燃料电池汽车产业研究之一：燃料电池系统：核心部件国产化是氢燃料电池汽车产业化的关键.pdf

谨请参阅尾页重要声明及华泰证券股票和行业评级标准 1 证券研究报告 行业 研究 /深度研究 2019 年 07 月 12 日 机械设备 增持（维持） 专用设备 增持（维持） 肖群稀 执业证书编号： S0570512070051 研究员 0755-82492802 xiaoqunxihtsc 章诚 执业证书编号： S0570515020001 研究员 021-28972071 zhangchenghtsc 李倩倩 执业证书编号： S0570518090002 研究员 liqianqian013682htsc 关东奇来 执业证书编号： S0570519040003 研究员 021-28972081 guandongqilaihtsc 黄波 0755-82493570 联系人 huangbohtsc 时彧 021-28972071 联系人 shiyu013577htsc 1天地科技 (600582,增持 ): 受益国内投资上升，煤矿智能化未来可期 2019.07 2机械设备 : 6 月挖机销量增 6.6%，国内略超预期，出口高增长 2019.07 3机械设备 : 行业周报（第二十六周）2019.07 资料来源： Wind 核心部件国产化是氢燃料电池汽车产业化的关键 燃料电池汽车产业研究之一：燃料电池系统 2050 年国内燃料电池系统产值将近千亿 ，产业发展进入快车道 中国氢能联盟发布中国氢能源及燃料电池产业白皮书预计 2025 年、2035 年、 2050 年国内氢燃料电池汽车 产量将分比为 达到 5 万 、 130 万和500 万 辆； 我们 以每辆燃料电池车电堆功率 60kW 测算 ， 2025 年、 2035年、 2050 年国内燃料电池系统产值分别为： 144 亿、 720 亿和 990 亿元。 2019 年 氢能产业 被写入政府工作报告，行业发展有望进入快车道。我们认为，性能提升和成本下降是氢燃料电池车产业化的关键， 技术进步和国产化是主要路径， 建议关注 具备技术研发实力的核心部件国产设备龙头 ：潍柴动力（控股巴拉德）、汉钟精机 、雪人股份、 冰轮 环境 、先导智能 。 性 能提升、成本下降是燃料电池产业化的关键 氢燃料电池要实现大规模商业化，一方面电池性能要不断提升，另一方面成本要持续下降。根据中国氢能源及燃料电池产业白皮书（ 2019 年），“燃料电池系统技术未来发展将会有四个方向： 1-持续开发高功率系统产品； 2-通过系统结构设计优化提高产品性能； 3-通过策略优化提高产品寿命； 4-通过零部件优化及规模化效应持续降低成本。 氢 燃料 电池系统成本下降的实现途径：核心技术国产化、规模化 燃料电池系统 占整车成本的 63%，其中 四大系统 ： 电堆 49%（质子交换膜5%+双极板 10%+催化剂 24%）、空气循环系统 21%、氢气循环系统 5%、热力管理系统 9%。 就燃料电池系统技术发展水平来看，国内电堆产业发展较好，但辅助系统关键零部件产业发展落后；系统及整体产业发展较好，但大多采取国外进口零部件，对外依存度高。我们认为，关键核心零部件的国产化至关重要， 只有实现技术国产化 降低成本 规模化 进一步降低成本的 良性循环，才能实现氢燃料产业的商业 化。 燃料电池电堆基本实现国产化，辅助系统国产化正在提速 1）燃料电池堆中， 质子交换膜国内基本实现产业化 ， 石墨双极板技术国内已经成熟， 金属双极板是未来趋势 ， 催化剂国内有小规模生产，超低铂或无铂是 未来的 研发重点 。 2） 供气系统 的空压机国内 已经有成熟产品， 主流技术 是螺杆压缩机 和 涡旋 压缩机 ， 有望实现进口替代；氢气循环系统主要依靠进口，预计 2019 年领先厂商会有产品推出； 3）车用储氢系统中 ，国内 已 掌握 35MPa 储氢瓶制造技术， 正在推进 70 MPa 储氢瓶的研制工作。 建议关注 有望实现进口替代的 燃料电池系统及核心零部件供应商 建议 关注 燃料电池系统核心零部件公司 ： 潍柴动力（控股巴拉德） 、 美锦能源 (控股 佛山飞驰 、 参股膜电极 公司广州鸿基 )、 雄韬股份 (布局膜电极、电堆及系统 )、 雪人股份（控股空气循环系统供应商 OPCON，参股电堆企业雪吉能 ） 、 汉钟精机 （ 空气循环系统 、 氢气循环系统 ）、 先导智能（膜电极生产设备）。 风险提示： 关键材料和核心技术尚未自主 ； 基础设施建设不足 ； 商业化推广模式尚未建立 ； 专项规划和政策体系尚未形成 。 股票代码 股票名称 收盘价 (元 ) 投资评级 EPS (元 ) P/E (倍 ) 2018 2019E 2020E 2021E 2018 2019E 2020E 2021E 300450 先导智能 33.07 买入 0.84 1.20 1.59 1.81 39.27 26.98 20.36 17.88 资料来源：华泰证券研究所 (19)(8)3132418/07 18/09 18/11 19/01 19/03 19/05(%)机械设备 专用设备 沪深 300重点推荐 一年内行业 走势图 相关研究 行业 评级： 行业 研究 /深度研究 | 2019 年 07 月 12 日 谨请参阅尾页重要声明及华泰证券股票和行业评级标准 2 正文目录 2019 年 中国氢燃料电池汽车产业元年 . 4 预计 2050 年国内氢燃料电池汽车销量将达到 500 万辆 . 4 性能提升、成本下降是燃料电池产业化的关键 . 6 性能提升的核心指标：比功率、耐久性 . 6 燃料电池系统成本：质子交换膜、扩散层，空气循环系统成本下降空间大 . 7 氢能储运是瓶颈，国内基础设施建设正在提速 . 9 产业补贴政策大力扶持行业发展 . 11 关键零部件国产化是燃料电池系统产业化 的必要条件 . 14 燃料电池系统关键部件之一：电堆 . 14 双极板：金属双极板是发展趋势，国内尚在研发中 . 15 质子交换膜：国内基本实现产业化 . 15 催化剂：超低铂或无铂是未来方向 . 16 气体扩散层：规模化生产工艺是研究重点 . 17 燃料电池系统关键部件之二：空 气循环系统 . 17 空气压缩机是保证燃料电池高效可靠运行的关键设备 . 17 技术壁垒高，涡旋和双螺杆空压机是目前主流技术路线 . 18 燃料电池系统关键部件之三：氢气供给系统 . 19 氢气供给系统影响车辆的安全性与寿命 . 19 氢气再循环装置：影响氢气利用率、 解决水管理问题 . 20 燃料电池系统核心零部件标的 . 21 风险提示 . 22 图表目录 图表 1： 氢能产业链梳理 . 4 图表 2： 中国氢能燃料电池产业产量总体目标（ 2019 年发布） . 4 图表 3： 燃料电池车发展目标（年产量） . 5 图表 4： 中国氢能及燃料电池产业总体目标（ 2019 年发布） . 5 图表 5： 中国氢能及燃料电池产业总体目标（ 2019 年） . 5 图表 6： 国 内外主要氢燃料乘用车比较 . 6 图表 7： 燃料电池技术目标与现状 . 6 图表 8： 中国氢能源及燃料电池产业白皮书燃料电池系统技术展望 . 7 图表 9： 基于大批量生产下的 80kWnet PEM 燃料电池系统的成本（美元） . 7 图表 10： 不同产量下燃料电池堆和燃料电池系统的预计成本（ $/kWnet） . 8 图表 11： 不同产量下燃料电池公交和汽车的成本构成 . 8 图表 12： 不同产量下燃料电池公交和汽车的成本构成 . 9 图表 13： 中国氢能源及燃料电池产业白皮书（ 2019）：燃料电池系统成本目标 . 9 图表 14： 我国未来 15 年燃料电池汽车氢能供给规划 . 9 行业 研究 /深度研究 | 2019 年 07 月 12 日 谨请参阅尾页重要声明及华泰证券股票和行业评级标准 3 图表 15： 氢的 制取方式及成本 . 10 图表 16： 氢能供给结构预测 . 10 图表 17： 储氢瓶类别 . 10 图表 18： 氢的运输方式 . 11 图表 19： 不同输氢方式的技术和成本比较 . 11 图表 20： 2012 年至 今氢能发展主要国家政策 . 11 图表 21： 地方政府推动燃料电池产业发展的部分相关政策 . 12 图表 22： 燃料电池汽车 20162019 年期间补贴 . 12 图表 23： 中日燃料电池车补贴额度对比 . 13 图表 24： 各地补贴政策一览 . 13 图表 25： 燃料电池汽车构成及电堆工作原理图 . 14 图表 26： 国内外质子交换膜燃料电池系统技术指标对比 . 14 图表 27： 燃料电池堆、膜电极组件的工作原理 . 15 图表 28： 不同双极板的特点对比 . 15 图表 29： 主要质子交换膜供应商 . 16 图表 30： 规模化生产后催化剂成本占比明显上升 . 17 图表 31： 空气循环系统工作原理 . 18 图表 32： 燃料电池空气压缩机种类 . 19 图表 33： 氢气供给系统 . 19 图表 34： 氢气循环泵工作原理 . 20 图表 35： 回氢引射装置工作原理 . 20 图表 36： 氢燃料电池系统产业链梳理 . 21 图表 37： 燃料电池系统核心零部件板块可比公司盈利和估值 . 21 行业 研究 /深度研究 | 2019 年 07 月 12 日 谨请参阅尾页重要声明及华泰证券股票和行业评级标准 4 2019 年 中国氢燃料电 池汽车产业元年 氢能产业链涵盖：氢的制取、储运、加氢站、氢燃料电池动力系统、氢燃料电池汽车多个环节。本文为华泰机械氢能产业链研究第一篇，主要研究对象为氢燃料电池动力系统及其核心部件。 图表 1： 氢能产业链梳理 资料来源： 2018-2019 年中国汽车动力蓄电池及氢燃料电池产业发展年度报告，华泰证券研究所 预计 2050 年国内氢燃料电池汽车销量将达到 500 万辆 中国氢能联盟发布中国氢能源及燃料电池产业白皮书（ 2019 年） ， 认为氢能将成为中国能源体系的重要组成部分， 预计 20202025 年国内氢燃料电池汽车 达到 5 万辆 ；20262035 年 达到 130 万辆 ； 20362050 年达到 500 万辆 。 2018 年国内氢燃料电池汽车销量为 1619 辆，发展空间大 。 图表 2： 中国氢能燃料电池产业产量总体目标（ 2019 年发布） 产业目标 现状 （ 2019） 近期目标 （ 2020-2025） 中期目标 （ 2026-2035） 远期目标 （ 2036-2050） 氢能源比例 （ %） 2.7% 4% 5.9% 10% 产业产值（亿元） 3000 10000 50000 120000 加氢站（座） 23 200 1500 10000 燃料电池车（万辆） 0.2 5 130 500 固定式电源 /电站（座） 200 1000 5000 20000 燃料电池系统（万套） 1 6 150 550 成本 （元 /KW） 8000 4000 800 300 资料来源： 20182019 年中国汽车动力蓄电池及氢燃料电池产业发展 ,2019， 华泰证券研究所 行业 研究 /深度研究 | 2019 年 07 月 12 日 谨请参阅尾页重要声明及华泰证券股票和行业评级标准 5 图表 3： 燃料电池车发展目标（年产量） 资料来源： 中国氢能源及燃料电池产业白皮书， 华泰证券研究所 以每辆燃料电池车电堆功率 60kW 计算，分别对应 2025 年、 2035 年、 2050 年销量目标计算， 2025 年、 2035 年、 2050 年国内燃料电池系统产值分别为 ： 144 亿、 720 亿和 990亿元 ；国内 燃料电池电堆的产值为： 104 亿元、 518 亿元和 713 亿元。 图表 4： 中国氢能及燃料电池产业总体目标（ 2019 年发布） 产业目标 现状 （ 2019） 近期目标 （ 2020-2025） 中期目标 （ 2026-2035） 远期目标 （ 2036-2050） 燃料电池车（万辆） 0.2 5 130 500 固定式电源 /电站（座） 200 1000 5000 20000 燃料电池系统（万套） 1 6 150 550 成本 （元 /KW） 8000 4000 800 300 燃料电池系统产值（亿元） 12 144 720 990 资料来源： 20182019 年中国汽车动力蓄电池及氢燃料电池产业发展 ,2019， 华泰证券研究所 20252050 年主要核心零部件的产值如下表： 质子交换膜的产值分别为： 39 亿元、 194 亿元和 267 亿元； 扩散层的产值分别为： 27 亿元、 137 亿元和 188 亿元； 催化剂的产值分别为： 27 亿元、 137 亿元和 188 亿元； 双极板的产值分比为： 7 亿元、 36 亿元和 50 亿元； 辅助系统（空气、氢气循环系统）的产值分别为 ： 39 亿元、 194 亿元和 267 亿元。 图表 5： 中国氢能及燃料电池产业总体目标（ 2019 年） 产业目标 现状 （ 2019） 近期目标 （ 2020-2025） 中期目标 （ 2026-2035） 远期目标 （ 2036-2050） 燃料电池系统（万套） 1 6 150 550 成本（元 /KW） 8000 4000 800 300 燃料电池系统产值（亿元） 12 144 720 990 燃料电池电堆产值（亿元） 9 104 518 713 质子交换膜 3.2 39 194 267 扩散层 2 27 137 188 催化剂 2 27 137 188 双极板 1 7 36 50 辅助系统产值 (空气 +氢气辅助系统 ) 3.2 39 194 267 资料来源： 20182019 年中国汽车动力蓄电池及氢燃料电池产业发展 ,2019， 华泰证券研究所 01002003004005006002018 2025E 2035E 2050E氢燃料电池车 (万辆）行业 研究 /深度研究 | 2019 年 07 月 12 日 谨请参阅尾页重要声明及华泰证券股票和行业评级标准 6 性能提升 、成本 下降 是 燃料电池产业化的关键 氢燃料电池车要实现大规模商业化，一方面电池性能要不断提升，另一方面成本要持续下降。燃料电池系统是燃料电池车核心技术的体现，也是成本的主要来源，因此燃料电池系统的成本下降和性能提升是关键。 性能提升的核心指标：比功率、耐久性 国内燃料电池 整体技术水平与日本、韩国等领先国家 存在差距 。 自“十五”新能源汽车重大科技专项启动以来，在一 系列 重大项目的支持下，燃料电池技术取得了一定的进展，初步掌握了燃料电池电堆与关键材料、动力系统于核心部件、整车集成等核心技术；部分关键技术试验室水平已经接近国际先进水平。 但国内 工程化、产业化水平相对 滞后，总体技术水平与日、韩等国家还有差距，具体表现在整车性能上，中国燃料电池车在动力性能、综合效率、电堆功率、耐久性上，与日韩还有差距。 图表 6： 国内外主要氢燃料乘用车比较 技术参数 荣威 950 MIRAI CLARITY NEXO MODEL3 车辆尺寸 (mm) 4996*1857*1502 4890*1815*1535 4895*1877*1478 4670*1860*1630 4690*1930*1440 车重 (kg) 2080 1850 1875 1860 1611 百公里加速时间 (s) 12 9.7 8.8 9.6 5.6 最高车速 (km/h) 160 175 165 179 209 续航里程 (km) 430 502 589 609 354 燃料电池电堆功率 (kW) 45 114 130 120 - 电堆功率密度 (kW/L) 1.8 3.1 3.1 3.1 - 低温冷启动性能 -20 -30 -30 -30 - 储氢容量（ kg） 4.2 5 5.5 6.3 50kWh（锂电） 补贴售价（元） 500,000 390,000 402,827 440,000 237,496 资料来源中国氢能源及燃料电池产业白皮书， 2019 , 华泰证券研究所 根据美国能源部（ DOE）发布的 Fuel Cell Technical Team Roadmap （ 2017 年 ） ，为了实现商业化目标，燃料电池系统需满足以下要求： 1）比功率： 2020 年达到 650W/kg， 2025 年达到 900W/kg； 2）耐久性： 2020 年达到 5000h， 2025 年达到 8000h； 3）规模生产成本： 2020 年达到 40 USD/kW， 2025 年达到 35 USD/kW。 图表 7： 燃料电池技术目标与现状 技术指标 2017 年国际现状 DOE 2020 年目标 DOE2025 年目标 燃料电池系统 比功率（ W/kg） 659 650 900 年产 50 万套成本 （ $/kWnet） 45 40 35 寿命（ hours） 4130 5000 8000 无协助冷启动温度 ( ) -30 -30 -30 燃料电池堆 电堆 比功率（ W/kg） 2000 2000 2700 年产 50 万套成本 19.1（ $/kWnet） 20（ $/kWnet） 17.5（ $/kWnet） 耐久性（ hours） 4100 5000 8000 资料来源： Fuel Cell Technical Team Roadmap (2017),中国制造 2025，华泰证券研究所 行业 研究 /深度研究 | 2019 年 07 月 12 日 谨请参阅尾页重要声明及华泰证券股票和行业评级标准 7 根据中国氢能源及燃料电池产业白皮书 （ 2019 年）， “燃料电池系统技术未来发展将会有四个方向： 1） 持续开发高功率系统产品； 2） 通过系统结构设计优化提高产品性能； 3） 通过策略优化提高产品寿命； 4） 通过零部件优化及规模化效应持续降低成本。 图表 8： 中国氢能源及燃料电池产业白皮书燃料电池系统技术展望 现状 （ 2019） 近期目标 （ 2020-2025） 中期目标 （ 2026-2035） 远期目标 （ 2036-2050） 比功率（ KW/L） 3KW/L 3.5 KW/L 4.5 KW/L 6.5 KW/L 寿命（ hours） 5000 乘用车 :5000 商用车 :15000 固定式发电 :20000 乘用车 :6000 商用车 :20000 固定式发电 :50000 乘用车 :10000 商用车 :30000 固定式发电 :100000 无协助冷启动温度 ( ) -20 -30 -30 -40 成本 （元 /KW） 8000 4000 800 300 资料来源： Fuel Cell Technical Team Roadmap (2017),中国制造 2025，华泰证券研究所 燃料电池系统成本： 质子交换膜、扩散层，空气循环系统成本下降空间大 2017 年美国燃料电池系统年产 50 万套成本已从 2006 年的 124 美元 /Kw 下降到 45 美元/Kw， 根据 DOE Fuel Cell System Cost 2017 的预测 ， 2020 年 将下降 到 40 美元 /Kw。当产量达到 50 万台套时， 规模效应将加速成本下降 ， 燃料电池系统的成本将下降到45$/kWnet，电堆成本将下降到 19$/kWnet。 图表 9： 基于大批量生产下的 80kWnet PEM 燃料电池系统的成本 （美元） 资料来源： DOE Fuel Cell System Cost 2017 ， 华泰证券研究所 1451231018777 7267 67 66 60 6050124106816959 57 55 55 55 53 5345 40300204060801001201401602006200720082009201020112012201320142015201620172020Utimate100000sys/yr 500000sys/yr行业 研究 /深度研究 | 2019 年 07 月 12 日 谨请参阅尾页重要声明及华泰证券股票和行业评级标准 8 图表 10： 不同产量下燃料电池堆和燃料电池系统的预计成本（ $/kWnet） 资料来源： DOE Fuel Cell System Cost 2017 ，华泰证券研究所 质子交换膜、扩散层，空气循环系统成本下降空间大。 具体看电堆的主要核心零部件成本下降的幅度，其中质子交换膜、扩散层成本下降的空间最大，以公交车为例，如果产量翻4 倍，达到 1000 套 /年，燃料电池系统成本下降 38%，其中，质子交换膜和扩散层的成本下降幅度分比为 58%和 56%。辅助系统中，空气循环系统和氢气循环系统的下降空间也可观。双极板和催化剂成本下降的空间相对小一些。 图表 11： 不同产量下燃料电池公交和汽车的成本构成 公交车 （一辆车两套电堆） 变动幅度 汽车 变动幅度 产量（ sys/yr) 200 1000 400% 100000 500000 400% 燃料电堆成本（ $） 53989 31338 -42% 2493 2199 -12% 其中： 双极板（ $/电堆） 3746 3752 0% 658 653 -1% 质子交换膜 19126 7960 -58% 351 191 -46% 扩散层 13282 5904 -56% 196 129 -34% 催化剂 13518 11008 -19% 957 928 -3% 其他 -密封圈等 4318 2714 -42% 331 298 -10% 辅助系统 15784 11856 -25% 2092 1932 -8% 组装测试 464 262 -44% 101 101 0% 燃料电池系统成本（ $） 70237 43456 -38% 4686 4232 -10% 资料来源： DOE, 华泰证券研究所 从燃料电池系统成本构成来看，以年产 1000 套公交车为例，电堆成本占比 72%（其中：质子交换膜 27%、扩散层 19%、催化剂 19%、双极板占比 5%），辅助系统占比 27%。 179796454 50 4511839 3025 22 190204060801001201401601802001,000 10,000 20,000 50,000 100,000 500,000燃料电池系统成本（ $/kWnet) 燃料电堆成本（ $/kWnet)行业 研究 /深度研究 | 2019 年 07 月 12 日 谨请参阅尾页重要声明及华泰证券股票和行业评级标准 9 图表 12： 不同产量下燃料电池公交和汽车的成本构成 资料来源： DOE Fuel Cell System Cost 2017 、华泰证券研究所 根据中国氢能源及燃料电池产业白皮书（ 2019 年）中的目标，燃料电池系统的成本要从 2019 年的 8000 元 /KW 下降到 2025 年 4000 元 /KW ， 2035 年下降到 800 元 /KW ，2050 年进一步下降到 300 元 /KW，如果单车燃料电池系统的功率为 100 KW，则单车燃料电池系统的成本可控制在 3 万左右。 核心零部件制造技术的不断发展和突破，燃料电池的成本有望不断下降 。 目前我国燃料电池核心部件的技术与发达国家相比尚有较大差距，许多关键材料仍需进口，国产化率偏低，造成成本费用高昂，成本也有很大的下降空间。 图表 13： 中国氢能源及燃料电池产业白皮书（ 2019）：燃料电池系统成本目标 产业目标 现状 （ 2019） 近期目标 （ 2020-2025） 中期目标 （ 2026-2035） 远期目标 （ 2036-2050） 燃料电池车（万辆） 0.2 5 130 500 固定式电源 /电站（座） 200 1000 5000 20000 燃料电池系统（万套） 1 6 150 550 成本（元 /KW） 8000 4000 800 300 资料来源： 20182019 年中国汽车动力蓄电池及氢燃料电池产业发展 ,2019， 华泰证券研究所 氢能储运是瓶颈，国内基础设施建设正在提速 氢燃料电池汽车的发展离不了氢燃料基础设施的保障，国内制氢、氢能储运、加氢环节的基础设施发展薄弱，未来建设提升的空间较大。 氢燃料电池产业链包含：氢能制储、加氢基础和燃料电池三大环节。截止到 2018 年底，国内已有 3 座液氢工厂，产能 1060 吨 /年，根据节能与新能源汽车技术路线图（ 2017 年 11 月 2 日发布）的规划，预计到 2030年，国内燃料电池汽车加氢量将达到 60 万吨 /年，年复合增速超过 60%；截止到 2018 年底，国内已建成加氢站 23 座，在建 17 座，合计 40 座，路线图预测到加氢站将达到1000 座，年复合增速 28%。 图表 14： 我国未来 15 年燃料电池汽车氢能供给规划 2018 年 2020 E 2025E 2030E 商用车 1600 辆 商用车 5000 辆 商用车 +乘用车 50000 辆 商用车 +乘用车 百万辆 加氢站 建成 23 座，在建 17 座 加氢站 100 座 加氢站 300 座 加氢站 1000 座 加氢量 加氢量 8000 吨 /年 加氢量 30000 吨 /年 加氢量 60 万吨 /年 站加氢能力 站加氢能力 约 200kg/天 站加氢能力 约 300kg/天 站加氢能力 约 1.5t/天 资料来源： 节能与新能源汽车技术路线图（ 2017 年 11 月 2 日发布）， 华泰证券研究所 双极板 , 5%质子交换膜 , 27%扩散层 , 19%催化剂 , 19%其他 , 6%辅助系统 , 22%组装测试 , 1%燃料电池成本构成： 200（ sys/yr)双极板 , 9%质子交换膜 , 18%扩散层 , 14%催化剂 , 25%其他 , 6%辅助系统 , 27%组装测试 , 1%燃料电池成本构成： 1000（ sys/yr)行业 研究 /深度研究 | 2019 年 07 月 12 日 谨请参阅尾页重要声明及华泰证券股票和行业评级标准 10 国内氢能源充足 ，短期来看工业副产制氢是主要方式。 中国氢能源及燃料电池产业白皮书（ 2019 年）的数据，截止到 2018