行业评级：推荐燃料电池汽车：特殊场景下跑通商业化是第一步研究员孙其默投资咨询证书号S0620523060001联系方式025-58519170邮箱qmsun@njzq.com.cn更多报告请关注公众号：全球行业报告库摘要：燃料电池汽车的优势与定位明确，短期发展依然面临挑战。燃料电池效率高、加注快、启动温度低、排放低。燃料电池弥补了动力电池的不足，主要替代的是高纬度、中长距离运输、高负荷运输需求。对应重卡、叉车、客车、城市环卫车等应用场景。购车成本与加氢成本高导致经济性依然弱于燃油车与动力电池汽车，短期推广局限于示范项目。燃料电池汽车产业链：燃料电池汽车产业链中，氢制取、氢运输、氢加注是产业上游的关键要素；燃料电池电堆集成和燃料电池系统构成了产业的中游，其中膜电极、双极板等核心零部件组成的燃料电池系统有较高的技术壁垒；下游主要对应燃料电池整车制造行业，包括重卡、叉车、客车、乘用车。燃料电池汽车产业链长，需要各环节协同发展，单个环节的技术突破依然需要上下游的配合。燃料电池工作原理与系统构成：工作原理包括反应物的输入、生成物的排除、电化学反应与离子传导。燃料电池系统对应工作原理，其构成包括：氢气、氧气供给系统、尾排系统、燃料电池电堆与辅助系统。核心零部件依赖进口，国产化与掌握核心技术迭代能力是关键。1.催化剂：主要作用是促进氢、氧在电极上的氧化还原过程，提升催化剂的活性也就是提升电池的性能。发展的趋势是保证结构稳定与功率的前提下，降低贵金属载量以降低成本。2.质子交换膜：主要作用是传递质子、隔开阴阳极间的反应气以及阻隔电子通过隔膜。质子交换膜的发展趋势是在结构稳定的前提下，越薄越好。越薄意味着电阻越小，所需的原材料越少。3.气体扩散层：当前完全依赖进口，在降低贵金属载量的行业大趋势下，气体扩散层的重要性逐步提升。4.双极板：基本已实现国产化，为配合低铂催化剂的趋势，流道设计方面需要革新。燃料电池性能的影响因素：1.燃料电池动力学：性能受限于电化学极化（催化剂性能）、欧姆极化（质子交换膜厚度）、浓度极化（气体扩散层的传导效率与双极板流道设计）。伴随着低铂催化剂的发展，浓差极化（气体扩散层）重要性显著提升。2.衰减机制：零部件稳定性决定燃料电池电堆寿命。行业发展的趋势：短期，特殊场景下依托区域资源优势，降低加氢成本是当前燃料电池汽车最快实现经济性的方式。示范项目落地推动配套设备完善，特别是在制绿氢方面，首先满足工业用氢需求，也是为新增用氢需求做基础。中期，伴随燃料电池零部件国产化率提升，购车成本下降，叠加配套加氢成本下降，燃料电池汽车在补贴的情况下可以实现经济性。投资建议：燃料电池汽车关键零部件国产化率低，短期购车成本大幅下降难度大。加氢成本下行是当前实现局部经济性的主要手段。为了降低用氢成本，利用可再生能源发电规模化制氢是政策鼓励的方向。绿氢在氢能供给端占比低，下游需求广阔。双碳政策下，绿氢占比将逐步提升。伴随制备绿氢占比提升，电解水碱性电解槽的需求将大幅增长。受益于碱性电解槽设备放量，相关的标的业绩将快速增长。逢低关注：华电重工、华光环能。风险提示：国家氢能政策补贴暂停，政策鼓励不及预期；燃料电池汽车技术迭代、成本下行的趋势遇到瓶颈；燃料电池汽车关键零部件材料的国产化、规模效应不及预期。目录：主要观点：燃料电池汽车的定位与行业发展路径燃料电池工作原理与整车驱动系统模块燃料电池关键零部件现状与发展趋势①催化剂②质子交换膜③空气扩散层④双极板燃料电池性能与寿命；燃料电池动力学与衰减机理行业发展的观点与投资建议更多报告请关注公众号：全球行业报告库主要观点：燃料电池汽车特点与应用场景&行业发展路径燃料电池汽车的优势：①效率高：直接将氢化学能转化为电能，热电理论效率可达85%。实际效率在45-60%；②能量密度高：加氢3-5mins，续航500-700km；③冷启动：燃料电池汽车可以在-30OC的环境下启动④环境友好：以氢氧为燃料，反应物仅为水，零排放；⑤可靠性高：模块化结构，维修方便。燃料电池汽车主要应用场景：燃料电池弥补了动力电池的不足，主要替代的是高纬度、中长距离运输、高负荷运输需求。对应重卡、叉车、客车、城市环卫车等。燃料电池发展的主要挑战：①燃料电池汽车的性能（效率、成本、寿命）离商业化依然存在差距。主要挑战：核心原材料国产化、催化剂贵金属载量等。②国产性能和海外龙头有差距：因为载重、响应速度，怠速等问题，配备高功率锂电池是当前重卡的必须选项。③燃料电池汽车和加氢站的匹配问题：行业陷入现有鸡还是现有蛋的问题，加氢需求不足导致加氢站建设缓慢，没有加氢站导致燃料电池加氢难、加氢贵。行业发展构想：2-3年实现特定情况下燃料电池的商业化，特定情况指的是企业自身就有工业副产氢（焦炉气、氯碱副产气、丙烷脱氢、乙烷裂解），增加纯化装置后可大幅降低加氢成本，这种方式是最有可能实现商业化的发展路径。3-5年，燃料电池零部件国产化率提升，购车成本下降。制氢实现规模化，氢气管道运输建设，加氢成本下降，燃料电池汽车在补贴的情况下可以实现经济性。5-10年，商用车的发展带动加氢站的建设，单车铂载量的提升，燃料电池乘用车替代燃油车。燃料电池汽车产业链资料来源：中国汽车工程学会《节能与新能源汽车技术路线图2.0》、南京证券研究所燃料电池汽车产业链中，氢制取、氢运输、氢加注是产业上游的关键要素；燃料电池电堆集成和燃料电池系统构成了产业的中游，其中膜电极、双极板等核心零部件组成的燃料电池系统是产业核心；下游主要对应燃料电池整车制造行业，包括重卡、叉车、客车、乘用车。产业链特征：①行业属于技术突破推动产品的性价比提升（性能、寿命和成本），从而实现商业化落地；②产业链长，产业依托各环节协同发展，单个环节的技术突破依然需要其他环节的配合；③支持发展燃料电池汽车有利于，工业交通深度脱碳，打破长期能源进口依赖的困境。燃料电池汽车产业链更多报告请关注公众号：全球行业报告库质子交换膜燃料电池PEMFC：基本工作原理资料来源：章俊良《质子交换膜燃料电池原理与技术》、《氢能源燃料电池交通解决方案》、南京证券研究所质子交换膜燃料电池的工作部件主要有外电路、阴阳极和电解质（质子交换膜）等部分构成。其工作原理是将燃料（H2）和氧化剂（O2）通过双极板上的通道分别送到电池的阳极和阴极，在催化剂的作用下H2在阳极解离为H+和电子，H+利用交换膜中的磺酸基作为媒介迁移到阴极，实现质子导电，电子经过外电路到达阴极，并逐渐累积形成负极。与此同时，阴极的O2与H+和电子反应生成H2O。反应物的输入：要求燃料和氧气在流道-扩散层-催化层空隙中的运输具有持续性、均匀性和高效性（涉及流场设计、扩散层和电极结构设计等）；电化学反应：希望电化学反应速率越高越好（涉及催化剂的设计和制备）；离子传导：希望质子交换膜和催化剂中离子传输越快越好，传到距离越短越好以降低传质电阻（涉及离子聚合物和膜材料的设计和制备）生成物的排出：要求水等产出物从催化剂表面快速解吸，然后快速通过催化剂-扩散层-流道排除，避免阻碍新鲜反应物进入（涉及流场设计、扩散层和电极结构设计等）燃料电池工作原理电池片与电堆结构燃料电池汽车组成部分：资料来源：章俊良《车用燃料电池技术的发展现状与展望》、BMW产品介绍、《氢能源燃料电池交通解决方案》、燃料电池百科、南京证券研究所燃料电池动力系统的核心部件，其主要由电堆、控制系统、供气系统、冷却系统以及系统附件组成。从工作原理的角度来看：①电化学反应和离子传输：燃料电池电堆，其中MEA（质子交换膜、催化层和气体扩散层）最为核心；②反应物的输入：氢气与氧气供给系统；③生成物的输出：尾排系统；④辅助系统：压缩机、加湿器、氢循环装置、冷却系统。燃料电池动力系统结构宝马iX5Hydrogen驱动系统燃料电池车部件燃料电池电堆结构更多报告请关注公众号：全球行业报告库燃料电池系统成本构成：结构与原理资料来源：中国汽车技术研究中心《中国燃料电池汽车发展路线图》、DOE《FuelCellSystemCost-2017》、美国能源部、中国科学院青岛生物能源与过程研究所、南京证券研究所膜电极MEA：质子交换膜、催化剂层和气体扩散层，是燃料电池的核心部分。膜电极决定了燃料电池的性能（效率、成本、寿命）。如果没有掌握核心技术，规模化效应对于关键零部件的降本作用相对较弱，所以关键零部件实现国产化是商业化的关键。◼质子交换膜龙头：杜邦科慕、GORE戈尔◼电催化剂：JohnsonMatthey，BASF、TANAKA田中贵金属集团◼碳纸/钛毡：TORAY东丽、CABOT卡博特全球燃料电池材料产业链代表企业燃料电池系统成本构成燃料电池催化剂：催化剂研发策略路径资料来源：《基于Pt基纳米线的催化层构筑及其质子交换膜燃料电池性能研究》、《电催化理论与实验相结合：深入探究材料设计》、南京证券研究所其作用是降低反应的活化能，促进氢、氧在电极上的氧化还原过程、提升催化剂的活性也就是提升电池的性能。由于贵金属使用，低成本、高性能的催化剂行业主要的研究方向。研发的主要思路就是在保证结构稳定（寿命）的前提下，提升活性（效率），降低贵金属载量（成本）。目前常用商业催化剂是贵金属催化剂Pt/C。伴随着技术的发展，Pt载量从10年前的0.8-1g/kW下降至0.15-0.20g/kW。最终目标是降低至<0.05g/kW，也就是传统内燃机尾气净化器。不同结构下结构下催化剂活性更多报告请关注公众号：全球行业报告库Pt基础催化剂：核壳型与纳米结构资料来源：衣宝廉《燃料电池的关键技术》、《铂基纳米晶的形貌可控合成及其在燃料电池中的应用研究》、丁云杰《金属纳米和单原子催化剂的创制与工业应用》、南京证券研究所Pd@Pt/C核壳催化剂质量比活性核壳性铂基催化剂：质量比活性提升11倍；纳米结构铂基催化剂：质量比活性提升22倍；单原子波及催化剂：Pt单原子催化剂具有100%原子利用率，高催化活性、稳定性。在化工已经实现工业化，氢甲酰化单原子催化剂用于乙烯多项氢甲酰化以及加氢制正丙醇。Pt3Ni纳米笼结构ORR催化剂形成过程单原子活性点位催化剂丰田Mirai2燃料电池系统：资料来源：TOYOTA、南京证券研究所MiRai一代的，Pt的用量是40g。目标是0.06g/kW也就是每辆车的用量在6-8g生产效率提升缩减70%设备投资额；FC系统成本缩减1/3；1.电池片减少40片；2.单片电池厚度缩减15%；3.铂金量减少58%.4.零部件小型化，减少用量缩减成本65%；5.调整加工方法改善成品率缩减59%；催化剂国产化进程：大化所自主研制的催化剂资料来源：中国汽研新能源中心、衣宝廉《燃料电池汽车现状》、TANAKA官网、晟尔诺、秦晓平《燃料电池Pt3Pd/C电催化剂的表征与应用》、南京证券研究所商业化产品性能指标国内制备的合金催化剂在电堆测试中已基本和国外商业化产品相当，其寿命（电压衰减率）基本达到车用水平。国产催化剂的价格优势较为明显；大化所研制的Pt3Pd/C催化剂已在新源动力整车开始试用，下一阶段就是在制备工艺上得到改善，实现公斤级别的产量。TANAKA商业化产品品牌JMTKK晟尔诺大化所型号Hispec4000Hispec9100TECO10E20ETEC10E50ESPE20SPE40SPE60Pt3Pd/C铂含量（%）38-4155.5-58.519.446.119.6-20.539-41.559.6-60.5含水量(%)<2<3<3<3<3氯化物(ppm)<500<300<300<300<300比表面积（m2/g）>10085544.4103.1909074堆实密度（g/cc）<0.4粒径（nm）<3.5<2.82.41.9<3.5<3.5<3.52.8-5.8单价（￥/g）680850666.4766.4341.2431.2541.2产地美国日本中国质子交换膜：全氟磺酸型质子交换膜资料来源：童鑫《质子交换膜燃料电池研究现状及发展》、中国汽研新能源中心、衣宝廉《氢燃料电池》、南京证券研究所质子交换膜与Nafion成本构成质子交换膜（PME）的主要作用：传递质子、隔开阴阳极间的反应气以及阻隔电子通过隔膜。质子交换膜的性能影响电堆的性能和寿命。①质子电导率高（离子交换容量EW）并绝缘电子；②燃料渗透率低（氢气透过率），从而很好地隔绝燃料和催化剂；③机械性能好，柔韧性高（拉伸强度）；④膜吸水膨胀率高（吸水膨胀率）；⑤化学稳定性高，不容易降解。质子交换膜要求在保证结构稳定（复合膜PTFE增强机械性能）的前提下，越薄越好，电阻越小，损失的电压越小。质子交换膜技术工艺占成本较大，意味着实现国产替代后，预计将降低质子交换膜价格40-50%。商业化产品参数商业化产品参数公司DuPont东岳集团物理性质Nafion211Nafion212厚度μm25.450.8厚度μm50/30/20拉伸强度（横向）Mpa2332拉伸强度Mpa28拉伸强度（纵向）Mpa2832断裂伸长率（横向）%252343断裂伸长率%150断裂伸长率（纵向）%311321离子交换容量mmol/g0.95-1.010.95-1.02离子交换容量mmol/g1氢气透过率mL/(mincm2)<0.02<0.01水含率（23oC水,1h）%5±35±3水含率（23oC水）%6水吸收率（100oC水,1h）%50±550±5水含率（100oC水）%40长度变化率（23oC,1h）%1010吸水线性膨胀率（23oC）%10长度变化率（100oC,1h）%1515吸水线性膨胀率（23oC）%15价格(￥/m2)166661833310500更多报告请关注公众号：全球行业报告库气体扩散层：内部水气传质过程资料来源：章俊良《质子交换膜燃料电池原理与技术》、中国汽研新能源中心、南京证券研究所扩散层浓度差异主要由碳纸或碳布制作，厚度为0.2-0.3mm。主要作用：1.支撑催化剂层；2.高孔隙率和适宜的孔径分布，提高传质效率；3.电的良导体，用于收集电流；4.热的良导体；5.电化学稳定，不会被腐蚀与降解。制备难点：产品空隙大小的一致性、空隙分布的均匀程度。完全依赖进口，在降低贵金属载量的行业大趋势下，气体扩散层的重要性逐步提升。商业气体扩散层双极板：典型双极板结构图资料来源：上海治臻新能源股份有限公司招股说明书、章俊良《质子交换膜燃料电池原理与技术》、南京证券研究所流道设计传质研究双极板的主要作用为分配气体、导电导热以及支撑膜电极，是燃料电池的骨架和基础。双极板有进出口、流场分配区及流场反应区组成。其中，进出口将氢气、氧气/空气和冷却液引入双极板，为电化学反应提供工质，并通过冷却液调整反应温度。分配区主要将氢气、氧气/空气和冷却液均匀分配到流场反应区的流道中，为电化学反应一致性提供保障；流场反应区与膜电极均匀接触，供给氢气、氧气/空气，带走反应产物，并进行电子及反应热传导，对结构一致性要求高。金属双极板以非贵金属（如不锈钢、钛）为基材、辅以表面涂层处理技术。对于双极板来说，流道的设计最为重要，是高度保密的专有技术。设计思路：在不发生水淹的前提下，维持质子传导性（膜要有一定的湿度）。更多报告请关注公众号：全球行业报告库燃料电池动力学：资料来源：章俊良《质子交换膜燃料电池原理与技术》、南京证券研究所电化学极化(电化学损失)：缓慢的电极动力学引起。（催化剂性能决定）欧姆极化：源于电解质对离子的流动阻力和电子对店里的流动阻力。（伴随质子交换膜的厚度变薄，重要性降低）浓度极化：主要有反应物想活性点位扩散缓慢引起的。随着反应物在电极表面被消耗，电极表面和溶液本体之间会出现一个浓度梯度，导致电池的电压损失。在催化层的反应物和生成物的浓度决定了电池的性能（效率、散热）。流场与催化层的浓度差代表着电动势的损失。（Pt载重降低，重要性提升）阴极ORR反应质子交换膜燃料电池的电流电压关系图浓度极化阴极氧气传质机理：浓差极化浓度阶梯性变化资料来源：章俊良《质子交换膜燃料电池原理与技术》、南京证券研究所氧气在气体扩散层不会消耗，但到了催化剂层氢气被消耗使得浓度差扩大。在气体扩散层（包括碳纤维层和微孔层）进行分子扩散。在催化层中，主要进行体相扩散（克努森扩散）和局域传质，一边反应一边扩散;流道阻力、气体扩散层阻力、体相传质：和催化剂表面积没有关系，只和厚度有关和孔径大小有关,所以当设计确定下来，电阻基本确定；局域传质：电流密度提升，催化剂铂载量降低，单位铂表面积所产生的电流是越来越大的，单个活性点位的性能要求提升，局域传质提升。（局域传质限制了铂载量的下降）燃料电池双极板布置燃料电池双极板布置更多报告请关注公众号：全球行业报告库寿命：衰减机制催化剂衰减资料来源：章俊良《质子交换我燃料电池原理与技术》、张久俊《氢能燃料电池关键技术与非碳支持体催化剂》、南京证券研究所催化剂衰减机制：铂合金催化剂，铂的溶剂和沉积，催化剂比较面积活性越来越小，电极动力学衰减；膜和Ionomer衰减：主要来源于离子污染和化学/电化学的降解，而一些金属离子的溶出会加剧其降解；(双氧水生成OH自由基攻击膜，自由基还会攻击金属双极板（Fe2+），所以金属双极板的涂层得做好。)碳载体降解：主要表现为表面碳的氧化和腐蚀。碳在电化学的环境下，和水反应生成一氧化碳和二氧化碳。碳的衰减和催化剂的性能是正向关系，也有用金属氧化物隔绝催化剂和碳载体的设计。膜和碳载体衰减总结现状：国内燃料电池汽车产业链逐步成熟，已经进入产业化导入阶段。与发达国家相比，我国燃料电池核心原材料及部件水平、以及整车耐用性及寿命仍有一定差距。当前经济性与燃油车与动力电池汽车依然有较大差距。当前落地的示范项目，都是加氢成本较低的特殊场景（工业副产氢、绿氢制备成本低）。①燃料电池购车成本高。零部件国产化率低、规模效应不足导致购车成本高；②加氢成本高加氢难。氢气制储运加注等配套基础设施不完善，导致加氢成本高。发展方向：燃料电池购车成本下行依赖于电池技术迭代。燃料电池的全面商业化依赖于燃料电池关键技术突破、国产化率提升、规模化效应以及加氢配套基础设施建设。投资建议：燃料电池汽车关键零部件国产化率低，短期购车成本大幅下降难度大。加氢成本下行是当前实现局部经济性的主要手段。为了降低用氢成本，利用可再生能源发电规模化制氢是政策鼓励的方向。绿氢在氢能供给端占比低，下游需求广阔。双碳政策下，绿氢占比将逐步提升。伴随制备绿氢占比提升，电解水碱性电解槽的需求将大幅增长。受益于碱性电解槽设备放量，相关的标的业绩将快速增长。逢低关注：华电重工、华光环能。资料来源：刘应都《氢燃料电池技术发展现状及未来展望》、南京证券研究所氢燃料电池技术体系更多报告请关注公众号：全球行业报告库风险提示•国家氢能政策补贴暂停，政策支持出现转向；•燃料电池汽车技术迭代、成本下行的趋势遇到瓶颈；•燃料电池汽车关键零部件材料的国产化、规模效应不及预期。免责声明•本报告仅供南京证券股份有限公司（以下简称“本公司”）客户使用。本公司不因接收人收到本报告而视其为客户。•本报告基于本公司认为可靠的、已公开的信息编制，但本公司对该等信息的准确性及完整性不作任何保证。本报告所载的意见、评估及预测仅反映报告发布当日的观点和判断。在不同时期，本公司可能会发出与本报告所载意见、评估及预测不一致的研究报告。同时，本报告所指的证券或投资标的的价格、价值及投资收入可能会波动。本公司不保证本报告所含信息保持在最新状态。本公司对本报告所含信息可在不发出通知的情形下做出修改，投资者应当自行关注相应的更新或修改。•本公司力求报告内容客观、公正，但本报告所载的观点、结论和建议仅供参考，不构成所述证券的买卖出价或征价。该等观点、建议并未考虑到个别投资者的具体投资目的、财务状况以及特定需求，在任何时候均不构成对投资者私人投资建议。投资者应当充分考虑自身特定状况，并完整理解和使用本报告内容，不应视本报告为做出投资决策的唯一因素。对依据或者使用本报告所造成的一切后果，本公司及作者均不承担任何法律责任。任何形式的分享证券投资收益或者分担证券投资损失的书面或口头承诺均为无效。•本公司及作者在自身所知情的范围内，与本报告所指的证券或投资标的不存在法律禁止的利害关系。在法律许可的情况下，本公司及其所属关联机构可能会持有报告中提到的公司所发行的证券头寸并进行交易，也可能为之提供或者争取提供投资银行、财务顾问或者金融产品等相关服务。本公司的资产管理部门、自营部门以及其他投资业务部门可能独立做出与本报告中的意见或建议不一致的投资决策。•本报告版权仅为本公司所有。未经本公司书面许可，任何机构或个人不得以翻版、复制、发表、引用或再次分发他人等任何形式侵犯本公司版权。如征得本公司同意进行引用、刊发的，需在允许的范围内使用，并注明出处为“南京证券研究所”，且不得对本报告进行任何有悖原意的引用、删节和修改。本公司保留追究相关责任的权力。所有本报告中使用的商标、服务标记及标记均为本公司的商标、服务标记及标记。分析师声明•作者具有中国证券业协会授予的证券投资咨询执业资格，保证报告所采用的数据均来自合规渠道，分析逻辑基于作者的职业理解，本报告清晰准确地反映了作者的研究观点，力求独立、客观和公正，结论不受任何第三方的授意或影响，特此声明。更多报告请关注公众号：全球行业报告库投资评级说明南京证券行业投资评级标准：推荐：预计6个月内该行业指数相对沪深300指数涨幅在10%以上；中性：预计6个月内该行业指数相对沪深300指数涨幅在-10%～10%之间；回避：预计6个月内该行业指数相对沪深300指数跌幅在10%以上。南京证券上市公司投资评级标准：买入：预计6个月内该上市公司股价相对沪深300指数涨幅在15%以上；增持：预计6个月内该上市公司股价相对沪深300指数涨幅在5%～15%之间；中性：预计6个月内该上市公司股价相对沪深300指数涨幅在-10%～5%之间；回避：预计6个月内该上市公司股价相对沪深300指数跌幅在10%以上。