儲(chǔ)能電池（動(dòng)力電池）作為重要的儲(chǔ)能單元在電動(dòng)化、智能化的發(fā)展過(guò)程中重要性日益凸顯。歷次工業(yè)革命所帶來(lái)的能源改革、生產(chǎn)方式改革極大的促進(jìn)了人類社會(huì)生產(chǎn)能力的提升與生活水平的提高。當(dāng)下鋰電池作為重要的儲(chǔ)能電池，成為了新能源汽車、電子產(chǎn)品、無(wú)繩器材的儲(chǔ)能單元，但由于鋰儲(chǔ)量有限（地殼儲(chǔ)量0.0065%，假設(shè)電動(dòng)車每車攜帶80千瓦時(shí)電池，即使用48千克碳酸鋰，現(xiàn)有探明儲(chǔ)量能滿足18億輛車的需求），開采能力受限，中國(guó)鋰礦資源缺乏且品相較差，日益增長(zhǎng)的需求所造成的沖擊成本使鋰的價(jià)格長(zhǎng)期處于高位運(yùn)行。在鋰價(jià)高企的情況下儲(chǔ)能電池是向氫能（H）過(guò)度還是向鈉（Na）電演化？前文《鈉離子電池：未來(lái)電池的發(fā)展方向，向上（H-氫）求還是向下（Na-鈉）求？》重點(diǎn)介紹了鈉離子電池，本文將重點(diǎn)講解氫燃料電池。
氫能本身具有高能量密度、清潔、可再生等優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)階段仍處于早期階段，若可通過(guò)技術(shù)開發(fā)（質(zhì)子交換膜、催化劑）、市場(chǎng)培育、規(guī)模化生產(chǎn)等角度解決成本、性能、應(yīng)用、安全性等問(wèn)題，或?qū)⒊蔀楝F(xiàn)有電池行業(yè)的重要補(bǔ)充。
氫燃料電池簡(jiǎn)介
01氫燃料電池基本情況
定義及基礎(chǔ)原理：
氫燃料電池系統(tǒng)是一種能量轉(zhuǎn)換裝置，使用氫氣或富氫氣體作為燃料，氫氣和氧氣在催化劑的作用下發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電能和水。
系統(tǒng)構(gòu)成：
氫燃料電池系統(tǒng)以電堆及輔助系統(tǒng)構(gòu)成，技術(shù)路徑不同構(gòu)成會(huì)有一定差異，下文將以主要將以質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)為例進(jìn)行分析。
國(guó)內(nèi)PEMFC系統(tǒng)環(huán)節(jié)主要參與者包括億華通、重塑科技、國(guó)鴻氫能等。2023年上半年國(guó)內(nèi)裝機(jī)功率TOP3分別是捷氫科技、億華通、鴻力氫動(dòng)，裝機(jī)功率排名和市占率較2022年有較大變動(dòng)。
潛在應(yīng)用市場(chǎng)：交通是氫能最具潛力的賽道，應(yīng)用場(chǎng)景豐富、具有突出的性能優(yōu)勢(shì)與降本潛力
氫燃料電池汽車有望與純電動(dòng)汽車形成互補(bǔ)發(fā)展。氫燃料電池汽車具有續(xù)航里程長(zhǎng)、低溫性能優(yōu)良、加注迅捷等優(yōu)勢(shì)，適用于中長(zhǎng)距離和重載運(yùn)輸，有望與純電動(dòng)汽車互補(bǔ)發(fā)展。
現(xiàn)階段氫燃料電池汽車經(jīng)濟(jì)性有限，降本有望助力燃料電池汽車推廣
根據(jù)灼識(shí)咨詢，2021年我國(guó)燃料電池汽車百公里成本 924元，遠(yuǎn)高于純電動(dòng)汽車和燃油汽車，主要原因?yàn)檎叟f成本高昂。未來(lái)隨著氫能產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)成熟和規(guī)模降本，燃料電池汽車購(gòu)置成本和用氫成本有望逐步降低，成本競(jìng)爭(zhēng)力提升。
02電堆系統(tǒng)
電堆是是燃料電池系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，價(jià)值量占比最高
電堆是電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的場(chǎng)所，維持著整個(gè)燃料電池系統(tǒng)的能量輸出過(guò)程，決定了燃料電池的整體性能。在燃料電池系統(tǒng)各組成部分中，電堆價(jià)值量占比最高，成本占比達(dá)59%。
2.2膜電極
膜電極是電堆的核心部件，與雙極板共同構(gòu)成電堆中的一個(gè)個(gè)單電池。膜電極由催化劑、質(zhì)子交換膜、氣體擴(kuò)散層組合構(gòu)成，成本占電堆制造成本的60%。膜電極的性能很大程度由三種關(guān)鍵材料的自身性能決定，但制備工藝也對(duì)膜電極的性能、壽命和成本有重要影響。
CCM法是目前膜電極的主流制備方法，根據(jù)催化層支撐體的不同，膜電極制備方法可分為CCS法與 CCM法。二者區(qū)別在于: CCS法將催化劑涂在氣體擴(kuò)散層上，CCM法則將催化劑涂在質(zhì)子交換膜兩側(cè)。CCM法制備的催化劑層更薄、鉑催化劑的利用率高、傳質(zhì)特性好，是目前主流的膜電極制備方法。
國(guó)內(nèi)膜電極參與者主要有三類:專業(yè)供應(yīng)商(唐鋒能源、擎動(dòng)科技、鴻基創(chuàng)能)、自建產(chǎn)線的燃料電池廠商(重塑集團(tuán)、捷氫科技)、 汽車零部件跨界廠商。從裝機(jī)量數(shù)據(jù)來(lái)看，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)中將近 70%的膜電極均由專業(yè)供應(yīng)商提供。
2.3催化劑
催化劑是用于提高反應(yīng)速率的材料，成本較高。催化劑是膜電極的重要材料，用于提高電化學(xué)反應(yīng)速率，其活性與穩(wěn)定性對(duì)燃料電池工作效率和壽命有關(guān)鍵影響。PEMFC燃料電池工作的酸性環(huán)境下，催化劑需要使用貴金屬鉑作為活性材料，成本居高不下，催化劑在電堆成本中占比高達(dá)51%。因此，在不影響電池性能的前提下降低Pt的含量，是目前PEMFC催化劑研究的重點(diǎn)。
鉑碳催化劑是目前的主流催化劑，其他類型商用尚早。目前國(guó)內(nèi)外燃料電池主要使用鉑碳催化劑(Pt/C)，它是由Pt納米顆粒分散在碳粉載體上構(gòu)成的催化劑，技術(shù)成熟。燃料電池新型催化劑的研發(fā)主要圍繞降低鉑載量展開，包括使用過(guò)渡金屬與鉑形成合金 ( Pt-M)、改變鉑和載體組合的結(jié)構(gòu)形態(tài)(核殼結(jié)構(gòu)、單原子層)、甚至開發(fā)非貴金屬催化劑等。上述低鉑、非鉑催化劑路線目前處于技術(shù)研發(fā)階段，在活性、穩(wěn)定性、制備成本等方面暫難與鉑碳催化劑相比，商業(yè)化應(yīng)用尚早。
國(guó)外催化劑廠商占據(jù)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)主要份額。催化劑技術(shù)壁壘較高且技術(shù)專利大多掌握在國(guó)外企業(yè)手里，因此國(guó)內(nèi)催化劑供應(yīng)主要依賴進(jìn)口。根據(jù)36Kr數(shù)據(jù)，目前國(guó)內(nèi)在營(yíng)的燃料電池車中90%的燃料電池使用進(jìn)口催化劑。國(guó)外的催化劑供應(yīng)商主要有日本的田中貴金屬(TKK)、英國(guó)的莊信萬(wàn)豐(JM)、比利時(shí)的優(yōu)美科等公司，其中田中貴金屬、莊信萬(wàn)豐占據(jù)主要市場(chǎng)份額。
國(guó)內(nèi)部分企業(yè)著手開發(fā)催化劑。中自科技、濟(jì)平新能源等企業(yè)已實(shí)現(xiàn)一定程度的技術(shù)突破。
2.4質(zhì)子交換膜
質(zhì)子交換膜對(duì)PEMFC性能影響顯著。質(zhì)子交換膜(PEM)在單電池中起到兩大作用:一是作為電解質(zhì)，傳導(dǎo)質(zhì)子;二是分隔反應(yīng)兩極，阻隔氣體和電子。質(zhì)子交換膜性能直接影響電池性能與壽命，性能好的質(zhì)子交換膜需滿足質(zhì)子傳導(dǎo)率高、氣體滲透率低、穩(wěn)定性好等要求。
全氟磺酸膜是PEM的主流路線。目前可用于燃料電池的質(zhì)子交換膜主要包括:全氟磺酸膜、非全氟化膜、無(wú)氟質(zhì)子交換膜、復(fù)合膜等。全氟磺酸膜機(jī)械強(qiáng)度高、化學(xué)穩(wěn)定性好、工藝完善，應(yīng)用最為廣泛，是目前的主流路線。
國(guó)外參與者占據(jù)主要市場(chǎng)份額，國(guó)產(chǎn)化率較低。燃料電池產(chǎn)業(yè)整體發(fā)展階段較早，質(zhì)子交換膜市場(chǎng)參與者數(shù)量有限。其中，美國(guó)戈?duì)?/span>(W. L. Gore & Associates) 憑借著領(lǐng)先的增強(qiáng)型膜技術(shù)，占據(jù)全球燃料電池用質(zhì)子交換膜超八成市場(chǎng)份額。其他國(guó)外參與者還包括最早開發(fā)出全氟磺酸膜的杜邦(DuPont)、陶氏化學(xué)(Dow)、日本的旭化成等。國(guó)內(nèi)廠商包括國(guó)氫科技、東岳未來(lái)氫能和科潤(rùn)新材料均已實(shí)現(xiàn)質(zhì)子交換膜量產(chǎn)，泛亞微透、武漢理工新能源等公司也在積極布局，但市場(chǎng)占有率較低。
2.5氣體擴(kuò)散層
氣體擴(kuò)散層用于水、氣的再分配，使用碳紙作為主要材料。氣體擴(kuò)散層(GDL)位于雙極板和催化劑層之間，其作用包括:將反應(yīng)氣體均勻分配在催化劑層表面、傳導(dǎo)電流、支撐催化劑層、導(dǎo)熱、排出生成水等。氣體擴(kuò)散層需使用具有合理孔隙率、良好導(dǎo)電性、耐酸性等特性的材料，目前燃料電池GDL使用碳紙作為主要材料，經(jīng)疏水處理后涂布微孔層(MPL)制成。GDL制備工藝中，將碳纖維制備成碳紙的環(huán)節(jié)基本決定了GDL成品的厚度、孔隙率、孔隙分布特性、導(dǎo)電性和機(jī)械強(qiáng)度等性能，是技術(shù)難點(diǎn)環(huán)節(jié)。
全球范圍內(nèi)參與者較少，國(guó)產(chǎn)廠商進(jìn)展較慢。受制于市場(chǎng)整體需求規(guī)模不大、技術(shù)難度高等因素，全球GDL生產(chǎn)廠商數(shù)量不多，市場(chǎng)由日本東麗、美國(guó)AvCarb、德國(guó)SGL等主導(dǎo)。國(guó)內(nèi)通用氫能、金博股份、江蘇天鳥等企業(yè)布局GDL，目前處于小批量試產(chǎn)階段，其中通用氫能近年發(fā)展較快，公司產(chǎn)品已在國(guó)內(nèi)多家燃料電池企業(yè)測(cè)試驗(yàn)證，已建成生產(chǎn)線待投產(chǎn)。
2.6雙極板
雙極板是燃料電池電堆中關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)和功能部件，其成本約占電堆成本的25%。雙極板在電堆中起到導(dǎo)通電流、分配原料氣、支撐膜電極等作用。
為實(shí)現(xiàn)所需功能，雙極板需具備優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、氣密性、耐腐蝕性和機(jī)械性能，并具備良好的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
根據(jù)制作材料不同，雙極板主要分為三類:石墨雙極板、金屬雙極板和復(fù)合雙極板。
現(xiàn)階段，石墨/金屬雙極板兩大主流技術(shù)路線處于共存狀態(tài)。根據(jù)TrendBank數(shù)據(jù)，2022年國(guó)內(nèi)裝機(jī)電堆中金屬堆占比由2021年的37%提升至53%，首次超過(guò)石墨堆(44%)。石墨/金屬雙極板兩大路線各有優(yōu)劣勢(shì)，后續(xù)路線份額的變化取決于國(guó)產(chǎn)技術(shù)成熟度和降本進(jìn)展。
雙極板參與者主要為自建生產(chǎn)線的燃料電池廠商。億華通、國(guó)鴻氫能、國(guó)電投氫能、愛(ài)德曼等電池廠商均自產(chǎn)雙極板，專業(yè)供應(yīng)商主要包括石墨雙極板制造商上海弘楓與金屬雙極板制造商治臻新能源。
2.7電堆主要技術(shù)路線
技術(shù)路線方面，質(zhì)子交換膜燃料電池是車用主流技術(shù)。燃料電池按導(dǎo)電離子類別可分為酸性燃料電池、堿性燃料電池(AFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)和烙融碳酸鹽燃料電池(MCFC)，其中酸性燃料電池可分為PEMFC(質(zhì)子交換膜)、 直接醇類燃料電池(DMFC)和磷酸燃料電池(PAFC)。PEMFC具有功率密度大、重量輕、體積小、壽命長(zhǎng)、工藝成熟、可低溫下快速啟動(dòng)和工作等突出優(yōu)點(diǎn)，或是將來(lái)車用燃料電池最理想技術(shù)方案。此外，在各技術(shù)路徑中，固體氧化物燃料電池或在儲(chǔ)能等領(lǐng)域具有發(fā)展空間。
從全球各技術(shù)路線的燃料電池實(shí)際裝機(jī)量情況看，質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC) 裝機(jī)量占比近幾年保持在 75%左右水平，是當(dāng)前技術(shù)成熟度最高，裝機(jī)量占比最高的燃料電池技術(shù)路線。
國(guó)內(nèi)燃料電池產(chǎn)業(yè)仍處于導(dǎo)入期，競(jìng)爭(zhēng)格局尚未明朗。2020 年中國(guó)氫燃料電池系統(tǒng)裝機(jī)量為 80.4MW，同比下降 36%，相較于鋰電池近幾年百吉瓦時(shí)規(guī)模的裝機(jī)量，燃料電池系統(tǒng)裝機(jī)量顯示該產(chǎn)業(yè)仍處于導(dǎo)入期階段。
2.8電堆成本下降趨勢(shì)
燃料電池降本處于下降通道，但仍處于相對(duì)高位，后期成本情況值得關(guān)注。從近年燃料電池頭部廠商出貨價(jià)格來(lái)看，燃料電池正處于迅速降本的階段。據(jù)Frost & Sullivan預(yù)測(cè)，到2030年燃料電池單瓦均價(jià)或?qū)⒔抵?/span>1.4元/W。
行業(yè)情況
01市場(chǎng)規(guī)模
PEMFC系統(tǒng)市場(chǎng)前景廣闊，2025年市場(chǎng)規(guī)模有望超過(guò)160億元。據(jù)Frost & Sullivan預(yù)測(cè)，2025年國(guó)內(nèi)燃料電池系統(tǒng)出貨量為7.26GW， 市場(chǎng)規(guī)模達(dá)181億元。該機(jī)構(gòu)預(yù)計(jì)的2025年出貨量中，車載應(yīng)用6.71GW，其它運(yùn)輸應(yīng)用0.13GW，固定式應(yīng)用0.42GW。由于車載燃料電池均使用PEMFC，船舶和固定式發(fā)電可采用PEMFC、SOFC等路線，使用出貨量比例粗略估算，2025年國(guó)內(nèi)PEMFC系統(tǒng)市場(chǎng)規(guī)模約為167-181億元，2030年PEMFC系統(tǒng)市場(chǎng)規(guī)模或?qū)⑦_(dá)到922-1168億元。
02產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)
風(fēng)險(xiǎn)提示
文稿說(shuō)明｜本文由金龍投資公司根據(jù)公開資料整理編輯
編者｜葉天元
