氢燃料电池原理(什么是氢燃料电池)

作者:王汉兴

谈到新能源汽车的动力系统，人们往往第一时间想到锂电池。事实上，在传统内燃机和锂电池争夺汽车动力市场的同时，燃料电池的竞争力也不容忽视。本周以潍柴动力为代表的氢燃料概念上市公司走强，再次引领市场对“氢锂路线之争”的关注。作为新能源汽车的另一种选择，氢燃料电池的发展现状、瓶颈和未来如何？

燃料电池还处于发展初期，成本问题制约着产业化进程。

通常，燃料电池指的是氢燃料电池，因为它最具代表性。与作为储能装置的锂电池不同，氢燃料电池是一种非燃烧的能量转换装置，通过电化学反应将阳极氢和阴极氧的化学能转化为电能。燃料电池结构单元主要由膜电极组件和双极板组成，其中膜电极组件由质子交换膜、催化剂和气体扩散层组成，气体扩散层是反应场所。双极板是带有流道的金属或石墨板。它们的主要功能是通过流场将反应气体输送到膜电极组件，收集和传导电流，并排出反应产生的水和热。

简单来说，氢燃料电池的工作原理可以近似看作是电解水的逆过程。从应用的角度来看，氢燃料电池主要应用在长途和大型车辆领域。目前在商业化和成本控制上还不如纯电动车行业成熟。但从节能环保的角度来看，氢燃料电池的反应残留物是电、热和水，所以理论上氢能是一种理想的清洁能源。

制图:金融上市公司研究所

从上图可以清楚的看到，目前我国燃料电池汽车还处于初级发展阶段，销量占新能源汽车的比例非常小。中汽协数据显示，2019年我国燃料电池汽车销量仅为2737辆，与100万辆以上的新能源汽车销量差距明显。

那么为什么市场看好氢燃料电池的发展前景呢？主要有两个原因。首先，从高碳到低碳、从低密度到高密度的发展路径是国际能源转型的主流趋势。氢能本身无毒无害，反应残渣为水，热密度高，是“碳中和”主题下最理想的清洁能源之一。其次，从国内来看，中国拥有世界上最大的氢气资源。民生证券研报数据显示，全球人工制氢主要原料96%以上来自传统化石资源热化学重整，只有4%左右来自电解水。从地域分布来看，亚太地区产氢能力最大，而中国是产氢能力最大、产氢分布最广的国家。目前国际制氢年产量约6300万吨，中国制氢年产量约2200万吨，占世界制氢产量的三分之一，是世界上最大的制氢国。

综上所述，氢燃料电池在中国有很好的发展土壤，但仍包含一些产业发展的瓶颈，最明显的就是购置成本高，基础设施缺乏，使用成本高。这里需要注意的是，成本问题是研究新能源空成长性时反复提到的重点。如果成本降不下来，替代传统能源的基础将不复存在。电解水制氢的原理看似很简单，但实验室级别的制氢和工业级别的量产有本质区别。工业蒸汽重整制氢需要消耗大量的热量，效率较低。同时，制氢的过程也会污染环境，储氢和长途运输的成本导致氢能的使用成本远高于电能。因此，氢燃料电池的产业化还需要一定的R&D循环。

“新旧”能源应该是互补的。国内替代燃料电池空更大。

在a股燃料电池板块，我们选取传统重卡龙头潍柴动力和新科创板易华通这两家具有氢燃料电池概念的代表性上市公司，来看看国内相关厂商的竞争格局。潍柴动力A+H股周三大涨，股价创历史新高。该股的大幅上涨也是氢燃料电池话题火爆的主要原因之一。

潍柴动力虽然是重卡领域的龙头，但在燃料电池的布局上也走在了国内上市公司的前列。2016年，潍柴动力战略投资国内氢燃料电池龙头企业福赛；2017年，与博世签署战略合作框架协议，共同研发生产氢燃料电池及相关零部件；2019年12月完成对德国ARADEX的战略收购；2020年3月31日，潍柴动力2万台氢燃料电池发动机工厂正式投产。到2020年上半年，济南、潍坊、聊城已推广氢燃料电池公交车220辆。

2020年12月，潍柴动力发布a股股份增持预案，显示拟募集资金不超过130亿元。募投项目包括氢燃料电池及关键零部件产业化项目、固体氧化物燃料电池及关键零部件产业化项目、燃料电池动力总成核心零部件研发及制造能力建设项目，总投资超过37亿元。

潍柴动力董事长谭旭光曾表示:发展新能源汽车并不是要完全取代柴油车，而是要应用于适合新能源汽车使用的工况。比如城市公交，港口拖拉机等。，推广新能源汽车，使其与柴油车一起工作，可以兼顾经济效益和社会环保。据预测，未来20-30年，氢气将成为能源结构的重要组成部分，但市场份额不会超过10%。

怡化通主要从事氢燃料电池发动机系统的R&D和产业化。2019年，易华通共销售燃料电池发动机系统498套，实现主营业务收入5.49亿元。率先开启了国内氢燃料电池发动机批量商业化进程。2020年8月10日，易华通在上交所科技创新板上市，上市首日涨幅超过140%，因此被誉为氢燃料电池第一股。

2017年、2018年、2019年燃料电池汽车全国销量分别为1275辆、1527辆、2737辆，易华通分别销售燃料电池发动机系统192台、303台、498台。产品最终用户包括北京市公共交通控股(集团)有限公司、张家口市公共交通集团有限公司、郑州市公共交通总公司、张家港市港城公共交通有限公司，截至2019年底，根据现行有效的《新能源汽车推广应用推荐车型目录》，目前列入目录的燃料电池商用车有185款，支持易华通燃料电池发动机系统的商用车有37款，占比20.00%，位居行业第一，大幅领先。

制图:金融行业上市公司研究所数据来源:易华通招股说明书

此外，怡化通在招股书中关于国内燃料电池发展现状表示，日本、美国等国家在氢能和燃料电池领域经历了数十年的发展，技术发展阶段和产业化程度整体领先于中国。目前华通产品的技术水平与氢能发达国家还有一定差距。国内市场氢电池发动机系统供应链基础薄弱，尚未形成成熟的零部件供应体系。目前国内企业仍需攻克基础材料、核心技术、关键部件等难点，尤其是膜电极等关键部件的产业化。