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三氫能產業鏈中游

針對氫能產業鏈中游來說，氫燃氣輪機和氫內燃機的市場規模較小，故在此不做過多的描述，本文主要圍繞燃料電池及其八大關鍵部件進行介紹。

1、燃料電池

燃料電池是將氫氣和氧氣的化學能直接轉換成電能的發電裝置。其基本原理是電解水的逆反應，把氫和氧分別供給陽極和陰極，氫通過陽極向外擴散和電解質發生反應后，放出電子通過外部的負載到達陰極。燃料電池與常見的鋰電池不同，系統更為復雜，主要由電堆和系統部件（空壓機、增濕器、氫氣循環泵、儲氫瓶組）組成，其中電堆是整個電池系統的核心。

圖3：燃料電池系統工作原理

來源：捷氫科技招股書

2、燃料電池八大關鍵部件

在氫能領域，工信部將燃料電池電堆、雙極板、膜電極、質子交換膜、催化劑、氣體擴散層、空壓機和氫氣循環泵列為燃料電池的八大關鍵部件，這也是我國發展氫能產業需要重點攻克的環節。

燃料電池電堆是發動機系統的核心部件，是氫氣和氧氣發生電化學反應及產生電能的場所。由于單個燃料電池單元輸出功率較小，通常將多個燃料電池單元串聯起來構成電堆，以此提高輸出功率。因此，電堆是由雙極板與膜電極交替疊合，各單體之間嵌入密封件，經前、后端板壓緊后用螺桿拴牢，構成的復合組件。在燃料電池汽車中，燃料電池系統占整車成本的60％左右，而燃料電池電堆占燃料電池系統成本的62％以上，故降低燃料電池電堆成本是發展燃料電池汽車產業的關鍵。

圖4：燃料電池電堆內部結構

來源：億華通招股書

雙極板質量約占燃料電池電堆的60－80％，成本占20－40％，并且幾乎占據了整個燃料電池電堆的全部體積，起到支撐機械結構、均勻分配氣體、排水、導熱、導電的作用。根據材料不同，雙極板可以分為石墨雙極板、金屬雙極板以及復合材料雙極板。石墨雙極板具有質量輕、穩定性強和耐腐蝕性高等特點，但機械性能較差；金屬雙極板具有機械性能強、厚度薄、阻氣性好等特點，但易被腐蝕，壽命較短。復合雙極板則兼具石墨板和金屬板的優點，但制備工藝繁雜，成本較高。由于金屬雙極板的批量生產進程加快，我國的雙極板市場格局發生改變。石墨雙極板（含復合雙極板）市場占比從2019年的78％，降至2020年的65％和2021年的49％，與之對應的，金屬雙極板市場占比從22％、35％，上升到2021年的51％。

膜電極主要由質子交換膜、催化劑、邊框和氣體擴散層組成，一般是一種七層疊加結構。目前，國內外主流膜電極廠商生產的產品性能差距越來越小，制備價格低廉、性能高、耐久性好的膜電極成為國內外廠商關注的焦點。從企業布局情況來看，21年后國內膜電極企業擴產速度加快，雙面直接涂布技術和膜電極一體成型技術正在成為主流。鴻基創能、武漢理工和擎動科技等企業在膜電極產業上處于國內領先位置。

質子交換膜起到隔絕電子，分隔陰、陽兩極并傳導質子的功能。按照含氟量，可以將質子交換膜分為全氟磺酸膜、部分氟化聚合物膜、新型非氟聚合物膜、復合膜等。目前全氟質子交換膜（全氟磺酸膜）由于其優秀的熱穩定性、化學穩定性、較高的力學強度以及較高的產業化程度而得到廣泛應用。質子交換膜制作工藝復雜，具有較高的技術壁壘和資質壁壘。在國產化上，以山東東岳為代表的企業已經實現技術上的突破和量產，有希望在該賽道上實現快速成長。

燃料電池催化劑可以分為鉑催化劑，低鉑催化劑和非鉑催化劑。在催化劑的工業化生產上，我國一直遠遠落后于國外。很長一段時間以來，我國燃料電池的催化劑必須靠進口，這推高了燃料電池成本，也限制了我國氫能產業的發展。但燃料電池催化劑的國產化進程不斷加快，近期中自環保的燃料電池催化劑生產線建成并順利通過驗收。此次中自環保生產線的建成，對燃料電池核心材料國產化推進、實現技術可控并降低成本有重大意義。

氣體擴散層在燃料電池中起到支撐催化層、收集電流、傳導氣體和排出反應產物水的重要作用。氣體擴散層通常由基底層和微孔層組成。基底層經過疏水處理后，在其上涂覆單層或多層微孔層，從而制成氣體擴散層。按照基底層不同，可以將氣體擴散層分為碳纖維紙基材，碳布基材和金屬基材等不同類型。現階段，燃料電池生產商大多采用日本東麗、美國AvCarb、德國SGL等廠商的氣體擴散層產品，不過我國通用氫能、江蘇氫電等企業在技術層面基本可以對標國際先進產品，有望實現產業化。

氫氣循環泵是我國主流的氫氣循環產品，如果將電堆比作燃料電池的“心臟”，那么氫氣就是燃料電池的“血液”，而氫氣循環系統就是“強心肌”，保障“血液”的自由流動。氫氣循環產品主要包括氫氣循環泵和氫氣引射器，與氫氣引射器相比，氫氣循環泵在主動可調節、快響應速度和寬工作區間等方面占有一定優勢。在2020年以前，德國廠商普旭占據國內氫氣循環泵90％的份額，近年來，國內山東東德、瑞驅科技開始小批量供應氫氣循環泵，市場占比在不斷提升。

空壓機由壓縮元件、驅動器、驅動壓縮機元件的機械設備等組成。不同于普通空壓機，燃料電池空壓機需要滿足絕對無油、低噪聲、高可靠性、高效、小型化、工作范圍寬、良好的動態響應能力、良好的熱管理等諸多嚴苛要求。從市場占比來說，燃料電池空壓機的國產化程度較高，國內領先企業包括金士頓、勢加透博等。