1、車輛電動化大勢所趨，燃料電池為商用車電動化的優選方案

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，污染 嚴重，電動化意義不亞于乘用車。2019 年國內汽車銷量 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，對推動節能環 保意義重大。

FCV 在重載、長續航領域優勢明顯，加氫更為便捷，成為商用車電動化的 優選。商用場景下隨續航里程增長，鋰電車輛電池質量占比快速提升，造 成車輛運載能力下降。相較鋰電，燃料電池能量密度更高，相同續航里程 下，FCV 在自重方面的優勢將增加有效荷載。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，FCV 成為其電動化的優選方案。

? 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，測算在政策落地后的 4 年 補貼期間，FCV 全周期成本可以持平或低于燃油車，調動下游整車運營方 的積極性，市場化需求逐步形成帶動產銷放量。補貼階段政策是主要推動， 產業鏈國產化進程持續推進，補貼期末 FCV 產銷規模達到十萬輛上下，市 場規模千億，燃料電池系統成本降至 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 產銷量將迅速擴張， 產業降本驅動力由“國產化"為主向“國產化+規模化"雙重驅動轉變，燃 料電池核心部件、氫氣成本將快速下降。預計 2025 年前后，在國內氫氣 資源優勢地區，燃料電池整車有望實現全生命周期成本持平甚至低于燃油 車，屆時成本成為產業發展的主要推動，氫燃料電池產業將更加趨于市場 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 整車市場規模達到百萬輛，市場規模達到萬億，系統成本降至 1 元/W 以下。

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

? 系統成本及氫氣價格是決定 FCV 經濟性的關鍵因素。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 濟性的有效指標。目前系統占整車成本達到 60%以上，而運營階段費用構 成以氫氣為主，因此系統單價及氫氣售價是影響 FCV 全生命周期經濟性的 主要因素。

? 系統降本由“國產化"主導向“國產化+規模化"驅動轉變。2017~2019 年國內 FCV 產銷量快速增長但整體規模尚小，核心部件國產化為降本主要 貢獻。政策引導下未來 4 年 FCV 產銷將由千輛向萬輛、十萬輛跨越，同時 大功率重卡趨勢下，系統裝機量增速超過整車產銷量，規模化、國產化共 同推動系統等部件成本下行。預計未來 5 燃料電池系統成本再降 60%至 2 元/W 合理可期，屆時 100kW 系統售價做到約 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 成本三大成本構成。從制氫環節看，雖然目前國內東部沿海地區副產氫資 源充足，但受限 FCV 整體用氫規模尚小，大部分副產氫資源并未形成規模 化供應，造成氫氣終端售價偏高。從儲運加氫環節看，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。政策扶持下 FCV 快速放 量，預計 2025 年國內氫氣年消耗量將接近 150 萬噸。燃料電池氫氣用量 大幅提升，推動各地具備副產氫資源的企業逐步構建完整的供氫方案，保 障供氫體系高效運轉，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，在燃料電池成本占比超 30%

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

MEA 是燃料電池的技術和成本中樞。MEA 是燃料電池發生電化學反應的 場所，為反應氣體、尾氣和液態水的進出提供通道，主要由催化劑、質子 交換膜、氣體擴散層構成。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子和電子，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（氫離子）由陽極催化層通過質 子交換膜傳導至陰極催化層，外電路的電子經由陰極氣體擴散層向陰極催 化層傳遞，在陰極催化劑的作用下電子、質子、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、液態水管理能力、質子傳導能力。

從成本構成來看，膜電極占燃料電池成本大頭。FCV 主要成本構成包括燃 料電池系統、車載供氫系統、動力電池、車架等其他傳統車輛部件。其中系統為 FCV 的核心部件，在整車成本占比超 60%。系統包含電堆、空壓 機、氫循環泵等，其中膜電極作為電堆核心部件，在整個系統成本占比約 30%。

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

2030 年膜電極需求接近千萬平米，對應市場規模超 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：膜電極行業技術壁壘高，先實現技術突破的企業有望脫 穎而出。2016 年 10 月，汽車工程學會發布《節能與新能源汽車技術路線 圖》，提出了 MEA 各項核心參數的規劃路線，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，但與最 終目標尚有一定差距，考慮行業技術壁壘較高，未來先實現技術突破的 企業有望在行業內脫穎而出。

1、質子交換膜：海外企業供應為主，突破點在于超薄兼顧高耐久性

? 質子交換膜性能決定電池性能、壽命。質子交換膜在燃料電池的主要功能 是實現質子快速傳導，同時也阻隔氫氣氧氣和氮氣在陰陽極間的滲透。質 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）質子交換膜根據含氟情況進行分類主 要包括全氟磺酸膜、部分氟化聚合物質子交換膜、復合質子交換膜和非氟 化聚合物質子交換膜。2）其中由于全氟磺酸聚合物具有聚四氟乙烯結構， 其碳-氟鍵的鍵能高，使其力學性能、化學穩定性、熱穩定性佳，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子交換膜方案

研究聚焦于超薄型、高機械強度、高耐久性質子交換膜。降低質子交換膜 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 國內主流膜電極廠商采用交換膜厚度在 15μm 上下，豐田 Mirai 搭載質子 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，未來低鉑載為研發方向。1）燃料電池在車輛運行 工況下，催化劑性能會發生衰減，如在動電位作用下會發生 Pt 納米顆粒的 團聚、遷移、流失，在開路、怠速及啟停過程產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 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 穩定性、質量比活性，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 單原子層的核殼結構，）；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納米結構 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、氣體擴散層：海外企業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物水。理想的氣體擴散層需 要具備高導電性、多孔性、適當的親水/憎水平衡、高化學穩定性熱穩定性、 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 構成。其中碳纖維紙具備制造工藝成熟、性能穩定、成本相對較低等優點， 成為支撐層的選先。而碳纖維布編織（結構存在缺陷易變形）、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、美國幾個少數發達國家把控， 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達國家差距較大，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。

產業上膜電極工藝經歷了三代發展，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 質子交換膜結合在一起。但是該技術會導致催化劑的浪費，同時催化 劑和質子交換膜結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子交換膜兩側，再通過熱壓法將氣體擴 散層和附著催化層的質子交換膜結合在一起。CCM 工藝增加了催化劑 和質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子交換膜上容易出現 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、質子、電子、水的傳輸，傳質能力 佳，大幅提升催化劑利用率、膜電極性能。

1、國產膜電極初步滿足商用標準，國產規模化帶動成本下行

目前生產膜電極的廠商分為兩類：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） 和國內的鴻基創能科技有限公司、蘇州擎動動力科技有限公司、武漢理工 氫電科技有限公司。

國產膜電極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。目前國內前衛膜電極企業鴻基創能、武漢理工新能源、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求，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，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要推動，未來功率密度提升帶來更大降 本空間。國產化 MEA 產品規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，國產化逐步推進

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

東岳集團具備規模化生產能力。1）2004 年，東岳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 岳公司生產的質子交換膜性能出色不遜于同類產品。2）目前山東東岳擁有 5 萬平米質子交換膜試驗生產線，2018 年 9 月公司 150 萬平米/年燃料電池 膜及配套化學品產業化項目簽約，規劃質子交換膜產能達 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；在干濕循環和機械穩定性方面，循環次數都超 過 2 萬次。

催化劑：在燃料電池催化劑領域，海外企業處于好的地位，已經能夠實現 批量化生產，而且性能穩定，其中英國 Johnson Matthey 和日本田中是全*鉑催化劑的前頭。

國內對催化劑研發以大連化物所、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能達到 1200 克/天的規模。2019 年 8 月上海 濟平新能源催化劑小規模投產，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）

導入階段下游電堆企業需求多樣化，考驗 MEA 企業研發調整能力，一體 化/類一體化企業更具優勢。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，由于目前國內氫燃料電池仍處在導入階段，下游 應用多樣化，涌現出的新興企業產品尚未定型，提出多樣化的 MEA 參數需 求，對 MEA 企業的考驗更為苛刻。先發布局 MEA 的企業產品開發試錯經 驗豐富，面對“定制化"需求響應速度和產品質量都更有保證。

產品相對同質化且規模效應明顯，遠期第三方 MEA 供應商或成主流。相 較下游系統、電堆環節，膜電極產品差異主要體現在能量密度、使用壽命 等，相對同質化。同時，PEM、擴散層等材料采購成本規模效應明顯，高 *占率企業將在性價比上具備明顯優勢，因而第三方 MEA 供應商或將占據 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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