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    燃料电池行业专题报告:燃料电池汽车产业酝酿新一轮发展

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      任务小子

        1.燃料电池汽车是新能源汽车的重要方向之一

        1.1 燃料电池汽车产业链

        燃料电池汽车产业链上游为膜电极、双极板、各类管阀件与传感器、车载高压储氢瓶等 发动机零部件生产制造行业,产业链中游为燃料电池发动机系统及电堆集成行业,产业 链下游为燃料电池整车制造行业。

        燃料电池发动机系统是燃料电池汽车动力总成的核心部件,关系着整车运行的安全性, 对燃料电池汽车是否具备成熟、可靠的性能表现具有重要影响。

        相较于传统燃油车或纯电动汽车动力系统,燃料电池发动机系统结构较为复杂。燃料电 池发动机系统主要由燃料电池发动机、电压变换器、车载氢系统等构成,其中燃料电池 发动机主要部件包括电堆、发动机控制器、氢气供给系统、空气供给系统等。

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        燃料电池汽车核心关键部件或材料主要包括发动机、电堆和膜电极。从成本上看,燃料 电池电堆约占燃料电池发动机的 55%,而膜电极约占燃料电池电堆的 65%。

        1.2 燃料电池发动机工作原理

        与锂电池作为储能装置不同,氢燃料电池是一种非燃烧过程的能量转换装置。燃料电池 电堆是发动机系统的核心部件,是阳极的氢气和阴极的氧气(空气)发生电化学反应及 产生电能的场所,对燃料电池发动机的关键性能和成本具有较大的影响。因此,电堆被 称之为燃料电池发动机系统的心脏,是燃料电池发动机的动力来源。

        鉴于单个燃料电池单元输出功率较小,实践中通常通过将多个燃料电池单元以串联方式 层叠组合构成电堆来提高整体输出功率。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。

        其中膜电极是燃料电池发生电化学反应的场所,由质子交换膜、催化剂与气体扩散层组 合而成,是燃料电池电堆的核心部件,对电堆的性能、寿命和成本具有关键影响;双极 板是燃料电池电堆的核心结构件,通常为正反均带有气体流道的金属或石墨薄板,其主 要作用是通过流场给膜电极组件输送反应气体,同时收集和传导电流并排出反应产生的 水和热,其性能优劣直接影响电堆的体积、输出功率和寿命。

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        燃料电池的工作过程包括:1)反应气体在气体扩散层内扩散;2)反应气体在催化层内 被催化剂吸附后被离解;3)阳极反应生成的氢离子穿过质子交换膜到达阴极与氧气反 应生成水,而电子通过外电路到达阴极产生电。

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        除电堆以外,燃料电池发动机还需要一系列辅助系统才能实现其功能。其中控制系统通 过高精度调节反应气体的压力及流量等使得电堆中的反应始终维持在输出功率、温度、 湿度均合适的水平,保证发动机稳定可靠工作;氢气和空气供给系统是为电堆提供合适 压力、温度、湿度、流量的氢气与空气;水热管理系统用于保持燃料电池内部水平衡和 热平衡。此外,燃料电池发动机系统配备由车载高压储氢瓶和配套阀件组成的车载氢系 统用于储存燃料,以及用于实现燃料电池与整车高压之间解耦的 DC/DC 变换器。

        1.3 燃料电池主要技术特点

        比较可见,燃料电池汽车在续航里程、加注时间、低温环境适应性、动力、环境保护等 方面可以提供更好的解决方案。燃料电池汽车的续航里程可达 500km 以上;加注时间不 到 15 分钟;能够在-30℃低温自启动;氢燃料电池的发电效率可达 50%以上,直接将化 学能转化为电能,动力传递效率较高,使汽车的动力更加突出;在富氢地区具备较强经 济性;并且燃料电池具备运行中零排放、高效率等优异特性,是我国在交通运输领域实 现低碳排放的重要技术路线之一。

        从技术特点及发展趋势看,由于燃料电池汽车具备长续航里程、快速加注、高功率密度、 低温自启动等技术特点,燃料电池汽车更适用于长途、重载、商用等领域,而电动汽车 更适用于城市、短途、乘用车等领域。氢燃料电池汽车作为新能源汽车的重要技术路线 之一,将与电动汽车长期并存互补。

        2.发展氢能已成全球共识

        2.1 交通运输用燃料电池需求显著增长

        燃料电池技术早在 1839 年即被英国的 Willam Grove 发明。20 世纪 60 年代,NASA(美 国国家航空航天局)将燃料电池应用于双子星航天飞船,开启了燃料电池的现代发展史。 20 世纪 70 年代,石油危机引起了能源恐慌,氢能作为一种新兴清洁能源开始受到各国 政府的关注。20 世纪 90 年代,包括奔驰、福特在内的国际知名车企纷纷推出燃料电池 概念车型。进入 21 世纪后,氢能与燃料电池技术发展逐渐成熟,日本丰田汽车于 2014 年 12 月推出 Mirai 燃料电池汽车,续航里程达 502 公里,成为燃料电池领域内的里程碑 事件。此后,全球燃料电池产业开始快速发展。

        目前,燃料电池根据其应用场景不同可大体分为交通运输用、固定式、便携式燃料电池。 近年来燃料电池在交通运输领域的需求量呈现爆发式增长。2020 年全球燃料电池装机量 达 1319.4MW,2015-2020 年复合增长率达 35%;其中交通运输领域的需求上升尤为显著, 年复合增长率达 54%,2020 年装机量 994MW,占总装机量的 75%。

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        2.2 全球燃料电池汽车保有量突破 3 万

        氢能作为重要的清洁能源,是未来重要能源路线之一,发展氢能已成为全球主要国家的 共识。作为能源技术革命的重要方向和未来能源战略的重要组成部分,氢燃料电池汽车 得到了日本、韩国、欧洲、美国、中国等国家的高度重视。随着一些典型车型的推出和 关键技术的突破,氢燃料电池汽车产业化预期有所提前。

        中国、韩国、日本、美国、德国五个国家为目前全球氢燃料电池汽车主要发展国。2020 年,全球氢燃料电池汽车总销量为 9011 辆,同比下降 9.1%。其中,美国销量为 937 辆, 同比减少 55%;中国销量为 1182 辆,同比减少 57%。美国销量下滑是受到疫情的拖累, 中国销量下滑主要是由于补贴政策变动导致销量延缓。日本和德国的销量分别为 761 辆和 308 辆。而受益于政府的大力补贴,韩国 2020 年氢燃料电池汽车销量达 5823 辆,同 比增长 39%,贡献了当年全球销量的 65%。

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        截至 2020 年底,全球氢燃料电池汽车保有量为 32535 辆,同比增长 38%。其中,韩国 保有量达 10906 辆,成为首个氢车保有量达到万辆级别的国家,占全球保有量的 34%, 位居全球第一位。其次,美国保有量为 8931 辆,中国以 7352 辆位居第三,日本以 3902 辆位居第四。

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        目前,美国、日本、韩国主推的是氢燃料电池乘用车,中国则以氢燃料电池商用车为主。 全球氢燃料电池乘用车品牌主要为丰田 Mirai 和现代 Nexo,2020 年二者的保有量市占率 分别为 48%和 50%。2020 年,丰田 Mirai 全球销量 1770 辆,同比下降 29%,其中海外市 场销量 981 辆,同比下降 46%,本土销量 789 辆,同比增长 19%;现代 Nexo 全年销量 6781 辆,占当年全球氢车销量的 75%,同比增长 36%,其中本土销量 5786 辆,占总销量的 85%。截至 2020 年底,Mirai 在全球累计销售 12015 辆,Nexo 累计销售 12717 辆, 从总销量这个角度看,Nexo 已超越 Mirai 成为氢燃料电池乘用车第一品牌。而从投放市 场的角度看,Nexo 销量的爆发式增长主要来自韩国本土市场,而 Mirai 在日本的销量不 到其总销量的一半。因此,Mirai 仍为海外市场的氢燃料汽车第一品牌。

        截至 2020 年底,全球主要经济体已建成加氢站 527 座,在运营 504 座。在运营加氢站 中,欧盟以 179 座居榜首,日本以 137 座紧随其后,中国以 101 座位居第三,韩国以 45 座位居第四,美国因疫情影响降至 42 座。

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        从氢燃料电池汽车保有量和运营加氢站的比例来看,截至 2020 年底,韩国、美国、中 国、日本的车站比分别为 242、213、73、28。(报告来源:未来智库)

        3.我国燃料电池汽车产业酝酿新一轮发展

        3.1 产业尚处商业化初期

        回顾我国燃料电池汽车发展历史,过去十多年间在国家科技计划和技术创新工程的支持 下,我国系统开展了氢燃料电池汽车的研究、开发、示范和运营工作,初步形成了从燃 料电池电堆到整车的研发体系和制造能力,并开展了系统的示范运营。自北京奥运会有 20 多辆燃料电池轿车和 2 辆客车运行,到上海世博会将近 200 辆各类燃料电池汽车示范 运行,到目前在新能源汽车推广财政补贴政策和科技部、联合国开发计划署的支持引领 下,以客车、物流车等商用车型为先导陆续在全国范围内启动了商业化示范推广。

        我国燃料电池汽车产业发展路径为先商后乘,目前燃料电池技术在我国已被应用于公交 车、城市客车、物流车、轨道交通等多个交通运输应用场景。通过商用车发展规模化降 低燃料电池和氢气成本,同时带动氢能基础设施建设,后续拓展到乘用车领域。目前我 国燃料电池汽车在售车型主要来自于宇通客车、北汽福田、中通客车、申龙客车等商用 车企业,同时上汽集团、长城汽车等车企在燃料电池乘用车领域进行前瞻布局。

        我国氢燃料电池汽车产业已经从政府主导的技术探索、示范运营阶段发展到目前商业化 的初期阶段。我国燃料电池汽车销量于 2016 年开始快速起步,根据中汽协数据,2015 年至 2021 年 1-9 月,我国新能源汽车销量分别达 33.1 万辆、50.7 万辆、77.7 万辆、125.6 万辆、120.6 万辆、136.7 万辆和 215.7 万辆,而氢燃料电池汽车销量分别为 10 辆、629 辆、1272 辆、1527 辆、2737 辆、1182 辆和 906 辆。从 2015 年发展至今,燃料电池汽 车仍然处于产业化的初级阶段,氢燃料电池汽车在新能源汽车中的渗透率仍然很低,其 产业化进程明显滞后于纯电动汽车。由于存在购置成本较高、氢能基础设施缺乏以及氢 气使用成本较高等问题,燃料电池汽车的推广需要国家政策、地方产业整车以及上下游 产业链共同扶持和推动。

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        3.2 氢能产业链发展提速

        车用氢能产业是燃料电池汽车产业大规模推广的基础。车用氢能产业链主要包括制氢、 储氢、运氢和加氢站等。

        氢能产业链基础设施的完善是推广燃料电池汽车商业化不可或缺的环节,也是现阶段制 约我国燃料电池汽车发展的重大瓶颈之一。国内已有 30 多个省市地方政府发布了推进 加氢站建设的相关政策和规划。多数城市按照加氢站的设备投资额或整体投资额的一定 比例给予补贴,并按照加氢能力设置补贴上限,最高补贴额 200-600 万元不等,同时给 予加氢站销售补贴和税收返还等其他政策优惠。

        截至 2021 年 3 月末,我国加氢站共建成 131 座,其中 108 座在运营。此外,还有 65 座 正在建设,122 座在规划建设中。

        从区域分布上看,目前我国加氢站主要集中在东部沿海等燃料电池汽车产业发展较为领 先的省市,如广东、上海等。

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        3.3 国家政策积极扶持

        我国早在“十五”期间即将氢燃料电池汽车确立为新能源汽车发展的主要技术路线之一。 在《国家创新驱动发展战略纲要》、《能源技术革命创新行动计划(2016-2030 年)》、《中 国制造 2025》、《汽车产业中长期发展规划》中均明确了氢能与燃料电池产业的战略地位, 其根本目标是降低我国能源对外依存度、减少城市大气污染,推动我国汽车产业跨越式 发展。

        近年来,国家政策对燃料电池汽车的关注度快速提升,赋予了氢能及燃料电池产业更高 的战略地位。2020 年 10 月,由工信部指导下发布的《节能与新能源汽车技术路线图 2.0》 指出,在燃料电池汽车方面,将发展氢燃料电池商用车作为整个氢能燃料电池行业的突 破口,以客车和城市物流车为切入领域,重点在可再生能源制氢和工业副产氢丰富的区 域推广中大型客车、物流车,逐步推广至载重量大、长距离的中重卡、牵引车、港口拖 车及乘用车等。2030-2035 年,实现氢能及燃料电池汽车的大规模推广应用,燃料电池 汽车保有量将达到 100 万辆左右,完全掌握燃料电池核心关键技术,建立完备的燃料电 池材料、部件、系统的制备与生产产业链。

        2021 年 9 月,财政部、工信部、科技部、国家发改委、国家能源局联合发布《关于启动 燃料电池汽车示范应用工作的通知》,同意北京市、上海市和广东省城市群作为全国首 批示范城市群,启动实施燃料电池汽车示范应用工作,示范期为 4 年。在 4 年示范期内, 国家五部委将通过“以奖代补”方式对示范城市群给予奖励。考核内容主要包括“燃料 电池汽车推广应用”、“关键零部件研发产业化”和“氢能供应”三部分。

        2021 年 10 月,国务院发布《2030 年前碳达峰行动方案的通知》,指出积极扩大包括氢 能在内的新能源在交通运输领域应用。到 2030 年,当年新增新能源、清洁能源动力的 交通工具比例达到 40%左右。

        根据我国《节能与新能源汽车技术路线图 2.0》规划:到 2025 年,新能源汽车销量占总 销量的 20%左右,氢燃料电池汽车保有量达到 10 万辆左右;到 2030 年,新能源汽车销 量占总销量的 40%左右;到 2035 年,新能源汽车成为主流,占总销量的 50%以上,氢 燃料电池汽车保有量达到 100 万辆左右。预计到 2025 年和 2035 年,我国加氢站数量分别达到 1000 座和 5000 座。

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        4.核心技术自主突破,逐渐夯实国产化基础

        4.1 关键指标追赶国际先进水平

        整体而言,目前我国燃料电池发动机系统关键材料和部件供应链基础仍较为薄弱,产业 链总体尚未形成较为稳定的零部件供应体系,零部件体系的全面国产化尚需一定时间。

        日本、美国等国家在氢能与燃料电池领域历经数十年的发展,技术发展阶段与产业化程 度整体领先我国。近年来,国内燃料电池企业国际间合作较多,与丰田汽车、Ballard、 Hydrogenics 等国际领先燃料电池企业开展战略合作,采取包括技术授权、股权投资、合 作研发等方式不断加快技术进步、推进产品量产和提升行业影响力。

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        燃料电池发动机系统的各项性能参数,包括能量效率、功率密度、低温启动性能以及关键材料和部件的成本降低和耐久性提升,均是燃料电池汽车大规模商业化的必备基础。

        我国燃料电池汽车产业链经过近年来快速发展,目前已初步掌握了燃料电池发动机、电 堆及其他关键部件的关键技术,基本建立了具有自主知识产权的车用燃料电池技术体系, 质子交换膜、催化剂、气体扩散层、膜电极和双极板等关键技术指标接近国际水平。

        国内企业亿华通在 2018 年 9 月完成了新一代国产燃料电池发动机系统 YHTG75 样机的 自主研发。比较而言,其燃料电池发动机系统产品各项关键指标与我国同行业可比公司 相比具备较强竞争力,低温启动能力与系统峰值效率更是达到了国际先进水平,但额定 功率与质量功率密度较国际领先企业仍存在一定差距。

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        4.2 规模化生产将有效降低成本

        虽然我国燃料电池汽车销量在近几年获得明显增加,已进入商业化的初期阶段,但由于 总体产量规模仍然较小,燃料电池系统成本仍然较高,因此现阶段整车成本仍然高于动 力电池汽车和燃油车,成为制约燃料电池汽车产业发展的因素之一。未来随着生产规模 的扩大,燃料电池系统成本将快速下降。根据美国能源部对燃料电池系统及电堆成本与 产量规模关系的测算,当厂商燃料电池发动机年产量达到 50 万套时,燃料电池电堆及 发动机成本可分别下降至 19 美元/千瓦及 45 美元/千瓦,成本较年产量 1000 套情况下分 别下降 84%、75%。

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        电堆成本是燃料电池系统成本的主要构成部分,电堆中除了铂催化剂外,其他主要材料 包括石墨、聚合物膜、钢等,且近年来单位功率铂载量随着技术突破不断下降,铂回收 利用成本低,因此长期来看,未来燃料电池汽车成本有望达到和动力电池汽车、燃油汽 车的成本相当。(报告来源:未来智库)

        5.国内外燃料电池领先企业比较

        我们从燃料电池汽车产业链的核心环节出发,梳理了目前国内外企业发展情况。

        燃料电池电堆生产企业:燃料电池电堆的研发和生产具备较高的技术壁垒,以丰田汽车 为代表的国际知名车企大多自行开发或与合作伙伴共同开发燃料电池电堆,一般不对外 开放。以 Ballard、Hydrogenics 为代表的国际知名电堆生产企业在燃料电池领域深耕多年, 具有较强的技术积累和产业化能力,可以对外单独供应车用电堆。目前,国内能够独立 自主开发电堆并经过多年实际应用的主要包括新源动力、神力科技等企业,一些新兴的 燃料电池企业通过获得国外技术授权、成立合资公司等方式生产燃料电池电堆。

        膜电极生产企业:目前,国产膜电极关键技术指标接近国际先进水平,但在专业技术特 性、产品实现能力、批量化生产工艺还存在差距。国外膜电极供应商主要包括 Johnson Matthey、Ballard 等具备大规模的流水线生产能力的供应商;丰田汽车、本田汽车等燃 料电池车企自主开发了用于其自身乘用车产品的膜电极但并不对外销售;我国专业膜电 极供应商已具备膜电极批量化生产能力,产品出口海外。

        双极板生产企业:双极板按材料可分为石墨双极板和金属双极板,石墨双极板电堆具有 耐腐蚀性强等特点,主要应用于商用车领域,代表性企业为 Ballard、Hydrogenics;金属 双极板电堆以其体积小、易于批量生产等特点,主要应用于乘用车领域,代表性企业为 丰田汽车等。目前石墨双极板已实现国产化,金属双极板尚未实现国产批量供应。

        燃料电池发动机生产企业:目前国际上燃料电池发动机系统技术水平较为领先的企业主要有:Ballard 和 Hydrogenics。国内主要的燃料电池企业包括亿华通、新源动力、上海 重塑、弗尔赛、江苏清能等。我们将国际领先的 Ballard 和国内领先的亿华通进行比较如 下:

        Ballard:Ballard 是质子交换膜(PEM)燃料电池技术的全球领导者,自 1979 年成立以 来一直致力于燃料电池及相关产品的开发制造,在 40 年发展历史中累计投入超过 10 亿 美元用于研究和开发质子交换膜燃料电池技术,已生产超过 850 兆瓦的质子交换膜燃料 电池产品。目前已成为集设计、开发、生产、销售为一体的燃料电池供应商,其主要产 品包括 30-100kW 的燃料电池系统及 4-50kW 的燃料电池电堆,产品被应用于商用车、后 备电源、物资搬运设备等各类应用场景,并为客户提供整体解决方案。

        Ballard 业务覆盖中国、德国、美国、英国、日本等数十个国家,主要客户包括戴姆勒奔 驰、奥迪、大众、BAE System、Plug Power 等整车巨头、军工企业和叉车公司,技术处 于国际领先水平,吸引了潍柴动力、大洋电机、联合技术公司(UTC)等多个发动机与 制造行业领先企业对其进行投资。同时,Ballard 对潍柴动力、大洋电机、国鸿氢能等多 个我国燃料电池领域新兴企业进行了技术授权,许可上述企业应用其技术生产燃料电池 电堆。

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        Ballard 的营业收入全部来源于燃料电池产品。2018-2020 年的营业收入分别为 6.63 亿元、 7.42 亿元、6.78 亿元,同比增速分别为-16%、12%、-9%;2018-2020 年连续三年亏损, 且亏损幅度持续扩大,归母净利润分别为-1.88 亿元、-2.72 亿元、-3.35 亿元。

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        亿华通:公司是国内少数具备燃料电池发动机系统批量化生产能力的企业之一,其核心 产品为自主研发的燃料电池发动机系统,突破了高功率密度燃料电池系统集成、车载氢 系统集成、燃料电池发动机系统低温快速启动、空气流量与压力解耦控制、水含量闭环 控制等多项技术难点。其子公司神力科技具备核心部件燃料电池电堆自主知识产权,是 国内极少数具备电堆量产能力的企业之一,用于配套亿华通生产销售的燃料电池发动机 系统。目前,公司及子公司具备 2000 台/年的燃料电池发动机生产能力和 1000 台/年的 电堆生产能力。公司燃料电池发动机及电堆生产涉及大量零部件采购,除少数高规格、 国产替代难度较高、验证周期较长的部件采用进口产品外,公司零部件国产化率已大幅 上升,产品关键性能接近国际先进水平。燃料电池发动机系统主要覆盖 30kW、60kW 和 75kW 系列。

        亿华通的营业收入全部来源于氢燃料电池行业,且业务几乎全部来自国内。其中发动机 系统的收入占比约 90%,此外,还有零部件业务、技术开发及服务等,二者分别占比 5% 左右。

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        2018-2020 年,亿华通的营业收入分别为 3.68 亿元、5.54 亿元、5.72 亿元,同比增速分 别为 83.12%、50.25%、3.37%;归母净利润分别为 23.12 亿元、63.92 亿元、-22.52 亿元, 同比增速分别为-24.05%、176.5%、-135.24%。2019 年公司营收和净利润均实现较大幅度 增长,在于当年我国燃料电池汽车下游市场需求上升,同时随着公司实现燃料电池发动 机系统批量供应、电堆国产化以及零部件供应链逐步完善,盈利能力得以提升。

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        从盈利能力指标来看,亿华通的各项数据均优于 Ballard。亿华通和 Ballard 的毛利率在近 三年均呈逐年下滑趋势,亿华通从 2018 年的 50.32%下降至 2020 年的 43.66%,Ballard 从 2018 年的 30.72%下降至 2020 年的 20.2%。ROE 方面,Ballard 近三年的 ROE 均为负数, 亿华通 2018-2019 年 ROE 在 5%左右,2020 年下滑至-0.99%。

        (本文仅供参考,不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息,请参阅报告原文。)

        精选报告来源:【未来智库】。

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