三氫能產(chǎn)業(yè)鏈中游

針對氫能產(chǎn)業(yè)鏈中游來說，氫燃?xì)廨啓C(jī)和氫內(nèi)燃機(jī)的市場規(guī)模較小，故在此不做過多的描述，本文主要圍繞燃料電池及其八大關(guān)鍵部件進(jìn)行介紹。

1、燃料電池

燃料電池是將氫氣和氧氣的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電裝置。其基本原理是電解水的逆反應(yīng)，把氫和氧分別供給陽極和陰極，氫通過陽極向外擴(kuò)散和電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)后，放出電子通過外部的負(fù)載到達(dá)陰極。燃料電池與常見的鋰電池不同，系統(tǒng)更為復(fù)雜，主要由電堆和系統(tǒng)部件（空壓機(jī)、增濕器、氫氣循環(huán)泵、儲氫瓶組）組成，其中電堆是整個電池系統(tǒng)的核心。

圖3：燃料電池系統(tǒng)工作原理

來源：捷氫科技招股書

2、燃料電池八大關(guān)鍵部件

在氫能領(lǐng)域，工信部將燃料電池電堆、雙極板、膜電極、質(zhì)子交換膜、催化劑、氣體擴(kuò)散層、空壓機(jī)和氫氣循環(huán)泵列為燃料電池的八大關(guān)鍵部件，這也是我國發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)需要重點攻克的環(huán)節(jié)。

燃料電池電堆是發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的核心部件，是氫氣和氧氣發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)及產(chǎn)生電能的場所。由于單個燃料電池單元輸出功率較小，通常將多個燃料電池單元串聯(lián)起來構(gòu)成電堆，以此提高輸出功率。因此，電堆是由雙極板與膜電極交替疊合，各單體之間嵌入密封件，經(jīng)前、后端板壓緊后用螺桿拴牢，構(gòu)成的復(fù)合組件。在燃料電池汽車中，燃料電池系統(tǒng)占整車成本的60％左右，而燃料電池電堆占燃料電池系統(tǒng)成本的62％以上，故降低燃料電池電堆成本是發(fā)展燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵。

圖4：燃料電池電堆內(nèi)部結(jié)構(gòu)

來源：億華通招股書

雙極板質(zhì)量約占燃料電池電堆的60－80％，成本占20－40％，并且?guī)缀跽紦?jù)了整個燃料電池電堆的全部體積，起到支撐機(jī)械結(jié)構(gòu)、均勻分配氣體、排水、導(dǎo)熱、導(dǎo)電的作用。根據(jù)材料不同，雙極板可以分為石墨雙極板、金屬雙極板以及復(fù)合材料雙極板。石墨雙極板具有質(zhì)量輕、穩(wěn)定性強(qiáng)和耐腐蝕性高等特點，但機(jī)械性能較差；金屬雙極板具有機(jī)械性能強(qiáng)、厚度薄、阻氣性好等特點，但易被腐蝕，壽命較短。復(fù)合雙極板則兼具石墨板和金屬板的優(yōu)點，但制備工藝繁雜，成本較高。由于金屬雙極板的批量生產(chǎn)進(jìn)程加快，我國的雙極板市場格局發(fā)生改變。石墨雙極板（含復(fù)合雙極板）市場占比從2019年的78％，降至2020年的65％和2021年的49％，與之對應(yīng)的，金屬雙極板市場占比從22％、35％，上升到2021年的51％。

膜電極主要由質(zhì)子交換膜、催化劑、邊框和氣體擴(kuò)散層組成，一般是一種七層疊加結(jié)構(gòu)。目前，國內(nèi)外主流膜電極廠商生產(chǎn)的產(chǎn)品性能差距越來越小，制備價格低廉、性能高、耐久性好的膜電極成為國內(nèi)外廠商關(guān)注的焦點。從企業(yè)布局情況來看，21年后國內(nèi)膜電極企業(yè)擴(kuò)產(chǎn)速度加快，雙面直接涂布技術(shù)和膜電極一體成型技術(shù)正在成為主流。鴻基創(chuàng)能、武漢理工和擎動科技等企業(yè)在膜電極產(chǎn)業(yè)上處于國內(nèi)領(lǐng)先位置。

質(zhì)子交換膜起到隔絕電子，分隔陰、陽兩極并傳導(dǎo)質(zhì)子的功能。按照含氟量，可以將質(zhì)子交換膜分為全氟磺酸膜、部分氟化聚合物膜、新型非氟聚合物膜、復(fù)合膜等。目前全氟質(zhì)子交換膜（全氟磺酸膜）由于其優(yōu)秀的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、較高的力學(xué)強(qiáng)度以及較高的產(chǎn)業(yè)化程度而得到廣泛應(yīng)用。質(zhì)子交換膜制作工藝復(fù)雜，具有較高的技術(shù)壁壘和資質(zhì)壁壘。在國產(chǎn)化上，以山東東岳為代表的企業(yè)已經(jīng)實現(xiàn)技術(shù)上的突破和量產(chǎn)，有希望在該賽道上實現(xiàn)快速成長。

燃料電池催化劑可以分為鉑催化劑，低鉑催化劑和非鉑催化劑。在催化劑的工業(yè)化生產(chǎn)上，我國一直遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國外。很長一段時間以來，我國燃料電池的催化劑必須靠進(jìn)口，這推高了燃料電池成本，也限制了我國氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。但燃料電池催化劑的國產(chǎn)化進(jìn)程不斷加快，近期中自環(huán)保的燃料電池催化劑生產(chǎn)線建成并順利通過驗收。此次中自環(huán)保生產(chǎn)線的建成，對燃料電池核心材料國產(chǎn)化推進(jìn)、實現(xiàn)技術(shù)可控并降低成本有重大意義。

氣體擴(kuò)散層在燃料電池中起到支撐催化層、收集電流、傳導(dǎo)氣體和排出反應(yīng)產(chǎn)物水的重要作用。氣體擴(kuò)散層通常由基底層和微孔層組成。基底層經(jīng)過疏水處理后，在其上涂覆單層或多層微孔層，從而制成氣體擴(kuò)散層。按照基底層不同，可以將氣體擴(kuò)散層分為碳纖維紙基材，碳布基材和金屬基材等不同類型。現(xiàn)階段，燃料電池生產(chǎn)商大多采用日本東麗、美國AvCarb、德國SGL等廠商的氣體擴(kuò)散層產(chǎn)品，不過我國通用氫能、江蘇氫電等企業(yè)在技術(shù)層面基本可以對標(biāo)國際先進(jìn)產(chǎn)品，有望實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

氫氣循環(huán)泵是我國主流的氫氣循環(huán)產(chǎn)品，如果將電堆比作燃料電池的“心臟”，那么氫氣就是燃料電池的“血液”，而氫氣循環(huán)系統(tǒng)就是“強(qiáng)心肌”，保障“血液”的自由流動。氫氣循環(huán)產(chǎn)品主要包括氫氣循環(huán)泵和氫氣引射器，與氫氣引射器相比，氫氣循環(huán)泵在主動可調(diào)節(jié)、快響應(yīng)速度和寬工作區(qū)間等方面占有一定優(yōu)勢。在2020年以前，德國廠商普旭占據(jù)國內(nèi)氫氣循環(huán)泵90％的份額，近年來，國內(nèi)山東東德、瑞驅(qū)科技開始小批量供應(yīng)氫氣循環(huán)泵，市場占比在不斷提升。

空壓機(jī)由壓縮元件、驅(qū)動器、驅(qū)動壓縮機(jī)元件的機(jī)械設(shè)備等組成。不同于普通空壓機(jī)，燃料電池空壓機(jī)需要滿足絕對無油、低噪聲、高可靠性、高效、小型化、工作范圍寬、良好的動態(tài)響應(yīng)能力、良好的熱管理等諸多嚴(yán)苛要求。從市場占比來說，燃料電池空壓機(jī)的國產(chǎn)化程度較高，國內(nèi)領(lǐng)先企業(yè)包括金士頓、勢加透博等。