储能电池（动力电池）作为重要的储能单元在电动化、智能化的发展过程中重要性日益凸显。历次工业革命所带来的能源改革、生产方式改革极大的促进了人类社会生产能力的提升与生活水平的提高。当下锂电池作为重要的储能电池，成为了新能源汽车、电子产品、无绳器材的储能单元，但由于锂储量有限（地壳储量0.0065%，假设电动车每车携带80千瓦时电池，即使用48千克碳酸锂，现有探明储量能满足18亿辆车的需求），开采能力受限，中国锂矿资源缺乏且品相较差，日益增长的需求所造成的冲击成本使锂的价格长期处于高位运行。在锂价高企的情况下储能电池是向氢能（H）过度还是向钠（Na）电演化？前文《钠离子电池：未来电池的发展方向，向上（H-氢）求还是向下（Na-钠）求？》重点介绍了钠离子电池，本文将重点讲解氢燃料电池。
氢能本身具有高能量密度、清洁、可再生等优势，现阶段仍处于早期阶段，若可通过技术开发（质子交换膜、催化剂）、市场培育、规模化生产等角度解决成本、性能、应用、安全性等问题，或将成为现有电池行业的重要补充。
氢燃料电池简介
01氢燃料电池基本情况
定义及基础原理：
氢燃料电池系统是一种能量转换装置，使用氢气或富氢气体作为燃料，氢气和氧气在催化剂的作用下发生电化学反应，产生电能和水。
系统构成：
氢燃料电池系统以电堆及辅助系统构成，技术路径不同构成会有一定差异，下文将以主要将以质子交换膜燃料电池(PEMFC)为例进行分析。
国内PEMFC系统环节主要参与者包括亿华通、重塑科技、国鸿氢能等。2023年上半年国内装机功率TOP3分别是捷氢科技、亿华通、鸿力氢动，装机功率排名和市占率较2022年有较大变动。
潜在应用市场：交通是氢能最具潜力的赛道，应用场景丰富、具有突出的性能优势与降本潜力
氢燃料电池汽车有望与纯电动汽车形成互补发展。氢燃料电池汽车具有续航里程长、低温性能优良、加注迅捷等优势，适用于中长距离和重载运输，有望与纯电动汽车互补发展。
现阶段氢燃料电池汽车经济性有限，降本有望助力燃料电池汽车推广
根据灼识咨询，2021年我国燃料电池汽车百公里成本 924元，远高于纯电动汽车和燃油汽车，主要原因为折旧成本高昂。未来随着氢能产业链技术成熟和规模降本，燃料电池汽车购置成本和用氢成本有望逐步降低，成本竞争力提升。
02电堆系统
电堆是是燃料电池系统的关键部分，价值量占比最高
电堆是电化学反应发生的场所，维持着整个燃料电池系统的能量输出过程，决定了燃料电池的整体性能。在燃料电池系统各组成部分中，电堆价值量占比最高，成本占比达59%。
2.2膜电极
膜电极是电堆的核心部件，与双极板共同构成电堆中的一个个单电池。膜电极由催化剂、质子交换膜、气体扩散层组合构成，成本占电堆制造成本的60%。膜电极的性能很大程度由三种关键材料的自身性能决定，但制备工艺也对膜电极的性能、寿命和成本有重要影响。
CCM法是目前膜电极的主流制备方法，根据催化层支撑体的不同，膜电极制备方法可分为CCS法与 CCM法。二者区别在于: CCS法将催化剂涂在气体扩散层上，CCM法则将催化剂涂在质子交换膜两侧。CCM法制备的催化剂层更薄、铂催化剂的利用率高、传质特性好，是目前主流的膜电极制备方法。
国内膜电极参与者主要有三类:专业供应商(唐锋能源、擎动科技、鸿基创能)、自建产线的燃料电池厂商(重塑集团、捷氢科技)、 汽车零部件跨界厂商。从装机量数据来看，国内市场中将近 70%的膜电极均由专业供应商提供。
2.3催化剂
催化剂是用于提高反应速率的材料，成本较高。催化剂是膜电极的重要材料，用于提高电化学反应速率，其活性与稳定性对燃料电池工作效率和寿命有关键影响。PEMFC燃料电池工作的酸性环境下，催化剂需要使用贵金属铂作为活性材料，成本居高不下，催化剂在电堆成本中占比高达51%。因此，在不影响电池性能的前提下降低Pt的含量，是目前PEMFC催化剂研究的重点。
铂碳催化剂是目前的主流催化剂，其他类型商用尚早。目前国内外燃料电池主要使用铂碳催化剂(Pt/C)，它是由Pt纳米颗粒分散在碳粉载体上构成的催化剂，技术成熟。燃料电池新型催化剂的研发主要围绕降低铂载量展开，包括使用过渡金属与铂形成合金 ( Pt-M)、改变铂和载体组合的结构形态(核壳结构、单原子层)、甚至开发非贵金属催化剂等。上述低铂、非铂催化剂路线目前处于技术研发阶段，在活性、稳定性、制备成本等方面暂难与铂碳催化剂相比，商业化应用尚早。
国外催化剂厂商占据国内市场主要份额。催化剂技术壁垒较高且技术专利大多掌握在国外企业手里，因此国内催化剂供应主要依赖进口。根据36Kr数据，目前国内在营的燃料电池车中90%的燃料电池使用进口催化剂。国外的催化剂供应商主要有日本的田中贵金属(TKK)、英国的庄信万丰(JM)、比利时的优美科等公司，其中田中贵金属、庄信万丰占据主要市场份额。
国内部分企业着手开发催化剂。中自科技、济平新能源等企业已实现一定程度的技术突破。
2.4质子交换膜
质子交换膜对PEMFC性能影响显著。质子交换膜(PEM)在单电池中起到两大作用:一是作为电解质，传导质子;二是分隔反应两极，阻隔气体和电子。质子交换膜性能直接影响电池性能与寿命，性能好的质子交换膜需满足质子传导率高、气体渗透率低、稳定性好等要求。
全氟磺酸膜是PEM的主流路线。目前可用于燃料电池的质子交换膜主要包括:全氟磺酸膜、非全氟化膜、无氟质子交换膜、复合膜等。全氟磺酸膜机械强度高、化学稳定性好、工艺完善，应用最为广泛，是目前的主流路线。
国外参与者占据主要市场份额，国产化率较低。燃料电池产业整体发展阶段较早，质子交换膜市场参与者数量有限。其中，美国戈尔(W. L. Gore & Associates) 凭借着领先的增强型膜技术，占据全球燃料电池用质子交换膜超八成市场份额。其他国外参与者还包括最早开发出全氟磺酸膜的杜邦(DuPont)、陶氏化学(Dow)、日本的旭化成等。国内厂商包括国氢科技、东岳未来氢能和科润新材料均已实现质子交换膜量产，泛亚微透、武汉理工新能源等公司也在积极布局，但市场占有率较低。
2.5气体扩散层
气体扩散层用于水、气的再分配，使用碳纸作为主要材料。气体扩散层(GDL)位于双极板和催化剂层之间，其作用包括:将反应气体均匀分配在催化剂层表面、传导电流、支撑催化剂层、导热、排出生成水等。气体扩散层需使用具有合理孔隙率、良好导电性、耐酸性等特性的材料，目前燃料电池GDL使用碳纸作为主要材料，经疏水处理后涂布微孔层(MPL)制成。GDL制备工艺中，将碳纤维制备成碳纸的环节基本决定了GDL成品的厚度、孔隙率、孔隙分布特性、导电性和机械强度等性能，是技术难点环节。
全球范围内参与者较少，国产厂商进展较慢。受制于市场整体需求规模不大、技术难度高等因素，全球GDL生产厂商数量不多，市场由日本东丽、美国AvCarb、德国SGL等主导。国内通用氢能、金博股份、江苏天鸟等企业布局GDL，目前处于小批量试产阶段，其中通用氢能近年发展较快，公司产品已在国内多家燃料电池企业测试验证，已建成生产线待投产。
2.6双极板
双极板是燃料电池电堆中关键的结构和功能部件，其成本约占电堆成本的25%。双极板在电堆中起到导通电流、分配原料气、支撑膜电极等作用。
为实现所需功能，双极板需具备优良的导电性、导热性、气密性、耐腐蚀性和机械性能，并具备良好的流场结构和密封结构设计。
根据制作材料不同，双极板主要分为三类:石墨双极板、金属双极板和复合双极板。
现阶段，石墨/金属双极板两大主流技术路线处于共存状态。根据TrendBank数据，2022年国内装机电堆中金属堆占比由2021年的37%提升至53%，首次超过石墨堆(44%)。石墨/金属双极板两大路线各有优劣势，后续路线份额的变化取决于国产技术成熟度和降本进展。
双极板参与者主要为自建生产线的燃料电池厂商。亿华通、国鸿氢能、国电投氢能、爱德曼等电池厂商均自产双极板，专业供应商主要包括石墨双极板制造商上海弘枫与金属双极板制造商治臻新能源。
2.7电堆主要技术路线
技术路线方面，质子交换膜燃料电池是车用主流技术。燃料电池按导电离子类别可分为酸性燃料电池、碱性燃料电池(AFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)和烙融碳酸盐燃料电池(MCFC)，其中酸性燃料电池可分为PEMFC(质子交换膜)、 直接醇类燃料电池(DMFC)和磷酸燃料电池(PAFC)。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，或是将来车用燃料电池最理想技术方案。此外，在各技术路径中，固体氧化物燃料电池或在储能等领域具有发展空间。
从全球各技术路线的燃料电池实际装机量情况看，质子交换膜燃料电池(PEMFC) 装机量占比近几年保持在 75%左右水平，是当前技术成熟度最高，装机量占比最高的燃料电池技术路线。
国内燃料电池产业仍处于导入期，竞争格局尚未明朗。2020 年中国氢燃料电池系统装机量为 80.4MW，同比下降 36%，相较于锂电池近几年百吉瓦时规模的装机量，燃料电池系统装机量显示该产业仍处于导入期阶段。
2.8电堆成本下降趋势
燃料电池降本处于下降通道，但仍处于相对高位，后期成本情况值得关注。从近年燃料电池头部厂商出货价格来看，燃料电池正处于迅速降本的阶段。据Frost & Sullivan预测，到2030年燃料电池单瓦均价或将降至1.4元/W。
行业情况
01市场规模
PEMFC系统市场前景广阔，2025年市场规模有望超过160亿元。据Frost & Sullivan预测，2025年国内燃料电池系统出货量为7.26GW， 市场规模达181亿元。该机构预计的2025年出货量中，车载应用6.71GW，其它运输应用0.13GW，固定式应用0.42GW。由于车载燃料电池均使用PEMFC，船舶和固定式发电可采用PEMFC、SOFC等路线，使用出货量比例粗略估算，2025年国内PEMFC系统市场规模约为167-181亿元，2030年PEMFC系统市场规模或将达到922-1168亿元。
02产业链结构
风险提示
文稿说明｜本文由MGM美高梅官网登录1688投资公司根据公开资料整理编辑
编者｜叶天元
