膜電極：氫燃料電池技術(shù)與成本中樞

1 膜電極：氫燃料電池技術(shù)與成本中樞

1.1 膜電極占?xì)淙剂想姵爻杀镜?60%

膜電極（MEA）是氫燃料電池的最核心部件，是多項(xiàng)物質(zhì)傳輸和電化學(xué)反應(yīng)的核 心場所，被稱為燃料電池的“心臟”。膜電極是由質(zhì)子交換膜（PEM）、催化層電極（CL）、 氣體擴(kuò)散層（GDL），在相應(yīng)溫度和壓力下，熱壓而成的三合一組件，與雙極板組成 燃料電池電堆。膜電極決定了電堆性能、壽命和成本的上限，高性能、低鉑載量、低 成本、長壽命的膜電極對于加速氫燃料電池商業(yè)化進(jìn)程具有非常重要的意義。

膜電極處于燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈上游環(huán)節(jié)，是燃料電池技術(shù)和成本中心。催化劑、質(zhì) 子交換膜、氣體擴(kuò)散層組成膜電極和雙極板構(gòu)成電堆的上游，電堆與空壓機(jī)、氫氣循 環(huán)泵、儲(chǔ)氫瓶系統(tǒng)等其它組件構(gòu)成燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)，下游應(yīng)用對應(yīng)交通領(lǐng)域和備用 電源領(lǐng)域，主要是商用車、轎車、叉車、固定式電源和便攜式電源等。

從成本端來看，燃料電池系統(tǒng)在氫能車購置成本中占比超過 60%，而電堆成本 在系統(tǒng)中占比同樣超過 60%，是氫燃料電池汽車成本占比最高的環(huán)節(jié)。

1.2 技術(shù)特征：電化學(xué)反應(yīng)唯一場所，設(shè)計(jì)制造技術(shù)壁壘高

在燃料電池反應(yīng)過程中，氫氣通過擴(kuò)散層至陽極催化層，在催化層作用下生成氫 離子和電子，電子傳遞到陽極氣體擴(kuò)散層向外電路傳遞，氫離子由陽極催化層通過質(zhì) 子交換膜傳導(dǎo)至陰極催化層，外電路的電子經(jīng)由陰極氣體擴(kuò)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 通過陰極氣 體擴(kuò)散層排除

膜電極承擔(dān)了燃料電池全部電化學(xué)反應(yīng)，以及電子、質(zhì)子、氣體和水的傳導(dǎo)，因 此，膜電極的制備工藝、催化劑的選擇與載量、質(zhì)子膜厚度與磺酸基含量、擴(kuò)散厚度與微孔量，這些因素最終共同影響燃料電池的發(fā)電性能及效率，而膜電極的設(shè)計(jì)制造 需同時(shí)考慮這些因素，具備較高的技術(shù)壁壘。

膜電極技術(shù)演化：CCM 是主流，有序化膜電極為降本提效的新方向

20 世紀(jì) 60 年代，美國通用電氣公司采用鉑黑作為燃料電池催化劑，當(dāng)時(shí)膜電極 鉑載量超過 4 mg/cm2；20 世紀(jì) 90 年代初，美國洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室采用碳載 鉑取代鉑黑的油墨（Ink）制造工藝后，使得膜電極的鉑載量成倍降低；2000 年后， 低溫、全固態(tài)的膜電極技術(shù)逐漸成熟，使得 PEMFC 進(jìn)入面向示范應(yīng)用的階段。伴隨 著 PEMFC 幾十年發(fā)展，膜電極技術(shù)經(jīng)歷了幾代革新，大體上可分為 GDE 熱壓法、 CCM 法和有序化膜電極三種類型：

1）第一代熱壓法膜電極（GDE），指將催化劑涂布在氣體擴(kuò)散層上，然后用熱壓 法將氣體擴(kuò)散電極和質(zhì)子交換膜結(jié)合在一起。該方法優(yōu)點(diǎn)是制備工藝簡單，缺點(diǎn)是催 化劑利用率低（≈4mg/cm2），總體性能不高，目前已基本淘汰。 2）第二代 CCM 膜電極，指采用卷對卷直接涂布、絲網(wǎng)印刷、噴涂等方法直接將催化劑、磺酸樹脂和適當(dāng)分散劑組成的漿料涂布到質(zhì)子交換膜兩側(cè)。該方法優(yōu)點(diǎn)是 提高了催化劑的利用率（小于 0.4mg/cm2）與耐久性，缺點(diǎn)是催化層結(jié)構(gòu)具有不穩(wěn)定 性。CCM 法目前商業(yè)化程度最高，已大批量生產(chǎn)。 3）第三代有序化膜電極，指把 Pt 催化劑制備到有序化的納米結(jié)構(gòu)上，使電極呈 有序化結(jié)構(gòu)，獲得堅(jiān)固、完整的催化層。該方法進(jìn)一步提高了燃料電池性能，降低催 化劑鉑載量（≈0.1mg/cm2），是目前膜電極制造研究的熱點(diǎn)，但仍處于研發(fā)試驗(yàn)階段， 只有小部分公司實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，如 3M。

1.3 市場規(guī)模：氫能車加速推進(jìn)，2030 年國內(nèi)膜電極規(guī)模有望達(dá) 57 億元

氫燃料電池為商用車減排優(yōu)選方案，“以獎(jiǎng)代補(bǔ)”政策加速推動(dòng)銷量

當(dāng)前交通領(lǐng)域電動(dòng)化技術(shù)解決方案主要為純電動(dòng)及燃料電池，兩者對比各有明顯 優(yōu)劣勢。其中，氫燃料電池優(yōu)勢在更高的功率和能量密度，在載重和續(xù)航方面有優(yōu)勢， 而在加氫站等配套設(shè)施方面相較純電存在劣勢；而對于純電車，雖然續(xù)航能力有弱勢， 但是滿足城市內(nèi)的公交、物流車、環(huán)衛(wèi)等短途行駛的續(xù)期，由于當(dāng)前的成本優(yōu)勢，短 期內(nèi)城市內(nèi)交通工具的純電化會(huì)更加迅速。因此，從技術(shù)特性上，氫燃料電池汽車適用包括固定路線、中長途干線、高載重應(yīng)用場景的商用車。

“以獎(jiǎng)代補(bǔ)”新政鼓勵(lì)車型朝大功率與重載方向發(fā)展。在 2020 年 9 月發(fā)布的“以 獎(jiǎng)代補(bǔ)”新政中，大功率、高載重的重卡同樣成為補(bǔ)貼最多的車型，我們以 2021 年積分標(biāo)準(zhǔn)測算，其中功率≥110kw，載重 31 噸以上的重卡最多可享受國補(bǔ) 50.4 萬元， 假設(shè)地補(bǔ)按照 1:1 比例實(shí)施，則該型號重卡最多可享受補(bǔ)貼 100 萬元，而當(dāng)前配備 110kw 功率的燃料電池重卡售價(jià)仍普遍在 130~150 萬元左右，對比同規(guī)格的柴油重 卡銷售價(jià)格，實(shí)施完補(bǔ)貼后的氫燃料重卡將在初次購買成本上獲得優(yōu)勢。

氫燃料電池汽車開啟放量，預(yù)計(jì) 2030 年有望達(dá)到十萬輛水平

政策正式落地將加速國內(nèi)氫燃料電池車產(chǎn)銷，根據(jù)《氫能產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃 （2021-2035）》，到 2025 年國內(nèi)氫燃料電池車保有量達(dá)到 5 萬輛，對應(yīng) 2025 年銷 量 2 萬輛左右。規(guī)?；?、國產(chǎn)化推動(dòng)下，燃料電池成本有望快速下降，據(jù)我們保守測 算，到 2030 年國內(nèi)氫燃料電池車全生命周期成本將實(shí)現(xiàn)與柴油重卡平價(jià)，經(jīng)濟(jì)性優(yōu) 勢驅(qū)動(dòng)下，氫燃料電池車將持續(xù)放量，2030 年產(chǎn)銷規(guī)模至少達(dá)到 10 萬輛水平。

預(yù)計(jì) 2030 年膜電極需求近 150 萬平米，對應(yīng)國內(nèi)市場規(guī)模 57 億元

假設(shè) 2025、2030 年燃料電池車需求達(dá) 2 萬輛、10 萬輛，考慮燃料電池重卡放 量，預(yù)計(jì)到 2030 年，單車系統(tǒng)額定容量將由此前 110kW 為主逐步提升至 220kW 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(yīng) 2030 年膜電極 需求近 150 萬平米，年市場規(guī)模在 57 億元。

1.4 競爭格局：國產(chǎn)膜電極加速擴(kuò)張，性能與國際先進(jìn)水平接近

目前主流膜電極的廠商分為兩類，一類是具備膜電極批量產(chǎn)業(yè)化能力，能自給自 足的車企或燃料電池廠商，以豐田、現(xiàn)代、巴拉德為代表。另外一類是專業(yè)的膜電極 供應(yīng)商，包括戈?duì)?、杜邦和國?nèi)的鴻基創(chuàng)能、武漢理工氫電、新源動(dòng)力、蘇州擎動(dòng)等。 我國膜電極企業(yè)主要來自于國外企業(yè)如巴拉德等技術(shù)專家回國創(chuàng)業(yè)，以及國內(nèi)高 校如武漢理工、上海交大、清華大學(xué)、南京大學(xué)等技術(shù)成果轉(zhuǎn)化。國內(nèi)企業(yè)膜電極主 要參數(shù)已經(jīng)與國際先進(jìn)水平接近，部分參數(shù)可以超過國外先進(jìn)水平。國內(nèi)領(lǐng)先膜電極 企業(yè)鴻基創(chuàng)能、武漢理工新能源、擎動(dòng)科技膜電極產(chǎn)品功率密度均超過 1W/cm2，鴻 基創(chuàng)能達(dá)到 1.4W/cm2，測試使用壽命超過 1~2 萬小時(shí)，已基本滿足產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用需求。

2019 年后鴻基創(chuàng)能、擎動(dòng)科技、武漢理工氫電以及泰極動(dòng)力國產(chǎn)生產(chǎn)線先后正 式落成，我國的膜電極領(lǐng)域逐步開啟批量化生產(chǎn)步伐。到 2021 年，國內(nèi)膜電極企業(yè) 擴(kuò)張步伐明顯加速，尤其頭部企業(yè)鴻基創(chuàng)能完成了百萬片下線里程碑。

據(jù)勢銀（Trendbank）數(shù)據(jù)顯示，2018-2019 年進(jìn)口膜電極占據(jù)了國內(nèi)市場主要 份額，分別占國內(nèi)市場份額 77.8%和 52.9%，20 年開始進(jìn)口膜電極市場份額明顯降 低，約占市場份額 20%?？梢钥闯觯S著技術(shù)的發(fā)展，國產(chǎn)膜電極市場份額從 2020 年開始快速上升，進(jìn)口量大幅減少。

2 核心材料國產(chǎn)化加速推進(jìn)，成本將進(jìn)入下行通道

2.1 膜電極原材料現(xiàn)靠進(jìn)口，規(guī)模降本依賴國產(chǎn)化

據(jù) 2022 世界新能源汽車大會(huì)歐陽明高院士所示國內(nèi)外燃料電池堆性能，以及我 國燃料電池核心材料部件國產(chǎn)化進(jìn)程，當(dāng)前國內(nèi)燃料電池堆性能已達(dá)到國際先進(jìn)水平， 且在系統(tǒng)集成及輔助系統(tǒng) BOP 已完全實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化及規(guī)模化量產(chǎn)，但膜電極核心原材 料質(zhì)子膜、催化劑、擴(kuò)散層的國產(chǎn)化水平依然較弱。膜電極作為燃料電池成本中樞， 其國產(chǎn)化進(jìn)程快慢很大程度上影響未來規(guī)模化生產(chǎn)的降本節(jié)奏。

膜電極核心材料國產(chǎn)化突破及降本的實(shí)現(xiàn)路徑

膜電極核心材料國產(chǎn)化突破及降本，主要體現(xiàn)在催化劑、質(zhì)子交換膜、氣體擴(kuò)散 層這三部分：1）催化劑方面，優(yōu)化鉑基催化劑結(jié)構(gòu)，降低鉑載量減少貴金屬使用成 本，并尋找新型非鉑催化劑；2）質(zhì)子交換膜方面，加強(qiáng)磺酸樹脂材料的自主研發(fā)， 開發(fā)低成本成膜量產(chǎn)制備工藝；3）氣體擴(kuò)散層方面，打通從高性能碳纖維到碳紙的 制備工藝，開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化低成本的擴(kuò)散層工藝平臺(tái)。

2.2 質(zhì)子膜：提升國產(chǎn)膜壽命及傳質(zhì)效率是關(guān)鍵

全氟磺酸膜是主流質(zhì)子交換膜，影響燃料電池性能、壽命

質(zhì)子交換膜是一類同時(shí)具備離子電導(dǎo)率和化學(xué)-機(jī)械穩(wěn)定性的離子導(dǎo)電聚合物薄 膜，在氫燃料電池中，可以為質(zhì)子的遷移和輸送提供通道，在運(yùn)行過程中只允許水和質(zhì)子（或稱水合質(zhì)子，H3O+）穿過，使得質(zhì)子能夠經(jīng)過膜從陽極到達(dá)陰極，而電子 通過外電路轉(zhuǎn)移從陰極到達(dá)陽極，從而形成電流。 理想的質(zhì)子交換膜必須具有良好的質(zhì)子傳導(dǎo)率、良好的熱和化學(xué)穩(wěn)定性、低氣體 滲透率、適度含水率、高機(jī)械強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等，對氫氧化反應(yīng)、氧還原反應(yīng)和水解 具有穩(wěn)定性，同時(shí)膜表面對電催化劑有強(qiáng)附著力，使用壽命長。

全氟磺酸膜是目前主流的氫燃料電池質(zhì)子交換膜。質(zhì)子交換膜按其氟含量，可分 為全氟質(zhì)子交換膜、部分氟化質(zhì)子交換膜、無氟質(zhì)子交換膜。其中全氟磺酸由于碳氟鍵的鍵能高，其力學(xué)性能、化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性佳，使用壽命遠(yuǎn)好于其他膜材料， 同時(shí)由于分子支鏈上存在親水性磺酸基團(tuán)，具有優(yōu)秀的離子傳導(dǎo)特性，全氟磺酸膜是 目前應(yīng)用最廣泛的質(zhì)子交換膜體系。 全氟磺酸質(zhì)子交換膜最早由杜邦公司于 20 世紀(jì) 70 年代開發(fā)并實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn) （Nafion 系列），其結(jié)構(gòu)包括一條類聚四氟乙烯主鏈以及含有磺酸基團(tuán)的短側(cè)鏈，這 一結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使得全氟質(zhì)子膜兼具高穩(wěn)定性和高質(zhì)子電導(dǎo)率。目前除杜邦 Nafion 系列 產(chǎn)品之外，美國陶氏化學(xué)的 Xus-B204、比利時(shí)蘇威公司的 Aquivion 系列、日本旭化 成的 Aciplex 系列、日本旭硝子的 Flemion 系列以及我國山東東岳集團(tuán)的 DF 系列均 以全氟磺酸作為基材，其主要差異在于全氟烷基醚側(cè)鏈長短和磺酸基含量的不同。

技術(shù)難點(diǎn)及趨勢：磺酸樹脂合成&聚合、成膜加工具備極高壁壘

1）在樹脂合成&聚合方面。全氟磺酸樹脂（PFAR）是全氟磺酸質(zhì)子交換膜的主 要材料，PFAR 由全氟烷基乙烯基醚（PSVE）單體和四氟乙烯等共聚制得全氟磺酰 樹脂（PFSR）后，經(jīng)水解酸化制成。

在 PSVE 單體樹脂合成過程中，由于全氟磺酸樹脂中的側(cè)鏈磺酸基團(tuán)是實(shí)現(xiàn)質(zhì) 子傳導(dǎo)的關(guān)鍵，如何制備能酸化為磺酸基的磺?；鶈误w PSVE 是各個(gè)廠家的研究重 點(diǎn)，而 PSVE 單體的合成需要在嚴(yán)格無水、惰性氣體保護(hù)、非質(zhì)子溶劑、堿金屬氟化 物作用下進(jìn)行，反應(yīng)條件極為苛刻。此外，各廠家為了規(guī)避專利糾紛，開發(fā)了不同結(jié) 構(gòu)的 PSVE 單體。 在 PFSR 樹脂聚合過程中，PFSR 通常以 PSVE、四氟乙烯等經(jīng)過兩元、三元甚 至四元共聚生成，其共聚難點(diǎn)體現(xiàn)在：1）常用的乳液聚合法由于少量磺酰氟基團(tuán)會(huì) 發(fā)生水解從而使得高分子鏈發(fā)生締合，導(dǎo)致加工時(shí)出現(xiàn)熔體粘度增大的情況，使得加 工困難；2）乳液聚合得到的磺酰樹脂平均分子量不高，從而降低成品膜的機(jī)械強(qiáng)度。 （2）在全氟磺酸樹脂成膜方面。質(zhì)子膜工藝直接影響質(zhì)子膜的微觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而 決定制品的最終性能。工業(yè)中全氟磺酸膜常用的成膜工藝有兩種，熔融成膜法和溶液 成膜法兩種方法，兩種成膜方法都存在工藝難度：

熔融擠出法后處理復(fù)雜，平整度難保持。熔融成膜法制備過程是將樹脂熔融后通過擠出流延或壓延成膜，經(jīng)過轉(zhuǎn)型處理后得到最終產(chǎn)品，這種方法適合用于連續(xù)化生產(chǎn)，且生產(chǎn)過程中無需使用溶劑。但熔融擠出法成膜后還需進(jìn)行水解轉(zhuǎn)型才能得到最終產(chǎn)品，較難保持膜的平整度。 溶液成膜法連續(xù)化不足，后處理要求高。溶液成膜法制備過程是將聚合物和改性 劑等溶解后進(jìn)行澆鑄或流延，最后經(jīng)過干燥脫除溶劑后成膜。溶液成膜法適用于絕大多數(shù)樹脂體系，易于實(shí)現(xiàn)雜化改性和微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，還可用于制備超薄膜。但是生產(chǎn) 過程中使用的有機(jī)溶劑的回收和后處理要求比較高，并且在揭膜時(shí)難度較大，需要更多的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)的積累才能實(shí)現(xiàn)連續(xù)化。

國產(chǎn)化情況：國產(chǎn)質(zhì)子膜商用化加速推進(jìn)，整體熱度提升

從市場競爭格局來看，據(jù)高工氫電數(shù)據(jù)，目前國內(nèi)氫燃料電池質(zhì)子交換膜市場仍 以國外品牌為主，其中車用氫燃料電池質(zhì)子膜應(yīng)用最為廣泛的是美國戈?duì)柕?e-PTFE 復(fù)合膜，全球市場占比超過 90%，電解水質(zhì)子膜使用最多的是杜邦-Nafion 膜。 國內(nèi)質(zhì)子膜企業(yè)正在加速開啟國產(chǎn)化進(jìn)程。近兩年來，采用國產(chǎn)質(zhì)子交換膜的電 堆已經(jīng)實(shí)現(xiàn)裝車，在氫能重卡、公交等領(lǐng)域開啟示范運(yùn)營。國內(nèi)多家企業(yè)都取得了不 同程度的進(jìn)展，國產(chǎn)質(zhì)子交換膜正開始從試樣檢測向小批量商用階段過渡。國內(nèi)發(fā)展 較快的有東岳未來氫能、科潤新材料、浙江漢丞、武漢綠動(dòng)、東材科技等幾家公司。 在質(zhì)子交換膜國產(chǎn)化率上，根據(jù) GGII 數(shù)據(jù)，2020 年國產(chǎn)質(zhì)子交換膜的市場占有 率為 7.5%，2021 年提升到 11.61%。其中東岳未來氫能發(fā)展較快，2021 年在國內(nèi)燃 料電池質(zhì)子交換膜的市場份額達(dá)到 9%，較上年提升約一倍。

2.3 催化劑：低鉑、高活性、長壽命、一致性是長期研究方向

鉑基催化劑是常用商業(yè)催化劑，低鉑、高活性、長壽命是主要方向

催化劑層作用是降低反應(yīng)的活化能，促進(jìn)氫氣和氧氣在電極上的氧化還原過程， 扮演著電化學(xué)反應(yīng)“工廠”的作用。目前常用的商用催化劑是鉑基催化劑，通常用高比 表面積的碳搭載鉑納米顆粒，然后將鉑碳催化劑均勻分散在電極表面，這是由于鉑對 陽極氫氧化反應(yīng)（HOR）和陰極氧還原反應(yīng)（ORR）均具最適宜的吸附自由能。 但由于鉑的價(jià)格昂貴、儲(chǔ)量有限和易中毒等缺點(diǎn)，導(dǎo)致催化劑成本、電池效率和 穩(wěn)定性等均難以滿足大規(guī)模商業(yè)化需求。因此降低貴金屬鉑的用量、提高催化活性、 耐久性性和抗中毒能力，是氫燃料電池催化劑的主要研究方向。

技術(shù)難點(diǎn)及趨勢：降低陰極側(cè)催化劑成本是降低催化劑總成本的關(guān)鍵

氫燃料電池反應(yīng)過程中，陽極 HOR 反應(yīng)是一個(gè)快速動(dòng)力學(xué)過程，陰極 ORR 反 應(yīng)比較復(fù)雜，涉及多步電子的得失和耦合質(zhì)子的轉(zhuǎn)移，是一個(gè)緩慢的動(dòng)力學(xué)過程， ORR 相較 HOR 慢 6 個(gè)數(shù)量級，氫燃料電池的能量損失主要來自陰極，因此陰極相 對陽極需要更高的催化劑載量。以商業(yè) Pt/C 催化劑為例，一般陽極側(cè)僅需0.05Pt/cm2就可以保持很好的催化活性，而在同樣電流密度條件下，陰極側(cè)鉑載量通常是陽極的 5-8 倍，因此如何在解決陰極 ORR 緩慢問題的同時(shí)減少鉑載量，對降低氫燃料電池 堆催化劑成本起著很大的作用。

目前通過提高鉑穩(wěn)定性、活性、降低鉑載量來降低催化劑成本的研究方向如下： 1）對碳載體進(jìn)行改性處理，包括對炭黑進(jìn)行石墨化處理提高碳載體的穩(wěn)定性，以及 選擇導(dǎo)電性更好、更穩(wěn)定的新型結(jié)構(gòu)碳載體；2）對 Pt 進(jìn)行改性處理，包括 Pt 合金 化（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、PtNi/C 等二元合金催化劑）、Pt 單原子層化、Pt 核殼化（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(xué)或電化學(xué)反應(yīng)，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）。 此外，非貴金屬催化劑在學(xué)術(shù)界同樣被大范圍開展，其研究主要包括過度金屬原 子簇合物、過渡金屬氮化物等。其中，過渡金屬（Fe、Co、Ni、Mn 等）-氮-碳催化 劑（M-N-C）因其具有較高的 ORR 活性，被認(rèn)為是最有可能替代 Pt 基催化劑的非 Pt 催化劑之一。

國產(chǎn)化情況：國產(chǎn)參與者逐漸增多，規(guī)?；a(chǎn)下壽命、一致性待提升

從競爭格局來看，我國的催化劑市場基本海外企業(yè)占據(jù)，國內(nèi)企業(yè)還處在小批量 或研發(fā)階段。主要進(jìn)口日本田中貴金屬、英國莊信萬豐和比利時(shí)優(yōu)美科等幾家全球較 大的燃料電池催化劑供應(yīng)商，海外供應(yīng)商催化劑制備技術(shù)處于領(lǐng)先地位，已經(jīng)能夠?qū)?現(xiàn)批量化生產(chǎn)（大于 10kg/批次），而且性能穩(wěn)定，可靠性高。 這是由于燃料電池催化劑不同于一般的催化劑，對活性、穩(wěn)定性、耐久性等各項(xiàng) 性能指標(biāo)要求很高，需要在不斷使用過程中，經(jīng)過不斷測試、積累、完善，才能慢慢 形成可以規(guī)?；a(chǎn)的商用產(chǎn)品，而國內(nèi)燃料電池尚處于起步階段，鉑催化劑載量及 活性衰減方面仍有差距。目前國內(nèi)進(jìn)展較快的催化劑供應(yīng)商如濟(jì)平新能源、氫電中科、 喜馬拉雅氫電等正加速追趕海外產(chǎn)品性能，其產(chǎn)品普遍通過了下游膜電極和電堆客戶 的認(rèn)證，進(jìn)入規(guī)模化量產(chǎn)階段。

2.4 擴(kuò)散層：海外企業(yè)把控碳纖維，打通碳纖維到碳紙工藝是關(guān)鍵

在燃料電池中，氣體擴(kuò)散層（GDL）位于流場和催化層之間，其作用是支撐催化 層、穩(wěn)定電極結(jié)構(gòu)，并具有質(zhì)/熱/電的傳遞功能，同時(shí)為電極反應(yīng)提供氣體、質(zhì)子、 電子和水等多個(gè)通道，通常 GDL 厚度為 100~400μm。因此，GDL 必須具備良好的 機(jī)械強(qiáng)度、合適的孔結(jié)構(gòu)、良好的導(dǎo)電性、高穩(wěn)定性。

GDL 通常由基底層（GDB）和微孔層（MPL）組成，基底層經(jīng)過疏水處理后（浸 漬聚四氟乙烯溶液+高溫?zé)Y(jié)），在其上涂覆單層或多層微孔層，從而制成氣體擴(kuò)散層： 1）基底層。通常由碳纖維輔以黏合劑，經(jīng)抄紙工藝而制得的紙狀材料，其直接與雙 極板接觸；2）微孔層。由碳基粉末和憎水劑混合而成，采用絲網(wǎng)印刷、噴涂或涂布 方式將其涂覆到基底層表面，經(jīng)過高溫固化，得到微孔層，其直接與催化層接觸。

技術(shù)難點(diǎn)及發(fā)展趨勢：高性能碳纖維原料國產(chǎn)化，分散、碳化及高溫石墨化 工藝存壁壘

基底層的選材及生產(chǎn)技術(shù)是生產(chǎn) GDL 的核心：1）基材方面，碳紙為首選，上 游高性能碳纖維原材料待國產(chǎn)化。目前可作為基底層的材料包括碳纖維紙、碳纖維編 織布、無紡布與碳黑紙等，其中碳纖維紙因?yàn)橘|(zhì)量輕、表面平整、耐腐蝕、孔隙均勻 且強(qiáng)度高，厚度可根據(jù)使用要求調(diào)整，適合耐久性燃料電池使用，是 GDL 基底層首 選。此外，構(gòu)成碳紙的高性能碳纖維材料主要掌握在日本東麗、美國赫氏等巨頭手中， 國內(nèi)碳纖維企業(yè)正加速追趕；2）碳紙生產(chǎn)工藝方面，分散、碳化及高溫石墨化是核 心。短切碳纖維分散效果的好壞直接影響 GDB 的均勻性，從而影響電池性能，此外， 碳化好壞影響擴(kuò)散層的機(jī)械強(qiáng)度和傳質(zhì)效果，而石墨化工序需要經(jīng)過 2000℃以上的 高溫才能制備，在高溫石墨化設(shè)備方面，目前主要由國外企業(yè)壟斷。

氣體擴(kuò)散層技術(shù)創(chuàng)新方向主要集中在提高碳紙基底層的機(jī)械強(qiáng)度、增強(qiáng)氣體傳輸 性能、加強(qiáng)排水、控制滲透深度、平整度，降低粗糙度、增加涂層均勻性以及增強(qiáng)導(dǎo) 電性等方面。此外，國內(nèi)還積極推進(jìn)高溫石墨化設(shè)備等的全面本土制造，加快推進(jìn)氣 體擴(kuò)散層的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

國產(chǎn)化情況：海外占主流，國產(chǎn)化逐步打開市場應(yīng)用突破口

目前燃料電池生產(chǎn)商大多采用日本東麗、美國 Avcarb、德國 SGL 等廠商的氣體 擴(kuò)散層產(chǎn)品，其中日本東麗、Avcarb 占據(jù)較大的市場份額。東麗和 SGL 的產(chǎn)品價(jià)值 鏈?zhǔn)加谧约荷a(chǎn)的碳纖維碳紙，一直到微孔層 MPL 涂布，具備深厚的基礎(chǔ)碳材料開發(fā)和規(guī)?；a(chǎn)能力。

由于擴(kuò)散層生產(chǎn)鏈條長、生產(chǎn)環(huán)節(jié)復(fù)雜，研發(fā)周期長、資金投入大，國內(nèi)只有通 用氫能、上海嘉資等少數(shù)企業(yè)涉足研發(fā)氣體擴(kuò)散層并在眾多膜電極企業(yè)端有多種產(chǎn)品 進(jìn)行測試、裝堆。但從氣體擴(kuò)散層的技術(shù)指標(biāo)來看，隨著近幾年國內(nèi)燃料電池產(chǎn)業(yè)的 快速發(fā)展，國產(chǎn)氣體擴(kuò)散層技術(shù)水平也明顯提升，如通用氫能已實(shí)現(xiàn)與進(jìn)口擴(kuò)散層同 等的性能，且實(shí)現(xiàn)了擴(kuò)散層的規(guī)?；a(chǎn)，目前通用氫能已建成年產(chǎn)能 10 萬平方米 的國內(nèi)首條卷對卷連續(xù)化氣體擴(kuò)散層生產(chǎn)線，年產(chǎn) 100 萬平米的氣體擴(kuò)散層產(chǎn)線也 在建設(shè)中。

3 盈利預(yù)測

關(guān)注具備一體化先發(fā)優(yōu)勢的膜電極組件企業(yè)

決定膜電極組件企業(yè)核心競爭力的要素在于： 1）材料體系認(rèn)知力。膜電極組件設(shè)計(jì)制造涉及多學(xué)科多領(lǐng)域，自身技術(shù)壁壘高， 尤其在當(dāng)前國內(nèi)氫燃料電池應(yīng)用發(fā)展初期階段，需滿足下游燃料電池堆&系統(tǒng)多樣化的參數(shù)需求，包括能量密度、使用壽命、體積&重量等要求，因此膜電極的設(shè)計(jì)制造 需建立在對原材料體系及自身工藝的充分認(rèn)知基礎(chǔ)之上，包括催化劑的選擇與載量、 質(zhì)子膜厚度與磺酸基含量、擴(kuò)散厚度與微孔量、以及膜電極自身的制備工藝，這些因 素共同影響著燃料電池的發(fā)電性能及效率。 2）工程化解決能力?！耙元?jiǎng)代補(bǔ)”等重磅政策陸續(xù)推出后，氫燃料電池已具備商業(yè) 化落地基礎(chǔ)，膜電極未來隨著成本的逐步下移，有望迎來需求高速增長，如何保障未 來規(guī)?；€(wěn)定供應(yīng)，兼顧生產(chǎn)效率及產(chǎn)品一致性，體現(xiàn)的是膜電極組件企業(yè)足夠的工 程化解決能力。

關(guān)注具備設(shè)計(jì)&制備能力，打通核心工藝的膜電極原材料企業(yè)

決定膜電極原材料企業(yè)核心競爭力的要素在于： 1）材料設(shè)計(jì)&制備能力。質(zhì)子膜、催化劑、擴(kuò)散層涉及基礎(chǔ)材料的設(shè)計(jì)，包括形 貌控制、元素?fù)诫s、分子鏈控制等，還涉及到原材料的制備，需控制反應(yīng)溫度、壓力、 時(shí)間等條件，因此高性能、長壽命、低成本的原材料，體現(xiàn)的是企業(yè)對材料設(shè)計(jì)及制 備能力。 2）核心工藝實(shí)現(xiàn)能力。膜電極三大核心原材料具備高技術(shù)工藝壁壘，包括質(zhì)子 膜的樹脂合成及成膜、催化劑的低鉑化制備、擴(kuò)散層的碳紙制備等，目前三大原材料 國產(chǎn)化普遍存在產(chǎn)品性能、壽命、一致性等問題，因此基本依靠進(jìn)口，其國產(chǎn)化進(jìn)程 直接影響氫燃料電池產(chǎn)業(yè)的商業(yè)化。此外，目前國產(chǎn)原材料普遍生產(chǎn)銷售規(guī)模偏小， 缺乏足夠的技術(shù)驗(yàn)證市場及迭代基礎(chǔ)，核心工藝的突破能夠幫助國產(chǎn)原材料盡早打開 國內(nèi)市場，建立產(chǎn)品生態(tài)圈。

重點(diǎn)公司分析

億華通：國內(nèi)領(lǐng)先的燃料電池系統(tǒng)供應(yīng)商，市占率位居第一

深耕燃料電池領(lǐng)域，國內(nèi)系統(tǒng)頭部供應(yīng)商。公司成立于 2012 年，是中國最早實(shí) 現(xiàn)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)燃料電池系統(tǒng)及電堆的批量化制造的企業(yè)之一，公司成立至今始 終專注于設(shè)計(jì)、開發(fā)及制造燃料電池系統(tǒng)及核心零部件電堆，產(chǎn)品主要面向商用車領(lǐng) 域應(yīng)用，2021 年公司燃料電池系統(tǒng)裝機(jī)量市場份額位列第一。 產(chǎn)品覆蓋范圍廣，最高功率達(dá)到 240kW。公司能夠提供及出售具有不同輸出功 率的各種燃料電池系統(tǒng)型號持續(xù)迭代開發(fā)出 30kW、40kW、50kW、60kW、80kW 及 120kW 型號，并于 2021 年 12 月向市場發(fā)布首個(gè) 240kW 型號，為國內(nèi)首款額定功 率達(dá)到 240kW 的高功率車用燃料電池系統(tǒng)，計(jì)劃于 2022 年開始批量生產(chǎn)。

縱向一體化研發(fā)，不斷擴(kuò)展及強(qiáng)化供應(yīng)鏈。公司采取縱向一體化研發(fā)路徑，循序 漸進(jìn)完成了燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)總成、燃料電池系統(tǒng)、燃料電池電堆及主要電堆部件雙 極板的自主開發(fā)與制造，并通過聯(lián)營公司上海億氫開發(fā)及制造另一主要燃料電池電堆 部件膜電極。除了強(qiáng)化自身研發(fā)水平外，公司還積極引入外部資源，收購神力科技逐 步實(shí)現(xiàn)電堆自主化，與豐田汽車合作加深突破電堆技術(shù)。 持續(xù)加碼與整車企業(yè)合作，打開“地域”限制。燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)仍處于發(fā)展初期， 行業(yè)特性和政策上都表現(xiàn)出“地域性”，公司與重點(diǎn)車企客戶合作，針對性地開展地域 項(xiàng)目，最終開拓地區(qū)公交公司客戶。分別聯(lián)合北汽福田、宇通客車、中植汽車和蘇州 金龍共同開發(fā)北京、上海、鄭州、成都、蘇州等地燃料電池汽車市場。

威孚高科：傳統(tǒng)柴油車零部件核心供應(yīng)商，全力切入氫能賽道

“外延并購+自主研發(fā)”布局氫能產(chǎn)業(yè)，實(shí)現(xiàn)第二增長曲線。2019 年及 2020 年， 公司先后收購丹麥老牌燃料電池部件公司 IRD 的股權(quán)，及全球最大的獨(dú)立金屬雙極板一站式集成技術(shù)供應(yīng)商比利時(shí) Borit，通過收購實(shí)現(xiàn)并掌握“一膜兩板”（膜電極、石 墨雙極板、金屬雙極板）關(guān)鍵技術(shù)能力。此外，2021 年，威孚高科進(jìn)一步布局了商業(yè)化較為明朗的上游制氫領(lǐng)域，啟動(dòng)了 PEM 電解水制氫示范線項(xiàng)目，完善整體氫能 業(yè)務(wù)結(jié)構(gòu)。 制定氫能業(yè)務(wù)發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃綱要，全力推進(jìn)氫能布局。2022 年 1 月，公司公告 制定氫能業(yè)務(wù)發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃綱要：1）公司氫能業(yè)務(wù)聚焦于產(chǎn)業(yè)鏈中上游的氫燃料電 池核心零部件、可再生能源制氫兩大板塊，推進(jìn)亞太、歐洲、北美三大基地建設(shè)；2） 至 2025 年，公司氫能業(yè)務(wù)累計(jì)規(guī)劃投入約 30 億元，其中氫燃料電池核心零部件業(yè)務(wù)投資約 26 億元，PEM 電解水制氫系統(tǒng)裝備業(yè)務(wù)投資約 4 億元；3）公司擬出資 2.25 億元（合計(jì)持股 75%）與子公司 IRD、子公司 Borit、RBINT 合資設(shè)立無錫威孚氫燃 料電池技術(shù)有限公司，主營氫燃料電池零部件，合資公司將獨(dú)立面向中國市場，并積 極拓展?jié)撛趤喬袌觥?/p>

審核編輯 ：李倩