电气设备行业专题研究：氢燃料电池核心部件拆解，国产化是必要途径

/ 电气设备行业专题研究 氢燃料电池核心部件拆解，国产化是必要途径 / 2023年12月04日 【投资要点】 氢燃料电池系统由电堆、空气供给系统、氢气循环系统、水热管理系统和电控系统五大部分构成。电堆及辅助系统（BOP）的耐用性等性能决定了燃料电池的性能和使用寿命等多个指标。燃料电池堆主要由单燃料电池构成，常见的电堆结构包括端板、集流板、双极板、膜电极；其中膜电极又可以分解为气体扩散层、催化层、质子交换膜。 电堆是燃料电池系统的核心部件，成本占比较高。电堆维系着整个燃料电池系统的能量输出过程，在很大程度上决定了燃料电池的整体性能、寿命和成本等关键因素。规模化制造假设下，电堆占燃料电池系统的成本为47%，因此其核心部件的国产化降本是氢燃料电池规模化的关键。 催化剂方面，其作用是提高阴极的反应速率，降低燃料电池中的铂用量、推进国产化替代成为趋势。质子交换膜方面，需要起到质子传导和阻隔燃料的作用，国产突破的方向为工艺突破与材料体系的转换。气体扩散层方面，用于水、气的再分配，目前国内只有少数企业涉足，并且大多处在小批样试产的状态，因此后续的验证和批量化生产是重点。双极板方面，主要作用为分配反应气体、导电导热及支撑膜电极，是燃料电池的骨架与基础；国内布局企业较多。 【配置建议】 燃料电池尚在商业化早期，核心部件与材料壁垒较高，建议关注燃料电池系统/电堆出货量排名靠前、布局核心部件与材料的企业。燃料电池系统/电堆方面：建议关注亿华通、国鸿氢能（未上市）、捷氢科技（未上市）、潍柴动力；质子交换膜和气体扩散层方面，建议关注华电重工（通用氢能）；催化剂方面，建议关注贵研铂业；双极板方面，建议关注治臻股份。 【风险提示】 氢能政策风险； 需求不达预期； 国产化进度不及预期 挖掘价值投资成长 强于大市（维持） 东方财富证券研究所 证券分析师：周旭辉 证书编号：S1160521050001 联系人：郭娜 电话：021-23586475 相对指数表现 12.54% 5.03% -2.47% -9.98% -17.48% -24.99%12/42/44/46/48/410/4 电气设备沪深300 相关研究 《风光运营商：拨云见日，成长+防御属性凸显》 2023.11.21 《氢能系列专题二：储运：承上启下，氢能规模化应用的关键环节》 2023.11.13 《4680量产在即，相关设备有望放量》 2023.10.20 《固态电池专题研究：产业链初步成形，产业化稳步推进》 2023.10.16 《IEA发布《全球氢能评论2023》，行业加速发展》 2023.09.27 行业研究 电气设备 证券研究报告 2017 正文目录 1.燃料电池：具备减碳、长里程等优势4 2.电堆：燃料电池的核心部件9 2.1.膜电极：电堆的核心，决定燃料电池的性能、寿命等10 2.1.1.催化剂：提升反应效率的关键，降本是核心12 2.1.2.质子交换膜：高性能的关键材料，国内加速发展14 2.1.3.气体扩散层：用于水、气的再分配，国内加速发展16 2.2.双极板：燃料电池的骨架与基础，18 3.辅助系统：维持燃料电池系统的稳定安全运行20 4.关注公司23 4.1.亿华通：燃料电池龙头，引领商业化23 4.2.国鸿氢能（未上市）：专注燃料电池/电堆，引领国内发展24 4.3.捷氢科技（未上市）：具备纵向一体化研发能力，电堆平台性能领先25 4.4.潍柴动力：国内领先的汽车及装备制造集团，布局氢燃料电池26 4.5.华电重工：积极布局氢能领域，控股子公司致力于关键材料国产化27 4.6.贵研铂业：专注贵金属材料制造，燃料电池铂催化剂带来新增长29 4.7.治臻股份（未上市）：双极板制造龙头，专注金属双极板30 5.风险提示31 图表目录 图表1：氢燃料电池简要工作原理示意4 图表2：燃料电池/纯电/传统燃油车对比4 图表3：燃料电池的分类5 图表4：2020年全球不同燃料电池种类的出货量占比6 图表5：全国燃料电池热点联产/发电项目燃料电池类型占比6 图表6：2021.08-2022.08国内氢燃料电池企业装机市占率情况6 图表7：燃料电池规模化制造成本结构7 图表8：氢燃料电池产业链8 图表9：车用PEMFC电堆结构示意图9 图表10：燃料电池/电堆的常用性能指标9 图表11：2022年中国电堆企业市场份额占比10 图表12：国内电堆企业主要布局情况10 图表13：2022年上牌车辆装机膜电极企业市占率11 图表14：氢燃料电池催化剂分类12 图表15：金属铂价格走势12 图表16：国内外燃料电池催化剂生产企业介绍13 图表17：不同种类质子交换膜对比情况14 图表18：燃料电池用质子交换膜国产化率15 图表19：国内质子交换膜主要布局企业15 图表20：气体扩散层的三维结构16 图表21：通用氢能气体扩散层产品16 图表22：不同种类GDL的性能指标16 图表23：碳纸的制备方法17 图表24：国内气体扩散层主要布局企业17 2017 图表25：典型的双极板结构图18 图表26：不同材质双极板特点18 图表27：石墨双极板图示19 图表28：金属双极板图示19 图表29：2022Q1-3各双极板企业市占率19 图表30：2022Q1-3不同类型双极板市场占比19 图表31：国内双极板主要布局企业19 图表32：常见空压机对比20 图表33：氢循环泵工作原理21 图表34：燃料电池增湿器工作原理22 图表35：辅助系统关键部件市场集中度22 图表36：亿华通2018-2023Q1-3营收情况23 图表37：亿华通2023H1各板块营收占比23 图表38：神力科技B9P系列燃料电池产品23 图表39：国鸿氢能2019-2023Q1-3营收情况24 图表40：国鸿氢能2023M1-5各板块营收占比24 图表41：国鸿氢能燃料电池电堆24 图表42：捷氢科技2019-2021营收情况25 图表43：捷氢科技2021年各板块营收占比25 图表44：捷氢科技PROMEP4燃料料电池系统平台产品26 图表45：潍柴动力2018-2023Q1-3营收情况26 图表46：潍柴动力2023H1各板块营收占比26 图表47：潍柴动力200kW重卡用燃料电池发动机27 图表48：华电重工2018-2023Q1-3营收情况27 图表49：华电重工2023H1各板块营收占比27 图表50：华电重工首套1200Nm3/h碱性电解槽28 图表51：通用氢能气体扩散层29 图表52：通用氢能质子交换膜29 图表53：贵研铂业2018-2023Q1-3营收情况29 图表54：贵研铂业2023H1各板块营收占比29 图表55：治臻股份2019-2021年营收情况30 图表56：治臻股份2021年各板块营收占比30 图表57：治臻股份金属双极板30 图表58：行业重点关注公司31 2017 1.燃料电池：具备减碳、长里程等优势 燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置。由于燃料电池是通过电化学反应把燃料的化学能中的吉布斯自由能部分转换成电能，不受卡诺循环效应的限制，因此效率高。另外，燃料电池用燃料和氧气作为原料，同时没有机械传动部件，故排放出的有害气体极少，使用寿命长。由此可见，从节约能源和保护生态环境的角度来看，燃料电池是最有发展前途的发电技术。 氢燃料电池工作原理：1）反应气体在气体扩散层内扩散；2）反应气体在催化层内被催化剂吸附后被离解；3）阳极反应生成的氢离子穿过质子交换膜到达阴极与氧气反应生成水，而电子通过外电路到达阴极产生电。 图表1：氢燃料电池简要工作原理示意 资料来源：化学工业出版社.衣宝廉，俞红梅等《氢能利用关键技术系列：氢燃料电池》.2021，东方财富证券研究所 注：MEA为膜电极组件 相较于锂电池与传统发动机，燃料电池在续航里程、加注时间和低温环境适应性上优势明显。 图表2：燃料电池/纯电/传统燃油车对比 指标 燃料电池汽车 纯电动汽车 燃油车 动力系统 燃料电池发动机 锂电池 内燃机 燃料/热值 氢气，143MJ/kg —— 汽油，约44MJ/kg 反应方式 非燃烧电化学反应（发电装置消耗燃料过程） 非燃烧电化学反应（储能装置可逆充放过程） 燃烧 反应放能 电、热 电 热（通过燃烧烧汽油释放高温使气缸内空气剧烈膨胀推动活塞机械做工） 反应残余 电、热、H20 电 热（通过）、CO2、CO、H2O、SO2等 反应效率 ≥50% —— 30-40% 安全性 主要来自氢燃料的储存 高能量密度与安全性难以 —— 兼容 低温性能 -30℃低温自启动-40℃低温存储 常规锂电池在-20°C以下低温环境无法充电，且里程损失可能达到约30% -18°C以下需要配置高性能汽油机润滑油、进气道低温预热装置和高能辅助点火装置并执行相应冷启动作业等 资源约束 铂金供应充分、膜电极中铂金用量不断减少 三元电池钴资源短缺、全球仅少数国家可开发经济可用的锂资源 —— 环境保护 工业副产氢、天然气重整制氢可减少碳排放；可再生能源制氢可实现零排放 污染部分转移到上游 排放CO2、CO、SO2等温室气体及污染物 整车加注时间（商用车） 15分钟 2-8小时 10分钟 整车续航里程（商用车） ＞500km ≈260km 500km 动力系统成本 高 低 低 运营燃料成本 氢源富集地区具备较强经济性 具备较强经济性 受石油价格波动影响 商业化程度 商业化初期 相对成熟 完全成熟 应用领域 中长距离、重载运输 中短距离运输 普适 加注基础设施稀缺重点城市覆盖普及 资料来源：亿华通招股说明书，东方财富证券研究所 燃料电池种类众多，目前常用的是根据电解质类型进行分类，可以分为质子交换膜燃料电池（protonexchangemembranefuelcell，PEMFC）、碱性燃料电池（alkalinefuelcell，AFC）、磷酸燃料电池（phosphoricacidfuelcell，PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（moltencarbonatefuelcell，MCFC）和固体氧化物燃料电池（solidoxidefuelcell，SOFC）。根据反应温度分类，PEMFC和PAFC的反应温度一般在200℃以下，归为低温燃料电池，而MCFC和SOFC的反应温度可以达到600~1000℃，属于高温燃料电池。还可以根据燃料的不同，将燃料电池分为氢燃料电池、甲烷燃料电池、甲醇燃料电池、乙醇燃料电池和金属燃料电池。 图表3：燃料电池的分类 燃料电池类型 质子交换膜燃料电池（PEMFC） 碱性燃料电池（AFC） 磷酸燃料电池（PAFC） 熔融碳酸盐燃料电池（MCFC） 固体氧化物燃料电池（SOFC） 电解质 全氟磺酸型质子交换膜 氢氧化钾等碱性水溶液 磷酸水溶液 熔融态碳酸盐 氧化钇稳定的氧化锆 反应温度 50～100℃ 90～100℃ 150～200℃ 600～700℃ 700～1000℃ 功率 1～100kW 10～100kW 50kW～1MW 300kW～3MW 1kW～2MW 发电效率 45%～60% 60% 40% ＞40% 60% 用途 备用电源；便携式电源；分布式发电；运输；特种车辆 太空；军事 分布式发电 电力公司；分布式发电 辅助电源；电力公司；分布式发电 优点 功率密度高；低温；快速启动；运行可靠 成本低；启动快；性能可靠 寿命长；技术发达 燃料适应性广；余热利用率高 全固态；无腐蚀；余热利用价值高 催化剂成本高；催化 缺点 剂易中毒 寿命短；催化剂易中毒 启动时间长；余热回收率低 电解质具有腐蚀性；寿命短；启动时间长 成本高；材料选择苛刻；运行温度高 2017 资料来源：化学工业出版社.刘建国,李佳等《质子交换膜燃料电池关键材料与技术》.2021.08，东方财富证券研究所 从商业应用上来看，质子交换膜燃料电池和固体氧化物燃料电池是当前最主要的燃料电池技术路线。质子交换膜燃料电池对氢气的质量要求高，所