燃料电池堆产业链深度分析

在氢燃料电池产业链中，上游是氢气的制备、运输和储存，氢燃料电池系统在加氢站加注氢气；在电堆中游等关键部件的生产中，将电堆和配件集成在一起，形成氢燃料电池系统；在下游应用层面，主要有三个方向:交通工具、便携式电源、固定电源；消费终端是电瓶车的生产和销售。

燃料电池堆

燃料电池堆是燃料电池汽车产业的心脏，成本占燃料电池系统成本的60%以上，技术门槛高。

燃料电池堆主要由催化剂、质子交换膜、气体扩散层、双极板以及密封件、端板和集电板等其他结构部件组成。

国内燃料电池堆产业链初具规模，上游厂商齐全，膜电极、质子交换膜、双极板具备国产化能力，气体扩散层小批量供货，催化剂具备研发能力。

与国外燃料电池堆相比，国内燃料电池堆在核心材料和关键技术上还存在不足，这也是燃料电池堆成本高的主要原因。因此，降低燃料电池电堆的成本仍然是燃料电池汽车商业化的关键。

燃料电池结构:膜电极和双极板堆叠形成堆。

双极板:电池堆中的“骨架”

双极板是电堆中的“骨架”，由膜电极堆叠而成。双极板在燃料电池中起到支撑、收集电流、为冷却剂提供通道、分离氧化剂和还原剂的作用。其性能将直接影响电堆的体积、输出功率和寿命。

双极板按材质主要分为石墨板、金属板和复合板。

目前国内以石墨板为主，金属板是未来的主流技术。商用车倾向于配备石墨板，而乘用车由于对空间要求较高，则配备金属板。

石墨双极板

石墨双极板是目前质子交换膜燃料电池(PEMFC)中应用最广泛的材料，具有良好的导电性、导热性和耐腐蚀性，常用于商用车领域。

目前石墨板在技术和商业化上已经比较成熟，占据了较大的市场份额，成本很难进一步降低。随着行业的发展，需要等待上游石墨材料技术升级带来的成本降低来刺激需求。

石墨双极板厚度约2 ~ 3.7 mm，用铣床加工成一定形状的导流液槽和液道，其流道设计和加工工艺与电池性能密切相关。

石墨双极板技术壁垒低，国外代表企业有美国Poco、加拿大Ballard等。国内技术达到国际一流水平。代表企业有上海李绅(宜华通子公司)、上海宏丰、淄博联强、上海洪钧、郭虹氢能等，其中上海宏丰产品已出口海外。郭虹氢能石墨双极板技术成熟，可以批量生产和定制。_

图片来源:上海李绅官网

金属双极板

金属双极板比较容易被腐蚀，但是体积小，生产周期短，容易快速量产，可以用在乘用车领域。国外代表企业有美国的达内、日本的本田等。

金属双极板将是未来的发展方向。率先掌握国内量产金属板的企业有望在燃料电池乘用车市场抢占先机。国内代表企业有上海至臻、上海葛优、鑫源动力、奇瑞汽车等。

上海智臻可实现双极板国产化和批量生产，设计年产量可达50万对，至少可供1500辆FCV使用，已小批量供应SAIC捷氢金属板堆。

复合双极板

复合双极板兼具石墨的耐腐蚀性和金属的高强度，效果最好，但加工繁琐，成本高，一直没有大规模应用。

总体来看，双极板的国产化替代已经发展到一定水平，在石墨双极板向金属双极板的技术切换过程中，逐步实现了全面国产化。新源电力、武汉喜马拉雅光电、氢普创能等国内厂商具备研发能力。

膜电极:燃料电池技术核心

_膜电极和两侧的双极板构成了燃料电池的基本单元。

膜电极是燃料电池堆的核心部件。作为化学反应的场所，它由催化剂、气体扩散层和质子交换膜组成。

膜电极组件是将两个喷有Nafion溶液和Pt催化剂的碳纤维纸电极分别放置在预处理后的质子交换膜两侧，使催化剂紧贴质子交换膜，在一定温度和压力下成型而成。

催化剂

在燃料电池中，催化剂起到分解氢和氧用于电化学反应以产生电流的作用。

目前商业化的催化剂是铂碳催化剂，稀有金属铂的高成本是燃料电池商业化的主要障碍之一。

实现了外来催化剂的量。

全球催化剂制造商的三大巨头分别是德国巴斯夫、英国强生丰丸和比利时优米科，全球市场份额约90%，国内市场份额约70%。已能实现批量生产(10kg/批以上)，性能稳定，可靠性高。

国内催化剂生产企业，包括桂岩铂业、中咨科技、华昌化工、上海唐峰、武汉喜马拉雅、上海吉平新能源等也在从事相关产品研发。

质子交换膜

质子交换膜位于有机氟化工产业链的末端。其上游是有机氟化工的单体材料，下游是氯碱工业、燃料电池、电解水、基于质子交换膜的储能电池等应用领域。

质子交换膜是燃料电池的核心部件，其厚度、化学稳定性和质子传导率直接影响燃料电池的综合性能，因此对质子交换膜的性能有很高的要求。

主要有杜邦、科慕、陶氏、3M、戈尔、比利时索尔维、日本旭硝子、旭化成，还有东岳集团、泛亚微传动等国内十余家公司。

中国东岳集团拥有完整的全氟磺酸树脂产业链，是国内市场规模仅次于Gore、Comu的企业。拥有原料、中间体、单体、高分子膜全产业链，建成了国内唯一的全氟酸质子膜树脂合成生产线。目前已经实现量产和量产供应。

燃料电池堆的工作原理；

气体扩散层

气体扩散层(GDL)位于气体流场层和催化层之间，由碳纸和防水剂PTFE组成，起着支撑膜电极、收集电流、传导气体、控制反应水(气)和热量的重要作用。

资料来源:国家公共电话公司

海外企业以成熟的技术实现了批量生产。东丽和三菱、Sigri和Feudenberg、美国AvCarb、韩国JNTG等国外厂商都实现了气体扩散层的规模化生产，并且都有多种适合不同应用场景的产品。

目前国内气体扩散层技术仍在探索中，碳纸材料实验室技术可以对标部分国际先进产品，但实现产品规模化生产还有一定差距。

国内知名的气体扩散层企业主要有安泰科技、通用氢能、江苏氢电、江苏清能、上海和森电气等。

防喷器是防喷器组稳定运行的关键环境

相应的辅助设备(BOP、BalanceOfPlant)是堆栈稳定运行的关键环境。

从丰田Mirai未来组合燃料电池系统概述中可以清楚地看到，燃料电池系统的BOP组件为电堆提供了必要的外部环境，引导氢气流、空气流和冷凝水流的有序组织和配合是电堆稳定运行的重要因素。

对于BOP来说，其成本构成相对分散，空压机和电机是气路的一些核心部件。

Mirai未来组合燃料电池系统概述；

空气压缩机:燃料电池系统的核心部件_

燃料电池空气压缩机可以极大地提高电堆的性能。种类很多，其中离心式压缩机在密度、效率、噪音等方面综合效果较好，是主要发展方向。

就国产化率而言，空气压缩机是我国国产化程度较高的燃料电池关键部件。

据印石统计，相比其他辅助系统产品，空压机较早实现了全功率段国产化，目前国产化率接近100%。

近两年国内市场燃料电池空压机供应商主要有Yeti、时嘉透博、金士顿科技、平力科技、烟台东德工业、德国燃烧动力、冰轮环境等企业。

燃料电池系统的安装市场结构

总体来看，近年来我国氢燃料电池装机容量增长较快。目前市场上有很多区域订单，同时批量供货的竞争对手也越来越多。市场竞争由一直到多，市场集中度逐年下降。2020年CR5为64%，比2065，438+09年下降65，438+04%，预计2-3年还会下降。

2020年燃料电池汽车发动机系统TOP3安装份额为16。%在爱德曼，15。易华通的%,郭虹重建的65，438+02%。

得益于核心材料和关键部件的加速国产化，2020年我国燃料电池系统和电堆价格已降低30%-50%。

未来几年，随着国产核心部件的规模化和竞争的加剧，预计未来几年电堆价格将以每年25%-30%的速度下降。

目前，我国燃料电池产业发展迅速，但主要集中在整车组装和示范运行，产业链中的电堆、膜电极、双极板等核心技术较少。

从燃料电池动力系统集成、环境适应性、可靠性和寿命、成本控制、储氢等技术指标来看，国内水平与国际水平相差甚远。目前国内独立R&D和国外成熟技术厂商并存，但关键零部件的材料性能和产量亟待提高。