儲能電池（動力電池）作為重要的儲能單元在電動化、智能化的發展過程中重要性日益凸顯。歷次工業革命所帶來的能源改革、生產方式改革極大的促進了人類社會生產能力的提升與生活水平的提高。當下鋰電池作為重要的儲能電池，成為了新能源汽車、電子產品、無繩器材的儲能單元，但由于鋰儲量有限（地殼儲量0.0065%，假設電動車每車攜帶80千瓦時電池，即使用48千克碳酸鋰，現有探明儲量能滿足18億輛車的需求），開采能力受限，中國鋰礦資源缺乏且品相較差，日益增長的需求所造成的沖擊成本使鋰的價格長期處于高位運行。在鋰價高企的情況下儲能電池是向氫能（H）過度還是向鈉（Na）電演化？前文《鈉離子電池：未來電池的發展方向，向上（H-氫）求還是向下（Na-鈉）求？》重點介紹了鈉離子電池，本文將重點講解氫燃料電池。
氫能本身具有高能量密度、清潔、可再生等優勢，現階段仍處于早期階段，若可通過技術開發（質子交換膜、催化劑）、市場培育、規模化生產等角度解決成本、性能、應用、安全性等問題，或將成為現有電池行業的重要補充。
氫燃料電池簡介
01氫燃料電池基本情況
定義及基礎原理：
氫燃料電池系統是一種能量轉換裝置，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生電化學反應，產生電能和水。
系統構成：
氫燃料電池系統以電堆及輔助系統構成，技術路徑不同構成會有一定差異，下文將以主要將以質子交換膜燃料電池(PEMFC)為例進行分析。
國內PEMFC系統環節主要參與者包括億華通、重塑科技、國鴻氫能等。2023年上半年國內裝機功率TOP3分別是捷氫科技、億華通、鴻力氫動，裝機功率排名和市占率較2022年有較大變動。
潛在應用市場：交通是氫能最具潛力的賽道，應用場景豐富、具有突出的性能優勢與降本潛力
氫燃料電池汽車有望與純電動汽車形成互補發展。氫燃料電池汽車具有續航里程長、低溫性能優良、加注迅捷等優勢，適用于中長距離和重載運輸，有望與純電動汽車互補發展。
現階段氫燃料電池汽車經濟性有限，降本有望助力燃料電池汽車推廣
根據灼識咨詢，2021年我國燃料電池汽車百公里成本 924元，遠高于純電動汽車和燃油汽車，主要原因為折舊成本高昂。未來隨著氫能產業鏈技術成熟和規模降本，燃料電池汽車購置成本和用氫成本有望逐步降低，成本競爭力提升。
02電堆系統
電堆是是燃料電池系統的關鍵部分，價值量占比最高
電堆是電化學反應發生的場所，維持著整個燃料電池系統的能量輸出過程，決定了燃料電池的整體性能。在燃料電池系統各組成部分中，電堆價值量占比最高，成本占比達59%。
2.2膜電極
膜電極是電堆的核心部件，與雙極板共同構成電堆中的一個個單電池。膜電極由催化劑、質子交換膜、氣體擴散層組合構成，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鍵材料的自身性能決定，但制備工藝也對膜電極的性能、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。二者區別在于: CCS法將催化劑涂在氣體擴散層上，CCM法則將催化劑涂在質子交換膜兩側。CCM法制備的催化劑層更薄、鉑催化劑的利用率高、傳質特性好，是目前主流的膜電極制備方法。
國內膜電極參與者主要有三類:專業供應商(唐鋒能源、擎動科技、鴻基創能)、自建產線的燃料電池廠商(重塑集團、捷氫科技)、 汽車零部件跨界廠商。從裝機量數據來看，國內市場中將近 70%的膜電極均由專業供應商提供。
2.3催化劑
催化劑是用于提高反應速率的材料，成本較高。催化劑是膜電極的重要材料，用于提高電化學反應速率，其活性與穩定性對燃料電池工作效率和壽命有關鍵影響。PEMFC燃料電池工作的酸性環境下，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。
鉑碳催化劑是目前的主流催化劑，其他類型商用尚早。目前國內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成的催化劑，技術成熟。燃料電池新型催化劑的研發主要圍繞降低鉑載量展開，包括使用過渡金屬與鉑形成合金 ( Pt-M)、改變鉑和載體組合的結構形態(核殼結構、單原子層)、甚至開發非貴金屬催化劑等。上述低鉑、非鉑催化劑路線目前處于技術研發階段，在活性、穩定性、制備成本等方面暫難與鉑碳催化劑相比，商業化應用尚早。
國外催化劑廠商占據國內市場主要份額。催化劑技術壁壘較高且技術專利大多掌握在國外企業手里，因此國內催化劑供應主要依賴進口。根據36Kr數據，目前國內在營的燃料電池車中90%的燃料電池使用進口催化劑。國外的催化劑供應商主要有日本的田中貴金屬(TKK)、英國的莊信萬豐(JM)、比利時的優美科等公司，其中田中貴金屬、莊信萬豐占據主要市場份額。
國內部分企業著手開發催化劑。中自科技、濟平新能源等企業已實現一定程度的技術突破。
2.4質子交換膜
質子交換膜對PEMFC性能影響顯著。質子交換膜(PEM)在單電池中起到兩大作用:一是作為電解質，傳導質子;二是分隔反應兩極，阻隔氣體和電子。質子交換膜性能直接影響電池性能與壽命，性能好的質子交換膜需滿足質子傳導率高、氣體滲透率低、穩定性好等要求。
全氟磺酸膜是PEM的主流路線。目前可用于燃料電池的質子交換膜主要包括:全氟磺酸膜、非全氟化膜、無氟質子交換膜、復合膜等。全氟磺酸膜機械強度高、化學穩定性好、工藝完善，應用最為廣泛，是目前的主流路線。
國外參與者占據主要市場份額，國產化率較低。燃料電池產業整體發展階段較早，質子交換膜市場參與者數量有限。其中，美國戈爾(W. L. Gore & Associates) 憑借著領先的增強型膜技術，占據全球燃料電池用質子交換膜超八成市場份額。其他國外參與者還包括最早開發出全氟磺酸膜的杜邦(DuPont)、陶氏化學(Dow)、日本的旭化成等。國內廠商包括國氫科技、東岳未來氫能和科潤新材料均已實現質子交換膜量產，泛亞微透、武漢理工新能源等公司也在積極布局，但市場占有率較低。
2.5氣體擴散層
氣體擴散層用于水、氣的再分配，使用碳紙作為主要材料。氣體擴散層(GDL)位于雙極板和催化劑層之間，其作用包括:將反應氣體均勻分配在催化劑層表面、傳導電流、支撐催化劑層、導熱、排出生成水等。氣體擴散層需使用具有合理孔隙率、良好導電性、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節基本決定了GDL成品的厚度、孔隙率、孔隙分布特性、導電性和機械強度等性能，是技術難點環節。
全球范圍內參與者較少，國產廠商進展較慢。受制于市場整體需求規模不大、技術難度高等因素，全球GDL生產廠商數量不多，市場由日本東麗、美國AvCarb、德國SGL等主導。國內通用氫能、金博股份、江蘇天鳥等企業布局GDL，目前處于小批量試產階段，其中通用氫能近年發展較快，公司產品已在國內多家燃料電池企業測試驗證，已建成生產線待投產。
2.6雙極板
雙極板是燃料電池電堆中關鍵的結構和功能部件，其成本約占電堆成本的25%。雙極板在電堆中起到導通電流、分配原料氣、支撐膜電極等作用。
為實現所需功能，雙極板需具備優良的導電性、導熱性、氣密性、耐腐蝕性和機械性能，并具備良好的流場結構和密封結構設計。
根據制作材料不同，雙極板主要分為三類:石墨雙極板、金屬雙極板和復合雙極板。
現階段，石墨/金屬雙極板兩大主流技術路線處于共存狀態。根據TrendBank數據，2022年國內裝機電堆中金屬堆占比由2021年的37%提升至53%，首次超過石墨堆(44%)。石墨/金屬雙極板兩大路線各有優劣勢，后續路線份額的變化取決于國產技術成熟度和降本進展。
雙極板參與者主要為自建生產線的燃料電池廠商。億華通、國鴻氫能、國電投氫能、愛德曼等電池廠商均自產雙極板，專業供應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電堆主要技術路線
技術路線方面，質子交換膜燃料電池是車用主流技術。燃料電池按導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、工藝成熟、可低溫下快速啟動和工作等突出優點，或是將來車用燃料電池最理想技術方案。此外，在各技術路徑中，固體氧化物燃料電池或在儲能等領域具有發展空間。
從全球各技術路線的燃料電池實際裝機量情況看，質子交換膜燃料電池(PEMFC) 裝機量占比近幾年保持在 75%左右水平，是當前技術成熟度最高，裝機量占比最高的燃料電池技術路線。
國內燃料電池產業仍處于導入期，競爭格局尚未明朗。2020 年中國氫燃料電池系統裝機量為 80.4MW，同比下降 36%，相較于鋰電池近幾年百吉瓦時規模的裝機量，燃料電池系統裝機量顯示該產業仍處于導入期階段。
2.8電堆成本下降趨勢
燃料電池降本處于下降通道，但仍處于相對高位，后期成本情況值得關注。從近年燃料電池頭部廠商出貨價格來看，燃料電池正處于迅速降本的階段。據Frost & Sullivan預測，到2030年燃料電池單瓦均價或將降至1.4元/W。
行業情況
01市場規模
PEMFC系統市場前景廣闊，2025年市場規模有望超過160億元。據Frost & Sullivan預測，2025年國內燃料電池系統出貨量為7.26GW， 市場規模達181億元。該機構預計的2025年出貨量中，車載應用6.71GW，其它運輸應用0.13GW，固定式應用0.42GW。由于車載燃料電池均使用PEMFC，船舶和固定式發電可采用PEMFC、SOFC等路線，使用出貨量比例粗略估算，2025年國內PEMFC系統市場規模約為167-181億元，2030年PEMFC系統市場規模或將達到922-1168億元。
02產業鏈結構
風險提示
文稿說明｜本文由金龍投資公司根據公開資料整理編輯
編者｜葉天元
