燃料電池的野望！

氫是這個宇宙中最豐富的物質之一，但或許正因爲氫的大量存在，有時會忘記了氫的價值。

從最初作爲內燃機的燃料，到現在氫氣已經可以爲空中旅行提供動力。在大談新能源應用的時代，氫又將以燃料電池這一應用形式，再次成爲全人類能源革命中的焦點。

談到燃料電池，大家並不陌生，也不屬於一個新生事物。

使用氫燃料電池的汽車，能量密度高、續航里程長，而且避免了使用鋰和鈷等元素，更具環保性。

所以，無論怎麼看，燃料電池汽車似乎都是一個理想的新能源汽車模型。

但具體到實踐應用層面，受制於氫氣製備、燃料電池技術突破等因素制約，燃料電池汽車並沒有成爲應用的主流。

在新能源汽車概念被炒上天的這些年，更多的也只是停留在概念而已。

但眼下，隨着燃料電池技術在商用車的推廣，政策的引領，技術的迭代，都在將燃料電池汽車推向真正意義上的產業導入期。

所謂燃料電池，就是通過化學反應，將燃料及氧化劑中蘊含的化學能轉換爲電能的裝置。

當然，這個燃料可以是很多物質。只不過由於氫氣的綜合適用性較好，現在大家提起燃料電池，一般指的是氫氣燃料電池。

實際上，早在200年前內燃機誕生的時候，氫氣就被用在第一代內燃機中作爲燃料。豐田在2014年推出了全球第一輛商業化的燃料電池車。由於安全性、能量密度、制氫工藝等問題，最終作罷。

同樣，今天所說的燃料電池，氫氣並不是真正作爲燃料，而是與氧氣發生反應轉化爲電能。

同樣作爲動力電池，燃料電池與鋰電池最大的不同點是：

鋰電池是一個儲能裝置，而燃料電池根本上是一個發電裝置。

涉及到燃料電池這個話題，需要燒腦一下，或多或少的要用到一點點理工科的小知識，也可以理解爲投資中的第一性原理。

如下圖所示，氫能源燃料電池的一般構成主要由陽極、陰極、催化劑塗層、電解液幾部分構成。

在反應原理上也很好理解，可以概括爲下圖所示的5個步驟。

燃料電池反應堆原理

圖片來源：德勤

第一步——加氫：將氫氣加註到陽極（氫電極側）。

第二步——催化：進入到陽極的氫氣與塗抹在陽極上的催化劑發生反應，開始釋放電子並形成帶正電荷的氫離子。

第三步——運動：帶正電荷的氫離子穿越電解液到達陰極。

第四步——放電：由於產生的電子不能穿過電解液，直接進入圖4環節，形成電流。

第五步——排水：在陰極加入氧氣，也在催化劑的作用下，與穿越到陰極的氫離子發生反應，直接形成水排出。

至此，一個以氫氣爲燃料的電池反應堆就誕生了。

動力鋰電池領域，根據正極材料的不同，有着三元、磷酸鐵鋰之分。燃料電池根據使用的電解質不同，也有多個技術類型。

主要的包括：質子交換膜燃料電池（PEM），鹼性燃料電池（AFC），磷酸燃料電池（PAFC），固體氧化物燃料電池（SOFC）以及熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）四個類型。

具體技術差異暫且不論，總體而言，目前質子交換膜（PEM）是處於商業化最前沿的燃料電池。

啓動時間短，空氣就可以作爲其氧化劑來源，這些特性使得PEM成爲汽車能源的理想解決方案。

從實踐應用場景來看，燃料電池主要運用於固定式電源、交通運輸和便攜式電源三大類領域。

氫燃料電池應用場景

圖片來源：國聯證券

也就是說，從目前的技術應用成熟度來看，氫燃料電池的主要應用場景在交通運輸方面。

不同場景的氫燃料電池裝機量（MW）

圖片來源：國聯證券

在氫燃料電池三大應用場景中，從全球範圍看，在裝機量上也都是以交通領域的應用爲主。

原因也很簡單，歷次能源變革的最新成果總是與交通工具的應用密不可分。在新能源發展進程中，也不會例外。

千百年來，人類從未停止過對能源技術的探索。燃料電池並不是一個新產物。

在世界上第一臺內燃機誕生前的1839年，威爾士科學家威廉·格羅夫發明了氫燃料電池的原型。

70年代的石油危機推動了氫燃料電池在汽車上的應用。在接下來的幾十年當中，不同國家和地區的科學家，都爲了推動燃料電池車的發展做了不懈的努力。

直到2014年豐田推出全球第一輛商業化的氫燃料電池汽車，開啓了氫燃料電池汽車的大規模應用探索。

採用燃料電池和鋰電池兩種技術推動新能源汽車的發展，在產業發展初期並沒有展現出清晰的分工格局。兩者對比各有明顯優劣勢。

燃料電池與純電動優勢對比

圖片來源：羅蘭貝格

正是因爲氫燃料電池具有更高功率和能量密度，在載重和續航方面有較大優勢。

例如特斯拉的電動重卡模型中，預計其電池重量可以達到4.5噸。而燃料電池車就沒有這樣的問題，因爲其所攜帶的氫氣質量遠小於同等能量所需的電池質量。

但是，在加氫站等配套設施方面相較純電存在明顯劣勢。

對於純電驅動的新能源汽車，雖然續航能力有弱勢，但是綜合安全性、經濟性等因素，在個人的中短途出行上明顯勝出。

另外，需要說明的是，燃料電池車與純電動車同屬新能源汽車範疇。

從下圖可以看出，燃料電池、燃油車、純電動汽車三個車型中，燃料電池車與純電動車的主要差異是動力來源問題，在構造上並無太大差異。

但與燃油車相比，依然是顛覆性的，畢竟沒有了發動機。

三種汽車的動力解決方案

圖片來源：德勤

2020年，中國氫燃料電池系統裝機量爲80.4MW，因疫情的原因，同比下降了36%。從汽車銷量上看，2021年1-8月，燃料電池汽車產銷分別完成724輛和733輛，同比分別增長27.7%和26.8%。

所以，經過這些年的發展，新能源汽車領域初步達成共識：氫燃料電池主要應用於重卡、公交、客車等商用車領域；純電動主要應用於乘用車領域。

2020 年，物流特種車在燃料電池汽車中佔比最高爲53.4%，其次爲公交客車佔比 36%，租賃乘用車佔比僅爲 0.1%。

2020年度燃料電池型商用車應用類型

圖片來源：開源證券

具體而言，氫燃料電池汽車適用的應用場景主要包括固定路線、中長途幹線、高載重。

具體到我們國家而言，從“十五”時期開始，確立了以純電動汽車、混合動力汽車、燃料電池汽車爲“三縱”，以多能源動力總成控制系統、驅動電機和動力電池爲“三橫”。

通過構建“三縱三橫”的新能源汽車佈局實現彎道超車。其中，燃料電池汽車也是關鍵一環。

去年10月份，工信部發布了《節能與新能源汽車技術路線圖2.0》，提出燃料電池汽車以客車和城市物流車爲切入領域，重點在可再生能源制氫和工業副產氫豐富的區域推廣中大型客車、物流車，逐步推廣至載重量大、長距離的中重卡、牽引車、港口拖車及乘用車等，實現氫燃料電池車更大範圍的應用。

燃料電池汽車歷年銷量

圖片來源：中汽協

相較於鋰電池近幾年百吉瓦時規模的裝機以及百萬輛級別的銷量相比，應該說，國內燃料電池產業仍處於導入期，而鋰電池驅動的新能源汽車產業已經由導入期進入到成長期。

導入期的開始，同時也意味着一個確定的產業化進程正式開啓。

從行業發展帶來的貝塔紅利效應看，增長最爲強勁或者誕生牛股的產業階段，就是導入期和成長期。

燃料電池產業進入導入期的投資紅利體現在兩個方面：一個是行業規模壯大，一個是設備國產化替代。

如果按照燃料電池的製造環節和應用場景，可以分爲上游氫氣、中游電池系統、下游產品應用三大環節。

燃料電池產業鏈

圖片來源：中商研究院

01 上游的氫氣製備

具體又可以分爲制氫、存儲和運輸。無論燃料電池技術如何發展，氫氣是最源頭的能源。

2018年氫氣產量約爲2100 萬噸，換算熱值佔終端能源總量的份額爲 2.7%。

如果燃料電池的發展速度超預期，按照終端能源佔比在10年內提升一倍的樂觀估計，氫氣的需求量至少要翻兩番以上。

氫，雖然是地球上最多的元素，但在自然狀態下的遊離態氫卻較爲匱乏，因此需要一定的制氫技術將氫氣從含氫原料中製備出來。

所以就目前而言，我國最常見的制氫方法包括：以煤炭、天然氣爲主的化石能源重整制氫，電解水制氫和以焦爐煤氣、氯鹼尾氣爲代表的工業副產氣制氫。

這裡面，依託化石能源進行氫氣製備的工藝成熟，成本較低，是主流的制氫方式。其次是電解水制氫，但成本略高。

值得關注的是，隨着光伏、風力發電裝機量規模的提升，利用可再生能源發電進行制氫進而實現儲能的發展路線，在一些地方已經開始付諸實踐。

氫氣的存儲和運輸向來是制約氫能源利用的關鍵問題。氫氣需求量的加大，對應的就是加氫站擴建規模。

在加氫站投資中，我國大部分的氫氣存儲方式是高壓儲氫，其中，一個關鍵的設備就是氫氣壓縮機，也是儲氫系統中成本佔比最高的一個環節。

加氫站關鍵設備成本結構

圖片來源：開源證券

長期以來，儲氫設備的核心技術在國外企業手中，像美國的PDC、英國豪頓、德國Andreas Hofer都是業內的佼佼者。

壓縮機這個環節中的國產化替代比例也在慢慢擴大，像北京天高、江蘇恆久、京城機電等企業也都日漸擴大了市場份額。

02 中游的電池堆

交通運輸作爲燃料電池的最大應用場景，在一個氫燃料電池汽車當中，燃料電池系統是關鍵的關鍵，成本佔比也是最大的一塊，高達60%以上，正如純電動汽車當中的動力鋰電池。

燃料電池汽車成本構成

圖片來源：國元證券

燃料電池系統又包含電池堆和輔助系統兩大塊，成本結構爲四六開。

文章開頭拆解了燃料電池反應堆的構成，按照構成部件來分，主要有四個關鍵部件。

燃料電池反應堆核心構成部件

圖片來源：君臨

首先，看催化劑。這是氫燃料電池堆中成本佔比最大的一塊核心材料。使用的是摻雜了鉑的催化劑（就是鉑金元素）。

與其他環節的材料類似，核心技術也掌握在日美手中，特別是日本這種依靠精密製造和材料立國的國家。

國內的上市企業貴研鉑業也在專注這一催化劑的研製，儘管早在2014年就與上汽簽了合作協議，但目前爲止，產品還處在實驗室階段。

其次，看質子交換膜。這種材料有點類似鋰電池裡面的隔膜，對精密製造能力要求較高。在港股上市的東嶽集團有一個150萬平米的燃料電池膜產線。

如果燃料電池的市場規模擴大，該標的成爲像恩捷股份這樣的強勁增長企業也不是沒有可能。

再次，看雙極板。雙極板是反應堆中僅次於催化劑的關鍵材料。

目前，石墨雙極板是國內主流雙極板，導電性、導熱性、穩定性都不錯。在市場佔比上，石墨雙極板佔 65%，金屬雙極板佔 35%。

燃料電池雙極板

圖片來源：燃料電池乾貨

如上圖所示，看似簡單的兩個材料板，但卻是整個燃料電池反應堆的骨架。由於加工難度大，成本也佔比較高。目前，威孚高科與安泰科技在雙極板上走在國內前列。

實際上，前面談及的幾個材料環節的企業，在商業模式的理解上可以參照現在鋰電池領域的一些上游企業。但以目前燃料電池的商業化應用規模而言，無論是銷量還是收入都並不是太高，國產化全產業鏈的搭建進程也在慢慢進行中。

在燃料電池系統集成中，成立於2012年的億華通值得關注。這家座標北京的企業，自稱是國內氫能產業領導者。

億華通在覈心材料、零部件和系統集成上走在全國前列，背後的科研力量是清華的歐陽明高教授團隊。

億華通目前在科創板上市。儘管還沒有盈利，但2013年開始，營收的年複合增速達96%以上。自2015年起，毛利率穩定保持在 40%以上。

億華通曆年營業收入

圖片來源：開源證券

我們知道，上一個5年，在動力鋰電池行業，隨着行業景氣度的提升，誕生了寧德時代這樣的全球電池龍頭。

如果做一個假設，在燃料電池領域也誕生一家寧茅企業，最有希望的就是億華通。

辯證唯物主義哲學當中的一大原則是，實踐是檢驗真理的唯一標準。

具體到產業發展亦是一樣的道理。

在新能源汽車發展的這件事上，最初的技術路線理論很多，最後能夠具備大規模商業化的，從產業配套到市場認可度，目前只有鋰電池路線勝出。

這就是一個自下而上的實踐淘汰過程。

不同類型汽車的應用情況

圖片來源：德勤

所以，無論是成本還是技術應用，在乘用車領域，至少在眼下，鋰電池路線是無可撼動的。

實際上，豐田在2014年就推出了第一款商業化的燃料電池乘用車，上汽也在2016年推出了榮威950的插電式混合動力版車型。

但由於燃料電池部分關鍵零部件仍依賴進口、規模也較小，上游氫能供應以及規模化不足，導致氫燃料電池汽車的車輛購置成本和能源使用成本較高，無法大規模普及。

而在商用車領域，特別是一些重卡、叉車、物流車、公交車等應用上，出於環境污染、動力輸出、能量密度等視角考慮，是燃料電池取得突破的主戰場。

在汽車行業中，綜合購買和使用成本，有一個指標叫做全生命週期成本（TCO，Total Cost ofOwnership），用來衡量一輛車的經濟性。

在購置成本上，以燃料電池目前最大的重卡看點爲例，目前階段，一輛30噸的燃料電池重卡TOC中，購買成本中的70%爲燃料系統成本。

燃料電池汽車的全生命週期成本構成

圖片來源：開源證券

要想實現對競品燃油車的替代，就要在這70%的成本下降上下功夫。具體的測算模型不再贅述。

在使用成本上，目前由於下游應用市場規模較小，氫氣成本在50-80元/kg，而當下的重卡的百公里氫耗平均爲10kg/100km。

這個使用成本顯然是無法大規模實現商業化的。

根據主流諮詢機構的數據測算，到2025年會進入規模化應用階段，到2030年實現與燃油車的平價。

當然，這只是一個理論模型的保守推演。具體到實踐層面，隨着政策“以獎代補”的帶動，和“雙碳”目標的實施，都會加速燃料電池技術在商用車領域的應用。

儘管在商用車領域，實現燃料電池汽車的平價需要不短的時間，但資本的預期總是領先於產業發展進程，上一個鋰電池產業發展的五年即是如此。

另外，隨着光伏、風力等可再生能源發電裝機量的提升，如何消納日益成爲重要問題。

利用這些新能源發電進行制氫，一方面實現儲能，減輕消納壓力。

另一方面，可再生能源發電的經濟性也直接帶動制氫成本的降低。有一些地方已經推出了類似的政策進行應用。

關鍵問題在於，路線確定以後，成果都是早晚的事。