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氢燃料电池产业之电堆专题报告:师夷长技,方可制夷-金种子酒股票同花顺

投资大参考 投资大参考 11月15日

(获取报告请登陆未来智库www.vzkoo.com)

投资聚焦

我国大力推动燃料电池车产业发展,电堆作为燃料电池车的动力核心是未来的重中之重,但目前燃料电池电堆制造成本依旧较高;因此,电极催化剂、双极板、质子交换膜及气体扩散层的规模化生产以及国产化是燃料电池车当前降本的重要路径。

我们认为,在政策的推动下,燃料电池车产业链将快速发展,电堆制造企业及各组件提供商将最先受益;规模效应对于燃料电池成本降低效果显著,能够率先实现大规模生产的各组件供应商及电堆制造商将在该行业中取得先机。

(1)关注电堆各组件供应商——双极板:石墨双极板研发制造企业上海弘枫、上海弘竣、金属双极板研发制造企业上海冶臻新能源(上汽集团、富瑞特装);催化剂:贵金属材料全产业链覆盖并且和上汽集团合作进行催化剂开发研究的贵研铂业、和清华大学合作进行催化剂开发研究的武汉喜马拉雅;质子交换膜:和福特、奔驰等国际汽车厂商进行合作的国内质子交换膜研发制造企业东岳集团;气体扩散层:碳纸和碳布研发制造企业上海河森等;

(2)关注燃料电池电堆制造商——全球领先燃料电池制造商巴拉德和重卡产业链龙头潍柴动力联合设立的潍柴巴拉德(潍柴动力)、国内燃料电池技术研发和产业化先行企业神力科技、国内领先的燃料电池电堆和系统企业新源动力等。

1、产业发展初期,电堆攻坚时不我待

1.1、电堆——燃料电池车的动力核心

燃料电池车是一种使用氢燃料电池发电的新型电动车,它比传统内燃机汽车效率更高,且只排放水蒸气与热量,同时又比锂电动车具有更高的能量密度,是一种新型环保交通工具。燃料电池系统是燃料电池车的核心部分,为其提供了动力来源。在系统中,燃料(氢气、氧气)储存的化学能,通过燃料电池转化为电能。燃料电池系统可分为四部分:电化学反应系统、热管理系统、水管理系统和电力系统。

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电堆,即燃料电池电化学反应系统。在电化学反应系统中,反应物氢气和空气以一定的化学计量比进入燃料电池电堆中,反应生成电能和水。电堆决定了整个燃料电池的功率密度与净功率,是整个燃料电池动力系统的核心部分。

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目前,燃料电池车中应用最广泛的是质子交换膜燃料电池,其电堆是由膜电极组件(MEA)、双极板(BP)、密封垫片和端板组成。

1.2、降本迫在眉睫,规模效应首当其冲

2017 年丰田 Miria 的销售价格为 57500 美元,美国能源部基于丰田 Miria 公开资料,对燃料电池车整车价格进行了拆分测算:

当生产规模达到 3000 套/年时

(1)燃料电池系统和储氢系统成本为 22372 美元,其中燃料电池系统成本为 16204 美元(占整车成本为 28.6%),储氢系统成本为 6168 美元(占整车成本约 10.9%);

(2)燃料电池系统和储氢系统的间接生产费用 3803 美元,占总成本的 6.7%;

(3)汽车其他部件成本(包括电力牵引电机、逆变器、齿轮箱、滑翔机、再生制动系统和加热,通风和冷却系统等)为 17600 美元,占总成本的 31.2%;

(4)市场营销和保修费用为 8755 美元,占比 15.5%;

(5)企业管理费用和利润为 3940 美元,占比 7.0%。

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电堆是根据所需要的电池功率组装一定数量的由膜电极与双极板组件构成的单元。电堆成本很大程度决定了燃料电池系统的成本,进而影响整车成本,降低燃料电池电堆成本对于燃料电池车的推广与应用至关重要,而规模效应、催化剂铂负载量,双极板材料等均是影响成本的重要因素。

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上述影响因素中,在发展初期规模效应最为显著,当年产量由 1 千套增加到1 万套时,电堆成本可降低 65%。美国能源部估算了不同生产规模对单个燃料电池系统成本及电堆成本的影响:

(1)年产量为 1000 套时,燃料电池系统成本为 215 美元/kW,电堆成本为153 美元/kW ;当年产量达到 1 万套时,系统成本降至 93 美元/kW,电堆成本降至 53 美元/kW,燃料电池系统成本降低 57%,电堆成本降低 65%;

(2)产量由 1 万套/年增长至 10 万套/年时,燃料电池系统成本与电堆成本分别可降至 59 美元/kW 和 31 美元/kW,分别降低 37%和 42%;

(3)产量由 10 万套/年增长至 50 万套/年时,燃料电池系统成本和电堆成本分别可降至 53 美元/kW 和 27 美元/kW,分别降低 10%和 13%。

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目前全球范围内燃料电池车的生产规模普遍不高,规模效应降本是当前主导方式,当生产规模从百套/年到千套/年数量级变化时,各组件的制造成本均有显著降低;当生产规模增长至 1 万套每年时,双极板、催化剂、质子交换膜和气体扩散层成本仍具有规模化降本空间,其他组件已开始不是特别明显;当生产规模由 1 万套/年增长至 50 万套/年时,质子交换膜和气体扩散层成本仍旧会随着规模扩大而降低,但此时电堆成本主要由电极催化剂和双极板的材料用量及价格决定,这与技术及工艺水平密切相关。

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1.3、各国"逐鹿",计划快速迈过产业初期

根据中国氢能联盟发布的《中国氢能源及燃料电池产业白皮书》,世界主要国家对于燃料电池电堆关键部件的技术研究已逐步取得一定进展,目前国际先进水平电堆功率已达到 3.1 kW/L,乘用车系统使用寿命可达到 5000 h,商用车使用寿命可达 20000 h。截至 2018 年底,全球氢燃料电池的装机量超过 2090.5MW,乘用车销售累计约 9900 辆,初步实现商业化应用。

(1)美国燃料电池乘用车保有量为 5899 辆,燃料电池动力叉车运营量超过23000 台。美国是最早将氢能及燃料电池作为能源战略的国家,目前已将氢能和燃料电池作为美国优先能源战略,积极开展氢能及燃料电池的前沿技术研究,近十年对氢能及燃料电池给予的支持超过 16 亿美元。美国在氢能及燃料电池领域拥有的专利数位居世界第二位,液氢产能和燃料电池乘用车保有量居全球第一。截至 2018 年底,全国燃料电池乘用车数量达到 5899 辆,全国燃料电池动力叉车运营量超过 23000 台,多个州均在使用或计划使用燃料电池客车,全年固定式燃料电池安装超过 100MW,累计固定式燃料电池安装超过 500MW。

(2)欧盟部署燃料电池乘用车约 1080 辆。欧洲将氢能作为能源安全和能源转型的重要保障,2014-2020 年期间,欧盟燃料电池与氢能联合行动计划项目对氢能及燃料电池的研发推广提供的资金支持预计将达到 6.65 亿欧元。截至 2018 年底,欧盟部署燃料电池乘用车约 1080 辆。德国是欧洲发展氢能最具代表性的国家,于 2006 年启动了氢能和燃料电池技术国家创新计划(NIP),从 2007 至 2016 年第一阶段共投资 14 亿欧元,2017-2019 年第二阶段工作计划投资 2.5 亿欧元,目前德国在全球氢能及燃料电池领域占据领先地位,可再生能源制氢规模全球第一,燃料电池的供应和制造规模位居全球第三。

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(3)日本燃料电池乘用车保有量已达到 2839 辆。日本作为高度重视氢能产业发展的国家,提出了"成为全球第一个实现氢能社会的国家"的目标,规划了日本实现氢能社会战略的技术路线。日本是全球拥有氢能和燃料电池专利数最多的国家,目前已经实现燃料电池车和家用热电联供系统的大规模商业化推广。日本丰田推出的 Mirai 燃料电池车是目前全球销量最大的燃料电池乘用车,占全球燃料电池乘用车总销量的 70%以上。截至 2018 年底,日本燃料电池乘用车保有量已达到 2839 辆,根据日本政府规划,预计 2025年保有量达到 20 万辆,2030 年 80 万辆,2040 年实现燃料电池车的普及。

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(4)韩国燃料电池乘用车保有辆约 300 辆。韩国政府自 2008 年以来持续加大对氢能技术研发和产业化推广的扶持力度,先后共投入 3500 亿韩元推进氢能及燃料电池技术研发,预计将在未来 5 年投入 2.6 万亿韩元,于 2030年进入氢能社会。2018年,韩国现代汽车正式发布第二代燃料电池车Nexo,电堆最大输出功率达到 95 kW,续航里程可达 800 公里。截至 2018 年底,韩国燃料电池乘用车保有约 300 辆,计划保有量 2025 年 15 万辆,2030 年63 万辆,到 2040 年分阶段生产 620 万辆。

(5)中国燃料电池车年产量预计在 5 年内达到万辆规模。由于商用车油耗与尾气排放问题较乘用车更为严重,同时商用车的运行线路相对固定,对加氢站依赖性较乘用车低,因此未来燃料电池车在商用车领域的发展前景更为广阔。现代汽车集团商用事业本部理事安广铉提及燃料电池商用车的开发方向时指出:"新能源商用车根据用途和运行特性,中小型适合采用纯电动,中型以上适合采用氢燃料电池动力。"国家信息中心副主任徐长明在 2018年举办的"第六届中韩汽车产业发展研讨会"上指出,"中国商用车领域需要燃料电池车,主要原因有三点:第一,商用车数量虽然不是很多,但油耗高、排放高,替换效果显著;第二,燃料电池车相比锂电池汽车在大载重、长续驶、高强度的交通运输体系中具有先天优势,适合在商用车领域应用;第三,我国燃料电池商用车已经具备一定基础,目前在示范运营阶段,具备初步实现商业化的条件"(资料来源:网易汽车)。目前我国宇通、福田等公司已开发了多款燃料电池客车,东风特汽、中国重汽等也开发了燃料电池物流车、牵引车等专用车。

根据 2016 年 10 月发布的《节能与新能源汽车技术路线图》,我国燃料电池车发展目标为 2020 年达到 5000 辆,2025 年达到 5 万辆,2030 年燃料电池车辆保有量达到100万辆。由于燃料电池车未来发展的主要目标为商用车,结合目前发展情况,可估计未来燃料电池车商用车与乘用车比例约为 4:1;根据目前国内外商用车与乘用车电堆功率,我们预计未来乘用车电堆功率约为 100kW,商用车功率约为 120kW。

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我国燃料电池研发与产业化推动主要集中在质子交换膜燃料电池和固体氧化物燃料电池领域,自"十五"新能源汽车重大科技专项启动以来,在国家一系列重大项目的支持下,我国燃料电池技术取得了一定进展。就质子交换膜燃料电池而言,膜电极、双极板和质子交换膜等已具有国产化能力,但生产规模较小;电堆产业发展较好,但辅助系统关键零部件产业发展较为落后;系统及整车产业发展较好,配套厂家较多且生产规模较大,但大多采用国外进口零部件,对外依赖度高。

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2、规模效应和技术突破是电堆降本的两条路径

2.1、实现规模生产后,催化剂成本由铂材料主导

催化剂层是整个膜电极组件中最复杂的部分之一,它包括了燃料电池发生电化学反应、进行质子和电荷转移所必需的组分,并为反应物气体传输和液态水放电提供空间。

大规模生产情况下,催化剂成本由铂的材料成本主导,因此如何降低贵金属用量、提高催化剂效率一直是燃料电池研究的重点。燃料电池电极催化剂成本主要可分为:铂原料成本、催化剂油墨的制造成本和将催化剂沉积到膜上的制造成本。当生产规模达到 10000 套/年后,催化剂成本主要由铂的材料成本主导,因此,降低电极催化剂中铂负载,或使用非贵金属替代对于燃料电池车降本至关重要。

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根据我们的测算,铂边际净需求不会限制燃料电池车导入期发展,当燃料电池车数量达百万量级时,铂需求将快速增长。我们认为燃料电池车发展带来的铂需求应从两方面考量,一方面,燃料电池车具有对当前乘用车,油气式商用车具有替代作用:根据我国目前技术,单辆燃料电池乘用车耗铂量约为40g,商用车耗铂量约为 48g,而目前单辆柴油商用车尾气净化装置所需铂量约为 5 g,虽然燃料电池车对铂的需求量要远远高于柴油车,但随着技术不断进步,预期 2020 年我国催化剂负载将达到国际水平后,乘用车和商用车单车耗铂量可分别降至 20g 和 24g。另一方面,我国催化剂的铂负载量有望进一步下降:根据中国氢能联盟发布数据,我国目前燃料电池车催化剂负载量为 0.4g/kW,目前国际燃料电池车催化剂负载量为 0.2 g/kW,而随着技术进步,电极催化剂铂用量还将持续下降,目前铂载量最低的为本田 Clarity燃料电池车,仅为 0.125g/kW,单车铂耗量可低至 10g 左右,基本可达到产业化水平;至 2030 年,我国燃料电池车铂负载量也有望降至 0.125g/kW。

针对上述分析,我们对铂净需求量进行了测算,考虑了 1)燃料电池用铂对柴油商用车尾气催化剂具有替代效应;2)电极催化剂铂负载量将随技术的进步而减少。根据我国规划,2020、2025、2030 年燃料电池车数量将达到5 千/5 万/100 万辆,我们进而基于商用、乘用车占比 4:1、铂负载量 0.4/0.2、0.125 g/kW,柴油商用车被替代且以尾气催化剂 5 克/辆铂用量假设进行测算,铂的净需求增量(以 5 年为时间跨度)分别为 0.212 吨/0.960 吨/10.50 吨。而根据 2018 年《全球铂钯年鉴》,2017 年全球铂金总产量为 611 万盎司(约190 吨)。

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燃料电池商用车耐久性与铂负载量之间的平衡对其未来发展至关重要。影响电堆寿命的因素很多,其中电堆性能的下降是由铂催化剂中毒、表面积减少或利用率降低等因素引起的,而高催化剂负载量会提高电堆的使用寿命。由于商用车通常要求更高的耐久性,而提高电堆的铂负载量可以延长商用车的使用寿命,但会提高商用车成本并导致铂需求量的大大增加。因此,如何平衡铂用量与耐久性,是未来商用车后期发展的重要问题。

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在膜电极组件中,电化学反应发生在需要三相边界的催化剂层。燃料电池性能主要取决于催化剂沉积方法和催化剂油墨的性能,对于大规模生产,催化剂层的成本约占电堆总成本的 30%以上;因此,催化剂沉积技术和催化剂油墨的配方决定了燃料电池的性能和成本,在不牺牲电极性能的情况下尽可能降低铂催化剂负载量对于降低燃料电池电堆成本至关重要。

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2.2、规模效应对双极板降本体现在制造及涂层成本

双极板在燃料电池电堆的质量、体积和成本中占据着主导地位,因此,不断提高双极板制造技术对于减小燃料电池电堆质量与体积、降低燃料电池电堆成本具有重要意义。双极板在燃料电池结构中主要有以下几个基本功能:

(1)分离单个单元;(2)输送反应气体;(3)构成电流通路;(4)去除反应生成物水;(5)散热;(6)固定燃料电池内部结构。

基于上述功能,双极板应具有下列特性:

(1)高导电性(>100 S/cm);(2)低渗透性(<210-6cm3/(cm2s));(3)高耐腐蚀性(<16A/cm2);(4)弯曲强度(>59 MPa);(5)拉伸强度(>41 MPa);(6)冲击强度(>40.5/m);(7)抗压强度(>4200kPa);(8)高导热性(>10 W/(mk);(9)化学、电化学和热稳定性;(10)低热膨胀系数;(11)材料和加工成本较低等。

目前,根据材料可以将双极板分为五类:

(1)无孔石墨双极板;(2)涂层金属双极板;(3)聚合物-碳复合双极板;(4)碳-碳双极板;(5)多孔/泡沫金属双极板。

根据《节能与新能源汽车技术路线图》,到 2020 年,我国燃料电池电堆比功率可达 2kW/kg,单车功率 100kW 的燃料电池车单车所需双极板石墨/金属质量为 50kg,商用车单车所需双极板石墨/金属的量约为 60kg,2025 年以后,燃料电池电堆比功率达到 2.5 kW/kg,则乘用车与商用车单车所需石墨/金属双极板质量分别可降至 40kg 和 48kg。根据我国未来燃料电池车发展情况预测,2020 年燃料电池车双极板对石墨/金属的需求量为 0.029 万吨,2025 年需求量将为 0.232 万吨,至 2030 年则将增长至 4.64 万吨。根据中国炭素行业协会不完全统计,我国 2018 年石墨电极产量 65 万吨。Ti、Al、Ni、不锈钢是世界各国最常研究的金属双极板材料,根据中国有色金属工业协会数据,2018 年我国铝产量为 3580 万吨,镍产量为 18 万吨,中国特钢企业协会不锈钢分会公布的数据显示,2018 年我国不锈钢粗钢产量 2671 万吨,根据攀枝花钒钛产业协会的统计,2018 年中国共生产钛精矿大约 420 万吨。因此,燃料电池车双极板材料带来的石墨与相应金属的边际增量较小,不会导致大的价格波动。

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目前奔驰、本田等燃料电池乘用车均使用金属双极板,且冲压成型是目前最常见的金属双极板制造方法,美国能源部基于冲压法制造金属双极板对双极板成本进行了分析。规模化效应对双极板材料成本无显著影响,生产规模由1000 套/年提高至 10000 套/年时,制造成本和涂层成本会显著降低。

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在低产量情况下,涂层成本对金属双极板成本影响巨大。与石墨双极板相比,金属双极板的一个重要挑战是易被腐蚀,在金属双极板表面涂覆耐腐蚀材料进行保护是一种必要手段。美国能源部对双极板涂层成本的核算是基于美国TreadStone 公司的涂层技术,涂层成本主要与年生产率相关,在年产量只有 1000 套的低产量情况下,涂层成本急剧上升,由此会对金属双极板成本造成重大影响。

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目前使用最广泛的是石墨双极板与涂层金属双极板。

传统的石墨双极板具有导电性高、化学稳定性和热稳定性好以及耐腐蚀等优点,而燃料电池的操作环境 pH 一般为 2~3,具有较强的腐蚀性,因此双极板材料的耐腐蚀性至关重要。但由于石墨材料有着易碎、机械阻力小等特点,其加工成本较高,且石墨双极板体积较大,因此更适合空间较大的商用车。

涂层金属双极板目前应用也十分广泛,金属涂层双极板具有金属材料的高导电率、高导热性、高强度和低生产成本等优点。金属双极板具有体积更小的优点,更适合空间有限的乘用车的未来发展,但由于燃料电池的高腐蚀性运行环境,对金属材料表面的涂层具有较高要求。

不同材料的双极板适用的制造技术也不同,对于无孔石墨双极板,最早使用的是模压成型技术,近年来,诸如数控铣削等加工技术使得制造用于低功率和超低功率燃料电池的微型双极板成为可能。对于涂层金属双极板,除了传统的冲压技术,冶金工业中使用的注射成型、熔模铸造和紫外光刻等技术也被引入,数控铣削技术也被广泛应用于涂层金属双极板流场通道的设计。

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2.3、质子交换膜规模化效应显著,需强化产业配套

在质子交换膜燃料电池中,催化氧化的质子被膜内的阴极吸引,同时,阳极产生的电子通过外部电路向阴极移动,质子与电子和阴极表面的还原氧结合产生水,电子通过外部电路传导所产生的能量。在典型的质子交换膜燃料电池中,膜和电极的效率是一个关键因素,而高质子导电性是质子交换膜材料的重要特性。质子交换膜通常由分离良好的疏水和亲水结构组成,疏水结构避免了过多的吸水,使膜的溶胀比较低,维持膜的机械稳定性;亲水的硫酸基团则提供了足够的导电通道,可以将质子从阳极带到阴极,同时气体燃料混合。

根据美国能源部 2020 年目标,性能良好的质子交换膜应满足以下条件:(1)在 120℃下质子传导性为 0.1S/cm;(2)最大氢氧交叉渗透电流为 2mA/cm2;(3)最小电阻为 1000/cm2;(4)机械强度达到 2000 次循环;(5)化学稳定超过 500 小时。

早期的质子交换膜燃料电池由于使用磺化聚苯乙烯-二乙烯基苯共聚物膜,而具有成本高、寿命短的缺点。在 20 世纪 70 年代,全氟磺酸基膜(Nafion)代替了磺化聚苯乙烯-二乙烯基苯共聚物膜成为质子交换膜燃料电池的标准膜。

全氟磺酸基膜是目前质子交换膜燃料电池中应用最广泛的电解质膜,因为其在水合状态下具有较高的质子传导率、热稳定性、机械强度、化学稳定性和耐久性。全氟磺酸膜包括作为全氟乙烯基醚全氟磺酸封端基团的主链序列和侧链的结晶四氟乙烯单体,高疏水性的全氟主链与高亲水性的磺酸官能团相结合。在水存在下,疏水区和亲水区被完全分离,形成双连续的微观结构,提高了质子导电性和物理化学性质。由于氟原子对磺化基团和 C-C 键有保护作用,全氟磺酸膜的氧化稳定性高,适合大多数燃料电池应用。在室温水溶液条件下,常规全氟磺酸膜的质子传导率为 0.07~0.08 S/cm。

全氟磺酸膜需要在低于 100℃的条件下工作,当温度高于 100℃时,膜会迅速脱水,膜结构中的离子畴会坍塌,从而导致电导率显著降低。目前大部分燃料电池的工作温度低于 100℃,但这并不是最佳工作条件,因此,能适应高温的质子交换膜有待进一步开发。

生产规模对质子交换膜的制造成本影响尤为显著。质子交换膜的成本主要由三部分构成:(1)离聚物材料成本;(2)膨化聚四氟乙烯基板材料成本和(3)膜制造成本。材料成本和制造成本均受到生产规模的影响,当生产规模由 1000套/每年增长至 10000套/年时,质子交换膜的制造成本可降低 77%,总成本可降低 70%。

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2.4、大规模生产是降低气体扩散层成本的有效方法

在质子交换膜燃料电池中,气体扩散层主要起到以下作用:(1)使反应物从流场通道移动并均匀分布到催化剂层并去除生成物水;(2)为膜电极组件提供结构支撑;(3)导通双极板与催化剂层之间的电流。因此,气体扩散层的下列特性应满足燃料电池运行要求:气体和水蒸气的扩散率和渗透性、孔隙率、导电性和导热性、机械强度和耐久性。

目前最常用的气体交换层材料为碳基材料,包括碳纤维纸(非织造)和碳布(编织)。碳基材料具有多孔结构,导电与导热性好,能满足燃料电池的运行条件与要求。目前碳纸与碳布的生产技术均较为成熟,不同性能与不同操作条件下的碳基材料均可在市场上获得。碳纸是用热固性树脂浸渍碳纤维制成的,碳纤维在超过 2000℃的温度下石墨化,以提高导电性和机械性能。而在碳布的制造过程中,由于碳纤维是编织的,所以不需要使用粘合剂,石墨化发生在碳纱的纺纱和编织之后。在燃料电池电堆中,以碳基材料做气体交换层的一个主要优点为其具有可压缩性,可以适应电池运行过程中发生的由于压力和温度变化以及水化引起的尺寸的变化。如前所述,碳布和碳纸具有不同的制造方法,因此具有不同的结构和性能。因此,它们在不同的操作条件和电池设计中表现出不同的性能。由于碳布和碳纸的结构差异,研究者通常认为,碳布在高湿度和/或高电流密度(潮湿条件下)下具有更好的除水性能,而在低电流密度下,碳纸具有更高的性能。

根据美国能源部与巴拉德的联合研究项目,当气体扩散层的年产量为 1000万 m2/年(大约可供应 50 万套燃料电池系统)时,气体扩散层的生产成本为4.45 美元/m2,当生产规模为 10 万 m2/年时,生产成本则约为 56 美元/m2。

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3、政策加速燃料电池产业国产化进程

3.1、国内催化剂技术与国外存差距,正在不断缩小

美国能源部始终致力于降低燃料电池的铂负载量,目前基本已经达到设定的2025 年的 0.125 mg/cm2的目标,同时基于目前铂负载量数据,对 2030 年进一步降低铂负载量提出了 0.088 mg/cm2的目标。

目前燃料电池催化剂国际市场主要被英国的 Johnson Matthey和日本的田中(本田 Clarity 催化剂的供应商)所垄断。Johnson Matthey 是世界上第一个专门生产燃料电池膜电极组件的工厂,同时是世界上最大的铂族金属回收商,在贵金属管理方面具有较大优势。国内催化剂技术与国外的差距正不断缩小,2015 年清华大学与武汉喜玛拉雅开展校企深度合作,联合开展燃料电池 Pt/C 催化的量产技术攻关,截止 2018 年,催化剂产能达到 1200 克/天的规模,可满足 40 台 36kW 燃料电池电堆使用。

3.2、石墨双极板已实现国产化,金属双极板国内供应较少

石墨双极板耐久性长,是目前质子交换膜燃料电池中应用最广泛的双极板材料,尤其普遍应用于商用车。目前石墨双极板的国外主流供应商包括美国POCO、美国 SHF、美国 Graftech、日本 FujikuraRubber LTD、日本 KyushuRefractories、英国 Bac2 等。石墨双极板目前国内已实现产业化,主要厂商包括上海弘枫、上海弘竣等。

相较于石墨双极板,金属双极板可以降低厚度(<1mm),使电堆结构更加紧凑,因此功率密度更高,逐渐成为燃料电池乘用车的双极板的主流材料。目前金属双极板的国外供应商主要包括瑞典的 Cellimpact、德国的 Dana 和Grabener、美国 Treadstone 等。目前国内金属双极板尚处于研发阶段,供应商数量较少,上海治臻新能源装备有限公司是我国第一家燃料电池金属双极板制造企业,开发了一系列金属双极板的成形、连接及测试工艺,形成了系统的金属双极板制造技术,建成国内首条完整的燃料电池金属双极板生产线。

3.3、国内质子交换膜技术已趋于成熟

目前燃料电池领域使用的最主要的质子交换膜为全氟磺酸膜,国际上知名的质子交换膜供应商包括美国杜邦 Nafion 膜、陶氏公司的 Dow 系列质子交换膜、Gore 公司的 Gore-Select 膜、3M 公司全氟磺酸膜、日本旭化成公司 Aciplex 膜和日本旭哨子公司的 Flemion 膜等,其中 Nafion 膜应用最为广泛。

目前国内质子交换膜主要供应商为东岳集团有限公司,该公司生产的 DF260型质子交换膜技术上已经成熟,目前膜厚度为 15m,在开路电压(OCV)条件下,耐久性可超过 600 小时,膜寿命可超过 6000 小时,循环次数可达2 万次以上。东岳 DF260 型质子交换膜已经可实现量产,2017 年产能为 20万平方米。

氢燃料电池产业之电堆专题报告:师夷长技,方可制夷

3.4、国内气体扩散层尚未形成产业化

气体扩散层是目前燃料电池电堆中发展最成熟的部件,目前国际上气体扩散层的主要供应商包括日本东丽、德国西格里(SGL)等,东丽是目前全球最大的碳纤维制造商,制造技术成熟,能很好地满足导电性、疏水性及稳定性等各项基本指标。根据美国能源部规模效应分析,气体扩散层生产成本受生产规模影响较大,扩大生产规模可有效降低气体扩散层成本。但我国目前尚无大规模生产,上海河森公司可生产小规模碳纸与碳布产品。因此,提高国产碳纸与碳布性能,扩大生产规模对于降低燃料电池电堆成本至关重要。

3.5、新源动力和神力科技电堆制造在国内具优势

目前电堆整体开发企业主要包括两类,一种是汽车制造商自行开发电堆,如丰田、本田、现代等,另一类则为单独供应燃料电池电堆企业,国际上以加拿大的巴拉德和 Hydrogenics 为首。目前国内自主开发并经过实际应用考验的电堆开发企业以新源动力和神力科技为代表。

巴拉德是目前世界上燃料电池电堆技术最为成熟的生产商之一,为多种设备制造提供燃料电池电堆。经过 35 年产品开发,巴拉德形成并完善了燃料电池的核心组件——膜电极组件制造技术。具有批量生产能力,有利于降低燃料电池电堆成本,目前已向客户提供了超过 320MW 的产品。FCVelocity–9SSL 是其在汽车燃料电池技术领域的产品,该产品具有功率密度高、耐久性好、对恶劣环境的耐受性好等优点。FCVelocity-9SSL 燃料电池电堆已应用于巴拉德的 FCVelocity 动力模块中,为公交巴士和轻轨车辆提供动力。

目前新源动力已开发出第二代与第三代燃料电池电堆,第二代燃料电池电堆已通过国内多家大型汽车制造企业多种车型的装车实验验证,第三代燃料电池电堆采用薄金属双极板,单个电堆额定功率已达到 70kW,体积功率由原来的 1.52 kW/L 提高到 1.91kW/L,逐渐向国际水平靠拢,性能更加卓越,适用于商用车与乘用车的应用。神力科技目前推出两种燃料电池电堆,SFC-MD 系列主要应用于客车、乘用车、物流车、商用车等,已实现 9 米级客车的批量应用,SFC-HD 功率覆盖范围更高,主要应用于大型客车、有轨电车、重卡等商用车,已实现 12 米级客车的应用。目前我国国产燃料电池电堆在额定功率、功率密度等方面与国际水平尚有一定差距,未来发展需要进一步提高电堆额定功率,增大功率密度,减小燃料电池电堆的体积与质量。

4、投资建议

目前全球股票信息网站范围内燃料电池车的生产规模普遍不高,规模效应降本是当前主导方式,后期则体现在技术与工艺上。根据美国能源部数据,电堆生产规模为1000 套/年时,燃料电池乘用车总成本约为 6.50 万美元,燃料电池系统成本为 215 美元/kW,电堆成本为 153 美元/kW,当年产量增至 1 万套时,系统成本降至 93 美元/kW,电堆成本降至 53 美元/kW,燃料电池系统成本、电堆成本分别降低 57%和 65%。当生产规模由 1 万套/年增长至 50 万套/年时,质子交换膜和气体扩散层成本仍旧会随着规模扩大而降低,但此时电堆成本主要由电极催化剂和双极板的材料用量及价格决定,这与技术及工艺水平密切相关。

铂边际净需求不会限制燃料电池车导入期发展,当燃料电池车数量达百万量级时,铂需求将快速增长。(1)铂电极催化剂需求需综合考虑:1)燃料电池用铂对柴油商用车尾气催化剂具有替代效应;2)电极催化剂铂负载量将随技术的进步而减少。根据我国规划,2020/2025/2030 年燃料电池车数量将达到 5 千/5 万/100 万辆,我们进而基于商用、乘用车占比 4:1、铂负载量0.4、0.2、0.125g/kW,柴油商用车被替代且以尾气催化剂 5 克/辆铂用量假设进行测算,铂净需求增量(以 5 年为时间跨度)为 0.212 吨/0.960 吨/10.50吨。(2)双极板材料需求(石墨或金属):假设单车所需双极板石墨/金属的量约为 60kg,2020 年电堆比功率为 2kW/kg、2025 年后达到 2.5 kW/kg,测算出至 2020/2025/2030 年,石墨/金属的需求量为 0.029 万吨/0.232 万吨/4.64 万吨,对相关材料供需边际影响有限。

作为燃料电池车的核心部分,燃料电池电堆制造企业及各组件提供商将最先受益;规模效应对于燃料电池成本降低效果显著,能够率先实现大规模生产的各组件供应商及电堆制造商将在该行业中取得先机;

(1)关注电堆各组件供应商——双极板:石墨双极板研发制造企业上海弘枫、上海弘竣、金属双极板研发制造企业上海冶臻新能源(上汽集团、富瑞特装);催化剂:贵金属材料全产业链覆盖并且和上汽集团合作进行催化剂开发研究的贵研铂业、和清华大学合作进行催化剂开发研究的武汉喜马拉雅;质子交换膜:和福特、奔驰等国际汽车厂商进行合作的国内质子交换膜研发制造企业东岳集团;气体扩散层:碳纸和碳布研发制造企业上海河森等;

(2)关注燃料电池电堆制造商——全球领先燃料电池制造商巴拉德和重卡产业链龙头潍柴动力联合设立的潍柴巴拉德(潍柴动力)、国内燃料电池技术研发和产业化先行企业神力科技、国内领先的燃料电池电堆和系统企业新源动力等。

(报告来源:光大证券)

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