燃料电池行业深度报告：车用燃料电池产业链梳理

燃料电池行业深度报告：车用燃料电池产业链梳理请仔细阅读在本报告尾部的重要法律声明仅供机构投资者使用证券研究报告华西机械☆刘菁团队 2020/02/19刘菁（SAC NO：S1120519110001）俞能飞（SAC NO：S1120519120002）田仁秀：tianrx@hx68.com李思扬：lisy@hx168.com 1目录contents1.氢燃料电池产业链：PEMFC为主，车用为主要方向1.1 质子交换膜燃料电池为主流方向，车用为主1.2 详解燃料电池核心部件：电堆为成本、技术核心2. 上游氢能产业链：制、储、运、加，有望先于下游发力2.1氢气制备：我国氢能资源丰富，工业副产氢为主2.2氢气储运：目前国内以高压储运方式为主2.3氢气加注：加氢站建设有望先行爆发3.氢燃料电池仍处产业化早期阶段，政策为主要驱动力4.风险提示1 sPtPoMwOxP9PcM6MmOqQnPqQiNmMmOiNoMqQbRnMoRxNmMmOxNsQqQ2摘要锂电池和燃料电池被视为两种清洁的车用供能方式而广受关注，但两者存在本质区别。锂电池是储能器件，燃料电池是发电装置，作用类似于发动机，需配套储氢罐（类似油箱）。在车用场景中，燃料电池可解决锂电池里程焦虑，且燃料电池充氢时间短，在重载、长距离场景中优势明显。但目前燃料电池仍存在成本高、循环衰减性能差、加氢站建设不足等问题，仍处产业化初期阶段。我们判断，相对燃料电池核心部件及电堆、系统等环节，上游氢能产业链有望先行发展。重点关注氢气储运、加注环节投资机会。2 3目录contents1.氢燃料电池产业链：PEMFC为主，车用为主要方向1.1 质子交换膜燃料电池为主流方向，车用为主1.2 详解燃料电池核心部件：电堆为成本、技术核心3 PEMFCDMFCMCFCPAFCSOFCAFC电解质质子交换薄膜聚合薄膜熔融碳酸盐高温磷酸固态陶瓷氢氧化钾工作温度-20-80℃20-130℃620-660℃200℃1000℃20-90℃电能转换率40%-60%40%45-60%35-40%50-65%45-60%功率＜250KW＜1KW＞200KW＞50KW＜200KW＞20KW应用领域电动汽车、移动电子设备、无人机电动汽车、公共汽车大型发电厂小型固定供应设备中大型发电厂宇宙飞船1.1 质子交换膜燃料电池为主流方向，车用为主燃料电池广受关注原因：0排放、无里程焦虑、加氢快电和氢都是利于储存且没有污染的能源，锂电池和燃料电池被视为两种清洁的车用供能方式。➢两者本质区别:锂电池是储能器件，燃料电池是发电装置，作用类似于发动机，需配套储氢罐（类似油箱）。➢燃料电池可解决锂电池里程焦虑：常用的磷酸铁锂为120wh/kg,三元材料180 wh/kg。远期计划通过石墨烯或者纳米技术，将锂电池能量密度提高到300 wh/kg以上。而目前燃料电池系统能量密度达到350wh/kg以上。➢锂电池充电时间长，燃料电池充氢时间短，增压压力足够，一般单次加氢5分钟内。➢目前燃料电池主要问题：成本高、循环衰减性能差、加氢站建设不足、大规模使用时的氢能来源等。根据电解质不同，燃料电池分质子交换膜燃料电池（PEMFC）、熔融碳酸盐燃料电池、高温磷酸燃料电池等。其中PEMFC综合性能最优，为目前产业化主流方向，车用燃料电池主要配套PEMFC电堆。图1：燃料电池汽车成本构成资料来源： Toyota MetroHyve Presntation ，华西证券研究所表1：燃料电池汽车成本构成资料来源： 公开资料，华西证券研究所4 燃料电池在目前市场上共有五种，各自有其合适的应用场景，而质子交换膜燃料电池（PEMFC）更加适合交通领域。是启动温度低、比能量高、启动快、寿命长、应用最广的第五代燃料电池。PEMFC目前不仅占据出货量大头，短期市场份额高，在研究专利成果数上也较有优势，未来发展潜力大。提升关键部件性能、降低成本是PEMFC未来方向。燃料电池种类较多，PEMFC独占产量、专利大部分份额，为产业化主要方向图2：全球燃料电池出货量（按电池类型记 WM）资料来源：E4Tech，华西证券研究所0%20%40%60%80%100%120%140%010020030040050060070080090020142015201620172018fAFCPEMFCPAFCMCFCSOFCPEMFC全球同比增长率（%）全球同比增长率碱性燃料电池（AFC） 5%质子交换膜电池（PEMFC）38%磷酸燃料电池（PAFC） 1%熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）5%固体氧化物燃料电池（SOFC）35%直接甲醇燃料电池（DMFC）16%图3：燃料电池领域研究专利成果分布资料来源：国家知识产权局，华西证券研究所整理1.1 质子交换膜燃料电池为主流方向，车用为主5 1.2 详解燃料电池汽车核心部件：电堆为成本、技术核心图5：燃料电池汽车成本构成资料来源：DOE，华西证券研究所整理燃料电池汽车其它部件储氢系统电池系统电驱动变速箱电附件车身燃料电池系统燃料电池BOP空气回路水回路高温回路低温回路燃料回路控制器传感器其它燃料电池电堆膜电极催化剂酸洗气体扩散层副垫圈膜电极组装双极板电堆组装调试质子交换膜催化剂• 燃料电池汽车以燃料电池为动力装置，配套储氢罐，通过氢气在燃料电池内的电化学反应发电，具清洁无污染，续航里程高等优势，是燃料电池的主要应用方向之一。• 目前，燃料电池产业布局尚未完全，部分关键部件无法规模化量产，部分技术与国外仍有差距，但整体发展形势向好，国产化进程持续加速，未来有望与锂电池车形成互补，构建新能源车体系。• 燃料电池电堆是燃料电池汽车的成本、技术核心，其中电堆的主要组成部分是膜电极（MEA）和双极板。其中膜电极主要由气体扩散层、催化层和质子交换膜组成。图4：燃料电池汽车核心技术体系资料来源：华西证券研究所整理6 质子交换膜10%催化剂 25%气体扩散层6%副垫圈 3%BOP 56%膜电极 44%质子交换膜催化剂(CCM)气体扩散层(GDL)MEA副垫圈BOP总成本(标准值)1.2.1 膜电极：燃料电池技术核心燃料电池的核心是MEA组件和双极板。MEA作为化学反应的发生场所，是燃料电池汽车的动力心脏。MEA是将两张喷涂有Nafion溶液及Pt催化剂的碳纤维纸电极分别置于经预处理的质子交换膜两侧，使催化剂靠近质子交换膜，在一定温度和压力下模压制成。技术方面：膜电极目前经历了两次热压、CCM、梯度化、有序化共五次技术迭代，目前国际主流技术为CCM。目前我国企业主要布局客车、专用车等车型电堆，乘用车电堆技术仍以海外垄断为主。国内装机也主要为客车。燃料电池膜电极是PEMFC电堆技术核心，国内已有自主研发生产线图6：膜电极与下游部件成本占比资料来源：DOE，华西证券研究所资料来源：DOE，华西证券研究所图7：燃料电池结构：MEA、双极板堆叠形成电堆7 1.2.2 双极板：气体扩散通道，石墨板向金属板进展• 双极板按材料主要分为石墨板、金属板、复合板。目前国内以石墨板为主，金属板为未来主流技术。乘用车因空间要求高配备金属板、商用车倾向配备石墨板• 对于石墨板，目前在技术、商业化层面均已成熟且占据大量市场份额，成本难以进一步降低，行业发展，