燃料电池系统是燃料电池汽车的核心，由燃料电池电堆、空气循环系统、氢气循环系统、水/热管理系统、控制系统等几大部分组成，其核心部机有电堆、空气压缩机、氢气循环泵、电压转换器、控制器。
国外知名的燃料电池系统供应商有Ballard、Plug，国内则有新源动力、武汉理工新能源、神力科技、亿华通、重塑科技、弗尔赛、爱德曼氢能等。
电堆
电堆是发生电化学反应的场所，是燃料电池系统的核心部件，在燃料电池系统成本中占比接近一半。电堆由端板、密封绝缘垫、双极板以及膜电极组成，其中每两片双极板和中间的膜电极组成一个单体电池。单个单体电池的输出电压一般小于1V，为满足燃料电池输出功率要求，一般由多个单体电池串联层叠而成。
体积功率密度是表征电堆性能的重要指标之一，以丰田Mirai为例，其金属双极板电堆由370片单体电池组成，输出功率114KW，体积功率密度3.1kW/L。国内电堆企业在电堆性能方面取得长足进步：2018年时新源动力电堆体积功率密度1.13kW/L，神力科技电堆体积功率密度1.3kW/L；2021年上海重塑、清能股份等一批企业最新一代石墨双极板电堆的体积功率密度均超过了3kW/L，上海捷氢的金属双极板电堆体积功率密度甚至超过了4kW/L。
商用车作为运营车辆，耐久性是终端用户最为关注的指标之一。2021年9月发布的《关于启动燃料电池汽车示范应用工作的通知》中对燃料电池汽车的运营里程作了详细的考核要求：第1、2、3、4年度平均单车累计用氢运行里程应分别超过0.75万公里、1.5万公里、2.25万公里、3万公里形式，以平均车速20km/h计算，燃料电池汽车使用寿命应不低于1500h。
国内的燃料电池电堆专业厂商分为两类，一类如广东国鸿，通过引入国外成熟技术掌握电堆研发制造能力，一类通过自主研发，如神力科技、氢谱创能等。
双极板
双极板是单体电池的组成部件之一，其作用包括分隔燃料和氧化剂、均匀输送反应气、收集电流、机械支撑等。双极板质量的好坏决定电堆输出功率的大小和使用寿命的长短。目前技术相对成熟的有无孔石墨双极板和表面改性处理金属双极板，石墨双极板耐腐蚀性能好，但制造工艺复杂，成本较高，且不允许做得太薄，一般用于商用车，金属双极板机械性能好，可以做得很薄，但防腐蚀性能较差，电堆寿命不如石墨双极板，一般用于乘用车。Ballard采用的是石墨双极板，丰田Mirai采用的是经表面碳纳米涂层处理的钛金属双极板。
膜电极组件
膜电极组件（MEA）由一片质子交换膜（PEM）和两侧的气体扩散层（GDL）组成，质子交换膜和气体扩散层之间为催化剂涂层。质子交换膜起到传递离子和分割燃料和氧化剂的作用，催化涂层是燃料和氧化剂进行电化学反应的场所。
膜电极主要性能指标包括单位表面积的输出功率（功率密度）、贵金属用量（单位功率输出的铂用量）、寿命和成本。膜电极生产目前采用的是第二代生产技术——催化剂涂膜（CCM）技术，具有卷对卷连续化高速生产能力。国际上，日、美、欧、加拿大等国家和地区凭借多年技术积累，在膜电极的基础研究和制备技术上一直处于领先地位。目前，国际上最先进的膜电极商业化产品的功率密度在1.4~1.5W/cm2范围内，国内量产膜电极 的功率密度为1.0~1.2W/cm2。
国内膜电极厂商分为三类：一类是电堆厂商，其自身技术实力较强，自主生产膜电极；一类是上游掌握催化剂等核心技术的厂商，向下游延伸生产膜电极，如中自科技、济平新能源；第三类是专业的膜电极生产厂商。
质子交换膜（PEM）
质子交换膜（PEM）是膜电极组件（MEA）的组成部件之一，其功能是充当质子的通道，实现质子的快速传导，同时还起阻隔阳极燃料和阴极氧化剂的作用，防止燃料和氧化剂在两个电极间发生互串。全球从事质子膜研究的主要有Gore、3M、杜邦、Solvay、旭硝子、旭化成等化工巨头。目前全球应用最为广泛的是Gore的Nafion系列膜，全球市场占有率超过90%，每年出货量达几十万平米，丰田MIRAI、现代NEXO和本田CLARITY等都采用戈尔产品。燃料电池核心零部件中，唯有膜电极尚未完成国产化替代。
国内布局较早的有东岳集团（港股：00189）。东岳集团具有完整的全氟磺酸树脂产业链，是继戈尔、科慕两家外国企业之后国内市场占比最大的企业，具有从原料、中间体、单体、聚合物膜全产业链，同时建成全国唯一全氟酸质子膜树脂合成生产线，目前已实现量产，处于批量送货验证阶段。2020年4月，东岳集团发布区公告，拟将从事质子交换膜业务的山东东岳未来氢能材料有限公司分拆至科创板上市。
催化剂
催化剂加速电化学反应的进行，对燃料电池的效率影响巨大，目前商业化程度最高仍然是铂系催化剂，因铂价格昂贵，催化剂在膜电极成本中占比较高。
随着技术的进步，燃料电池汽车用铂量已大幅下降。2006年，燃料电池电堆铂用量为1.1g/kW，2007年通用汽车推出的燃料电池汽车用铂量为80g/辆，2014年丰田推出Mirai，电堆功率113kW，铂用量降低至20g，相当于0.177g/kW，2015年本田发布Clarity，电堆功率130kW，铂载量12.5g，相当于0.096g/kW，2017年，奔驰发布GLC F-Cell，电堆功率147Kw，铂载量20g，即0.136g/kW。目前国内催化剂用量处于0.1-0.2g/kW的水平。
英国庄信万丰（Johnson Matthey）、田中贵金属（TANAKA）、比利时优美科（Umicore）是全球最大的几家燃料电池催化剂供应商。国内催化剂已经基本实现了全国产化替代，厂家有贵研铂业（600459）、中自科技（688737）、济平新能源等，其中中自科技和济平新能源同时向下游延伸，自主生产膜电极。
气体扩散层（GDL）
气体扩散层一般为碳纤维材质，也称为碳纸或碳布，其功能包括运输燃料/氧化剂至催化层、传导电流、导出反应热、及时排出反应产物，这就要求其必须为多孔透气性材料、具有良好导电性、具有良好导热能力、具有较好疏水性。工作时气体扩散层表面电流密度高达2A/cm2，材料应具有抗腐蚀能力。国外供应商均为全球石墨碳素行业巨头，如日本东丽、
目前我国气体扩散层技术还在进行探索，碳纸类材料的实验室技术可对标国际部分先进产品水平，但在实现产品规模化生产方面还有一定差距。国内知名的气体扩散层企业主要有台湾碳能、上海河森等。台湾碳能的碳纸性价比最高，在国内占有一定市场规模。
空压机
供气系统是燃料电池系统的重要组成部分，其核心部件是空气压缩机。燃料电池系统性能与空气供气压力直接相关，提高供气压力可增大燃料电池系统的能量密度，提高电堆效率，同时还可减小电堆尺寸，降低电堆成本。为了保证质子交换膜具有良好的工作特性，压缩机应完全无油。压缩机耗能占燃料电池附加系统能耗的95%，压缩机应具有较高的工作效率。此外，车载工况下压缩机应结构紧凑、重量轻、噪声低、可靠性高。
燃料电池用空压机类型有离心式、罗茨式、螺杆式压缩机。离心式空压机在效率、噪音、体积、无油、功率密度等方面具有良好的综合效果，已逐渐成为市场上的主流选择。相对于其它零部件，空压机已经基本实现了全功率段国产化，国产化率接近100%。2019年单台价格7-8万元，目前单台价格在4万元左右。
氢气循环泵
氢气循环泵的作用是将电堆未反应的氢气再次循环到电堆的氢气入口，从而提升氢气的利用率及安全性，同时将电堆内部电化学反应生成的水也循环至燃料电池堆的入口，改善电堆湿润水平，提高水管理能力。氢气循环系统分为主动循环和被动循环两种形式，主动循环采用氢气循环泵，被动循环采用氢气引射器。氢气循环泵效率高于引射器，目前已基本替代后者。
德国普旭为全球氢气循环泵龙头，2020 年前，普旭占据了国内约 90%的市场份额。随着国产氢气循环泵技术逐步成熟，普旭目前已基本退出国内市场。国产氢气循环泵单台售价1-2 万元。
投资机会分析
从全球范围看，燃料电池汽车仍处于早期发展阶段，但与锂电池汽车相比，其具有低温性能好、充电时间短、续航里程长等无可替代的优势，且在各国政府和汽车厂商多年的持续投入下，燃料电池汽车技术进步飞快，成本大幅降低。业界已有共识，在未来的新能源汽车市场中，燃料电池汽车必将占据一席之地，但与纯电动汽车相比，燃料电池汽车技术发展已较为滞后，在商用车领域拥有更大的发展空间。
相较于乘用车，商用车可接受燃料电池系统占用较大空间，所以补贴政策并未一味追求更高的功率密度和能力密度，而是更关注技术的可靠性和稳定性。经过几年的持续积累与投入，我国燃料电池产业链快速成熟，除质子交换膜等极少数部件外，绝大多数零部件均能做到自主生产，且技术实力和国际先进水平相比差距不大。为了推动国产产业链的尽快成熟，政策除对整车厂进行补贴外，对核心零部件的生产厂也有补贴政策。
从整个燃料电池的产业链看，体现出明显下游厂家众多，竞争格局较差，而越往上游，技术含量越高，技术格局越好。石墨双极板、空压机属于国产化程度较高的零部件，国产化后，产品价格快速下降。催化剂和氢循环泵其次，先后完成过程化，但催化剂厂家以上市公司为主，创业公司与之竞争难度较高。质子交换膜是目前唯一尚未完成国产化的核心零件，但东岳未来已在大批量送样，预计在未来一两年也将取得突破。气体扩散层等因自身价值量不高，受到关注较少。
燃料电池汽车目前仍处于示范运营阶段，产业链各个部分竞争格局均不明朗，产业链上游值得布局。燃料电池行业整体，政策上已有较明确的定位，未来作为纯电动汽车的补充，重点应用于商用车，行业整体规模与纯电动汽车相比有差距。
原创 有研识泰山 有研识泰山
