1、車輛電動化大勢所趨，燃料電池為商用車電動化的優(yōu)選方案

電動化趨勢下鋰電技術路線先突圍，尤其帶動了乘用車的電動化浪潮。相較之下，重載運輸領域的電動化進程卻略顯緩慢。從市場規(guī)模看，2019 年國內(nèi)重卡銷量 117 萬輛，遠不及乘用市場龐大，但其能源消耗大，污染 嚴重，電動化意義不亞于乘用車。2019 年國內(nèi)汽車銷量 2577 萬輛，其中 重卡僅 117 萬，占比不足 5%。從保有量看，截止 2020 年上半年國內(nèi)汽車 保有量 2.7 億輛，其中載貨汽車不足 3000 萬輛，遠不及乘用車等載客車輛。然而重卡等貨運車型負荷重，運營時間長，燃油消耗量大，對推動節(jié)能環(huán) 保意義重大。

FCV 在重載、長續(xù)航領域優(yōu)勢明顯，加氫更為便捷，成為商用車電動化的 優(yōu)選。商用場景下隨續(xù)航里程增長，鋰電車輛電池質(zhì)量占比快速提升，造 成車輛運載能力下降。相較鋰電，燃料電池能量密度更高，相同續(xù)航里程 下，F(xiàn)CV 在自重方面的優(yōu)勢將增加有效荷載。除此之外，F(xiàn)CV 能夠在 10- 15min 內(nèi)完成氫氣加注，而對純電車型，快充樁充電時長仍需 1 小時上下， 慢充近十小時。由于商用運營強度更高，F(xiàn)CV 成為其電動化的優(yōu)選方案。

? 階段：政策補貼階段（2020-2024）：2020 年 9 月，財政部等五部委 發(fā)布《關于開展燃料電池汽車示范應用的通知》，暫定 4 年示范期，采取以 獎代補、城市群申報的扶持方案，推動 FCV 產(chǎn)業(yè)化進程。方案契合燃料電 池技術特征和國內(nèi)產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀，據(jù)補貼方案內(nèi)容，測算在政策落地后的 4 年 補貼期間，F(xiàn)CV 全周期成本可以持平或低于燃油車，調(diào)動下游整車運營方 的積極性，市場化需求逐步形成帶動產(chǎn)銷放量。補貼階段政策是主要推動， 產(chǎn)業(yè)鏈國產(chǎn)化進程持續(xù)推進，補貼期末 FCV 產(chǎn)銷規(guī)模達到十萬輛上下，市 場規(guī)模千億，燃料電池系統(tǒng)成本降至 2 元/W 附近，商用車為主要放量車型。

? 第二階段：后補貼階段（2025 年以后）：補貼階段 FCV 產(chǎn)銷量將迅速擴張， 產(chǎn)業(yè)降本驅(qū)動力由“國產(chǎn)化"為主向“國產(chǎn)化+規(guī)模化"雙重驅(qū)動轉(zhuǎn)變，燃 料電池核心部件、氫氣成本將快速下降。預計 2025 年前后，在國內(nèi)氫氣 資源優(yōu)勢地區(qū)，燃料電池整車有望實現(xiàn)全生命周期成本持平甚至低于燃油 車，屆時成本成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要推動，氫燃料電池產(chǎn)業(yè)將更加趨于市場 化，加速在重卡等商用車領域的替代進程，并向乘用車拓展，2030 年前后 整車市場規(guī)模達到百萬輛，市場規(guī)模達到萬億，系統(tǒng)成本降至 1 元/W 以下。

? 平價階段：遠期氫燃料電池系統(tǒng)成本將持續(xù)下降，除車用外將逐步打開軌 交、船舶、儲能、發(fā)電等應用市場，進入平價階段。

? 系統(tǒng)成本及氫氣價格是決定 FCV 經(jīng)濟性的關鍵因素。FCV 前期主要在商 用領域推廣，包含購置成本及營運費用的全生命周期成本成為衡量 FCV 經(jīng) 濟性的有效指標。目前系統(tǒng)占整車成本達到 60%以上，而運營階段費用構(gòu) 成以氫氣為主，因此系統(tǒng)單價及氫氣售價是影響 FCV 全生命周期經(jīng)濟性的 主要因素。

? 系統(tǒng)降本由“國產(chǎn)化"主導向“國產(chǎn)化+規(guī)模化"驅(qū)動轉(zhuǎn)變。2017~2019 年國內(nèi) FCV 產(chǎn)銷量快速增長但整體規(guī)模尚小，核心部件國產(chǎn)化為降本主要 貢獻。政策引導下未來 4 年 FCV 產(chǎn)銷將由千輛向萬輛、十萬輛跨越，同時 大功率重卡趨勢下，系統(tǒng)裝機量增速超過整車產(chǎn)銷量，規(guī)模化、國產(chǎn)化共 同推動系統(tǒng)等部件成本下行。預計未來 5 燃料電池系統(tǒng)成本再降 60%至 2 元/W 合理可期，屆時 100kW 系統(tǒng)售價做到約 20 萬元，49t 燃料電池重卡 售價由目前 140~150 萬降至 60 萬元上下。

? 氫氣成本隨用量下行。氫氣成本主要由制氫成本、運氫成本、加氫站固定 成本三大成本構(gòu)成。從制氫環(huán)節(jié)看，雖然目前國內(nèi)東部沿海地區(qū)副產(chǎn)氫資 源充足，但受限 FCV 整體用氫規(guī)模尚小，大部分副產(chǎn)氫資源并未形成規(guī)模 化供應，造成氫氣終端售價偏高。從儲運加氫環(huán)節(jié)看，供氫設備利用率越 高則分攤至每公斤氫氣的投資、費用越低。

? FCV 放量拉動氫氣需求，氫氣售價將逐步下調(diào)。政策扶持下 FCV 快速放 量，預計 2025 年國內(nèi)氫氣年消耗量將接近 150 萬噸。燃料電池氫氣用量 大幅提升，推動各地具備副產(chǎn)氫資源的企業(yè)逐步構(gòu)建完整的供氫方案，保 障供氫體系高效運轉(zhuǎn)，氫氣售價將持續(xù)下行。

二、需求：燃料電池技術成本中樞，2030 年市場規(guī)模 350 億

1、膜電極是燃料電池的核心部件，在燃料電池成本占比超 30%

燃料電池主要包括電堆、氫氣系統(tǒng)，其中電堆以膜電極（MEA）、雙極板 為主。氫氣系統(tǒng)以空壓機、增濕器、氫循環(huán)泵、高壓氫瓶為主。

MEA 是燃料電池的技術和成本中樞。MEA 是燃料電池發(fā)生電化學反應的 場所，為反應氣體、尾氣和液態(tài)水的進出提供通道，主要由催化劑、質(zhì)子 交換膜、氣體擴散層構(gòu)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子和電子，電子由催化劑中的導電物質(zhì)傳 遞到陽極氣體擴散層向外電路傳遞，質(zhì)子（氫離子）由陽極催化層通過質(zhì) 子交換膜傳導至陰極催化層，外電路的電子經(jīng)由陰極氣體擴散層向陰極催 化層傳遞，在陰極催化劑的作用下電子、質(zhì)子、氧氣在陰極催化層生成 H2O，H2O 通過陰極催化劑擴散至陰極氣體擴散層。理想的 MEA 需要良好 的氣體擴散能力、液態(tài)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 主要成本構(gòu)成包括燃 料電池系統(tǒng)、車載供氫系統(tǒng)、動力電池、車架等其他傳統(tǒng)車輛部件。其中系統(tǒng)為 FCV 的核心部件，在整車成本占比超 60%。系統(tǒng)包含電堆、空壓 機、氫循環(huán)泵等，其中膜電極作為電堆核心部件，在整個系統(tǒng)成本占比約 30%。

? FCV 市場開啟放量，2030 年有望達到百萬產(chǎn)銷。政策正式落地將加速國 內(nèi) FCV 產(chǎn)銷，2025 年國內(nèi) FCV 產(chǎn)銷量有望突破十萬輛。規(guī)模化、國產(chǎn)化 推動下，燃料電池成本將快速下降，補貼期末 FCV 將在部分地區(qū)實現(xiàn)無補 貼條件下對標燃油車平價，經(jīng)濟性優(yōu)勢驅(qū)動下，F(xiàn)CV 將持續(xù)放量，2030 年 產(chǎn)銷規(guī)模達到百萬。

2030 年膜電極需求接近千萬平米，對應市場規(guī)模超 350 億元。假設 2021、 2025、2030 年燃料電池車需求達 1.5 輛、10 萬輛、100 萬輛，考慮燃料 電池重卡放量，單車系統(tǒng)額定容量將由此前 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 1.5W/cm2 以上，對應 2030 年膜電極需求接近 1 千萬平米，對應 2030 年市場規(guī)模在 350 億元上 下。

三、技術：耐久性>功率密度>成本

從技術本身看：膜電極行業(yè)技術壁壘高，先實現(xiàn)技術突破的企業(yè)有望脫 穎而出。2016 年 10 月，汽車工程學會發(fā)布《節(jié)能與新能源汽車技術路線 圖》，提出了 MEA 各項核心參數(shù)的規(guī)劃路線，逐步實現(xiàn)高性能、高可靠性、 低成本。目前國內(nèi)膜電極性能、成本基本達到 2020 年規(guī)劃參數(shù)，但與最 終目標尚有一定差距，考慮行業(yè)技術壁壘較高，未來先實現(xiàn)技術突破的 企業(yè)有望在行業(yè)內(nèi)脫穎而出。

1、質(zhì)子交換膜：海外企業(yè)供應為主，突破點在于超薄兼顧高耐久性

? 質(zhì)子交換膜性能決定電池性能、壽命。質(zhì)子交換膜在燃料電池的主要功能 是實現(xiàn)質(zhì)子快速傳導，同時也阻隔氫氣氧氣和氮氣在陰陽極間的滲透。質(zhì) 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。理想的質(zhì)子 交換膜需要具備高質(zhì)子傳導率，低電子導電率，氣體滲透性低，化學、電 化學、熱穩(wěn)定性好。

? 全氟磺酸膜是主流質(zhì)子交換膜。1）質(zhì)子交換膜根據(jù)含氟情況進行分類主 要包括全氟磺酸膜、部分氟化聚合物質(zhì)子交換膜、復合質(zhì)子交換膜和非氟 化聚合物質(zhì)子交換膜。2）其中由于全氟磺酸聚合物具有聚四氟乙烯結(jié)構(gòu)， 其碳-氟鍵的鍵能高，使其力學性能、化學穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性佳，使用壽命 遠好于其他膜材料的使用壽命，同時由于分子支鏈上存在親水性磺酸基團， 具有的離子傳導特性，全氟磺酸膜成為目前主流質(zhì)子交換膜方案

研究聚焦于超薄型、高機械強度、高耐久性質(zhì)子交換膜。降低質(zhì)子交換膜 的厚度可以大幅提升膜電極性能，但可能造成其機械強度、耐久性降低。目前質(zhì)子交換膜的研究主要聚焦于超薄型、高機械強度、耐久性好。目前 國內(nèi)主流膜電極廠商采用交換膜厚度在 15μm 上下，豐田 Mirai 搭載質(zhì)子 交換膜已降至 10μm 以下。

陽極催化劑層和陰極催化劑層是膜電極最重要的部分，陽極使用催化劑促 進氫氧化反應，涉及氧化反應、氣體擴散、電子運動、質(zhì)子運動、水的遷 移等多種過程；陰極使用催化劑促進氧還原反應，涉及氧氣的還原、氧氣 擴散、電子運動、質(zhì)子運動、反應生成的水的排出等。良好的催化劑應該 具有良好的催化活性、高質(zhì)子傳導率、高電子傳導率和良好的水管理能力、 氣體擴散能力。

提高耐久性為當前關鍵，未來低鉑載為研發(fā)方向。1）燃料電池在車輛運行 工況下，催化劑性能會發(fā)生衰減，如在動電位作用下會發(fā)生 Pt 納米顆粒的 團聚、遷移、流失，在開路、怠速及啟停過程產(chǎn)生氫空界面引起的高電位導致的催化劑碳載體的腐蝕，從而引起催化劑流失。2）目前催化劑仍 是 Pt 和 Pt 基催化劑,常用的商業(yè)催化劑為 Pt/C，由 Pt 納米顆粒分散到碳 粉載體上的擔載型催化劑。使用 Pt 催化劑將會受資源與成本的限制，目前 Pt 用量已從 10 年前 0.8~1.0gPt/kW 降至現(xiàn)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(tǒng)內(nèi)燃機尾氣凈化器貴金屬用量 水平（<0.05gPt/kW）。

降低鉑載的研究途徑主要有二：1）提高催化劑的催化活性來實現(xiàn) Pt 用量 降低。主要研究方向包括：①Pt 合金催化劑（利用過度金屬催化劑提高其 穩(wěn)定性、質(zhì)量比活性，包括 Pt-Co/C、Pt-Fe/C、Pt-Ni/C 等二元合金催化 劑）；②Pt 單原子層催化劑（Pt 單原子層的核殼結(jié)構(gòu)，）；③Pt 核殼催化劑 （以非 Pt 材料為支撐核、表面殼為貴金屬，由金屬合金通過化學或電化學 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，提升催化劑活性）；④納米結(jié)構(gòu) Pt 催化劑（以碳納米管為催化劑載 體的催化劑，是高度有序的催化層，質(zhì)子、電子、氣體可以更快傳輸）。2） 尋找替代 Pt 的催化劑，其研究主要包括過度金屬原子簇合物、過渡金屬氮化物等。

學術上低鉑載膜電極技術不斷突破。如今，膜電極催化層中 Pt 載量已經(jīng)由 常規(guī)的 0.2mg/cm2不斷降低，進一步加快燃料電池產(chǎn)業(yè)化進程。

3、氣體擴散層：海外企業(yè)把控碳纖維核心技術，碳紙進口為主

兩片多孔氣體擴散層（GDL）將膜電極組合體夾在中間，主要作用包括支 撐催化層、收集電流、傳導氣體和排出反應產(chǎn)物水。理想的氣體擴散層需 要具備高導電性、多孔性、適當?shù)挠H水/憎水平衡、高化學穩(wěn)定性熱穩(wěn)定性、 低成本。

1）氣體擴散層由支撐層和微孔層組成，支撐層材料主要為多孔的碳纖維紙、 碳纖維織布、碳纖維無紡布及碳黑紙，微孔層通常是由導電炭黑和憎水劑 構(gòu)成。其中碳纖維紙具備制造工藝成熟、性能穩(wěn)定、成本相對較低等優(yōu)點， 成為支撐層的選先。而碳纖維布編織（結(jié)構(gòu)存在缺陷易變形）、無紡布（工 藝復雜、強度和耐用性不達標）、碳黑紙（脆性大、強度低）均有優(yōu)化空間。2）目前碳纖維的核心技術工藝主要被日本、美國幾個少數(shù)發(fā)達國家把控， 由于其技術含量高、且回報率高、政治敏感，海外長期對我國實行嚴格的技術封閉，目前我國碳纖維技術與發(fā)達國家差距較大，我國已將碳纖維列為 重點支持的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，在政策扶持下技術有望加速成熟。

產(chǎn)業(yè)上膜電極工藝經(jīng)歷了三代發(fā)展，大體上可以分為 GDE、CCM 和有序 化膜電極三種類型。

代制備技術 GDE（Gas Diffusion Electrode，氣體擴散電極）法 是指將催化劑涂布在氣體擴散層上，然后用熱壓法將氣體擴散電極和 質(zhì)子交換膜結(jié)合在一起。但是該技術會導致催化劑的浪費，同時催化 劑和質(zhì)子交換膜結(jié)合程度不好導致膜電極整體性能不佳。

第二代制備技術 CCM（Catalyst Coated Membrane 催化劑直接涂抹 技術）法指將催化劑涂布在質(zhì)子交換膜兩側(cè)，再通過熱壓法將氣體擴 散層和附著催化層的質(zhì)子交換膜結(jié)合在一起。CCM 工藝增加了催化劑 和質(zhì)子交換膜的接觸面積，降低了膜和催化劑之間的阻抗，提升了膜 電極性能。CCM 法是是目前工業(yè)應用廣泛的方法，具體工藝包括貼 花工藝、濺射技術等，難點在于催化劑涂布在質(zhì)子交換膜上容易出現(xiàn) 膜變形、膜吸收催化劑的問題。

第三代有序化膜電極制備技術指制備有序的催化劑、微孔層，有序膜 電極制備技術可以加快反應氣體、質(zhì)子、電子、水的傳輸，傳質(zhì)能力 佳，大幅提升催化劑利用率、膜電極性能。

1、國產(chǎn)膜電極初步滿足商用標準，國產(chǎn)規(guī)模化帶動成本下行

目前生產(chǎn)膜電極的廠商分為兩類：一種是具備膜電極批量產(chǎn)業(yè)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(yè)的膜電極供應商，包括 Gore、Johnson Matthey、Toray（Greenerity） 和國內(nèi)的鴻基創(chuàng)能科技有限公司、蘇州擎動動力科技有限公司、武漢理工 氫電科技有限公司。

國產(chǎn)膜電極已初步達到應用標準，成本較進口產(chǎn)品大幅優(yōu)化，帶動產(chǎn)業(yè)鏈 成本下行。目前國內(nèi)前衛(wèi)膜電極企業(yè)鴻基創(chuàng)能、武漢理工新能源、擎動科 技膜電極產(chǎn)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(chǎn)業(yè)化應用需求，2019 年開始國產(chǎn)膜電極產(chǎn)品逐步開始供應。國產(chǎn)膜電極較進口產(chǎn)品成本優(yōu)勢明顯，帶動燃料電池成本持續(xù)下行，2020 年采用鴻基創(chuàng)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(chǎn)化、規(guī)模化將是降本的主要推動，未來功率密度提升帶來更大降 本空間。國產(chǎn)化 MEA 產(chǎn)品規(guī)模化應用增強供應商議價能力，大批量采購情 況下上游原材料成本有望大幅下降，同時規(guī)模效應攤薄高昂的設備投入， 帶動 MEA 成本下行。遠期看，MEA 功率密度提升將降低單瓦材料用量， 時間更大的降本空間。

2、原材料仍主要依賴進口，國產(chǎn)化逐步推進

質(zhì)子交換膜：主要參與者為海外企業(yè)。目前市面上銷售的質(zhì)子交換膜主要 包括美國 Gore 公司 SELECT 系列、Dupont 公司的 Nafion 系列、加拿大 Ballard 公司 BAM 膜等以及國內(nèi)東岳集團的全氟磺酸質(zhì)子交換膜。

東岳集團具備規(guī)模化生產(chǎn)能力。1）2004 年，東岳集團聯(lián)合上海交通大學 研發(fā)出質(zhì)子交換膜，經(jīng)日本豐田公司和德國 Fuma.Tch 公司分別檢測，東 岳公司生產(chǎn)的質(zhì)子交換膜性能出色不遜于同類產(chǎn)品。2）目前山東東岳擁有 5 萬平米質(zhì)子交換膜試驗生產(chǎn)線，2018 年 9 月公司 150 萬平米/年燃料電池 膜及配套化學品產(chǎn)業(yè)化項目簽約，規(guī)劃質(zhì)子交換膜產(chǎn)能達 50 萬平。目前， 東岳 DF260 膜厚度做到 10um，在 OCV 情況下耐久性大于 600 小時；膜 運行時間達到 6000 小時；在干濕循環(huán)和機械穩(wěn)定性方面，循環(huán)次數(shù)都超 過 2 萬次。

催化劑：在燃料電池催化劑領域，海外企業(yè)處于好的地位，已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn) 批量化生產(chǎn)，而且性能穩(wěn)定，其中英國 Johnson Matthey 和日本田中是全*鉑催化劑的前頭。

國內(nèi)對催化劑研發(fā)以大連化物所、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科技股份有限公司開展校企深度合作，目前武漢 喜瑪拉雅光電科技催化劑產(chǎn)能達到 1200 克/天的規(guī)模。2019 年 8 月上海 濟平新能源催化劑小規(guī)模投產(chǎn)，一期催化劑產(chǎn)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(nèi)碳能科技具備小規(guī)模產(chǎn)能，產(chǎn)品部 分性能達標。

五、相關企業(yè)：初期一體化占優(yōu)，遠期第三方或是主流（略）

導入階段下游電堆企業(yè)需求多樣化，考驗 MEA 企業(yè)研發(fā)調(diào)整能力，一體 化/類一體化企業(yè)更具優(yōu)勢。MEA 設計制造涉及多學科多領域，本身技術 壁壘性較高。除此以外，由于目前國內(nèi)氫燃料電池仍處在導入階段，下游 應用多樣化，涌現(xiàn)出的新興企業(yè)產(chǎn)品尚未定型，提出多樣化的 MEA 參數(shù)需 求，對 MEA 企業(yè)的考驗更為苛刻。先發(fā)布局 MEA 的企業(yè)產(chǎn)品開發(fā)試錯經(jīng) 驗豐富，面對“定制化"需求響應速度和產(chǎn)品質(zhì)量都更有保證。

產(chǎn)品相對同質(zhì)化且規(guī)模效應明顯，遠期第三方 MEA 供應商或成主流。相 較下游系統(tǒng)、電堆環(huán)節(jié)，膜電極產(chǎn)品差異主要體現(xiàn)在能量密度、使用壽命 等，相對同質(zhì)化。同時，PEM、擴散層等材料采購成本規(guī)模效應明顯，高 *占率企業(yè)將在性價比上具備明顯優(yōu)勢，因而第三方 MEA 供應商或?qū)⒄紦?jù) 未來市場的主流。

來源 |未來智庫、  汽車燃料電池之家

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