每一次能源革命，都推动着人类文明进程的进步，又势必伴随着深刻的世界格局大洗牌。

从18世纪60年代到19世纪40年代，工业革命发端于大不列颠岛，英国主导了科技进步和文明创造；

到20世纪初，油气对煤炭的替代揭开了电气时代序幕，德国和美国领导了这一过程，美国一跃成为世界第一工业强国；

来到21世纪，新能源革命势不可挡，中国是否能实现弯道超车？

这场新能源革命中国已走了几十年，如今每一个脚印都被清晰地串联了起来：从大力发展光伏到构建特高压网络、再到扶持新能源汽车，一幅能源宏图展现在眼前。

拼接这块能源版图时，两个潜在问题也逐渐暴露出来：一个是大量的可再生能源弃电，一个是新能源汽车难以突破的续航难题。

氢燃料电池是将氢气和氧气的化学能直接转换成电能的发电装置，可实现氢能的移动化、轻量化和大规模普及，应用于交通、工业、建筑、军事等领域。

在道路交通领域中，氢能凭借零污染、可再生、加氢快、续航足等优势，被誉为车用能源的“终极形式”。其中，商用车又是未来氢燃料电池在道路交通领域的核心增量。

从成本端看，当前氢燃料电池主要发力的下游——氢燃料电池车中，燃料电池系统的成本占到了整车购置成本的60%以上。

而电堆成本在系统中占比同样超过60%，是氢燃料电池汽车占比最高的成本项，其次是空压机。

图片来源：国联证券

电堆、空压机是我们的重点关注对象。

技术路线方面，质子交换膜燃料电池是车用主流技术。

质子交换膜（PEMFC）具有功率密度大、重量轻、体积小、寿命长、工艺成熟、可低温下快速启动和工作等突出优点，被认为是将来车用燃料电池最理想技术方案。

总体看，氢燃料电池产业链总体实现了从无到有，但部分细分领域尚存空白。

细分来看，燃料电池电堆、燃料电池系统、车载高压供氢系统等核心主要部件总体实现从无到有。其中：

产业链企业相对密集的有：燃料电池电堆集成、燃料电池系统集成、大功率燃料电池汽车用DC/DC、储氢瓶、高压储氢瓶用铝合金；

产业链企业相对单薄的有：膜电极（质子交换膜、催化层与扩散层组成）、双极板、催化剂、质子膜；

产业链尚属空白的领域有：炭纸、气体扩散层、氢气循环泵、增湿器、碳纤维储氢材料、塑料储氢材料、瓶口组合阀、高压管路、减压器等。

在燃料电池汽车核心部件方面中国目前主要掌握的是电堆和电堆系统的集成、车载储氢瓶的集成。

目前，氢燃料电池汽车的单车价格在60万元左右，最大的成本下降期望值则是在催化剂和膜电极，随着规模的增加，燃料电池价格有望逐渐下降。

占到整车成本60%以上的电堆，是国内外主要燃料汽车厂商的重点研发对象。

国外主要燃料汽车厂商如丰田、本田、现代等大多自行开发电堆，国内现在能独立自主开发电堆的企业有限，虽然已达到商业化应用的技术指标要求，但处从小批量生产到产业化转化的关键阶段，与国外相比有很大差距。

而在电堆中，催化剂、双极板、质子交换膜合计占电堆总成本的75%左右，对整车成本的影响接近半成。

（一）催化剂

开篇我们提到，燃料电池推广，成本依然是目前的主要制约因素之一。而氢燃料电池目前“卡脖子”的关键技术之一就是氢能的催化剂，其工作原理是作用于氢气，促使电子离开氢原子。

由于技术壁垒高，催化剂作为上游拥有较大的话语权，进一步抬高了下游成本。而我国发展氢能，所需的催化剂仍然依赖向国外进口，极大限制了我国氢能源燃料电池的发展。

目前氢燃料电池的催化剂主要分为三个大类：铂（Pt）催化剂，低铂催化剂和非铂催化剂。

其中Pt作为好的催化剂可以吸附氢气分子促成离解，是目前商用的首选。

Pt稀缺性强，我国储量不丰富（全球铂年产量大概是180吨），需求增加会导致Pt的价格更高，给目前氢能发展造成更多阻力。

按催化剂技术的发展，从早期的铂碳到第二代的铂金，再到未来催化剂中铂含量逐渐下降，也是产业界共同努力的目标。

目前铂依然是必需品。铂含量过低，会导致大电流区性能急剧恶化；其次是催化剂衰减加速；第三是零增湿/低湿条件下离子电阻大幅增加。

简单来说，汽车难以满足高功率输出、无法实现长寿命运行、也不能适应复杂运行工况。

目前我国燃料电池催化剂产品性能稳定性和国外相比存在不小差距。且我国燃料电池催化剂研究比较分散，大都集中在科研院所和高校，尚未实现可规模化生产、性能优异且稳定的产业化应用。

但国内企业也在迅速发展，如中自催化、贵研铂业、济平新能源、擎动科技、中科科创、武汉喜玛拉雅光电、南京东焱氢能源、西安凯立新材料等等，已初步形成打破国外垄断之势。

其中，贵研铂业是目前催化剂唯一的上市公司，也是国家第二批专精特新小巨人企业，但是根据公司2021年12月15日披露，公司氢燃料电池催化剂目前处于实验室阶段，没有商业化产品，相关样品正处于市场和客户的验证阶段。

（二）双极板

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。

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双极板在燃料电池结构中主要有以下几个基本功能：分离单个单元、输送反应气体、构成电流通路、去除反应生成物水、散热、固定燃料电池内部结构。

根据材料可将双极板分为五类：无孔石墨双极板、涂层金属双极板、聚合物-碳复合双极板、碳-碳双极板、多孔/泡沫金属双极板。

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，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。

传统的石墨双极板更适合空间较大的乘用车。

金属涂层双极板应用广泛，除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，还具有体积更小的优点。

金属涂层双极板更适合空间有限的乘用车。

从竞争格局角度看，石墨双极板目前最成熟，金属与复合材料双极板有较大的发展空间。

石墨双极板国外主流供应商有：美国POCO公司、SHF公司Graftech公司，日本的FujikuraRubber公司KyushuRefractories公司，英国Bac2公司，加拿大Ballard公司等。

国内的的石墨双极板厂商主要有：广东国鸿氢能科技有限公司、中钢集团安徽天源科技股份有限公司、杭州鑫能石墨有限公司、江苏神州碳制品有限公司、江阴沪江科技有限公司、淄博联强碳素材料有限公司、上海喜丽碳素有限公司、上海弘枫实业有限公司、上海弘竣实业有限公司等企业。

但国产石墨双极板缺乏耐久性和工程化验证。

金属双极板最有可能替代石墨双极板，表面改性的多涂层结构是金属双极板的主要发展方向。

金属双极板国外主要供应商有：瑞典Cellimpact公司，德国的Dana公司、Grabener公司，美国的treadstone公司等。

国内主要有：上海汽车集团股份有限公司、新源动力股份有限公司、上海治臻新能源装备有限公司等企业。

复合材料双极板兼具石墨材料的耐腐蚀性和金属材料高强度的特性，预计未来将向低成本化方向发展，但我国相关企业起步较晚，目前仍处于研发试制阶段。

（三）质子交换膜

质子交换膜与催化层、扩散层组成膜电极，是整个水电解槽物料传输以及电化学反应的主场所。其主要作用是在电池中起到阻隔电解液、传导质子的作用。

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质子交换膜的成本主要由三部分构成：离聚物材料成本；膨化聚四氟乙烯基板材料成本；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%。

质子交换膜由于制备工艺复杂、技术要求高，长期被杜邦、戈尔、旭硝子等美国和日本少数厂家垄断。

目前，国内东岳、科润等企业也积极布局。东岳150万平米质子交换膜生产线一期工程已投产，科润100万平米质子交换膜项目也已开工。

随着国内技术的不断突破，国产质子交换膜实现进口替代空间巨大。

聚焦到下游需求，同样有望迎来高增。

（1）氢燃料电池：

质子交换膜燃料电池（PEMFC）是最为常用的燃料电池形式，为质子交换膜带来的市场增量将持续增长，到2025年、2035年和2050年将分别为9.80亿、49.01亿和67.39亿。

图片来源：E4Tech、国联证券

（2）电解水制氢：

2020-2023年电解水年新增装机容量将呈现高速增长，到2023将达1433.1MW，可再生能源电解制氢在2020年给质子交换膜带来的市场增量为4.03亿人民币，而到了2030年和2050年，将可为质子交换膜市场每年带来约17.2亿和59.8亿的规模增量。

（四）气体扩散层

气体扩散层位于气体流场层与催化层之间，主要作用是为参与反应的气体和生成的水提供传输通道并支撑催化剂，其性能对燃料电池的性能产生直接影响。

气体扩散层由碳布/碳网和防水剂聚四氟乙烯材料构成，满足高导电性、高强度、高孔隙度、耐腐蚀、结构致密且表面平整的特点。

气体扩散层的碳纸/碳布由碳纤维布、非织造布、碳黑纸及碳纤维纸作为基体材料构成。大规模生产也是降低气体扩散层成本的有效方法。

碳纸的基材来源于碳纤维，把碳纤维做成碳纸才是核心的难点所在。

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现阶段国产气体扩散层跟国外的先进水平相比存在较大的差距。从气体扩散层的技术指标来看，国外先进水平电流密度达到2.5-3.0A/cm3，国内水平能做到1.5A/cm3，寿命仅国外的三分之一。

气体扩散层行业由几个国际大公司垄断。目前全球的材料供应商仅有日本Toray(东丽)公司、加拿大Ballard及德国SGL三家。

我国是碳纤维纸需求大国，然而，受供应不足的影响，近年来国内碳纤维纸市场发展相对较为缓慢。我国对碳纸的研发主要集中于中南大学、武汉理工大学以及北京化工大学等高校，上海和森公司已有小批量碳纸产品供货。

国产的气体扩散层要取得突破，最关键的还是要解决原材料碳纸的批量化制造。

（五）空压机

对于燃料电池系统来说，如果把燃料电池系统比作人体，电堆可以比拟为燃料电池的“心脏”，那么空压机可以称之为燃料电池的“肺”。

空压机在燃料电池系统中负责为电堆输送特定压力及流量的洁净空气，为电堆反应提供必需的氧气，是燃料电池系统除电堆外最核心的零部件。

与传统工业用空压机不同，氢燃料电池空压机要求可靠性高、寿命长、排气无油、低噪声、轻量化、小型化低成本、响应速度快等特点。

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从技术路线来看，氢燃料电池用空压机类型主要有容积型空压机和速度型空压机，国内常用的氢燃料电池空压机主要有容积型罗茨式空压机和双螺杆式空压机、速度型离心式空压机三种。

目前，氢燃料电池空压机市场基本被国外品牌所垄断(日本丰田、美国UQM、美国盖瑞特等)。

国内对此类空压机的研究起步较晚，产品可靠性差，性能不稳定，目前仍处在研发和小批量试制阶段。而国外氢燃料电池空压机因研发较早产品可靠性高，性能稳定，但价格昂贵，一台单价动辄10-30万，已经成为氢燃料电池量产主要制约因素。

即使前路坎坷，我们仍长期看好氢燃料电池的发展。

文章来源：浩宇观点