燃料电池行业深度报告_车用燃料电池产业链梳理

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1、燃料电池行业深度报告 燃料电池行业深度报告 车车用燃料电池产业链梳理用燃料电池产业链梳理 请仔细阅读在本报告尾部的重要法律声明请仔细阅读在本报告尾部的重要法律声明 仅供机构投资者使用仅供机构投资者使用 证券研究报告证券研究报告 华西机械 刘菁华西机械 刘菁团队团队 20202020 02 1902 19 刘菁 SAC NO S1120519110001 俞能飞 SAC NO S1120519120002 田仁秀 tianrx 李思扬 lisy 1 目录 contents 1 氢燃料电池产业链 PEMFC为主 车用为主要方向 1 1 质子交换膜燃料电池为主流方向 车用为主 1 2 详解燃料电池核

2、心部件 电堆为成本 技术核心 2 上游氢能产业链 制 储 运 加 有望先于下游发力 2 1氢气制备 我国氢能资源丰富 工业副产氢为主 2 2氢气储运 目前国内以高压储运方式为主 2 3氢气加注 加氢站建设有望先行爆发 3 氢燃料电池仍处产业化早期阶段 政策为主要驱动力 4 风险提示 1 2 摘要 锂电池和燃料电池被视为两种清洁的车用供能方式而广受关 注 但两者存在本质区别 锂电池是储能器件 燃料电池是发电 装置 作用类似于发动机 需配套储氢罐 类似油箱 在车用场景中 燃料电池可解决锂电池里程焦虑 且燃料电 池充氢时间短 在重载 长距离场景中优势明显 但目前燃料电 池仍存在成本高 循环衰减性能差

3、 加氢站建设不足等问题 仍 处产业化初期阶段 我们判断 相对燃料电池核心部件及电堆 系统等环节 上 游氢能产业链有望先行发展 重点关注氢气储运 加注环节投资 机会 2 3 目录 contents 1 1 氢燃料电池产业链 氢燃料电池产业链 PEMFCPEMFC为主为主 车用为主要方向车用为主要方向 1 1 质子交换膜燃料电池为主流方向 车用为主 1 2 详解燃料电池核心部件 电堆为成本 技术核心 3 PEMFCPEMFCDMFCDMFCMCFCMCFCPAFCPAFCSOFCSOFCAFCAFC 电解质电解质 质子交换 薄膜 聚合薄 膜 熔融碳酸 盐 高温磷 酸 固态陶 瓷 氢氧化 钾 工作温

4、工作温 度度 20 80 20 130 620 660 200 1000 20 90 电能转电能转 换率换率 40 60 40 45 60 35 40 50 65 45 60 功率功率 250KW 1KW 200KW 50KW 200KW 20KW 应用领应用领 域域 电动汽车 移动电子 设备 无 人机 电动汽 车 公 共汽车 大型发电 厂 小型固 定供应 设备 中大型 发电厂 宇宙飞 船 1 1 1 1 质子交换膜燃料电池为主流方向质子交换膜燃料电池为主流方向 车用为主车用为主 燃料电池广受关注原因 燃料电池广受关注原因 0 0排放 无里程焦虑 加氢快排放 无里程焦虑 加氢快 电和氢都是利于

5、储存且没有污染的能源 锂电池和燃料电池被视为两种清洁的车用供能方式 两者本质区别两者本质区别 锂电池是储能器件 燃料电池是发电装置 作用类似于发动机 需配套储氢罐 类似 油箱 燃料电池可解决锂电池里程焦虑 燃料电池可解决锂电池里程焦虑 常用的磷酸铁锂为120wh kg 三元材料180 wh kg 远期计划通过石 墨烯或者纳米技术 将锂电池能量密度提高到300 wh kg以上 而目前燃料电池系统能量密度达到350 wh kg以上 锂电池充电时间长 燃料电池充氢时间短 增压压力足够 一般单次加氢5分钟内 目前燃料电池主要问题 目前燃料电池主要问题 成本高 循环衰减性能差 加氢站建设不足 大规模使用

6、时的氢能来源等 根据电解质不同 燃料电池分质子交换膜燃料电池 PEMFC 熔融碳酸盐燃料电池 高温磷酸燃料电池 等 其中PEMFC综合性能最优 为目前产业化主流方向 车用燃料电池主要配套PEMFC电堆 图1 燃料电池汽车成本构成 资料来源 Toyota MetroHyve Presntation 华西证券研究所 表1 燃料电池汽车成本构成 资料来源 公开资料 华西证券研究所 4 燃料电池在目前市场上共有五种 各自有其合适的应用场景 而质子交换膜燃料电池 PEMFC 更加适合交通领域 是 启动温度低 比能量高 启动快 寿命长 应用最广的第五代燃料电池 PEMFC目前不仅占据出货量大头 短期市场份

7、 额高 在研究专利成果数上也较有优势 未来发展潜力大 提升关键部件性能 降低成本是PEMFC未来方向 燃料电池种类较多 PEMFC独占产量 专利大部分份额 为产业化主要方向 图2 全球燃料电池出货量 按电池类型记 WM 资料来源 E4Tech 华西证券研究所 0 20 40 60 80 100 120 140 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 20142015201620172018f AFCPEMFC PAFCMCFC SOFCPEMFC全球同比增长率 全球同比增长率 碱性燃料电池 AFC 5 质子交换膜电池 PEMFC 38 磷酸燃料电池 PAFC

8、 1 熔融碳酸盐燃料 电池 MCFC 5 固体氧化物燃料 电池 SOFC 35 直接甲醇燃料电 池 DMFC 16 图3 燃料电池领域研究专利成果分布 资料来源 国家知识产权局 华西证券研究所整理 1 1 1 1 质子交换膜燃料电池为主流方向质子交换膜燃料电池为主流方向 车用为主车用为主 5 1 1 2 2 详解燃料电池汽车核心部件 电堆为成本详解燃料电池汽车核心部件 电堆为成本 技术核心技术核心 图5 燃料电池汽车成本构成 资料来源 DOE 华西证券研究所整理 燃料电池汽车 其它部件 储 氢 系 统 电 池 系 统 电 驱 动 变 速 箱 电 附 件 车 身 燃料电池系统 燃料电池BOP 空

9、 气 回 路 水 回 路 高 温 回 路 低 温 回 路 燃 料 回 路 控 制 器 传 感 器 其 它 燃料电池电堆 膜电极 催化 剂酸 洗 气体 扩散 层 副垫 圈 膜电 极组 装 双极 板 电堆 组装 调试 质子 交换 膜 催化 剂 燃料电池汽车以燃料电池为动力装置 配套储氢罐 通 过氢气在燃料电池内的电化学反应发电 具清洁无污染 续航里程高等优势 是燃料电池的主要应用方向之一 目前 燃料电池产业布局尚未完全 部分关键部件无法 规模化量产 部分技术与国外仍有差距 但整体发展形 势向好 国产化进程持续加速 未来有望与锂电池车形 成互补 构建新能源车体系 燃料电池电堆是燃料电池汽车的成本 技

10、术核心 其中 电堆的主要组成部分是膜电极 MEA 和双极板 其中 膜电极主要由气体扩散层 催化层和质子交换膜组成 图4 燃料电池汽车核心技术体系 资料来源 华西证券研究所整理 6 质子交换膜 10 催化剂 25 气体扩散层 6 副垫圈 3 BOP 56 膜电极 44 质子交换膜催化剂 CCM 气体扩散层 GDL MEA副垫圈BOP总成本 标准值 1 2 11 2 1 膜电极 燃料电池技术核心膜电极 燃料电池技术核心 燃料电池的核心是MEA组件和双极板 MEA作为化学反应的发生场所 是燃料电池汽车的动力心脏 MEA是将两张喷涂有Nafion溶液及Pt催化剂的碳纤维纸电极分别置于经预处理的质子交换

11、膜两侧 使催化剂靠近质子交 换膜 在一定温度和压力下模压制成 技术方面 膜电极目前经历了两次热压 CCM 梯度化 有序化共五次技术迭代 目前国际主流技术为CCM 目前我国企业主要布局客车 专用车等车型电堆 乘用车电堆技术仍以海外垄断为主 国内装机也主要为客车 燃料电池膜电极是PEMFC电堆技术核心 国内已有自主研发生产线 图6 膜电极与下游部件成本占比 资料来源 DOE 华西证券研究所资料来源 DOE 华西证券研究所 图7 燃料电池结构 MEA 双极板堆叠形成电堆 7 1 2 2 1 2 2 双极板 气体扩散通道 石墨板向金属板进展双极板 气体扩散通道 石墨板向金属板进展 双极板按材料主要分为

12、石墨板 金属板 复合板 目前国内以石墨板为主 金属板为未来主流技术 乘用车因空间要 求高配备金属板 商用车倾向配备石墨板 对于石墨板 目前在技术 商业化层面均已成熟且占据大量市场份额 成本难以进一步降低 行业发展 需等待上游 石墨材料技术升级带来成本降低激发需求 常用石墨双极板厚度约2 3 7mm 经铣床加工成具有一定形状的导流流 体槽及流体通道 其流道设计和加工工艺与电池性能密切相关 短期国内仍以石墨板为主 金属板开模成本高 研发投入大 图8 金属板石墨板相关指标比较 资料来源 公开资料收集 华西证券研究所 功率 成本 抗压性 抗腐蚀性 工艺难度 加工时间 规模生产能力 气密性 石墨板金属板

13、 图9 双极板上下游对应关系概览 资料来源 公开资料收集 华西证券研究所 商用车石墨双极板石墨材料片 乘用车金属双极板不锈钢片 上游材料双极板下游整车 8 1 2 31 2 3 BOPBOP是电堆稳定运行的关键环境 空压机为核心部件是电堆稳定运行的关键环境 空压机为核心部件 从Mirai燃料电池系统概览图可以明显地看出燃料电池系统BOP部件为电堆提 供了必要的外部环境 引导氢气流 空气流 冷凝水流有序组织协同 是电堆 稳定运行的重要因素 对于BOP 其成本构成相对分散 空压机和电机 Compressor Expander Motor CEM 是空气回路部分核心部件 BOP是电堆稳定运行的关键环

14、境 其中空气回路的CEM部件为成本中心 图10 Mirai燃料电池系统概览图 资料来源 DOE 华西证券研究所 图12 空气回路成本构成 空气回路 43 水回路 6 高温回路 17 低温回路 3 燃料回路 12 控制器 5 传感器 8 其他 6 过滤器和外壳 6 空压机和电机 79 质量流量传感器 1 空气管道 13 空气温度传感 器 1 图11 燃料电池BOP部件成本构成 资料来源 DOE 华西证券研究所 资料来源 DOE 华西证券研究所 9 燃料电池空压机对电堆的性能有较大的促进作用 其种 类较多 其中离心式压缩机在密度 效率 噪声的方面 拥有较好的综合效果 是主要发展方向 国内空压机布

15、局以雪人股份为主 主要布局空压机 发动机以及氢循 环泵环节 车载空压机作为成本中心 国内已有规模量产 图13 不同空气压力对电堆性能的影响 资料来源 空压机网 华西证券研究所 体积 质量 转动惯量 振动 内增压比 温升 背压 功率 噪声 压比 罗茨式 螺杆式 蜗旋式 划片式 离心式 体积 质量 振动 温升 背压 功率 噪声 压比 涡轮增压 电动增压 图14 I型空压机性能比较 图15 II型空压机性能比较 资料来源 空压机网 华西证券研究所 资料来源 空压机网 华西证券研究所 1 2 31 2 3 BOPBOP是电堆稳定运行的关键环境 空压机为核心部件是电堆稳定运行的关键环境 空压机为核心部件

16、 10 11 目录 contents 2 2 上游氢能产业链 制上游氢能产业链 制 储储 运运 加加 有望先于有望先于下游发力下游发力 2 1氢气制备 我国氢能资源丰富 工业副产氢为主 2 2氢气储运 目前国内以高压储运方式为主 2 3氢气加注 加氢站建设有望先行爆发 11 全球制氢行业体量庞大 我国是世界第一产氢国 产业基础深厚 2015年 全球氢气总产量为6500万吨 我国占比 34 产量高达2200万吨 全球范围内超过90 的氢气用于以合成氢与石油炼制为代表的化工领域 近年来在氢能方 面的应用稳步提升 目前化工行业内氢气自产自用占主流 商品化氢气制备迅速崛起 由于化工行业氢气需求量巨大 工厂内一般自带氢气 制备设施以降低原料成本 一方面 随着化工行业对氢气的需求超过工厂内部副产氢气提纯回收和纯氢自产能力 外购 氢气需求上升 另一方面 氢能与燃料电池的市场推广 使得氢气的民用需求不断扩大 提高副产氢气利用率 降低化石能源重整制氢碳排放 是当前的行业关注重点 目前电解水和其他新型制氢手段受技术 水平和成本限制规模尚小 以化石燃料作为制氢原料占到了96 化石燃料制氢成本低 技术成熟 但