三氢能产业链中游

针对氢能产业链中游来说，氢燃气轮机和氢内燃机的市场规模较小，故在此不做过多的描述，本文主要围绕燃料电池及其八大关键部件进行介绍。

1、燃料电池

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。其基本原理是电解水的逆反应，把氢和氧分别供给阳极和阴极，氢通过阳极向外扩散和电解质发生反应后，放出电子通过外部的负载到达阴极。燃料电池与常见的锂电池不同，系统更为复杂，主要由电堆和系统部件（空压机、增湿器、氢气循环泵、储氢瓶组）组成，其中电堆是整个电池系统的核心。

图3：燃料电池系统工作原理

来源：捷氢科技招股书

2、燃料电池八大关键部件

在氢能领域，工信部将燃料电池电堆、双极板、膜电极、质子交换膜、催化剂、气体扩散层、空压机和氢气循环泵列为燃料电池的八大关键部件，这也是我国发展氢能产业需要重点攻克的环节。

燃料电池电堆是发动机系统的核心部件，是氢气和氧气发生电化学反应及产生电能的场所。由于单个燃料电池单元输出功率较小，通常将多个燃料电池单元串联起来构成电堆，以此提高输出功率。因此，电堆是由双极板与膜电极交替叠合，各单体之间嵌入密封件，经前、后端板压紧后用螺杆拴牢，构成的复合组件。在燃料电池汽车中，燃料电池系统占整车成本的60％左右，而燃料电池电堆占燃料电池系统成本的62％以上，故降低燃料电池电堆成本是发展燃料电池汽车产业的关键。

图4：燃料电池电堆内部结构

来源：亿华通招股书

双极板质量约占燃料电池电堆的60－80％，成本占20－40％，并且几乎占据了整个燃料电池电堆的全部体积，起到支撑机械结构、均匀分配气体、排水、导热、导电的作用。根据材料不同，双极板可以分为石墨双极板、金属双极板以及复合材料双极板。石墨双极板具有质量轻、稳定性强和耐腐蚀性高等特点，但机械性能较差；金属双极板具有机械性能强、厚度薄、阻气性好等特点，但易被腐蚀，寿命较短。复合双极板则兼具石墨板和金属板的优点，但制备工艺繁杂，成本较高。由于金属双极板的批量生产进程加快，我国的双极板市场格局发生改变。石墨双极板（含复合双极板）市场占比从2019年的78％，降至2020年的65％和2021年的49％，与之对应的，金属双极板市场占比从22％、35％，上升到2021年的51％。

膜电极主要由质子交换膜、催化剂、边框和气体扩散层组成，一般是一种七层叠加结构。目前，国内外主流膜电极厂商生产的产品性能差距越来越小，制备价格低廉、性能高、耐久性好的膜电极成为国内外厂商关注的焦点。从企业布局情况来看，21年后国内膜电极企业扩产速度加快，双面直接涂布技术和膜电极一体成型技术正在成为主流。鸿基创能、武汉理工和擎动科技等企业在膜电极产业上处于国内领先位置。

质子交换膜起到隔绝电子，分隔阴、阳两极并传导质子的功能。按照含氟量，可以将质子交换膜分为全氟磺酸膜、部分氟化聚合物膜、新型非氟聚合物膜、复合膜等。目前全氟质子交换膜（全氟磺酸膜）由于其优秀的热稳定性、化学稳定性、较高的力学强度以及较高的产业化程度而得到广泛应用。质子交换膜制作工艺复杂，具有较高的技术壁垒和资质壁垒。在国产化上，以山东东岳为代表的企业已经实现技术上的突破和量产，有希望在该赛道上实现快速成长。

燃料电池催化剂可以分为铂催化剂，低铂催化剂和非铂催化剂。在催化剂的工业化生产上，我国一直远远落后于国外。很长一段时间以来，我国燃料电池的催化剂必须靠进口，这推高了燃料电池成本，也限制了我国氢能产业的发展。但燃料电池催化剂的国产化进程不断加快，近期中自环保的燃料电池催化剂生产线建成并顺利通过验收。此次中自环保生产线的建成，对燃料电池核心材料国产化推进、实现技术可控并降低成本有重大意义。

气体扩散层在燃料电池中起到支撑催化层、收集电流、传导气体和排出反应产物水的重要作用。气体扩散层通常由基底层和微孔层组成。基底层经过疏水处理后，在其上涂覆单层或多层微孔层，从而制成气体扩散层。按照基底层不同，可以将气体扩散层分为碳纤维纸基材，碳布基材和金属基材等不同类型。现阶段，燃料电池生产商大多采用日本东丽、美国AvCarb、德国SGL等厂商的气体扩散层产品，不过我国通用氢能、江苏氢电等企业在技术层面基本可以对标国际先进产品，有望实现产业化。

氢气循环泵是我国主流的氢气循环产品，如果将电堆比作燃料电池的“心脏”，那么氢气就是燃料电池的“血液”，而氢气循环系统就是“强心肌”，保障“血液”的自由流动。氢气循环产品主要包括氢气循环泵和氢气引射器，与氢气引射器相比，氢气循环泵在主动可调节、快响应速度和宽工作区间等方面占有一定优势。在2020年以前，德国厂商普旭占据国内氢气循环泵90％的份额，近年来，国内山东东德、瑞驱科技开始小批量供应氢气循环泵，市场占比在不断提升。

空压机由压缩元件、驱动器、驱动压缩机元件的机械设备等组成。不同于普通空压机，燃料电池空压机需要满足绝对无油、低噪声、高可靠性、高效、小型化、工作范围宽、良好的动态响应能力、良好的热管理等诸多严苛要求。从市场占比来说，燃料电池空压机的国产化程度较高，国内领先企业包括金士顿、势加透博等。