燃料电池的野望！
氢是这个宇宙中最丰富的物质之一，但或许正因为氢的大量存在，有时会忘记了氢的价值。
从最初作为内燃机的燃料，到现在氢气已经可以为空中旅行提供动力。在大谈新能源应用的时代，氢又将以燃料电池这一应用形式，再次成为全人类能源革命中的焦点。
谈到燃料电池，大家并不陌生，也不属于一个新生事物。
使用氢燃料电池的汽车，能量密度高、续航里程长，而且避免了使用锂和钴等元素，更具环保性。
所以，无论怎么看，燃料电池汽车似乎都是一个理想的新能源汽车模型。
但具体到实践应用层面，受制于氢气制备、燃料电池技术突破等因素制约，燃料电池汽车并没有成为应用的主流。
在新能源汽车概念被炒上天的这些年，更多的也只是停留在概念而已。
但眼下，随着燃料电池技术在商用车的推广，政策的引领，技术的迭代，都在将燃料电池汽车推向真正意义上的产业导入期。
所谓燃料电池，就是通过化学反应，将燃料及氧化剂中蕴含的化学能转换为电能的装置。
当然，这个燃料可以是很多物质。只不过由于氢气的综合适用性较好，现在大家提起燃料电池，一般指的是氢气燃料电池。
实际上，早在200年前内燃机诞生的时候，氢气就被用在第一代内燃机中作为燃料。丰田在2014年推出了全球第一辆商业化的燃料电池车。由于安全性、能量密度、制氢工艺等问题，最终作罢。
同样，今天所说的燃料电池，氢气并不是真正作为燃料，而是与氧气发生反应转化为电能。
同样作为动力电池，燃料电池与锂电池最大的不同点是：
锂电池是一个储能装置，而燃料电池根本上是一个发电装置。
涉及到燃料电池这个话题，需要烧脑一下，或多或少的要用到一点点理工科的小知识，也可以理解为投资中的第一性原理。
如下图所示，氢能源燃料电池的一般构成主要由阳极、阴极、催化剂涂层、电解液几部分构成。
在反应原理上也很好理解，可以概括为下图所示的5个步骤。
燃料电池反应堆原理
图片来源：德勤
第一步——加氢：将氢气加注到阳极（氢电极侧）。
第二步——催化：进入到阳极的氢气与涂抹在阳极上的催化剂发生反应，开始释放电子并形成带正电荷的氢离子。
第三步——运动：带正电荷的氢离子穿越电解液到达阴极。
第四步——放电：由于产生的电子不能穿过电解液，直接进入图4环节，形成电流。
第五步——排水：在阴极加入氧气，也在催化剂的作用下，与穿越到阴极的氢离子发生反应，直接形成水排出。
至此，一个以氢气为燃料的电池反应堆就诞生了。
动力锂电池领域，根据正极材料的不同，有着三元、磷酸铁锂之分。燃料电池根据使用的电解质不同，也有多个技术类型。
主要的包括：质子交换膜燃料电池（PEM），碱性燃料电池（AFC），磷酸燃料电池（PAFC），固体氧化物燃料电池（SOFC）以及熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）四个类型。
具体技术差异暂且不论，总体而言，目前质子交换膜（PEM）是处于商业化最前沿的燃料电池。
启动时间短，空气就可以作为其氧化剂来源，这些特性使得PEM成为汽车能源的理想解决方案。
从实践应用场景来看，燃料电池主要运用于固定式电源、交通运输和便携式电源三大类领域。
氢燃料电池应用场景
图片来源：国联证券
也就是说，从目前的技术应用成熟度来看，氢燃料电池的主要应用场景在交通运输方面。
不同场景的氢燃料电池装机量（MW）
图片来源：国联证券
在氢燃料电池三大应用场景中，从全球范围看，在装机量上也都是以交通领域的应用为主。
原因也很简单，历次能源变革的最新成果总是与交通工具的应用密不可分。在新能源发展进程中，也不会例外。
千百年来，人类从未停止过对能源技术的探索。燃料电池并不是一个新产物。
在世界上第一台内燃机诞生前的1839年，威尔士科学家威廉·格罗夫发明了氢燃料电池的原型。
70年代的石油危机推动了氢燃料电池在汽车上的应用。在接下来的几十年当中，不同国家和地区的科学家，都为了推动燃料电池车的发展做了不懈的努力。
直到2014年丰田推出全球第一辆商业化的氢燃料电池汽车，开启了氢燃料电池汽车的大规模应用探索。
采用燃料电池和锂电池两种技术推动新能源汽车的发展，在产业发展初期并没有展现出清晰的分工格局。两者对比各有明显优劣势。
燃料电池与纯电动优势对比
图片来源：罗兰贝格
正是因为氢燃料电池具有更高功率和能量密度，在载重和续航方面有较大优势。
例如特斯拉的电动重卡模型中，预计其电池重量可以达到4.5吨。而燃料电池车就没有这样的问题，因为其所携带的氢气质量远小于同等能量所需的电池质量。
但是，在加氢站等配套设施方面相较纯电存在明显劣势。
对于纯电驱动的新能源汽车，虽然续航能力有弱势，但是综合安全性、经济性等因素，在个人的中短途出行上明显胜出。
另外，需要说明的是，燃料电池车与纯电动车同属新能源汽车范畴。
从下图可以看出，燃料电池、燃油车、纯电动汽车三个车型中，燃料电池车与纯电动车的主要差异是动力来源问题，在构造上并无太大差异。
但与燃油车相比，依然是颠覆性的，毕竟没有了发动机。
三种汽车的动力解决方案
图片来源：德勤
2020年，中国氢燃料电池系统装机量为80.4MW，因疫情的原因，同比下降了36%。从汽车销量上看，2021年1-8月，燃料电池汽车产销分别完成724辆和733辆，同比分别增长27.7%和26.8%。
所以，经过这些年的发展，新能源汽车领域初步达成共识：氢燃料电池主要应用于重卡、公交、客车等商用车领域；纯电动主要应用于乘用车领域。
2020 年，物流特种车在燃料电池汽车中占比最高为53.4%，其次为公交客车占比 36%，租赁乘用车占比仅为 0.1%。
2020年度燃料电池型商用车应用类型
图片来源：开源证券
具体而言，氢燃料电池汽车适用的应用场景主要包括固定路线、中长途干线、高载重。
具体到我们国家而言，从“十五”时期开始，确立了以纯电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车为“三纵”，以多能源动力总成控制系统、驱动电机和动力电池为“三横”。
通过构建“三纵三横”的新能源汽车布局实现弯道超车。其中，燃料电池汽车也是关键一环。
去年10月份，工信部发布了《节能与新能源汽车技术路线图2.0》，提出燃料电池汽车以客车和城市物流车为切入领域，重点在可再生能源制氢和工业副产氢丰富的区域推广中大型客车、物流车，逐步推广至载重量大、长距离的中重卡、牵引车、港口拖车及乘用车等，实现氢燃料电池车更大范围的应用。
燃料电池汽车历年销量
图片来源：中汽协
相较于锂电池近几年百吉瓦时规模的装机以及百万辆级别的销量相比，应该说，国内燃料电池产业仍处于导入期，而锂电池驱动的新能源汽车产业已经由导入期进入到成长期。
导入期的开始，同时也意味着一个确定的产业化进程正式开启。
从行业发展带来的贝塔红利效应看，增长最为强劲或者诞生牛股的产业阶段，就是导入期和成长期。
燃料电池产业进入导入期的投资红利体现在两个方面：一个是行业规模壮大，一个是设备国产化替代。
如果按照燃料电池的制造环节和应用场景，可以分为上游氢气、中游电池系统、下游产品应用三大环节。
燃料电池产业链
图片来源：中商研究院
01 上游的氢气制备
具体又可以分为制氢、存储和运输。无论燃料电池技术如何发展，氢气是最源头的能源。
2018年氢气产量约为2100 万吨，换算热值占终端能源总量的份额为 2.7%。
如果燃料电池的发展速度超预期，按照终端能源占比在10年内提升一倍的乐观估计，氢气的需求量至少要翻两番以上。
氢，虽然是地球上最多的元素，但在自然状态下的游离态氢却较为匮乏，因此需要一定的制氢技术将氢气从含氢原料中制备出来。
所以就目前而言，我国最常见的制氢方法包括：以煤炭、天然气为主的化石能源重整制氢，电解水制氢和以焦炉煤气、氯碱尾气为代表的工业副产气制氢。
这里面，依托化石能源进行氢气制备的工艺成熟，成本较低，是主流的制氢方式。其次是电解水制氢，但成本略高。
值得关注的是，随着光伏、风力发电装机量规模的提升，利用可再生能源发电进行制氢进而实现储能的发展路线，在一些地方已经开始付诸实践。
氢气的存储和运输向来是制约氢能源利用的关键问题。氢气需求量的加大，对应的就是加氢站扩建规模。
在加氢站投资中，我国大部分的氢气存储方式是高压储氢，其中，一个关键的设备就是氢气压缩机，也是储氢系统中成本占比最高的一个环节。
加氢站关键设备成本结构
图片来源：开源证券
长期以来，储氢设备的核心技术在国外企业手中，像美国的PDC、英国豪顿、德国Andreas Hofer都是业内的佼佼者。
压缩机这个环节中的国产化替代比例也在慢慢扩大，像北京天高、江苏恒久、京城机电等企业也都日渐扩大了市场份额。
02 中游的电池堆
交通运输作为燃料电池的最大应用场景，在一个氢燃料电池汽车当中，燃料电池系统是关键的关键，成本占比也是最大的一块，高达60%以上，正如纯电动汽车当中的动力锂电池。
燃料电池汽车成本构成
图片来源：国元证券
燃料电池系统又包含电池堆和辅助系统两大块，成本结构为四六开。
文章开头拆解了燃料电池反应堆的构成，按照构成部件来分，主要有四个关键部件。
燃料电池反应堆核心构成部件
图片来源：君临
首先，看催化剂。这是氢燃料电池堆中成本占比最大的一块核心材料。使用的是掺杂了铂的催化剂（就是铂金元素）。
与其他环节的材料类似，核心技术也掌握在日美手中，特别是日本这种依靠精密制造和材料立国的国家。
国内的上市企业贵研铂业也在专注这一催化剂的研制，尽管早在2014年就与上汽签了合作协议，但目前为止，产品还处在实验室阶段。
其次，看质子交换膜。这种材料有点类似锂电池里面的隔膜，对精密制造能力要求较高。在港股上市的东岳集团有一个150万平米的燃料电池膜产线。
如果燃料电池的市场规模扩大，该标的成为像恩捷股份这样的强劲增长企业也不是没有可能。
再次，看双极板。双极板是反应堆中仅次于催化剂的关键材料。
目前，石墨双极板是国内主流双极板，导电性、导热性、稳定性都不错。在市场占比上，石墨双极板占 65%，金属双极板占 35%。
燃料电池双极板
图片来源：燃料电池干货
如上图所示，看似简单的两个材料板，但却是整个燃料电池反应堆的骨架。由于加工难度大，成本也占比较高。目前，威孚高科与安泰科技在双极板上走在国内前列。
实际上，前面谈及的几个材料环节的企业，在商业模式的理解上可以参照现在锂电池领域的一些上游企业。但以目前燃料电池的商业化应用规模而言，无论是销量还是收入都并不是太高，国产化全产业链的搭建进程也在慢慢进行中。
在燃料电池系统集成中，成立于2012年的亿华通值得关注。这家坐标北京的企业，自称是国内氢能产业领导者。
亿华通在核心材料、零部件和系统集成上走在全国前列，背后的科研力量是清华的欧阳明高教授团队。
亿华通目前在科创板上市。尽管还没有盈利，但2013年开始，营收的年复合增速达96%以上。自2015年起，毛利率稳定保持在 40%以上。
亿华通历年营业收入
图片来源：开源证券
我们知道，上一个5年，在动力锂电池行业，随着行业景气度的提升，诞生了宁德时代这样的全球电池龙头。
如果做一个假设，在燃料电池领域也诞生一家宁茅企业，最有希望的就是亿华通。
辩证唯物主义哲学当中的一大原则是，实践是检验真理的唯一标准。
具体到产业发展亦是一样的道理。
在新能源汽车发展的这件事上，最初的技术路线理论很多，最后能够具备大规模商业化的，从产业配套到市场认可度，目前只有锂电池路线胜出。
这就是一个自下而上的实践淘汰过程。
不同类型汽车的应用情况
图片来源：德勤
所以，无论是成本还是技术应用，在乘用车领域，至少在眼下，锂电池路线是无可撼动的。
实际上，丰田在2014年就推出了第一款商业化的燃料电池乘用车，上汽也在2016年推出了荣威950的插电式混合动力版车型。
但由于燃料电池部分关键零部件仍依赖进口、规模也较小，上游氢能供应以及规模化不足，导致氢燃料电池汽车的车辆购置成本和能源使用成本较高，无法大规模普及。
而在商用车领域，特别是一些重卡、叉车、物流车、公交车等应用上，出于环境污染、动力输出、能量密度等视角考虑，是燃料电池取得突破的主战场。
在汽车行业中，综合购买和使用成本，有一个指标叫做全生命周期成本（TCO，Total Cost ofOwnership），用来衡量一辆车的经济性。
在购置成本上，以燃料电池目前最大的重卡看点为例，目前阶段，一辆30吨的燃料电池重卡TOC中，购买成本中的70%为燃料系统成本。
燃料电池汽车的全生命周期成本构成
图片来源：开源证券
要想实现对竞品燃油车的替代，就要在这70%的成本下降上下功夫。具体的测算模型不再赘述。
在使用成本上，目前由于下游应用市场规模较小，氢气成本在50-80元/kg，而当下的重卡的百公里氢耗平均为10kg/100km。
这个使用成本显然是无法大规模实现商业化的。
根据主流咨询机构的数据测算，到2025年会进入规模化应用阶段，到2030年实现与燃油车的平价。
当然，这只是一个理论模型的保守推演。具体到实践层面，随着政策“以奖代补”的带动，和“双碳”目标的实施，都会加速燃料电池技术在商用车领域的应用。
尽管在商用车领域，实现燃料电池汽车的平价需要不短的时间，但资本的预期总是领先于产业发展进程，上一个锂电池产业发展的五年即是如此。
另外，随着光伏、风力等可再生能源发电装机量的提升，如何消纳日益成为重要问题。
利用这些新能源发电进行制氢，一方面实现储能，减轻消纳压力。
另一方面，可再生能源发电的经济性也直接带动制氢成本的降低。有一些地方已经推出了类似的政策进行应用。
关键问题在于，路线确定以后，成果都是早晚的事。