燃料電池行業(yè)發(fā)展深度分析報告

1、 燃料電池行業(yè)發(fā)展深度報告需求、技術(shù)、國產(chǎn)化 一、背景：政策、成本推動下，F(xiàn)CV 開啟放量降本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(shù)路線率先突圍，尤其帶動了乘用車的電動化浪潮。 相較之下，重載運輸領(lǐng)域的電動化進(jìn)程卻略顯緩慢。從市場規(guī)?？?，2019 年國內(nèi)重卡銷量 117 萬輛，遠(yuǎn)不及乘用市場龐大，但其能源消耗大，污染 嚴(yán)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(yuǎn)不及乘用車等載客車輛

2、。 然而重卡等貨運車型負(fù)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(lǐng)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(qiáng)度更高，F(xiàn)CV 成為其電動化的優(yōu)選方案。2. 政策、成本交替推動下，產(chǎn)業(yè)分兩階段實現(xiàn)快速成長 第一階段：政策補貼階段（2020-2

3、024）：2020 年 9 月，財政部等五部委 發(fā)布關(guān)于開展燃料電池汽車示范應(yīng)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(jìn)程。方案契合燃料電 池技術(shù)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(jìn)程持續(xù)推進(jìn)，補貼期末 FCV 產(chǎn)銷規(guī)模達(dá)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 FC

4、V 產(chǎn)銷量將迅速擴(kuò)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)?；彪p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(yù)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(lǐng)域的替代進(jìn)程，并向乘用車拓展，2030 年前后 整車市場規(guī)模達(dá)到百萬輛，市場規(guī)模達(dá)到萬億，系統(tǒng)成本降至 1 元/W 以下。 平價階段：遠(yuǎn)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(yīng)用市場，進(jìn)入平價階段。 系統(tǒng)成本及氫氣價格是決定 FCV 經(jīng)濟(jì)性的

5、關(guān)鍵因素。FCV 前期主要在商 用領(lǐng)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(jì)性的有效指標(biāo)。目前系統(tǒng)占整車成本達(dá)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(jì)性的 主要因素。 系統(tǒng)降本由“國產(chǎn)化”主導(dǎo)向“國產(chǎn)化+規(guī)?；彬?qū)動轉(zhuǎn)變。20172019 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(xiàn)。政策引導(dǎo)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(jī)量增速超過整車產(chǎn)銷量，規(guī)?；?、國產(chǎn)化共 同推動系統(tǒng)等部件成本下行。預(yù)計未來 5 燃料電池系統(tǒng)成本

6、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 140150 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(yīng)，造成氫氣終端售價偏高。從儲運加氫環(huán)節(jié)看，供氫設(shè)備利用率越 高則分?jǐn)傊撩抗餁錃獾耐顿Y、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(yù)計 2025 年國內(nèi)氫氣年消耗量將接近 150 萬噸

7、。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(shù)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(jī)、增濕器、氫循環(huán)泵、高壓氫瓶為主。 MEA 是燃料電池的技術(shù)和成本中樞。MEA 是燃料電池發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的 場所，為反應(yīng)氣體、尾氣和液態(tài)水的進(jìn)出提供通道，主要由催化劑、質(zhì)子 交換膜、氣體擴(kuò)散層構(gòu)成。氫氣通過陽極氣體擴(kuò)散層擴(kuò)散至陽極催化層， 在陽極催化層的作

8、用下生成氫離子和電子，電子由催化劑中的導(dǎo)電物質(zhì)傳 遞到陽極氣體擴(kuò)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(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 通過陰極催化劑擴(kuò)散至陰極氣體擴(kuò)散層。理想的 MEA 需要良好 的氣體擴(kuò)散能力、液態(tài)水管理能力、質(zhì)子傳導(dǎo)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(jī)、氫循環(huán)泵等，其中

9、膜電極作為電堆核心部件，在整個系統(tǒng)成本占比約 30%。2. 需求：整車放量拉動膜電極需求，2030 年市場規(guī)模將接近 350 億元 FCV 市場開啟放量，2030 年有望達(dá)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)?；?、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(biāo)燃油車平價，經(jīng)濟(jì)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(dá)到百萬。 2030 年膜電極需求接近千萬平米，對應(yīng)市場規(guī)模超 350 億元。假設(shè) 2021、 2025、2030 年燃料電池車需求達(dá) 1.5 輛、10 萬

10、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(yīng) 2030 年膜電極需求接近 1 千萬平米，對應(yīng) 2030 年市場規(guī)模在 350 億元上 下。三、技術(shù)：耐久性功率密度成本 從技術(shù)本身看：膜電極行業(yè)技術(shù)壁壘高，率先實現(xiàn)技術(shù)突破的企業(yè)有望脫 穎而出。2016 年 10 月，汽車工程學(xué)會發(fā)布節(jié)能與新能源汽車技術(shù)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(dá)到 2020 年規(guī)劃參數(shù)，但與最 終目標(biāo)

11、尚有一定差距，考慮行業(yè)技術(shù)壁壘較高，未來率先實現(xiàn)技術(shù)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(yīng)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(dǎo)，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(dǎo)率，低電子導(dǎo)電率，氣體滲透性低，化學(xué)、電 化學(xué)、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(jìn)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(fù)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

12、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(xué)性能、化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性佳，使用壽命 遠(yuǎn)好于其他膜材料的使用壽命，同時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，全氟磺酸膜成為目前主流質(zhì)子交換膜方案 研究聚焦于超薄型、高機(jī)械強(qiáng)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(jī)械強(qiáng)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(jī)械強(qiáng)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 15m 上下，豐田 Mirai 搭載質(zhì)子 交換膜已降至 10m 以下。2. 催化劑：低鉑載&高性能&高耐久性仍是技術(shù)難點 陽極催化劑層

13、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(jìn)氫氧化反應(yīng)，涉及氧化反應(yīng)、氣體擴(kuò)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(jìn)氧還原反應(yīng)，涉及氧氣的還原、氧氣 擴(kuò)散、電子運動、質(zhì)子運動、反應(yīng)生成的水的排出等。良好的催化劑應(yīng)該 具有良好的催化活性、高質(zhì)子傳導(dǎo)率、高電子傳導(dǎo)率和良好的水管理能力、 氣體擴(kuò)散能力。 提高耐久性為當(dāng)前關(guān)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(tuán)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(dǎo)致的催化劑碳載體的腐蝕，從而引起催化劑流失。2）目前最優(yōu)催

14、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(dān)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 0.81.0gPt/kW 降至現(xiàn)在的 0.3gPt/kW 左右，未來有 希望進(jìn)一步降低，使其催化劑用量達(dá)到傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)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：Pt 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）

15、；Pt 單原子層催化劑（Pt 單原子層的核殼結(jié)構(gòu)，）；Pt 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(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）；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(xué)術(shù)上低鉑載膜電極技術(shù)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(jìn)一步加快燃料電池產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。3. 氣體擴(kuò)散層：海

16、外企業(yè)把控碳纖維核心技術(shù)，碳紙進(jìn)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，主要作用包括支 撐催化層、收集電流、傳導(dǎo)氣體和排出反應(yīng)產(chǎn)物水。理想的氣體擴(kuò)散層需 要具備高導(dǎo)電性、多孔性、適當(dāng)?shù)挠H水/憎水平衡、高化學(xué)穩(wěn)定性熱穩(wěn)定性、 低成本。 1）氣體擴(kuò)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(dǎo)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， 成為支撐層的首選。而碳纖維布編織（結(jié)構(gòu)存在缺陷易變形）、無紡布（工 藝復(fù)雜、強(qiáng)度和耐用性不達(dá)標(biāo)）、碳黑紙（脆性大、強(qiáng)度低）均有優(yōu)化空間。 2）

17、目前碳纖維的核心技術(shù)工藝主要被日本、美國幾個少數(shù)發(fā)達(dá)國家把控， 由于其技術(shù)含量高、回報率高、政治敏感，海外長期對我國實行嚴(yán)格的技 術(shù)封鎖，目前我國碳纖維技術(shù)與發(fā)達(dá)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(shù)有望加速成熟。4. 制備工藝：CCM 是主流，第三代有序化膜電極是未來方向 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。 第一代制備技術(shù) GDE（Gas Diffusion Electrode，氣體擴(kuò)散電極）法 是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。但是該技術(shù)會導(dǎo)致催化

18、劑的浪費，同時催化 劑和質(zhì)子交換膜結(jié)合程度不好導(dǎo)致膜電極整體性能不佳。 第二代制備技術(shù) CCM（Catalyst Coated Membrane 催化劑直接涂抹 技術(shù)）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(kuò) 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(yīng)用最廣泛的方法，具體工藝包括貼 花工藝、濺射技術(shù)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(shù)指制備有序的催化劑、微孔層，有序膜 電極制備技術(shù)可以加快反應(yīng)氣體

19、、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。四、國產(chǎn)化：膜電極達(dá)到商用標(biāo)準(zhǔn)，國產(chǎn)化推進(jìn)帶動成本下行1. 國產(chǎn)膜電極初步滿足商用標(biāo)準(zhǔn)，國產(chǎn)規(guī)?；瘞映杀鞠滦?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(yīng)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(dá)到應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，成本較進(jìn)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)

20、領(lǐng)先膜電極企業(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(dá)到 12 萬小時， 已基本滿足產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用需求，2019 年開始國產(chǎn)膜電極產(chǎn)品逐步開始供應(yīng)。 國產(chǎn)膜電極較進(jìn)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)?；瘜⑹墙当镜闹饕苿?，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(yīng)用增強(qiáng)供應(yīng)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(yīng)攤薄高昂的設(shè)備投入， 帶動 MEA 成本下行。遠(yuǎn)期看，MEA 功率密度提

21、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(jìn)口，國產(chǎn)化逐步推進(jìn) 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(tuán)的全氟磺酸質(zhì)子交換膜。 東岳集團(tuán)具備規(guī)?；a(chǎn)能力。1）2004 年，東岳集團(tuán)聯(lián)合上海交通大學(xué) 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(xué)品產(chǎn)業(yè)化項目簽約，規(guī)劃質(zhì)子交換膜產(chǎn)能達(dá) 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(dá)到 6000 小時；