氢能燃料电池是否能造就下一个宁德时代？
1.氢燃料电池行业市场综述
1.1定义及原理
氢燃料电池是将氢气与氧气的化学能转变成电能的装置，主要由阴极（空气极）、阳极（氢气极）、电解质溶液、外部电路四部分组成。其工作原理实际上是电解水的逆反应，氢气和氧气分别由电池的阳极和阴极通入。阳极氢气在催化剂作用下分解为质子和电子，带阳电荷的质子穿过隔膜到达阴极，带阴电荷的电子在外部电路运行，从而产生电能；在阴极上的氧气在催化剂作用下和电子、质子发生化合反应生成水。
图表1 氢燃料电池工作原理
信息来源：公开资料，融中研究整理
燃料电池系统不仅包括燃料电池本体，还应该拥有氢气、空气供给系统、发动机控制系统、车载氢系统、辅助电源等系统，这样，燃料电池方可正常工作。
1.2氢燃料电池行业发展历程
图表2 氢燃料电池行业发展历程
信息来源：融中研究整理
1）技术萌芽阶段。其实燃料电池至今已有180多年的发展史，最早可以追溯到1839年。Willian Robert Grove是公认的“燃料电池之父”，他提出的“气体电池”原始模型，其工作原理为燃料电池的诞生奠定了理论基础。
2）技术应用突破阶段。20世纪60年代，燃料电池正式应用于航空航天领域，开启了燃料电池的现代发展史。美国也成为第一个实现氢能源技术应用的国家。
20世纪70年代以后，氢能作为一种新型清洁能源开始受到各国政府的关注，同时随着多种先进制氢技术的落地，氢燃料电池很快被运用于发电和汽车。1968年，通用汽车公司生产出了世界上第一辆可使用的氢燃料电池汽车，该燃料电池汽车以厢式货车为基础，装载了最大功率为150kW的燃料电池组，续航里程为200km。
到了20世纪90年代，作为解决环境污染和能源供需问题的重要途径之一，燃料电池电动汽车技术受到了空前重视，世界主要汽车厂商投入了大量的人力和物力研发燃料电池电动汽车。
3）产业快速发展阶段。2014年，丰田在全球首推4人乘坐的燃料电池车Mirai，续航500km，补充氢燃料仅需3分钟，成为了燃料电池领域内的里程碑事件。此后，氢燃料电池技术快速进步、全球政策支持力度不断加大、行业商业化步伐不断提速，全球燃料电池产业开始快速发展。作为实现车辆“零排放”的重要解决方案，氢燃料电池技术如今已成为各国产业竞争新的制高点。
1.3氢燃料电池行业市场规模
1.3.1全球燃料电池市场规模
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，近年来需求量均呈现爆发式增长。2020年度全球燃料电池出货量达1,319兆瓦，2016年-2020年复合增长率约26%。其中，交通运输领域需求上升尤为显著，年复合增长率约34%。
2016-2020年全球燃料电池出货情况具体如下:
图表3 近年全球分应用领域燃料电池出货量
信息来源：E4Tech-《The Fuel Cell IndustryReview 2020》
截至2020年底，全球氢燃料电池汽车保有量超过3万辆，行业市场规模超1.2万亿元。韩国成为首个氢燃料电池汽车保有量超过万辆级的国家。我国保有量为7352辆，约占全球规模的24%。当前燃料电池整体应用领域由清洁电站、辅助电源为应用场景的固定式电源向交通运输为应用场景的车用电源转变。据国际氢能委员会的预测，到2050年全球氢能源消费将占全球总能源需求的18%，将为氢燃料电池及设备创造近20万亿元人民币的市场价值。
1.3.2我国燃料电池市场规模
我国燃料电池汽车销量于2016年开始逐渐上升，2019年燃料电池汽车销量达到2,737辆，较2018年度同比增长79%，4年复合增长率达到63.26%。2020年受疫情影响产销双降，截至2020年底，我国燃料电池车保有量为7352辆，市场规模约3600亿元。
图表4 近年中国氢燃料汽车产销量统计
信息来源：中国汽车工业协会、融中研究整理
但据市场公开信息显示，截至2021年2月中旬，新招标和中标氢燃料电池车数量已占2020年全年公开招标数量的78%，2021年氢燃料电池车产销量有望大增。也表明我国燃料电池汽车产业已经从政府主导的技术探索、示范运营阶段发展至商业化初期阶段。根据《中国氢能源及燃料电池产业白皮书》，到2035年将实现大规模商业化推广累计130万辆，加氢站建成1,500座，行业产值将达到5万亿规模。
图表5 中国氢能及燃料电池产业总体目标
信息来源：《中国氢能源及燃料电池产业白皮书》、融中研究整理
1.4车用氢燃料电池行业产业链分析
燃料电池汽车产业具有市场空间大、产业链长、细分领域众多的特点，产业链上游主要为膜电极、双极板、氢气制造、运输、存储设备，以及相关零部件生产制造企业，产业链中游主要为燃料电池发动机系统及电堆集成行业，产业链下游主要为燃料电池整车制造企业。氢燃料电池产业链结构如下:
图表6 氢燃料电池产业链结构
信息来源：公开资料、融中研究整理
图表7 氢燃料电池产业链企业（部分列举）
信息来源：公开资料、融中研究整理
1.4.1行业上游分析
燃料电池核心部件主要包括电堆及其核心部件、辅助系统等，行业上游参与者主要为相关部件生产商，其中电堆作为燃料电池系统的“心脏”，对燃料电池的关键性能和造价成本具有很大影响。
电堆是燃料电池发动机的动力来源，由多层膜电极与双极板堆叠而成。电堆的研发和生产具备较高的技术壁垒，丰田汽车等国际知名车企大多自行研发或与合作伙伴共同研发电堆，通常不对外开放。以Ballard、Hydrogenic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，国内能够独立自主研发电堆并经过多年应用验证的企业主要包括新源动力、神力科技等企业，也有一些通过获取国外技术授权、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结合而成，是电堆的核心部件，很大程度上影响着电堆的性能、寿命和成本。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、产业化生产方面还存在一定差距。国外膜电极供应商主要包括Johnson Matthey、Ballard等具备规模化生产能力的厂商;丰田汽车等车企自主研发用于其自身乘用车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，同时也进行产品的海外销售。
双极板也是电堆的核心部件，通常为正反均带有气体流道的石墨或金属薄板，被置于膜电极两侧，起到支撑机械结构、均匀分配气体、排水、导热、导电的作用，其性能直接影响电堆的输出功率和使用寿命。双极板通常可分为石墨双极板和金属双极板，石墨双极板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。金属双极板具有体积小、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。
氢气的供应是燃料电池的重要环节，1）在制氢方面，当前主要方式有石化资源制氢、工业副产氢提纯、化工原料制氢、电解水制氢等方法，但超过95%以上的氢气用于化工产业，用于燃料电池的氢气较少。随着燃料电池汽车大规模应用，通过风能、太阳能等可再生能源电解水制氢将是最为环保的能源利用方式；2）氢气存储方面，目前我国主流技术为高压气态储氢，其技术相对成熟，但液氢及管道运输的技术和基础设施还未成熟，短期内广泛应用难度较大；3）加氢站的规模化是氢燃料电池车商业化必不可缺的一环，截止2020年末，我国建成加氢站约101座，虽然较2019年30座有了大幅提升，但仍远低于加油站及充电桩的覆盖规模。一方面目前氢气成本过高，同时燃料电池车保有量较少，另一方面加氢站补贴政策滞后，使得我国整体加氢站建设推广较慢，成为目前制约我国燃料电池车发展的核心瓶颈之一。
1.4.2行业中游分析
燃料电池中游主要为燃料电池发动机系统的研发，包括电堆研发、系统集成、发动机控制系统、低温启动系统等，还包括电压变换器、辅助电源、车载氢系统及其他零部件。
当前我国燃料电池发动机系统主要分为三类，一类是较早从事燃料电池行业且具备自主核心技术的发动机供应商，以新源动力、亿华通、弗尔赛为代表；另一类是近年来兴起的以国际技术引进与合作见长、具备一定批量化生产能力的供应商，以上海重塑、国鸿氢能为代表；此外还有一系列上市公司通过投资、产业链合作与技术引进等方式不断拓展燃料电池相关业务，以大洋电机(002249.SZ)、雄韬股份(002733.SZ)为代表。
在燃料电池发动机系统四大关键指标上来看，目前我国在系统最高效率（衡量发动机对于能量有效利用程度）、系统低温启动能力（衡量寒区运行能力）两大技术指标已有处于国际先进水平的企业，但在系统额定功率（衡量系统做功能力）与系统质量功率密度（衡量单位质量下系统做功能力）指标上我国企业与国际领先水平相比仍存在一定差距。
1.4.3行业下游分析
行业下游参与者主要为整车制造企业。燃料电池整车行业有较高的准入壁垒，业内整车厂普遍拥有雄厚的研发实力、资金实力、生产能力以及较大的知名度，并在燃料电池领域拥有一定的技术积累，在行业内部起到整合上游供应链并生产最终整车成品的作用。
我国燃料电池汽车发展路径为先商后乘，即通过商用车发展规模化来降低燃料电池和氢气成本，同时带动相关基础设施建设，逐步拓展到乘用车领域，主要原因为：1）我国城市人口密度和人口基数大，公交系统发达，保有量较大；2）商用车通常存在固定路线，沿线建设加氢站可有效提升加氢站利用率，且燃料电池汽车更适合中长途、中重载运输体系；3）依托政策优势可快速进行公交体系及城市配送领域的商业化推广，燃料电池车节能减排效果显著，可有效缓解因燃油车油耗及碳排放较高带来的环保压力。
目前我国燃料电池汽车市场集中度较高，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、长城汽车等车企也纷纷在燃料电池乘用车领域进行前瞻布局。
2.氢燃料电池行业驱动因素
2.1能源结构转型是燃料电池的历史机遇
随着中国石油、天然气消费持续快速增长，国内石油和天然气对外依存度快速攀升。继2017年成为世界最大原油进口国之后，中国2018年又超过日本成为世界最大的天然气进口国。2020年我国全年石油净进口量5.42亿吨，石油对外依存度升至73.5%，较上年提高1个百分点；天然气进口量1,408亿立方米，同比增长2%，对外依存度达43.2%。
同时，中国的城市污染问题也迫在眉睫，因此我国政府高度重视清洁能源结构的发展，积极推动碳达峰、碳中和等国家战略的落地。新能源汽车的发展可以很大程度上降低能源的对外依存度，减少碳排放。另一方面，我国大量的弃风、弃光等可再生资源均可用于电解水制氢，将为燃料电池的能源供应提供有力保障。
2.2动力电池技术面临行业天花板叠加政府产业规划推动
燃料电池汽车具有零排放、续航里程长、加氢时间短等优势，适用于远程公交、物流运输等交通方式，更能满足长途、重载、商用等需求，可以有效补足纯电动汽车应用的短板，共同满足交通运输系统的需要。
此外，政府产业规划的明确吸引了各方资本的关注，根据《节能与新能源汽车技术路线图》，我国拟从2020年发展以小功率燃料电池与大容量动力电池构型为技术特征;到2025年以大功率燃料电池与中等容量动力电池为技术特征；最后到2030年以全功率燃料电池为技术特征。可以看出从国家能源战略、环境保护及技术应用角度出发，燃料电池汽车毫无疑问是新能源汽车的终极目标之一。
3.氢燃料电池行业制约因素
3.1氢气制备、运输、存储、加氢环节基础设施建设滞后
氢能产业链基础设施的完善是现阶段制约我国燃料电池汽车商业化发展的重大瓶颈。我国加氢站的建设存在投入成本高、缺乏标准体系等特点，且上游氢气制备、存储、运输体系亦不完善，导致目前氢气成本超过燃油成本，规模化推广应用存在较大困难。
3.2关键技术和产业化能力仍有差距
在国家政策和产业资本的大力支持下，我国燃料电池技术已经取得了重大的突破，但是关键技术水平与国际先进水平仍存在差距，制造工艺有待进一步提升。
目前，燃料电池质子交换膜、双极板、高压气瓶等核心部件基本依赖进口，国内关键材料开发多停留于小批量阶段，缺乏批量、稳定的产品供应，产业链还未形成稳定的供应体系，因而产业链的全面国产化仍然需要一定的时间积累。
4.氢燃料电池行业政策分析
从“十五”到“十三五”，国家政策从战略支持与引导、示范推广补贴等多方面给予行业帮扶，推动燃料电池技术走出实验室、实现产业化，并逐步进入商业化运营发展。
图表8 氢燃料电池行业相关政策
信息来源：公开资料、融中研究整理
5.氢燃料电池行业竞争格局
5.1行业竞争格局概述
近年来，我国在国家及地方层面同步支持燃料电池的发展，燃料电池汽车的示范推广区域和规模不断扩大，应用场景持续增多，产业链关键技术国产化程度不断提高，巨大的市场空间吸引了大量社会资本的流入，带动了产业链合作、战略投资，加快了我国燃料电池行业发展进程。
另一方面，我国燃料电池汽车行业目前仍处于产业化初期，行业发展需要产业链各环节企业共同努力推动燃料电池技术的研发和成果转化，以推动燃料电池汽车行业的快速增长。
据GGII统计数据，从装机量排名来看，截至2020年，氢燃料电池系统装机量占比最高的是爱德曼氢能，占比20.1%。排名前五的企业分别为爱德曼氢能、亿华通、国鸿重塑、探索汽车、潍柴动力。五家企业装机量占2020年中国氢燃料电池系统装机量的69%。对比2019年，前五家企业装机量占中国氢燃料电池装机量的79%。可见当前装机量的市场集中度在下降。
从燃料电池下游角度来看，目前国内燃料电池应用以交通运输为主，通过与各大商用车企开发燃料电池车型并纳入《新能源汽车推广应用推荐车型目录》后进行销售。经初步统计，2021年3至6月被纳入目录的燃料电池商用车型共87款，配套燃料电池发动机系统厂商竞争格局如下:
图表9 氢燃料电池发动机系统竞争格局
信息来源：公开资料，融中研究整理
5.2行业核心企业分析
图表10 国内外氢燃料电池核心企业（部分列举）
信息来源：公开资料、融中研究整理（数据截至2021.6.16）
5.2.1国外主要企业
5.2.1.1 Ballard Power System Inc.（巴拉德）
Ballard（Nasdaq:BLDP），公司成立于1979年，总部位于加拿大，于1983年开始研发燃料电池，专注于研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Ballard已成为全球领先的，集设计、开发、生产、销售为一体的燃料电池供应商，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，产品用于商用车、后备电源、物资搬运设备等应用场景。
Ballard业务覆盖中国、美国、加拿大、德国等数十个国家，主要客户包括戴姆勒奔驰、奥迪汽车、大众汽车等整车巨头、军工企业和叉车公司，技术处于国际领先水平，与潍柴动力、大洋电机、联合技术公司(UTC)等多个发动机制造行业领先企业合作。2018年，潍柴动力向Ballard投资1.62亿美元，获得19.9%的股权，成为Ballard的大股东。
根据Ballard 2020年年度报告，其实现营业收入约合人民币6.6亿元，实现净利润-3.3亿元。
5.2.1.2 Hydrogenics Corp.（康明斯）
Hydrogenics成立于1948年，总部位于加拿大米西索加，生产设施位于德国、比利时和美国，已于纳斯达克和多伦多证券交易所上市。主营业务包括燃料电池及水电解制氢设备，并为客户提供储能和加油等整体解决方案。其主要产品包括30kW-180kW的车载燃料电池模块、固定式燃料电池等。
Hydrogenics业务范围主要覆盖美国、欧洲、亚太地区，主要客户包括阿尔斯通、液化空气集团等大型交通运输企业与能源公司，技术处于国际领先水平。
2019年9月，美国建筑机械与重型卡车企业康明斯完成对Hydrogenics的收购，持股约占81%。根据康明斯2020年年度报告，其实现营业收入约合人民币1,268亿元，实现净利润115亿元，其中新能源部分营收约4.6亿元。
5.2.2 国内主要企业
5.2.2.1亿华通（688339.SH）
亿华通成立于2004年，是一家专注于氢燃料电池发动机系统研发及产业化的高新技术企业，具备自主核心知识产权，并实现了氢燃料电池发动机系统的批量生产。亿华通主要产品为氢燃料电池发动机系统及相关的技术开发、技术服务，目前主要应用于客车、物流车等商用车型。亿华通与国内主流的商用车企业宇通客车、北汽福田、中通客车以及吉利商用车等知名车企建立了深入的合作关系，搭载其发动机系统的燃料电池客车已先后在北京、张家口、郑州、成都、淄博等地上线运营。
根据亿华通2020年年度报告，其实现营业收入5.72亿元，实现净利润-0.22亿元。
5.2.2.2大洋电机（002249.SZ）
大洋电机成立于2000年，从传统家电行业进入汽车行业，主营业务为燃油车起动机/发电机和新能源汽车动力总成、氢燃料电池模组。其氢燃料电池业务主要产品包括氢燃料电池模组、氢燃料电池控制系统及系统集成等。大洋电机于2016年度认购Ballard公司9.9%股权，通过引入国际技术和品牌逐步拓展燃料电池发动机系统及相关零部件等业务。
目前大洋电机及其下属公司与中通客车、顺达客车等整车厂已合作开发多款燃料电池车型并纳入了《新能源汽车推广应用推荐车型目录》。
根据大洋电机2020年年度报告，其实现营业收入77.76亿元，实现净利润1.035亿元，其中新能源部分营收为7.62亿元。
5.2.2.3雄韬股份（002733.SZ）
雄韬股份成立于1994年，主要从事化学电源、新能源储能、动力电池、燃料电池的研发、生产和销售业务，产品涵盖铅酸蓄电池、锂离子电池、燃料电池三大品类。近年来，雄韬股在深圳、武汉、大同等地投资设立子公司推进氢能产业规划与布局，投资制氢、膜电极、电堆等多家产业链企业，目标打造氢能产业平台，整合和拓展氢能产业链的相关资源。
目前，雄韬股份及其下属公司已与东风汽车、南京金龙客车、中通客车、申龙客车等整车企业合作开发约20款燃料电池车型并被纳入《新能源汽车推广应用推荐车型目录》。
根据雄韬股份2020年年度报告，其实现营业收入25.47亿元，实现净利润0.76亿元。其中燃料电池部分营收为0.9亿元。
5.2.2.4国鸿氢能
国鸿氢能于2015年6月成立，是一家以氢燃料电池为核心产品的高科技企业。2017年建成全球规模领先的氢燃料电池电堆生产基地。2018年70辆使用国鸿氢能产品的燃料电池公交车在佛山投入运营，后续陆续投运500余辆。2020年国鸿氢能发布鸿芯G系列电堆与鸿途G系列大功率燃料电池系统，并与中车交通签署氢能产业合作协议。2021年正进行上市前融资，引入战略投资者。
国鸿氢能主要产品包括柔性石墨双极板、电堆、燃料电池系统、燃料电池备用电源等。目前，国鸿氢能与金龙客车、佛山飞驰汽车等整车企业合作开发了多款燃料电池客车并被纳入了《新能源汽车推广应用推荐车型目录》。
6.氢燃料电池行业投融资现状及趋势
6.1氢燃料电池投融资现状
氢燃料电池行业近年共发生104起融资事件，随着国家相关产业支持政策的不断出台、产业发展规划越发明确，资本市场也不断加码投资，行业融资在2019、2020年呈现出明显的上升趋势，燃料电池汽车的出货量保有量也不断提升。
图表11 2015-2020年氢能行业融资情况
信息来源：香橙会氢能数据库、融中研究整理
从细分产业链融资数量来看，电池系统集成及电堆研发等核心技术获得资本的大力加持，为我国氢燃料电池核心技术国产化，氢燃料电池产业基础设施建设完善化提供了资金保障。
图表12 2015-2020年氢能行业细分领域融资情况
信息来源：香橙会氢能数据库、融中研究整理
6.2氢燃料电池投融资趋势
基于中国能源结构转型、碳达峰、碳中和等国家战略的开展与实施，近年氢燃料电池行业中的新兴国产企业也受到了更多产业及社会资本的关注。许多在燃料电池领域上拥有自主研发能力及市场拓展能力的优秀企业在资本市场上得到助力。基于目前氢燃料电池市场还未成熟，行业集中度开始下降，很多优秀企业虽处于早期融资阶段，但在燃料电池系统装机量和车辆配套数量方面都已处于行业前列，且与地方政府及知名车企建立了良好的战略合作关系，因此当前正是可以以较低估值布局未来潜在市场巨头的黄金时期。
图表13 近年氢能行业融资事件（部分未上市企业）
信息来源：IT桔子，公开资料，融中研究整理
当前国家政策明确氢燃料电池产业规划，地方政府也同步积极响应，将氢能发展纳入地方“十四五规划”，加持行业的政策补贴红利，为氢燃料电池的快速发展提供了有力保障；另一方面，我国在氢燃料电池行业关键技术上积累了丰富的产业经验，虽然与国际先进水平仍存在一定差距，但突破“卡脖子”技术、实现核心技术国产化将是未来行业发展的必然趋势。因此，长期持续的政策红利叠加巨大的国产替代空间，将使得氢燃料电池行业成为未来新能源、智能制造等核心科技领域资本追逐的耀眼明星。