能有较高要求。

全氟磺酸型膜是目前燃料电池主要采用的膜材料，全球全氟磺酸型膜的供应商集中于日本和欧美国家，其中应用最广泛的是美国杜邦公司的Nafion系列膜。

但全氟磺酸膜有不耐高温、成本高等缺陷，复合膜、高温膜、碱性膜等是未来革新方向，例如复合膜是通过复合的方法来改性全氟型磺酸膜从而提升其耐高温性和阻醇性；碱性膜对应的燃料电池系统的工作环境为碱性，在这种状态下催化剂选择的范围可以更宽泛，不仅限于铂，还可以使用镍和银等。

目前国内具备质子交换膜生产能力的企业包括武汉理工新能源、山东东岳集团、上海神力科技、大连新源动力和三爱富等，但目前仅有在该领域技术沉淀多年的东岳集团进入批量化试产阶段。

催化剂

催化剂作用于氢气，使电子离开氢原子。目前Pt/C载体型催化剂是PEMFC最常用的催化剂，由纳米级的Pt颗粒（3-5nm）和支撑这些Pt颗粒的大比表面积活性炭构成。

质子交换膜燃料电池商业化进程中的主要阻碍之一是价格高昂的贵金属催化剂，铂载量已大幅下降，超低铂或无铂（PGM-free）是未来研究重点。

20世纪60年代美国通用采用铂黑作为催化剂，铂载量超过4 mg/cm2，而现在3M公司已经开发出可量产的有序化膜电极，铂载量仅为0.118 mg/cm2，有了大幅下降。

燃料电池催化剂的生产商为美国的3M、Gore，英国的Johnson Matthery，德国的BASF，日本的Tanaka，比利时的Umicore等，国内大连化物所具备小规模生产的能力。

气体扩散层

气体扩散层（GDL）起着分布反应气体、在电极和双极板之间传导电子和热量、与平衡电极表面水分的作用。对于气体扩散层，不仅有透气/透水性好、导电/导热性好、机械强度高、耐腐蚀性好等物理化学性质，还要具有易于规模生产和价格便宜等商业方面的要求。

碳纤维纸/布是一种广泛使用的扩散层材料，规模化生产工艺是研发重点。

目前商业化碳纤维纸/布等材料从性能上已能够很好地满足要求，而气体扩散层是加工费用主导成本的部件，规模化生产将会带来大幅的成本削减，根据Strategic Analysis2014年发布的数据，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，因此开发扩散层大规模生产工艺是未来研究重点。

目前碳纸产品由几个国际大生产商垄断，如加拿大巴拉德、日本Toray和德国SGL。

我国的碳纸开发生产落后于国外，国内上海和森公司有小批量碳纸产品，台湾碳能科技公司的碳纸产品价格较低，获得了一定市场认可；中国石油大学和东华大学也在从事相关研究。

双极板

双极板在燃料电池堆中的体积和重量占比最大，成本占比近30%，主要功能为连接单体模块、分隔反应气、收集电流、散热和排水等。

根据基体材料的不同，双极板可以分为石墨双极板、金属双极板和复合材料双极板，其中石墨双极板最早被开发使用，目前技术已经成熟，并已实现商业化大规模应用了。

同时，表面改性的金属板以及成本降低的复合双极板是未来发展的趋势。

目前国际市场上，欧美日石墨、金属双极板整体较强，美、英复合材料双极板处于世界先进水平。

国内发展情况来看，石墨双极板较成熟，个别厂商已达国际先进水平，如上海弘枫实业、上海弘竣、淄博联强等；金属和复合材料双极板在我国研究较晚，现阶段国内金属和复合材料双极板的相关研究机构及企业有武汉理工大学、爱德曼氢能源、新源动力等。

燃料电池企业

目前，我国燃料电池发动机系统及电堆独立供应商主要分为三类，一类是较早从事燃料电池行业且具备自主核心技术的发动机供应商，以新源动力、亿华通、弗尔赛为代表；

另一类是近年来兴起的以国际技术引进与合作见长、具备一定批量化生产能力的供应商，以上海重塑、国鸿氢能为代表；

此外还有一系列上市公司通过投资、产业链合作与技术引进等方式不断拓展燃料电池相关业务，以大洋电机、雄韬股份为代表。