燃料电池系列深度报告之二：燃料电池之芯，市场空间广阔.pdf

证券研究报告 行业深度 报告 燃料电池系列深度报告之二： 燃料电池之芯 ， 市场 空间广阔 2019.05.24 潘永乐 (分析师 ) 李子豪 （ 研究助理 ） 电话： 020-88832354 020-88836134 邮箱： pan.yonglegzgzhs li.zihao1gzgzhs 执业编号： A1310518070002 A1310119010001 技术 自主研发和海外引进并举 在燃料电池产业链中，电堆是处于中游核心环节。催化剂、质子交换膜、气体扩散层组成膜电极和双极板构成电堆的上游，电堆 、 空压机、储氢瓶系统、氢气循环泵等其它组件构成燃料电池动力系统，下游应用对应交通领域和备用电源领域，主要是客车、轿车、叉车、固定式电源和便携式电源等。国内燃料电池电堆正在逐渐起步， 电堆及产业链企业数量逐渐增长，产能量级提升，目前国内电堆厂商路线主要 有两类 ， 自主研发和引进国外成熟电堆技术。 国内外 技术 仍存在一定差距 国内企业同海外企业相比最主要的差距体现在产业化应用层面。 国内能够独立自主开发电堆并经过多年实际应用考验的只有大连新源动力和上海神力两家企业 。 从各个材料环节来看， 国产膜电极性能与国际水平接近，但专业特性上与国际水平还有一定差距，武汉理工新能源有限公司已实现了商业化生产 并出口美国 。中国新型催化剂其中一部分在性能和稳定性上已经超过商业催化剂，但尚未实现量产制备。质子交换膜国内具备量产能力但批量生产线还有待进一步建设。气体扩散层 和双极板 国内技术条件 相对 成熟，需提高规模化生产能力。 降本后电堆行业发展广阔 电堆是燃料 电池的电能来源，也是燃料电池中最为关键的部分，成本占比高达 62%。从现有的技术与市场出发，未来燃料电池成本的降低可以从 两个 方面入手：一是 技术进步和制造工艺提升； 二是 规模化效应降低摊销成本 。原材料价格昂贵或工艺不完善的部件，例如催化剂、质子交换膜、双极板等可以通过优化制造材料改进制备工艺的方式降低成本，现有技术已经较完善的部件可通过规模化生产的效应有效 降低生产成本 。 电堆在政策刺激下即将赢来快速发展 虽然国内燃料电池电堆技术水平不如国 外 ,但在一系列新能源政策的刺激下 ,已经有了长足的发展。从发展的路径来看 ,其一 是通过控股外国著名企业来引进技术 ， 如潍柴动力控股加拿大巴拉德 ， 成立潍柴巴拉德合资公司引进技术。其次是通过自己的独立研发 ， 如上汽集团 ， 专门成立上汽大通全资子公司 ， 自主掌握的“电池 +电机 +电控”三电核心技术。另外 ， 又如洲际油气 ， 主营业务是石油服务 ， 但是通过参股世能氢电 ， 成为其大股东来进军燃料电池产业。 投资建议 我们推荐产业布局合理的潍柴动力（参股巴拉德、弗尔赛等）、雄韬股份 (布局膜电极、电堆、系统企业 )。 风险提示： 新能源汽车行业 政策性 风险 ； 燃料电池产品渗透率 不及预期 。 强烈 推荐 (维持 ) 电力设备新能源 行业 股价走势 股价表现： 涨跌 (%) 1M 3M 6M 电 气 设 备(申万 ) 3.69 -0.02 -17.15 沪深 300 -1.25 -2.93 -16.95 行业估值： 当期估值 43.03 平均 估值 38.12 历史 最高 74.37 历史 最低 18.80 相关 报告 燃料电池行业深度报告之一； 政策循序渐进 燃料电池产业有待腾飞 -40%-30%-20%-10%0%10%2018/032018/042018/052018/062018/072018/082018/092018/102018/112018/122019/012019/022019/03电气设备 (申万 ) 沪深 300敬请参阅最后一页重要声明 证券研究报告 第 2 页 共 21 页 行业深度报告 目录 1、自主研发和海外引进双轮驱动 . 4 1.1 燃料电池产业链的关键 电堆 . 4 1.2 国内企业自主研发和海外引进并举 . 5 2、 海内外电堆发展现状 . 7 2.1 海外电堆发展模式存一定差异 . 7 2.2 石墨板较为成熟，金属板有待发展 . 8 2.3 膜电极具备一定国产能力 . 9 2.4 全氟磺酸膜是主流交换膜 . 10 2.5 催化剂朝着低铂和新型催化剂方向发展 . 12 2.6 扩散层技术相对成熟 . 13 3、电堆降本途径多样 . 15 3.1 电堆占燃料电池成本比重最高 . 15 3.2 燃料电池成本下降是必然趋势 . 15 3.3 电堆产业链初步形成 . 17 4.国内上市公司电堆情况梳理 . 19 4.1 国内上市公司电堆产业发展情况 . 19 5.投资建议 . 20 6.风险提示 . 20 敬请参阅最后一页重要声明 证券研究报告 第 3 页 共 21 页 行业深度报告 图表目录 图表 1. 燃料电池电堆单元构造（ PEMFC ） . 4 图表 2. 燃料电池电堆组成 . 4 图表 3. “燃料电池基础材料与过程机理研究”项目部分性能指标 . 5 图表 4. 国内电堆产业链主要企业 . 5 图表 5. 燃料电池电堆模块 HYMOD-70 . 6 图表 6. HYMOD-70 六大显著技术优势 . 6 图表 7. C290 30 燃料电池模块 . 6 图表 8. 主要新产品 . 7 图表 9. 9SSL 电堆 . 7 图表 10. 纯氢燃料备用电源 . 7 图表 11. 电堆研发单位及其性能 . 8 图表 12. 金属双极板 . 9 图表 13. 石墨双极板 . 9 图表 14. 双极板研发单位及其性能 . 9 图表 15. 膜电极（ MEA） . 10 图表 16. 膜电极研发单位 . 10 图表 17. 各种质子交换膜优缺点对比 .11 图表 18. 质子交换膜研发单位及其性能 .11 图表 19. 催化剂研发单位及其性能 . 12 图表 20. 燃料电池电堆 pt 催化剂优缺点对比 . 13 图表 21. 燃料电池电堆扩散层不同材料对比 . 14 图表 22. 燃料电池电堆扩散层性能对比 . 14 图表 23. 气体扩散层研发单位及其性能 . 14 图表 24. 燃料电池成本分析 . 15 图表 25. 燃料电池电堆成本构成 . 15 图表 26. 燃料电池系统成本将逐步下降 (单位：美元 /kw) . 16 图表 27. 燃料电池电堆成本下降路径 . 16 图表 28. 催化剂未来发展方向 . 17 图表 29. 国内电堆产业链雏形初具 . 17 图表 30. 关于氢能和燃料电池的国家重点研发计划 . 18 图表 31. 电堆相关上市公司主要发展 . 19 图表 32. 燃料电池主要上市公司估值对比 . 20 敬请参阅最后一页重要声明 证券研究报告 第 4 页 共 21 页 行业深度报告 1、 自主研发和海外引进 双轮驱动 1.1 燃料电池产业链的关键 电堆 在燃料电池产业链中，电堆是处于中游核心环节。 催化剂、质子交换膜、气体扩散层组成膜电极和双极板构成电堆的上游，电堆与空压机、储氢瓶系统、氢气循环泵等其它组件构成燃料电池动力系统，下游应用对应交通领域和备用电源领域，主要是客车、轿车、叉车、固定式电源和便携式电源等。 电堆是燃料电池最关键部件，由多个单体电池以串联方式层叠组合构成。 将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紧固拴牢，即构成燃料电池电堆。电堆工作时，氢气和氧气分别由进口引入，经电堆气体主通道分配至各单电池的双极板，经双极板导流均匀分配至电极，通过电极支撑体与催化剂接触进行电化学反应。 组成电堆的 单 体 电池主要由双极板和膜电极组成。膜电极包含了质子交换膜、催化剂和气体扩散层。 图表 1. 燃料电池电堆单元构造（ PEMFC ） 图表 2. 燃料电池电堆组成 资料来源： 燃料电池发动机工程技术研究中心、 广证恒生 资料来源： 燃料电池发动机工程技术研究中心、 广证恒生 863 计划 推动燃料电池 电堆 体系建立 。 我国早在 2001 年就通过 国家科技部 863 电动汽车重大专项设立课题，以 在燃料电池、燃 料电池发动机以及整车系统方面形成一套拥有自主知识产权的核心技术 。经过 863计划，我国初步掌握了燃料电池关键材料、部件及电堆的 部分 关键技术，基本建立了具有自主知识产权的车用燃料电池技术平台。 国家“新能源汽车”重点专项实现 电堆 技术 难题 突破。 2016 年，国家重点研发计划“新能源汽车”重点专项“燃料电池基础材料与过程机理研究”项目在大连启动。 2018 年，中国科学院大连化学物理研究所在经过寿命测试和整车应用验证后，研发的 HYMOD-300 型车用燃料电池模块成为中国首例自主研发，耐久性超越 5000 小时的燃料电池产品。此次研发的 HYMOD-300 型燃料电池电堆模块突破了多项技术难关，产品实现了电堆在 -10环境下的低温启动，以及在 -40下的储存。 敬请参阅最后一页重要声明 证券研究报告 第 5 页 共 21 页 行业深度报告 图表 3. “燃料电池基础材料与过程机理研究”项目部分性能指标 指南 本项目 DOE2020 年目标 铂用量 0.125g/KW 0.125g/KW 0.125g/KW 功率密度 1.4W/cm 1.4W/cm 1W/cm 耐久性 10000h 10000h 5000h 低温启动 -30存储和启动 -30启动， -40存储 -40启动 资料来源： 2017 年（武汉）燃料电池技术与产业发展高峰论坛 、广证恒生 1.2 国内企业 自主研发和海外引进并举 目前国内燃料电池电堆正在逐渐起步，电堆及产业链企业数量逐渐增长，产能量级 快速 提升 。 目前国内电堆 厂商主要有两类：（ 1）自主研发，以新源动力和神力科技为代表；（ 2）引进国外成熟电堆技术，以广东国鸿为代表 。 图表 4. 国内电堆产业链主要企业 新源动力 神力科技 广东国鸿 技术模式 自主研发 自主研发 引进国外 产品电堆 HYMOD -300 型车用燃料电池电堆 SL-C 系列 巴拉德 FCvelocity-9SSL 耐久性 5 千 小时 1 万小时 超过 2 万 小时 低温性能 -10低温启动， -40储存 -40储存 -20到 75 产能 1.5 万 kw 6 万 kw 30 万 kw 动力系统客户 新源动力 亿华通 国鸿重塑 整车用户 上汽 宇通、福田、申龙、厦门金龙 东风、厦门金龙、宇通、飞驰 应用车型 轿车、荣威 750 燃料电池轿车，上汽大通 FCV80 商用车 商用车、东风物流车 优势 自主研发实力强，依托上汽发展 自主研发实力较强，与亿华通形成协同优势 产能最大，寿命最长，巴拉德电堆产品成熟，广东大力支持 资料来源： 公司官网 、广证恒生 新源动力涵盖了 燃料电池质子交换膜等各个环节，技术水平国内领先 。 新源动力 在国内率先实现了燃料电池实验室科研成果向现实生产力的转化，燃料电池中试基地，生产、测试装备齐全，已实现燃料电池关键材料及关键部件、电堆组装的小批量生产。新源动力 江苏子公司 将建成可年产 5500KW 燃料电池堆用关键部件的批量生产线， 成为我国第一个燃料电池材料及部件的产业化生产基地 。上海 子公司 将成为新源动力的系统集成、总成生产与技术服务中心。 第十五届东京燃料电池展览会上，中国燃料电池厂商新源动力全球首次发布最新一代燃料电池电堆模块 HYMOD-70。新产品系新源动力研发的第三代金属双极板质子交换膜燃料电池，单堆功 率 85kW， 电堆体积功率密度突破 3.3kW/L，具备良好的低温适应性，可在 -30 启动 /-40存储，适用于乘用车和商用车，已获多家主机厂小批量订单。 敬请参阅最后一页重要声明 证券研究报告 第 6 页 共 21 页 行业深度报告 图表 5. 燃料电池电堆模块 HYMOD-70 图表 6. HYMOD-70 六大显著技术优势 1 高集成度、单堆大功率，保证了电堆在 高电流密度下稳定的性能输出 2 实现了产品在空气无增湿条件下稳定运 行，氢气利用率可超 99 3 防水防尘性能达到 IP67 等级要求，绝缘性能优异 4 寿命长、耐久性高 5 实现了 -30低温启动和 -40低温存储 6 采用易于批量制造的薄金属双极板方 案，适应批量制造 资料来源： 公司官网 ， 广证恒生 资料来源： 公司官网 ， 广证恒生 上海神力科技有限公司是国家科技部重点培育、上海市政府重点支持的民营新能源高科技企业。 公司承担 并 完成国家“九五”重点攻关计划、“十五” 863 及“十一五” 863 重大攻关计划燃料电池发动机课题，拥有完全自主知识产权的燃料电池技术。公司自主开发的 C290 30 燃料电池模块通过国家强制检测认证 ，达到国内领先水平。 图表 7. C290 30 燃料电池模块 资料来源： 公司官网 、广证恒生 广东国鸿氢能科技有限公司是在广东省委、省政府大力支持下和佛山、云浮两市政府直接领导下，于2015 年 6 月成立的一家以氢燃料电池为核心产品的高科技企业 ，是国内最早介入燃料电池新能源汽车开发的企业。 2017 年 6 月 30 日广东国鸿氢能科技有限公司在广东云浮市建成投产了全球最大的商用燃料电池 9SSL 电堆生产线，并成功调试出全球首条燃料电池电堆全自动生产线。 2017年全年生产了 9SSL电堆 2000 多个，每个电堆功率 15KW，采用石墨柔性双极板 。截至目前，公司已成 为国内燃料电池领域的龙头企业。公司主要 产品 9SSL 燃料电池电堆和 HD85、 MD30、 MP30 车用燃料电池模块，市场主要集中在国内，目前公司的海外市场正在规划当中。 敬请参阅最后一页重要声明 证券研究报告 第 7 页 共 21 页 行业深度报告 图表 8. 主要新产品 序号 产品名称 产品型号 1 燃料电池电堆 9SSL 2 车用燃料电池模块 MP30 3 轻型车用燃料电池模块 MD30 4 中型车用燃料电池模块 HD85 资料来源： 广东国鸿公司官网， 广证恒生 公司与加拿大巴拉德动力有限公司以及上海重塑能源科技有限公司合作成立合资控股公司，建成投产全球最大规模的商用燃料电池电堆生产线和燃料电池动力系统集成生产线，年产电堆可达 2 万台，动力系统 5000 套。公司在引进、消化和吸收加拿大巴拉德公司的电堆生产线技术和电堆组装技术后，对产品进行了二次创新，首先是在保证电堆品质的条件下将电堆零部件逐步替换为国产零部件，其次是在掌握引进技术的基础上开发了拥有自主知识产权的新一代燃料电池电堆，同时公司正在研发高比功率的燃料电池电堆。目前公司已申请专利 43 项，拥有授权专利 9 项。 图表 9. 9SSL 电堆 图表 10. 纯氢燃料备用电源 资料来源： 广东国鸿公司官网， 广证恒生 资料来源： 广东国鸿公司官网， 广证恒生 2、 海内外电堆发展现状 2.1 海外电堆发展 模式存一定差异 日韩车企多自主研发 电堆 ，欧美车企同电堆企业合作。 目前来看，日韩和欧美的整车厂采用不同的电堆策略。日韩厂商 大多自行开发电堆，并不对外开放，例如丰田、本田、现代等。 欧美厂商很多采用合作伙伴 电堆来开发发动机，例如奥迪（采用加拿大巴拉德定制开发的电堆）和奔驰（采用奔驰与福田的合资公司 AFCC 的电堆） 。 Ballard 和 Hydrogenics 电堆产品已经过长期运营验证。 目前国外可以单独供应车用燃料电池电堆的知名企业主要有加拿大的 Ballard 和 Hydrogenics。 欧洲和美国正在运营的燃料电池公交车绝大多数采用这两家公司的石墨板电堆产品，已经经过了数千万 公里、数百万小时的实车运营考验，这两家加拿大电堆企业都已经具备了 一定产能， Ballard 还与广东国鸿设立了合资企业生产 9SSL 电堆。 敬请参阅最后一页重要声明 证券研究报告 第 8 页 共 21 页 行业深度报告 图表 11. 电堆研发单位及其性能 生产厂家 额定功率（ kW) 功率密度 (kW/L) 低温启动 ( C） 低温存储 ( C） 国外 Ballard 30/60 1.5 - - Hydrogenics 30 0.8 - - AFCC 30 - -30 -40 丰田 114 3.1 -30 -40 本田 103 3.1 -30 -40 现代 100 3.1 -30 -40 国内 上海 神力 (石墨双极板） 40/80 2 -20 -40 大连新源动力 30-40（复合双极板） 1.5 -10 -40 70-80（ 金属双极板） 2.4 -20 -40 弗尔赛能源 16/36 - -10 - 北京氢璞创能 20-50 - -10 -40 武汉众宇 0.25-1.2/36 - - - 上海攀业 0.05-1.8 - -5 - 安徽明天氢能 20-100 - -20 - 广东国鸿巴拉德氢能动力 30-60 1.52 -20 -2575 资料来源： 第一动力网、 广证恒生 2.2 石墨板较为成熟，金属板 有待发展 石墨电堆 目前 主要用于商用车，金属板电堆有望在乘用车领域 获得突破 。 双极板是电堆的核心结构零部件，起到均匀分配气体、排水、导热、导电的作用，占整个燃料电池 60%的重量和 20%的成本，其性能优劣直接影响电池的输出功率和使用寿命。双极板材料目前主要是石墨双极板和金属双极板。 目前石墨电极板技术相对成熟，在市场上占据了主要的份额 。 石墨双 极板耐腐蚀性强、导电导热性好，但气密性欠佳、成本较高、加工时间长于金属双极板 。得益于国家政策发展风向，在国内现已被大规模应用。 石墨双极板在技术层面及商业化层面都相对成熟，但如若继续采用机械加工的方式，石墨双极板的成本费用实难降低，不易实现大批量生产。若要降低成本，可从石墨材料进行优化，开发出性能更优、成本更低、可供模压成型的碳基材料。 金属双极板功率高、成本低、耐抗压，但抗腐蚀性差，成型工艺困难 。 金属双 极板具有优异的导电、导热性能、机械加工性、致密性，以及强度高、阻气性好等优势，可以为汽车应用提供良好的动力密度、低温 ( 40 )启动保障，适合大批量低成本生产。考虑到车辆空间限制问题，金属双极板 未来有望在乘用车实现大规模应用 。 敬请参阅最后一页重要声明 证券研究报告 第 9 页 共 21 页 行业深度报告 图表 12. 金属双极板 图表 13. 石墨双极板 资料来源： 电动车时代网、 广证恒生 资料来源： 电动车时代网、 广证恒生 石墨双极板国内具备量产能力，金属双极板国内尚处于试制阶段。 石墨基双极板的主流供应商有美国POCO、美国 SHF 等。石墨双 极板已实现国产化，国产厂商主要有上海神力、上海弘枫等公司。 上海弘枫产品已经实现出口海外。 目前国外金属双极板主要供应商有瑞典 Cellimpact、德国 Dana、德国 Grabener、美国 treadstone 等。国内还处于研发试制阶段，上海佑戈、上海治臻新能源、新源动力等企业研制出车用燃料电池金属双极板，并尝试在电堆和整车中实际应用。上海治臻新能源装备有限公司依托于上海交通大学的技术力量，已经攻克了双极板成型、焊接、涂层三道技术难关，可以实现双极板 国产 化、批量化生产，设计年产量可达 50 万副，至少可供 1500 辆以上 FCV 使用。 图表 14. 双极板 研发单位及其性能 双极板类型 主要研发单位 导电率（ S/cm) 抗弯强度 （ Mpa) 腐蚀电流（ A/cm2） 接触电阻（ m.cm2) 石墨双极板 美国 POCO 100 34 - - 加拿大 Ballard - 50 - - 上海弘枫 100 50 - - 金属双极板 瑞典 Cellimpact - - 0.5 - 德国 Dana - - 0.5 - 大连新源动力 - - 0.5 - 上海佑戈 - - 0.75W/cm20.6V - 南京东焱氢能 0.8/cm20.65V - 苏州擎动 0.8W/cm2 -