氢燃料电池中下游投资机会
前 言：
燃料电池产业链尚处在商业化早期，中性看待燃料电池板块。但从资金门槛和技术门槛角度，未来有较高的市场份额和利润空间的企业存在机会，细分板块推荐顺序是燃料电池商用车、加氢站、质子交换膜、燃料电池电堆及系统。
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分析师：王雷、奉玮
▌氢燃料电池的下游应用
氢能源燃料电池下游主要分三大市场，分别是固定式电源、便携式电源与交通运输动力电源。尽管市场以及我们本文的产业链讨论主要集中在汽车应用，但氢燃料电池作为一种清洁能源形式，在备用电源系统等领域也有快速落地的契机(例如作为通讯基站备用电源，取代目前的铅酸/锂电池和移动油机)。
在交通运输动力领域，从质量能量密度与体积能量密度的角度来看，氢燃料电池适合对占用空间要求不高的交运场景，例如商用车、航运或者航空:
高质量能量密度，适合交通应用。单位质量的氢可以提供汽油柴油约3倍左右的能量，即使是目前最佳水平的300wh/kg三元锂电池，氢大约可以提供其120倍左右的能量;对于交通工具而言，质量的增加往往会带来能耗的增加，新能源汽车增加装机量但不能带来成比例的里程提升就是一个例子;
低体积能量密度，适合对空间要求不高的应用。单位体积的氢所能提供的能量较低，1L的柴油所对应的能量大约需要加注7.8升的70Mpa或13.1升35Mpa的压缩氢气，因此氢燃料车辆储氢所占空间较大。
目前燃料电池汽车的全球格局呈现出日韩主要发展燃料电池乘用车，美国主要发展燃料电池非道路车辆的区域性特点。
在中国由于:1)乘用车电气化已经有较好的锂电基础，氢燃料发展缺乏必要性;2)基于锂电的商用车随着续航里程增加，加装锂电的边际效用迅速降低;3)商用车电气化需要考虑生产资料属性，锂电带来的充电时长降低了商用车的实际利用效率;4)商用车往往车群密集，行驶路径固定，初期少部分加氢站就可以满足区域内营运需求。因此我们认为商用车更易落地推广、存在投资机会。在乘用车领域燃料电池技术或以增程器形式与锂电技术长期共存。
氢燃料膜电极与电堆的研发、生产、制造存在技术壁垒，目前国内头部企业仍依赖海外企业技术许可/转让;其余的零部件例如空压机、氢气循环泵、双极板、传感器等属于相似产品在燃料电池上的拓展应用。
我们认为若自主企业在膜电极和电堆领域建立起完善技术能力、提供高性价比产品，将会提供长时间的壁垒;而其他核心零部件领域存在自主替代的可行性，或存在中短期投资机会。
氢能源中下游产业链:乘用车日韩领先，商用车国内更易落地，关键零部件存在本地化机会
主流乘用车企在氢燃料电池的进展:日韩技术领先，美国是最大消费国，我国上汽和长城先发布局
燃料电池乘用车已经开始走下展台，进入到消费者可选车型中。目前量产状态车型以海外为主，且日韩车企布局更为积极。丰田、本田、现代均已实现车辆量产，2018年全球销量分别为2,393/1,155/887辆，丰田Mirai始终占据着最畅销车型的位置。从国别来看，美国成为最大消费国，约有60%氢燃料电池乘用车在美国销售，见图表3-4。
从车企的布局来看，除了已经走向量产的日韩车企，德系车企亦进行了大量的技术储备，其中奔驰GLCF-cell技术已经达到量产状态，但受制于过高的价格，目前GLCF-cell仅交付给政府/企业客户;大众、奥迪、宝马也发布了众多概念车型。美国企业中通用汽车选择了和本田合作开发，而福特与克莱斯勒则布局较少。详见图表5。
我国车企对燃料电池技术保持密切的关注，其中上汽集团和长城汽车的进展较为领先。上汽乘用车荣威950燃料电池车于2016年推出，并在2017年交付50辆;孵化于上汽集团的上海捷氢，具有完整的乘用车、商用车燃料电池系统研发设计和交付能力。
长城汽车近年也在氢燃料赛道上频频发力:成立了氢能技术中心进行前瞻研究，一期建设投资约4.7亿元，二期投资约9,200万元，包括主体综合实验中心、液态加氢站、制氢和液化区;公司作为首家中国车企加入了国际氢能委员会，旨在促进氢能技术在全球能源转型;入股加氢站企业布局基础建设，与德国H2M签署谅解备忘录，增资入股约5%股份;控股上燃动力，从而具有完整的车用燃料电池系统集成开发和量产的能力，见图表6-7。
▌燃料电池商用车在中国更易落地
氢燃料更高的质量能量密度使得商用车对燃料电池接受程度更高。2018年保险口径全国燃料电池商用车上牌量为833辆，占新能源商用车上牌比例约为0.53%，且从车型大小来看，在中大型车辆中渗透率更高，见图表8-9。
基于锂电的商用车随着里程增加，边际效用递减。对商用车而言，储能系统(锂电、氢罐)质量约轻，意味着就可以分配更多的载重给货物，提升运营效率。而伴随着里程数增加，锂电池储能系统的质量增加显著高于氢燃料电池储氢系统。特别在商用车领域现在只能使用能量密度更低的磷酸铁锂电池，使得经济性的边际效用更低，如图表10-12。
商用车电气化需要考虑生产资料属性。商用车属于生产资料，尽可能拉长商用车的运输时长，可以提升运输量从而优化生产效益，公路货运车辆有时候配备2名驾驶员，而减少车辆停靠就是具体体现。
目前200kWh的磷酸铁锂电池在380V电源下的充电时长约在4-5小时左右，而加注压缩氢气的时间往往小于15分钟。因此从运输效率的角度考虑，我们认为锂电池并不适合在商用车落地。
少量加氢站可以满足商用车应用要求。新能源乘用车区域分布较广，且行驶路径具有较高的不确定性，伴随新能源乘用车迅速发展，配套充电桩需要在选址、数量和营运等多维度下寻找最优解，前期往往需要全国范围内大范围铺设充电桩，见图表13。而商用车往往车群密集，行驶路径固定，初期少部分加氢站就可以满足区域内营运需求。
▌氢燃料电池或以增程器形式与锂电技术长期共存
氢燃料电池技术是锂电池技术的补充。氢燃料电池电堆本质上是提供电能的发电机，得益于其:1)加注燃料速度快;2)压缩氢气/液氢质量能量密度远大于锂电池;3)较内燃机更加环保节能，我们认为氢燃料电池技术或以增程器形式与锂电技术长期共存。
燃料电池系统及核心零部件:膜电极与电堆仍存在较高技术壁垒
在众多燃料电池技术路线中，基于质子交换膜技术的燃料电池得益于高能量和功率密度、快速启动能力、适宜的工作温度等优点，比较适合车辆与家用发电，见图表15。
质子交换膜燃料电池一般有五层结构，最中间是质子交换膜(PEM)、也就是实际起到单向传输质子并且隔离两端反应物的关键部件;质子交换膜两侧涂覆有催化材料，决定了电堆的电性能和寿命;气体扩散层(GDL)将氢气和氧气均匀的分布至催化材料表面，并起到汇集电流、支撑催化层和排除副产物的作用。
质子交换膜、催化剂与气体扩散层一起，形成了膜电极组件(MEA)。膜电极组件的两侧加上起到机械支撑、提供气体通道、提供冷却液通道的双极板(Bipolarplate)，组成了一个完整的燃料电池单体电芯，见图表16。多个单体可以组成燃料电池电堆。
燃料电池系统除了电堆外，还要一些辅助系统。以汽车应用为例，空气路控制系统、氢气路控制系统、冷却系统和增湿系统组成了燃料电池汽车的四大辅助系统，见图表17。
空气路控制系统包括空压机、中冷器、过滤器、水气分离器、背压阀等，负责将空气输送到燃料电池电堆阴极;
氢气路控制系统包括高压氢罐、减压阀、氢气喷射器、氢气循环泵、压力/温度/氢气浓度传感器等，负责将氢气输送至燃料电池阳极;
增湿系统用来给空气路提高相对湿度，润湿质子交换膜以提升质子传导性;
燃料电池冷却系统与锂电池系统的水冷方法相似，冷却液从电堆中吸收热量，并通
过换热设备对外放热。系统包括水泵、散热器、去离子装置、三通阀等。电堆及系统级别的零部件种类较多，我们将海内外相关企业梳理在图表18。
我们认为膜电极与电堆仍存在较高技术壁垒，其余关键零部件短期有本土化可行性
氢燃料膜电极与电堆的研发、生产、制造存在技术壁垒，目前行业中的竞争者数量相对较少。目前在中国处于头部的商用车电堆供应商主要有巴拉德、亿华通、广东国鸿、雄韬股份、上海重塑;乘用车电堆供应商有新源动力。
海外还有加拿大Hydrogenics，美国Gore和美国专注于物料搬运市场的PlugPower等，这几家在中国布局较少。
上述企业中还有部分企业主要依靠巴拉德的技术许可和技术转让，其中包括了广东国鸿、大洋电机和潍柴动力，见图表19和附录I。2013-2018年巴拉德动力通过技术许可和转让获取的收入超过300万美元，主要的业务模式为相同产品多次授权或双极板等零部件独家授权，但国内均未获得膜电极的技术授权。
其余的零部件例如空压机、氢气循环泵、双极板、传感器等属于相似产品在燃料电池上的拓展应用，需要针对氢气这种特定媒介解决一系列防爆、防泄漏、防氢脆、防污染质子交换膜等特定问题，具有一定技术难度但是可以看到解决路径，国内已经出现不少本土企业致力于这些零部件的研发生产。
系统成本与规模相关，美国能源部(DOE)预测年产10万套时成本可至50美元/千瓦
规模化生产和技术进步将持续带动燃料电池系统成本下移，据美国能源局测算，80kW的车载质子交换膜燃料电池系统的成本当达到年产10万套时可下降至50美元/千瓦，而达产50万套时可下降至45美元/千瓦，见图表20-21。
中国的氢能源经济呈现3+1的地域性集群分布
中国的氢能源经济地图，呈现了3+1的产业链集群分布，暨华东、华北、中南和四川省，见图表22。3+1地区政府出台了相应的扶持政策，涌现了贯穿从氢能制备到下游整车应用的产业链集群，我们认为背后有着一定的必然性。
河北、湖北、山东面临新旧经济动能转换。新经济结构转型，部分体现在第三产业对GDP的拉动作用持续提升。在华北、华东、中南主要省份中，截止2018年河北、湖北和山东第三产业对GDP的贡献率为46%/48%/50%，低于广东、浙江等省，见图表23。
我们认为，氢能经济不仅是制造业，其上游带来的加氢网络铺建，中游带来的科研与技术服务，下游带来的交运等拉动将有助于新老经济动能转换。
山西面临资源型地区经济转型。山西的工业结构以煤炭开采和洗选业为主，占比为48%(2016年)，属于典型的资源型地区经济;其余占比较高的行业例如黑色金属采选等也显示省内工业结构重型化比较明显,见图表24。山西作为资源经济转型改革试验区，有较强的动力推动能源供给革命、能源消费革命、开展产业转型升级。
四川需要氢能作为弃水电量调节手段。2018年四川全社会用电量为2,459亿千瓦时，同比两位数增长;而四川17年水电发电量有3,041亿千瓦时。据国家电网四川电力公司公布数据显示，2012年至2017年，四川电网“调峰弃水电量”分别为76亿千瓦时、26亿千瓦时、97亿千瓦时、102亿千瓦时、141.43亿千瓦时、139.96亿千瓦时，且“调峰弃水电量”仅占全部弃水电量的较小比重。清洁能源电力占比较高的区域有通过氢能削峰填谷、消纳多余新能源电力的能力。
长三角、珠三角一直是高新企业聚集地。从高新技术企业年总产值来看，2017年江浙沪地区贡献超过6万亿元，广东省超4万亿元;高新技术企业数目来看，江浙沪地区超3万家，广东省也约3万家，均处在全国最前列，见图表25。氢能产业链还有众多难题尚待突破，许多产业链零部件企业落户在长三角、珠三角，是因为可以寻觅高质量科研人员以及良好的研发环境。
华北、华东和中南地区是货运集聚地，有氢燃料商用车落地的可行性。华北、华东和中南地区是货物运输需求量最大的区域，本身具有清洁商用车的需求，见图表26。我国最重要的商用车集团也大都坐落在这些区域，为氢燃料商用车落地提供了可行性。
▌燃料电池汽车销量及渗透率预测:2022年约1.23万辆
在上文讨论中，我们强调燃料电池技术在商用车更易落地，而在乘用车领域燃料电池技术或以增程器形式与锂电技术长期共存。由于燃料电池系统成本短期内无法与三缸发动机媲美，因此我们认为短期内乘用车领域较难出现燃料电池的规模量产。
与市场不同的是，我们认为即使19年燃料电池行业复现09年对新能源汽车“十城千辆”的政策，可能也需要3年时间才能突破万辆的销售关卡，换而言之，燃料电池汽车的放量并不迅速:
燃料电池“十城千辆”政策没有乘用车参与。09年面对新能源汽车的“十城千辆”示范推广应用工程，囊括了乘用车和商用车。09-10年国内已经有一些企业可以提供成熟的乘用车产品，例如BYDF3DM、E6等，而目前国内几乎没有可以量产的燃料电池乘用车车型;
燃料电池“十城千辆”短期或仅有公交车可以落地。目前高昂的采购成本和仍不完善的加氢设施决定了以盈利为目标的市内物流车、城际间货运车辆不会采用燃料电池技术。真正可以在示范推广期间无视成本的，是各级政府辖区内的公交公司。
我们假设2022年燃料电池货车占新能源商用车2%、燃料电池客车占比6%，对应22年0.39/0.84万辆;认为截止22年仍然缺乏能规模性量产且销售的燃料电池乘用车，全年全口径下燃料电池汽车销量为1.23万辆。
报告来源：中金公司
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