燃料（liào）電池行業深度報告：需求、技術、國產（chǎn）化

一（yī）、背景：政（zhèng）策、成本推動（dòng）下（xià），FCV 開啟放量降本

1. 車輛電動化大勢所趨，燃料（liào）電池為商用車電動化的優選方（fāng）案

 電動化趨勢下鋰電技術（shù）路線（xiàn）率先突圍，尤其帶動了乘用車的（de）電動化浪潮。相較（jiào）之下（xià），重載運輸領（lǐng）域的電動化進程卻略（luè）顯緩慢。從市場規模看，2019 年國內重卡銷量 117 萬輛，遠不及乘用市場龐大，但其能源消耗大（dà），汙染 嚴重，電動化意義不亞於乘（chéng）用車。2019 年國內汽車銷量 2577 萬輛，其中 重卡僅 117 萬，占（zhàn）比不足 5%。從保有量看，截止 2020 年上半年國內汽車 保有量 2.7 億輛，其中載貨汽車不足（zú） 3000 萬輛，遠不（bú）及乘用（yòng）車等載（zǎi）客車輛。然而（ér）重卡等（děng）貨運車型負荷重，運營時（shí）間長，燃油消耗量大，對推動節能環 保意義重大。

 FCV(參數|圖片) 在重載、長續（xù）航領域優勢明顯，加氫更為便（biàn）捷，成為商用車電動化的 優選。商用場景下（xià）隨續航裏程增長，鋰電車輛電池質量占比快（kuài）速提升，造 成車輛運載（zǎi）能力下降。相較（jiào）鋰電，燃料電池能量密度更高（gāo），相同續航（háng）裏程 下，FCV 在自重方麵的優勢將增加有效（xiào）荷載。除此之外，FCV 能夠在 10- 15min 內完成氫氣加注，而對純電車型，快充樁（zhuāng）充（chōng）電時長仍需 1 小時上下， 慢充（chōng）近十小時。由於商用（yòng）運營強度更（gèng）高，FCV 成為其電（diàn）動化的優選方案。

2. 政策、成本交替推（tuī）動下，產業分兩階段實現（xiàn）快速成長

◼ 第一階段：政策補貼階段（2020-2024）：2020 年 9 月，財政部等五部委 發布《關於開展燃料電池汽車示範應用的通（tōng）知》，暫定 4 年示範期，采取以 獎代補、城市群（qún）申報的扶持方案，推動 FCV 產業化進程。方案契合燃料電 池技術特征和國內產業現狀，據補貼方案內容，測算在（zài）政策落地後的 4 年 補貼期間，FCV 全周期成本可以持平或低於燃油車，調動下遊整車運營方 的積（jī）極性，市場化需求逐步形成帶動產銷放量。補貼階段政（zhèng）策是（shì）主要推動， 產（chǎn）業鏈國（guó）產化進程持續推進，補（bǔ）貼（tiē）期末 FCV 產銷（xiāo）規模達到十萬輛上下，市 場規模（mó）千億，燃料電池係統成（chéng）本降至 2 元/W 附近（jìn），商用車為主要放量車型。

◼ 第二階段：後補貼階段（2025 年以後）：補（bǔ）貼階（jiē）段 FCV 產銷量將迅速（sù）擴張， 產業（yè）降本驅動力（lì）由“國產（chǎn）化”為主向“國（guó）產化+規模化（huà）”雙重（chóng）驅動轉變，燃 料電池核心部件、氫氣成本將快速下降。預計 2025 年前（qián）後，在國內氫氣 資源優勢（shì）地（dì）區，燃料電池（chí）整車有望實（shí）現全生命周期成本持平（píng）甚至低於燃油 車，屆時成（chéng）本成（chéng）為產業發（fā）展的主要推動，氫燃料電池產業將（jiāng）更加趨於市場 化（huà），加（jiā）速在重卡等商用車領域的替代進程，並向（xiàng）乘用車拓展（zhǎn），2030 年前後 整車市場規模達到（dào）百萬輛，市場規模達到萬億，係統（tǒng）成本降至 1 元/W 以下。

◼ 平價階段：遠期氫燃料電池係統成本將持續下（xià）降，除車用外將逐步打（dǎ）開軌 交、船舶、儲能、發電等應用市場，進入平價階段。

◼ 係（xì）統成本及氫氣價格是決定 FCV 經濟性的關鍵（jiàn）因素。FCV 前期主要在商（shāng） 用領域推廣，包含購置成本及營運費（fèi）用的全生命周期成本成為衡量 FCV 經 濟性的有效指標（biāo）。目前係統占整車成本達到 60%以上，而運營階段費用構 成以氫氣為主，因此係統單（dān）價及氫氣售價是影響 FCV 全生命周期經濟性的 主要因素。

◼ 氫氣成（chéng）本（běn）隨用量下行。氫氣成本主要由製氫成本（běn）、運氫成本、加氫站固定 成本三大成本構成。從製氫（qīng）環節看（kàn），雖然目前國內東（dōng）部沿海地區副產氫資 源充足，但受限 FCV 整體用氫規（guī）模尚小，大部分副產（chǎn）氫（qīng）資源並未形成規模 化（huà）供應，造成（chéng）氫氣終端售價偏高。從儲運加氫環（huán）節看，供氫設備利用率越（yuè） 高則分攤至每公（gōng）斤氫氣的投資、費用越低。

◼ FCV 放量拉動氫（qīng）氣需（xū）求，氫氣售價將逐步（bù）下調。政（zhèng）策扶持下 FCV 快速放（fàng） 量，預計 2025 年國內氫（qīng）氣年消耗量將接近 150 萬噸。燃（rán）料電池氫氣用量 大幅提升，推動各地具備副產氫資源的（de）企業逐步構建完整的供氫方案，保 障供氫體係高效運轉，氫氣售價將持續下行。

二、需求：燃料電池技術成本中（zhōng）樞，2030 年市場規模 350 億

1. 膜電極是燃料電池的核心部件，在燃（rán）料電池成本占比超（chāo） 30%

 燃料電池主（zhǔ）要包（bāo）括電堆（duī）、氫氣係統，其中電堆以（yǐ）膜電（diàn）極（MEA）、雙極板 為主（zhǔ）。氫（qīng）氣係統以空壓機、增濕器、氫（qīng）循環泵、高壓氫（qīng）瓶（píng）為主。

 MEA 是燃料電池的技術和成本中樞。MEA 是燃料電池發生電化學反（fǎn）應的 場所，為反（fǎn）應氣體、尾氣和液態水的進出（chū）提供通道，主要由催化（huà）劑、質子 交換膜、氣體擴散（sàn）層構成。氫氣通過陽極氣體擴散層擴散至陽極催化層， 在陽極催化層的作用下生成氫離（lí）子（zǐ）和電子，電子由催化劑中的導電物質傳 遞到陽極氣體擴散層向外電路傳遞，質子（氫離（lí）子）由陽極催（cuī）化（huà）層通過質 子交換膜傳導至陰極催（cuī）化層，外電路的（de）電子經由陰極氣體擴散層向陰極催 化層傳遞，在陰極催化劑的（de）作用下電子、質子、氧（yǎng）氣在陰極催化層生成（chéng） H2O，H2O 通過陰極催（cuī）化劑擴散至陰（yīn）極氣體擴散層。理想的 MEA 需要良好 的氣體（tǐ）擴散能力、液態水管理能力、質（zhì）子傳導能力。

 從成本構（gòu）成來看，膜電極占燃料電池成本大頭。FCV 主（zhǔ）要（yào）成（chéng）本構成包（bāo）括（kuò）燃 料電池（chí）係統、車載供氫係統、動力電池（chí）、車架等其他傳統車輛部件。其中（zhōng）係統為 FCV 的核心部件，在整車成本占比超 60%。係（xì）統包含電堆、空壓（yā） 機、氫（qīng）循環泵等，其中膜電極（jí）作為電堆核心部件，在整個係統成本占比約 30%。

2. 需求（qiú）：整車放量（liàng）拉動膜電極需求，2030 年市場規模將接近 350 億元

◼ FCV 市場（chǎng）開啟放量，2030 年有望達到百萬產銷。政策正式落地將（jiāng）加速國 內 FCV 產銷，2025 年國內 FCV 產銷量有（yǒu）望突破十萬輛。規模化、國產化 推（tuī）動下，燃料電池成本將快速下降，補貼期末 FCV 將在部分地區實現無補（bǔ） 貼條件下對標燃油車平價，經濟性（xìng）優勢驅動下，FCV 將持續放量，2030 年 產銷規模達到（dào）百萬。

 2030 年膜電極需求（qiú）接近千萬平米，對應市場規模超 350 億（yì）元。假（jiǎ）設 2021、 2025、2030 年燃料電池車需求達 1.5 輛、10 萬輛（liàng）、100 萬輛，考慮燃（rán）料 電池重（chóng）卡放量，單車係統額定容量將（jiāng）由此前 30kW 為主逐步提升至 100kW 左右。膜電極功率密度由目前 1W/cm2 逐步升至（zhì） 1.5W/cm2 以上，對應（yīng） 2030 年膜（mó）電極需求接近 1 千萬平米，對應 2030 年市場規模在 350 億（yì）元上 下（xià）。

三、技術（shù）：耐久性>功率密度>成本

 從技術（shù）本身看：膜電（diàn）極行業技（jì）術壁壘（lěi）高（gāo），率先實現技術突破的企業有望脫 穎而出。2016 年（nián） 10 月，汽車工程學會發布《節能與新能源汽車（chē）技術路線 圖》，提出了 MEA 各項核心（xīn）參數的規劃路線，逐步實現高性能、高可靠性、 低成本。目前國內膜電極性能、成本基本達到 2020 年規劃參數，但（dàn）與最 終目標尚有一定差距，考慮行業技術壁壘較高，未（wèi）來率先實現技術突破的 企業有望在行業內脫穎而出。

1. 質子（zǐ）交換膜：海外企業供（gòng）應為（wéi）主，突破點在於超薄兼顧高耐（nài）久性

◼ 質子交換膜性能決定電池性能、壽命（mìng）。質子交換膜在燃料（liào）電池的主要功能 是實現質子（zǐ）快速傳導，同（tóng）時也阻隔氫氣（qì）氧氣（qì）和氮氣在陰陽極間的滲透。質 子交換膜性能的好壞直接決定著燃料電池的性能和使用壽命。理（lǐ）想的質子 交換膜需要具備高質子傳導率，低電子導電率，氣體滲透性低，化學、電 化學、熱穩定性好。

◼ 全氟磺酸膜是主流質子交換膜。1）質子（zǐ）交換膜根（gēn）據含（hán）氟情況進行分類主 要包括全氟磺（huáng）酸膜、部（bù）分（fèn）氟化聚合（hé）物質子交換膜、複合質子（zǐ）交換膜和非氟 化聚合物質子交換膜。2）其中由於全氟磺酸聚合物具有聚四（sì）氟乙烯結（jié）構， 其碳-氟鍵的（de）鍵能高，使其力學性能、化學穩定性、熱穩定（dìng）性佳，使用壽命 遠好於其他膜材料的使用壽命，同時由於分子支鏈（liàn）上存在（zài）親水性磺酸基團， 具有（yǒu）優秀的離子傳導特性，全氟磺酸膜成為目前（qián）主流質子交換（huàn）膜方案（àn）

 研究聚焦於超薄型、高機械強度、高耐久性質子交換膜。降低質（zhì）子交換膜（mó） 的厚（hòu）度可以大幅提升膜電（diàn）極（jí）性能，但可能造成其（qí）機械強度、耐（nài）久性降（jiàng）低。目前質子交換膜的研究主要聚（jù）焦於超（chāo）薄型、高機械強度、耐久性好（hǎo）。目前 國內主流（liú）膜電極廠商采用交換膜厚度在 15μm 上下，豐田 Mirai(參數|圖片) 搭載質（zhì）子（zǐ） 交換膜（mó）已降至 10μm 以（yǐ）下（xià）。

2. 催化劑：低鉑載&高性能&高耐久性仍是技術難點

 陽極催化劑（jì）層和陰極（jí）催（cuī）化劑層是膜（mó）電極（jí）最重（chóng）要的部分，陽極使用催化劑促 進氫氧化反應，涉及氧化反應、氣體擴（kuò）散、電子運（yùn）動、質子運（yùn）動、水的遷 移（yí）等多種過程；陰極使用（yòng）催化劑（jì）促進氧還原反應，涉（shè）及氧氣的還原、氧氣 擴散、電子運動、質子運動、反（fǎn）應生成的水的排出等。良好的催化劑應該 具有良好的（de）催化活性、高質子傳導率（lǜ）、高電子傳導率和良好的水管理能力、 氣體擴散能力。

 提高耐久（jiǔ）性為（wéi）當前關鍵，未來低鉑載為研發方向。1）燃料電池在車輛運行 工（gōng）況下，催化劑性能會（huì）發生衰減（jiǎn），如在動電位作用下（xià）會發生 Pt 納米顆（kē）粒的 團聚、遷移、流失，在開路、怠（dài）速及啟停（tíng）過程產生（shēng）氫（qīng）空界麵引起的高電位導致的催化劑碳載體的腐蝕，從而引起催化劑（jì）流失。2）目前（qián）最優（yōu）催化（huà）劑仍 是 Pt 和（hé） Pt 基催化劑,常（cháng）用的商業催（cuī）化劑為 Pt/C，由 Pt 納米顆（kē）粒分散到碳 粉載體上的擔載型（xíng）催化劑。使用 Pt 催化劑將會受（shòu）資源（yuán）與成本的限製，目前 Pt 用量已從 10 年前 0.8~1.0gPt/kW 降至現在的 0.3gPt/kW 左右，未來有 希望進一步降低，使其催化劑用量達到傳統內燃機尾氣淨化器貴（guì）金（jīn）屬用量 水平（<0.05gPt/kW）。

 降低鉑載的研究途徑主要有二：1）提高催化劑的（de）催化活性來實現 Pt 用量 降低。主要研究方向包括：①Pt 合金（jīn）催化劑（利用（yòng）過度金屬催化（huà）劑提高其 穩定性、質量比（bǐ）活性，包括 Pt-Co/C、Pt-Fe/C、Pt-Ni/C 等二元合（hé）金催化 劑）；②Pt 單原子層催化劑（Pt 單原子層（céng）的核殼結構，）；③Pt 核殼（ké）催化劑 （以非（fēi） Pt 材（cái）料為支撐核、表（biǎo）麵殼為貴金屬，由金屬合金（jīn）通過化學或電化學 反應，去除活性較高的金屬元素，保留活性較低的 Pt 元素。該方法降低 Pt 載量，提（tí）升催化（huà）劑活性）；④納米結（jié）構 Pt 催化劑（以（yǐ）碳（tàn）納米管為催化劑載 體的催化劑，是（shì）高（gāo）度有序的催化層，質子、電子、氣體可以（yǐ）更快傳輸）。2） 尋找替代（dài） Pt 的催化劑，其研（yán）究主要包括過度金屬原子簇合物、過渡金屬氮 化物等。

 學術（shù）上低鉑載（zǎi）膜電極技術不斷（duàn）突破。如今，膜電極催（cuī）化層中 Pt 載量已經由 常規的 0.2mg/cm2不斷降低，進一步加快燃料電池產業化進程。

3. 氣體擴（kuò）散層：海外企（qǐ）業把控碳纖（xiān）維核心技術，碳紙進口為主

 兩片多孔氣體擴（kuò）散層（GDL）將膜電極組合體夾在中間（jiān），主要作用包括支 撐催化層（céng）、收集電流、傳導氣體和排出（chū）反應（yīng）產物水。理想的氣體擴散層需 要具備高導電性、多孔性、適當（dāng）的親水/憎水平衡、高化學穩定（dìng）性熱穩定性、 低成本。

 1）氣體擴散層由支撐層和（hé）微孔層組成，支撐層材料主要為多孔的碳纖維紙、 碳纖維織布、碳纖維無紡布及碳（tàn）黑紙，微孔層通常是由導電炭黑（hēi）和憎水劑 構成。其中碳（tàn）纖維（wéi）紙具備製（zhì）造工藝成熟、性能穩定、成（chéng）本相對較（jiào）低等優點， 成（chéng）為支撐層的（de）首選（xuǎn）。而碳纖維布編織（zhī）（結構存在缺陷易變形（xíng））、無紡布（工（gōng） 藝複雜、強度和耐用性不達標）、碳黑紙（脆性（xìng）大（dà）、強度低）均有優化空間（jiān）。2）目前碳纖維的核心技術工（gōng）藝主要（yào）被日本、美國幾個少數發達國家把控， 由於其技（jì）術含量高、回報率高、政治敏感，海外長期對我國實行嚴格（gé）的技 術（shù）封鎖，目前我國碳纖維（wéi）技術（shù）與發達國（guó）家差距較大（dà），我國已將碳纖維列為 重點支持的戰略性新興產業，在政策扶持下技術有望加速成熟。

4. 製備工藝：CCM 是主流，第（dì）三代有序化膜電極是未來方向

 產業上膜電極工藝經曆（lì）了三代發展，大體上可以分（fèn）為 GDE、CCM 和有序（xù） 化膜（mó）電（diàn）極三種類型。

 第一代（dài）製備技術 GDE（Gas Diffusion Electrode，氣體擴散電極）法 是指將催化劑塗布在氣體擴散層上，然後用熱壓法將氣（qì）體擴散電極和 質子交換膜結合在一起。但是該技術會導致（zhì）催化（huà）劑的浪費，同時（shí）催（cuī）化 劑和質子交換膜結合程度不好導致膜電極整體性能不佳。

 第二代製備技術 CCM（Catalyst Coated Membrane 催化劑直接塗抹 技術）法指將催化（huà）劑塗布在質子交換膜兩側，再通過熱壓法（fǎ）將氣（qì）體擴 散層和附著催化層的質（zhì）子交換（huàn）膜結合在一（yī）起。CCM 工藝增加了（le）催化劑 和質子交換膜的接（jiē）觸麵積，降低了膜（mó）和催化劑之間（jiān）的阻抗，提升了膜 電極性能。CCM 法是是目前工業應用最廣泛的方法，具體工藝包括貼 花工藝、濺射技（jì）術等，難（nán）點在於催化劑塗布在質子交換膜上容易出現 膜變形、膜吸（xī）收催化劑的問題。

 第三代有序化膜電極製備技術（shù）指製備有序的催化劑、微孔層（céng），有序膜 電極製備技術可以加快反應氣體、質子、電子、水的傳輸，傳（chuán）質能力（lì） 佳，大（dà）幅提升催化劑利用率、膜電極性能。

四、國產化：膜電極達（dá）到（dào）商用標準，國產化推進帶動成本下行

1. 國（guó）產膜電極初（chū）步滿足商用標準，國（guó）產規模化帶（dài）動成本下（xià）行

 目前生產膜電極的廠商分為（wéi）兩（liǎng）類：一種是具備膜電極批量產業化能力、能 夠自給自足的車企或燃料電池廠商，以豐田、Ballard 為代表。另外一種是 專業的膜電極供應商，包括 Gore、Johnson Matthey、Toray（Greenerity） 和（hé）國內的鴻基創能科技有限公司、蘇州擎動動力科技（jì）有限（xiàn）公司、武漢理工 氫電科技有限公司。

 國產膜電極（jí）已初步達到應用標準，成本較進口產品大幅優化，帶動產業鏈 成本下行。目前國（guó）內領先膜電極企業鴻基創能、武漢（hàn）理工新能源、擎動科 技膜電極產品功率密度均超過 1W/cm2，測試使用壽命達到 1~2 萬小時， 已基本滿足產業化應用需（xū）求（qiú），2019 年開始國產膜電極產品逐步開始供應。國產膜電極較進口產品成本優勢明顯（xiǎn），帶動燃料電池成本持續下行，2020 年采用鴻基創能 MEA 的國鴻新一代“鴻芯”電堆成本已降至 1.99 元/W。

 短期國產化、規模化將是降本的主（zhǔ）要（yào）推動，未來功率密度提升帶來（lái）更大降 本空間。國產化 MEA 產品規模化應用（yòng）增強供應商議價能力，大批量采購情 況下上遊原材（cái）料成本有望大幅下降，同（tóng）時規模效應攤薄高昂的設備投入， 帶動 MEA 成本下行。遠期（qī）看，MEA 功（gōng）率密度提升將降低單瓦（wǎ）材料用量， 實現更大（dà）的降本空間。

2. 原材（cái）料（liào）仍（réng）主要依賴進（jìn）口，國產化逐步推進

 質（zhì）子交換膜：主（zhǔ）要（yào）參與者為海外企業。目前市（shì）麵上銷售的質（zhì）子交換膜主要 包括美國 Gore 公司（sī） SELECT 係列、Dupont 公司的 Nafion 係列、加拿大 Ballard 公司 BAM 膜等以及（jí）國內東嶽集團的全氟磺酸質子交換膜。

 東嶽集團具備（bèi）規（guī）模化生產（chǎn）能力。1）2004 年，東（dōng）嶽集團聯合上海交通大學 研發出質子交換膜，經日本豐田公司和德國 Fuma.Tch 公司分別檢測，東 嶽（yuè）公司生產的質（zhì）子交換膜（mó）性能出色不遜於同類（lèi）產品（pǐn）。2）目前山東東（dōng）嶽擁有 5 萬平米質子交換膜試驗生（shēng）產線，2018 年（nián） 9 月（yuè）公司 150 萬平米/年燃料電池 膜及配套（tào）化（huà）學品產業（yè）化項目簽約，規劃質子交換膜產（chǎn）能達（dá） 50 萬平。目前， 東嶽 DF260 膜厚度做（zuò）到 10um，在 OCV 情況下耐久性大於 600 小時；膜 運行時間達到 6000 小時；在（zài）幹濕循環（huán）和機械（xiè）穩定性方麵，循環次數（shù）都超 過 2 萬次。

 催化劑：在（zài）燃料電池催化劑領域，海外企業處於領先地位，已經能夠實現 批量化（huà）生產，而且性能穩定，其中英國 Johnson Matthey 和日本田中是全 球鉑催（cuī）化劑的巨（jù）頭。

 國內對催化劑研發以大連化（huà）物所、清華大學、北京大學等為主，其中清華 大學與武漢喜瑪拉雅光電（diàn）科技（jì）股份有限公司開展校企深度合作，目前武漢 喜瑪拉（lā）雅光電（diàn）科技催化劑產（chǎn）能達到 1200 克/天的規模。2019 年 8 月上海 濟平新能源催化（huà）劑小規模投產，一期催化劑產能約 1500kg。

 氣體擴散層：從碳紙供應來看，目前碳紙供應商包括日本 Toray、德國 SGL、科德寶、美國 AvCarb 等。國內碳能科技具備小規模產能，產品（pǐn）部 分性能達標。

五、相關企業：初期一體化占優，遠期第三方或是主流（略）

 導（dǎo）入階段下遊電堆（duī）企業需（xū）求多樣化，考驗 MEA 企業研發調整能力，一體 化/類一體化（huà）企業更具優勢。MEA 設計製造（zào）涉（shè）及（jí）多學科多領域，本身技（jì）術 壁壘性較高。除此以外，由於目前（qián）國內氫燃料電池仍處在導入階段，下遊 應用多樣化，湧現出的新興企業產品尚未定型，提出多樣化（huà）的 MEA 參數需 求，對（duì） MEA 企業的考驗更為苛刻。先發（fā）布局（jú） MEA 的企（qǐ）業（yè）產品開發（fā）試錯經 驗豐富（fù），麵對（duì）“定製化”需求響應速（sù）度和產品質量都更有保證。

 產（chǎn）品相對同質化且規模效應明顯，遠期第（dì）三方（fāng） MEA 供應（yīng）商或成主流。相 較下遊係統、電堆環節，膜電極產（chǎn）品差（chà）異主要體現在（zài）能量密度、使用壽（shòu）命 等，相對同質化。同時，PEM、擴散層等材料采購（gòu）成本規模效應明顯，高 市占率企業將在性（xìng）價比上具備明顯優勢，因而第三方 MEA 供應商或將占據 未（wèi）來市場的主流。