燃料电池电堆行业分析：产业核心环节、国产化初见成效.pdf

-1-敬请参阅最后一页特别声明 市场数据市场数据(人民币）人民币）市场优化平均市盈率 18.53 国金燃料电池指数 2276.99 沪深 300 指数 4074.25 上证指数 3279.25 深证成指 11068.49 中小板综指 11106.52 相关报告相关报告 1.燃料电池车用氢安全性分析-氢气安全吗？，2017.6.23 2.成本下降路径：国产化、规模经济和技术进步-PEMFC，2016.11.10 3.燃料电池系列研究之加氢站-中期看用户绑定，长期看低成本氢获取.，2016.8.22 4.氢气储存运输问题分析-气氢拖车能够解决目前需求、其他方向潜力.，2016.8.8 5.燃料电池的氢气来源分析-负荷中心附近的氯碱副产氢是最优选择，2016.8.2 张帅张帅 分析师分析师 SAC 执业编号：执业编号：S1130511030009(8621)60230213 彭聪彭聪 联系人联系人 王菁王菁 联系人联系人(8621)60230250 郭晓萱郭晓萱 联系人联系人 产业核心环节、国产化初见成效产业核心环节、国产化初见成效 燃料电池燃料电池电堆行电堆行业分析业分析 投资建议投资建议 中国燃料电池产业开始加速发展中国燃料电池产业开始加速发展。政府补贴为初始动力、物流车和客车为突破点，中国燃料电池产业走了一条适合中国国情，与日本不同的路。2017年完成 1000 台左右客车和物流车，2018 年预计突破 3000-5000 台规模。电堆成为中国燃料电池产业发展的关键因素之一，电堆成为中国燃料电池产业发展的关键因素之一，低成本、高性能、批量供应的国产电堆是燃料电池汽车成本下降从而与传统汽车竞争的关键。从成本上看，电堆占燃料电池系统的成本一半电堆占燃料电池系统的成本一半，是 FCV 里单一价格最高的部件，随着产能扩张，未来电堆成本有望在下降 50%以上；从性能上看，电堆性能是燃料电池系统乃至整车性能的决定因素；从技术上看，电堆是整个系统里技术含量最高部分，无论从流道设计、催化剂制备、MEA合成都有相当门槛。目前电堆国产化取得长足的进步，关键零部件能实现不同程度的国产化关键零部件能实现不同程度的国产化，虽然与国际先进水平仍有差距，但随着不断投入，我们认为差距会迅速缩短：膜电极：目前进口产品与国产产品并存，以武汉理工新能源为代表的国内企业可批量提供产品，随着新的业者加入，国产比例将不断提高；质子交换膜：国内产品从批次品质看达到要求，由于供应链的原因并未占据主流份额，随着国内产业发展，国产质子交换膜的替代将加快；极板：石墨极板有企业批量供货，金属极板有企业小批量生产。国内市场目前以商用车为主导，石墨极板也许是一段时间性价比合适的选择；催化剂：目前催化剂来源以国际大厂为主，国内有企业开始进入。催化剂方面，之前担心的铂的供应问题随着单耗的迅速下降也已不成问题。国内电堆企业根据技术来源可分为两大类：自主研发和技术引进，两种方向都是可行的，关键还是快速形成有效产能、保证，关键还是快速形成有效产能、保证稳定供应、持续降稳定供应、持续降成本。成本。自主研发企业以新源动力为代表，包括神力科技等。优势是技术和供应链自主，但可靠性需要时间，规模生产和供应链管理需要更大努力。技术引进企业最成功是广东国鸿，引进巴拉徳 9SSL 电堆，形成 30 万kW 年产能。好处是研发风险低、形成产能快，缺点是技术授权成本。投资方面，我们投资方面，我们继续看好燃料电池产业以及电堆这个产业的核心，企业方继续看好燃料电池产业以及电堆这个产业的核心，企业方面，面，继续推荐巴拉徳动力（BLDP）、大洋电机（002249.sz）、富瑞特装（300228.sz）、雄韬股份（002733.sz）、东岳集团（0189.HK）。风险提示风险提示 加氢站基础设施建设不达预期；电堆与氢气成本下降不达预期。2203231724312545265927732887170320170620170920171220国金行业 沪深300 2018 年年 03 月月 19 日日 新兴产业中心新兴产业中心 燃料电池行业系列报告 六 买入（维持评级）行业深度研究行业深度研究 证券研究报告 用使司公限有理管金基银瑞投国供仅告报此此报告仅供国投瑞银基金管理有限公司使用行业深度研究-2-敬请参阅最后一页特别声明 内容目录内容目录 旭日始旦，燃料电池产业进入景气高峰起点.4 2017 产业元年，中国燃料电池汽产量达到千辆.4 路径明确：商用车带动加氢站建设，降低氢气与燃料电池成本.4 燃料电池多地开花，20 省市推动产业发展.5 电堆是燃料电池最关键部件，性能满足商业化需求.5 电堆是最关键部件.5 电堆性能达到商业化，铂金不是瓶颈.7 国内电堆实现量产，成本进入下行通道.7 我国掌握燃料电池关键材料、部件及电堆的关键技术.7 国内电堆实现量产：自主研发和引进技术路线并举.8 电堆成本进入下行通道.9 电堆产业链国产化进行时.10 国内电堆产业链雏形初具.10 国内膜电极具备产业化能力，有序化膜电极是工艺发展趋势.11 质子交换膜：全氟磺酸膜是主流，国内具备量产能力.13 催化剂：铂用量降至可接受水平，国内具备研发能力.16 气体扩散层：技术成熟，国内达到小规模生产.17 双极板：石墨板应用广泛，金属板能量密度高，国内具备小规模生产能力.18 电堆产业链相关上市公司.20 风险提示.20 图表目录图表目录 图表 1：中国燃料电池汽车数量达到 1000 辆.4 图表 2：商用车带动产业起步，乘用车奠定未来.4 图表 3：五城燃料电池规划.5 图表 4：燃料电池电堆组成.6 图表 5：燃料电池全产业链.6 图表 6：世界主要燃料电池车参数.7 图表 7：“燃料电池基础材料与过程机理研究”项目部分性能指标.8 图表 8：国内电堆企业.8 图表 9：HYMOD-300 型车用燃料电池电堆.9 图表 10：巴拉德 9ssl 电堆参数.9 图表 11：电堆国产+规模化后成本可降 60%.10 图表 12：国内电堆产业链雏形初具.10 图表 13：膜电极结构.11 图表 14：膜电极 2015 性能现状与 DOE目标.11 图表 15：武汉理工新能源 MEA产品规格.12 行业深度研究-3-敬请参阅最后一页特别声明 图表 16：膜电极生产工艺发展一览.12 图表 17：质子交换膜主要性质.13 图表 18：各类质子交换膜对比.13 图表 19：全 氟磺 酸质子膜挤出工艺流程图.14 图表 20：全氟磺酸质子膜溶液浇铸成型工艺流程图.14 图表 21：溶液复合成型工艺制备复合膜.14 图表 22：质子交换膜 2015 现状与 DOE2020 年目标.15 图表 23：国内外主要质子交换膜生产厂家及产品.15 图表 24：东岳集团全氟磺酸质子交换膜.16 图表 25：东岳集团全氟磺酸质子交换膜.16 图表 26：催化剂 2015 现状与 2020 目标.16 图表 27：国外车用燃料电池电堆性能.16 图表 28：电催化剂主要研究方向.17 图表 29：不同扩散层材料的性能指标.18 图表 30：国外主要气体扩散成材料生产厂家及产品.18 图表 31：双极板 2015 年现状和 DOE2020 年目标.18 图表 32：双极板常用材料性能对比总结.19 图表 33：上海治臻双极板.19 行业深度研究-4-敬请参阅最后一页特别声明 旭日始旦，燃料电池产业进入景气高峰起点旭日始旦，燃料电池产业进入景气高峰起点 2017 产业元年，中国燃料电池汽产量达到千辆产业元年，中国燃料电池汽产量达到千辆 2017 年是中国燃料电池产业化的元年，部分地区开展小规模的燃料电池汽车运营，截止目前中国燃料电池汽车数量达到截止目前中国燃料电池汽车数量达到 1000 辆左右辆左右，佛山和北京已有燃料电池公交大巴运行，京东、申通等物流公司开始试用燃料电池物流车。2018 年国内燃料电池汽车有望突破 3000-5000 台规模，中国燃料电池开始令人振奋的高速发展阶段。图表图表1：中国燃料电池汽车：中国燃料电池汽车数量达到数量达到1000辆辆 汽车生产商汽车生产商 运营介绍运营介绍 北京北京 福田欧辉 截止到 2018 年 1 月，陆续交付的 100辆福田欧辉氢燃料电池大巴已在北京公交体系成功运行 180天 上海上海 东风特专 2018 年 1 月，500 台氢燃料电池物流车全部上牌完毕，用户开始陆续交车，在上海市开始落地运营，预定车辆已达 300 辆以上。京东、申通、唯捷城配等多家物流公司在上海区域投入使用氢燃料电池物流车。上汽集团 2018 年 1 月 19 日，上海汽车集团股份有限公司与上海化学工业区强强合作，在上海化学工业区管委会签署了“上海化学工业区与上汽集团战略合作框架协议”，共同推进燃料电池汽车产品的商业化运营合作。现场交付的 20 台 FCV80 将在上海化学工业区内承担通勤职责。上汽大通相关负责人相关人员表示，首批 100 台氢燃料电池车 FCV80 将陆续交付，预计 2018 年可实现累计交付 400 台氢燃料电池车。广东广东 佛山飞驰 28 辆氢燃料电池公交车 2017 年已在广东云浮、佛山两地投入试运营，两市还计划在 2018 年投放 300 台 8.5米的氢燃料电池公交车在公交区域使用 陕西陕西 青年汽车 西安的新青年控股集团有限公司拥有 400 辆氢燃料电池物流车，目前计划投建 8 座加氢站投，第一座加氢站预计 2018 年 3 月完成 来源：公司官网 国金证券研究所 路径明确：商用车带动加氢站建设，降低氢气与燃料电池成本路径明确：商用车带动加氢站建设，降低氢气与燃料电池成本 中国中国燃料电池汽车发展路径明确：燃料电池汽车发展路径明确：通过商通过商用车用车发展，规模化降低燃料电池发展，规模化降低燃料电池和氢气成本，同时和氢气成本，同时带动加氢站配套设施带动加氢站配套设施建设，后续建设，后续拓展到私人用车领域拓展到私人用车领域。优先发展商用车的原因在于：一方面公共交通的平均成本低，而且能够起到良好的社会推广效果，形成规模后带动燃料电池成本和氢气成本下降；另一方面商用车行驶在固定的线路上且车辆集中，建设配套的加氢站比较容易。当加氢站数量增加、氢气和燃料电池成本降低时，又会支撑更多燃料电池汽车。图表图表2：商用车带动产业起步，乘用车奠定未来：商用车带动产业起步，乘用车奠定未来 来源：国金证券研究所 行业深度研究-5-敬请参阅最后一页特别声明 燃料电池多地开花，燃料电池多地开花，20 省市推动产业发展省市推动产业发展 全国以富氢优势、弃电较多或者产业领先为代表的地区重视燃料电池发展，多地市兴建氢能产业园区，氢能小镇和产业集群等，推动燃料电池公交、物流车示范运营，截至目前超过 20 省市明确推动氢燃料电池产业发展。目前仅上海、盐城、武汉、佛山和苏州四城规划显示，到 2020 年燃料电池汽车数量近 1 万辆。图表图表3：五：五城燃料电池规划城燃料电池规划 时间时间 主要内容主要内容 上海上海 2017.9 上海市科委会同市经信委、上海市经济和信息化委员会、上海市发改委联合研究制订了上海市燃料电池汽车发展规划，提出到 2020 年建设加氢站 5-10 座、乘用车示范区 2 个，运行规模达到 3000 辆；到2025 年建成加氢站 50 座，乘用车不少于 2 万辆、其它特种车辆不少于 1 万辆；在到 2030 年，实现上海燃料电池汽车全产业链年产值突破 3000 亿元。盐城盐城 2017.10 2018 年盐城市计划首先在国家级经济技术开发和国家级高新技术产业开发区之间运营 10 辆燃料电池公交车。“十三五”期间，力争实现 1500 辆以上的客车、物流车、专用车、乘用车等多种燃料电池汽车的示范应用，形成一定的规模效应 佛山佛山 2017.12 佛山市在第二届氢能与燃料电池产业发展国际交流会提出将在 2019 年投入使用 10 座加氢站，力争实现1000 辆的氢能公交车示范运营项目；佛山市南海区促进新能源汽车产业发展扶持办法，提出加快包含燃料电池汽车在内的新能源汽车产业的发展 武汉武汉 2018.1 武汉首份氢能产业发展规划方案出炉：20182020 年，在研发层面，实现制储氢、膜电极、电堆、系统集成与控制等核心技术领域达到国际先进水平；在制储氢基础设施层面，研究适宜长距离、大规模氢的储运技术，形成制、储、运氢的示范化应用，并建设国内领先的氢能产业园，聚集超过 100 家燃料电池汽车产业链相关企业，燃料电池汽车全产业链年产值超过 100 亿元；在基础设施与示范推广层面，建设 520座加氢站，在轮船、无人机、分布式发电等方面形成小规模氢能燃料电池示范应用，燃料电池公交车、通勤车、物流车等示范运行规模达到 20003000 辆。到 2025 年，武汉将产生 3-5 家氢能国际领军企业，建成加氢站 30-100 座，形成相对完善的加氢配套基础设施，实现乘用车、公交、物流车及其他特种车辆总计 1-3 万辆的运行体量，氢能燃料电池全产业链年产值力争突破 1000 亿元，成为世界级新型氢能城市。苏州苏州 2018.3 苏州市发改委、市经信委、市科技局、市交通局联合制定的苏州市氢能产业发展指导意见（试行）（见附件），文件提出到 2020 年，氢能产业链年产值突破 100 亿元，建成加氢站近 10 座，推进公交车、物流车、市政环卫车等示范运营，氢燃料电池汽车运行规模力争达到 800 辆；到 2025 年，氢能产业链年产值突破 500 亿元，建成加氢站近 40 座，公交车、物流车、市政环卫车和乘用车批量投放，运行规模力争达到 10000 辆。来源：人民网 搜狐网 各政府官网 国金证券研究所 电堆是燃料电池最关键部件电堆是燃料电池最关键部件，性能满足商业化需求，性能满足商业化需求 电堆是最关键部件电堆是最关键部件 电堆由多个单体电池以串联方式层叠组合电堆由多个单体电池以串联方式层叠组合构构成成。将双极板与膜电极交替叠合，各单体之间嵌入密封件，经前、后端板压紧后用螺杆紧固拴牢，即构成燃料电池电堆。电堆是电堆是发生电化学反应场所，发生电化学反应场所，燃料电池动力系统核心部分。燃料电池动力系统核心部分。电堆工作时，氢气和氧气分别由进口引入，经电堆气体主通道分配至各单电池的双极板，经双极板导流均匀分配至电极，通过电极支撑体与催化剂接触进行电化学反应。行业深度研究-6-敬请参阅最后一页特别声明 图表图表4：燃料电池电堆组成：燃料电池电堆组成 来源：国金证券研究所 在燃料电池产业链中，电堆是在燃料电池产业链中，电堆是处于中游核心环节处于中游核心环节。催化剂、质子交换膜、气体扩散层组成膜电极和双极板构成电堆的上游，电堆与空压机、储氢瓶系统、氢气循环泵等其它组件构成燃料电池动力系统，下游应用对应交通领域和备用电源领域，主要是客车、轿车、叉车、固定式电源和便携式电源等。图表图表5：燃料电池全产业链：燃料电池全产业链 来源：国金证券研究所 行业深度研究-7-敬请参阅最后一页特别声明 电堆性能达到商业化，铂金不是瓶颈电堆性能达到商业化，铂金不是瓶颈 目前燃料电池汽车在速度、加速时间和续航均满足日常使用，商业化瓶颈主要是在耐久性、低温启动和铂金需求方面，目前电堆性能达到商业化需求。在耐久性方面，丰田和新源动力轿车用电堆寿命超 5000h，Ballard FCvelocity-HD6 燃料电池已经达到超过 25000 小时时间的耐久性记录，已经满足日常乘用车和商用车使用需求。轿车用电堆耐久性达到 5000h，普通乘用车用户日均行驶 2h，轿车可使用 7 年；商用车电堆耐久性达到25000h，一辆商用车日均行驶 8h，使用时间可达到 8 年。低温性能方面，目前电堆可以应对全球绝大部分地区和气候，丰田燃料电池汽车和本田燃料电池汽车分别实现了-37和-30启动；即使在冬天，燃料电池汽车依然可以满足日常使用。铂金需求方面，铂金需求方面，目前目前本田本田电堆铂金载量电堆铂金载量已经已经低至低至 0.12g/kg0.12g/kg，铂载量铂载量还处于还处于持续下降过程中，铂金不会成为燃料电池发展瓶颈。以本田持续下降过程中，铂金不会成为燃料电池发展瓶颈。以本田 ClarityClarity 为例，为例，单辆燃料电池车催化剂耗铂已经降至 10g 左右，而单辆柴油车需要 5g 做铂金作为尾气净化催化剂，目前燃料电池催化剂铂金用量已经降至产业化水平，而且处于持续下降中，不会引起铂金需求短缺。假设到假设到 20252025 年年单车铂单车铂载量载量 5 5g g 计算计算，燃料电池汽车，燃料电池汽车 100100 万辆计算，铂金需求量万辆计算，铂金需求量 5 5 吨，相对吨，相对 20172017年铂金用量年铂金用量 244244 吨，边际增量只有吨，边际增量只有 2 2%；考虑燃料电池铂载量持续下降和非；考虑燃料电池铂载量持续下降和非贵金属催化剂的发展，燃料电池汽车规模化的资源瓶颈并不存在。贵金属催化剂的发展，燃料电池汽车规模化的资源瓶颈并不存在。图表图表6：世界主要燃料电池车参数：世界主要燃料电池车参数 丰田丰田 Mirai 本田本田 Clarity 奔驰奔驰 GLC 现代现代 ix35 车重车重 1850kg 1890km 1718kg 2290kg 最高车速最高车速 175km/h 165km/h 170km/h 160km/h 百公里加速时间百公里加速时间 9.6s 8.8s 11.3s 12.5s 续航里程续航里程 650km 750km 550km 594km 电堆总功率电堆总功率 114kW 103kW 100kW 100kW 体积比功率密度体积比功率密度 3.1kW/L 3.1kW/L 不详 3.1kW/L 重量比功率密度重量比功率密度 2036W/kg 不详 不详 不详 寿命寿命 5000h 5000h 5000h 5000h 铂载量铂载量 0.175g/kW 0.120g/kW 0.200g/kW 0.40g/kW 重量重量 56kg 不详 不详 不详 低温启动低温启动-30-30-25-30 是否增湿是否增湿 无增湿器 有 有 有 双极板双极板 金属板 金属板 金属板 金属板 工作压力工作压力 高压 高压 高压 高压 来源：公司官网 国金证券研究所 国内电堆实现量产，成本进入下行通道国内电堆实现量产，成本进入下行通道 我国掌握我国掌握燃料电池关键材料、部件及电堆的关键技术燃料电池关键材料、部件及电堆的关键技术 经过 863 计划，我国初步掌握了燃料电池关键材料、部件及电堆的关键技术，基本建立了具有自主知识产权的车用燃料电池技术平台，燃料电池在国内外开展了多次示范运行。2015 年，我国燃料电池电堆性能达到：-20行业深度研究-8-敬请参阅最后一页特别声明 启动及-40存储；寿命 3000h；功率密度 2kW/L、比功率 1.5kW/kg；能量效率 55%。2016 年 11 月，国家重点研发计划“新能源汽车”重点专项“燃料电池基础材料与过程机理研究”项目在大连启动。项目由中国科学院大连化学物理研究所牵头，21 家单位共同参与，在催化剂、质子交换膜、金属双极板、膜电极等方面开展基础性研究，同时对燃料电池低温环境适应性、流场结构、水管理过程等方面进行优化设计，掌握批量制备燃料电池所需电化学材料关键技术，项目指标达到 DOE2020 年目标。图表图表7：“：“燃料电池基础材料与过程机理研究”项燃料电池基础材料与过程机理研究”项目部分性能指标目部分性能指标 指南指南 本项目本项目 DOE2020DOE2020 年目标年目标 铂用量铂用量 0.125g/KW 0.125g/KW 0.125g/KW 功率密度功率密度 1.4W/cm 1.4W/cm 1W/cm 耐久性耐久性 10000h 10000h 5000h 低温启动低温启动 -30存储和启动-30启动，-40存储-40启动 来源：2017 年（武汉）燃料电池技术与产业发展高峰论坛 国金证券研究所 国内国内电堆电堆实现量产：自主研发和引进技术路线并举实现量产：自主研发和引进技术路线并举 目前国内燃料电池电堆正在逐渐起步，电堆及产业链企业数量逐渐增长，产能量级提升，到 2018 年国内电堆产能超过 40 万 kW。目前国内电堆厂商主要有两类：（1）自主研发，以新源动力和神力科技为代表；（2）引进国外成熟电堆技术，以广东国鸿为代表，其余企业有南通百应、嘉兴爱德曼等。图表图表8：国内电堆企业：国内电堆企业 新源动力新源动力 神力科技神力科技 广东国鸿广东国鸿 技术模式技术模式 自主研发 自主研发 引进国外 产品电堆产品电堆 HYMOD-300 型车用燃料电池电堆 SL-C 系列 巴拉德 FCvelocity-9SSL 体积功率密度体积功率密度 1.13kw/L 1.3kw/L 1.52kw/L 耐久性耐久性 5 千 h 1 万 h 超过 2 万 h 低温性能低温性能 -10低温启动，-40储存-40储存-20到 75 产能产能 1.5 万 kw 6 万 kw 30 万 kw 动力系统客户动力系统客户 新源动力 亿华通 国鸿重塑 整车用户整车用户 上汽 宇通、福田、申龙、厦门金龙 东风、厦门金龙、宇通、飞驰 应用车型应用车型 轿车、荣威 750 燃料电池轿车，上汽大通 FCV80 商用车 商用车、东风物流车 优势优势 自主研发实力强，依托上汽发展 自主研发实力较强，与亿华通形成协同优势 产能最大，寿命最长，巴拉德电堆产品成熟，广东大力支持 来源：公司官网 国金证券研究所 新源动力长期致力于燃料电池研发生产，公司现有产能 1.5 万 kW/年。其开发的 HYMOD-300 型车用燃料电池电堆模块，采用高稳定性、高性能的“膜基催化层膜电极设计”和高可靠性的“复合双极板结构”，达到车用燃料电池 5000 小时的耐久性，实现电堆-10低温启动，-40储存。行业深度研究-9-敬请参阅最后一页特别声明 图表图表9：HYMOD-300型车用燃料电池电堆型车用燃料电池电堆 来源：国金证券研究所 广东国鸿于 2016 年 5 月引进加拿大巴拉德签署引进 9SSL 电堆生产线技术，并在国内建设年生产 2 万台电堆（30 万 kW）和 5000 套系统的生产线，生产线于 2017 年 7 月 1 日正式投产。9SSL 系列燃料电池电堆是为交通领域设计的液冷式电堆产品，能够满足车用车载动态特性要求。它具有良好的单电池均一性，工作寿命超过 2 万 h，最长寿命超过 2.5 万 h。巴拉德9ssl 电堆的 9SSL 系列电堆产品自 2009 年生产至今已累计生产电堆超过10,000 台，部署量达到 320MW，产品的成熟性已经过充分的市场验证。图表图表10：巴拉德：巴拉德9ssl电堆参数电堆参数 功率范围功率范围 kWkW 3.83.8 4.84.8 10.510.5 14.314.3 17.217.2 2121 直流电压（直流电压（300A300A）V 12.8 16 35 48 57.4 70.2 最大电流最大电流 A 300 300 300 300 300 300 质量（无冷却系统）质量（无冷却系统）kg 7.1 7.2 10.7 13 15 17 功率密度功率密度 kW/kgkW/kg 0.540.54 0.670.67 0.980.98 1.101.10 1.151.15 1.241.24 kW/LkW/L 0.910.91 1.011.01 1.321.32 1.431.43 1.481.48 1.521.52 电堆长度电堆长度 mm 92 104 174 220 255 302 电堆宽度电堆宽度 mm 760 760 760 760 760 760 电堆高度电堆高度 mm 60 60 60 60 60 60 氢气纯度要求氢气纯度要求 99.5%或更高（潮湿环境）电堆温度电堆温度 -25-75 来源：公司官网 国金证券研究所 电堆成本进入下行通道电堆成本进入下行通道 电堆成本在燃料电池汽车中占比最高。目前燃料电池电堆实现小规模放量和初步国产化，电堆成本已经实现有力下降。随着规模放大以及电堆产业国产化，电堆成本预计可降 60%。具体到各个环节来看，气体扩散层降本主要由规模化效应驱动；而质子交换膜、催化剂和双极板降本则需国内工艺进步和规模化加以推进。行业深度研究-10-敬请参阅最后一页特别声明 图表图表11：电堆国产：电堆国产+规模化后成本可降规模化后成本可降60%来源：国金证券研究所 注：数据以 60kw，8 个氢瓶的大巴为主要参考 电堆产业链国产化进行时电堆产业链国产化进行时 国内国内电堆电堆产业链雏形初具产业链雏形初具 国内燃料电池电堆产业链初成雏形，上游厂商齐全，膜电极、质子交换膜和双极板具备国产化能力，气体扩散层有小批量供应，催化剂具备研发能力。图表图表12：国内电堆产业链雏形初具：国内电堆产业链雏形初具 上游产业链上游产业链 代表企业代表企业 发展现状发展现状 备注备注 膜电极膜电极 武汉理工新能源 具备量产能力 武汉理工新能源有限公司是国内最大的燃料电池 MEA 生产企业，燃料电池膜电极大批量出口美国、欧洲等国际市场，采用自动化生产线，Roll to Roll 生产工艺，年产能可达数十万片 质子交换膜质子交换膜 东岳集团 具备量产能力 东岳 DF260 膜技术已经成熟并已定型量产，新的衍生牌号正在开发；DF260 膜具有高性能（635mV1.79A/cm2，90）和优异的耐久性（6000h）能够满足燃料电池车的需求；其完整的氟化工产业链将为我国燃料电池产业提供强有力的支撑。行业深度研究-11-敬请参阅最后一页特别声明 催化剂催化剂 大连化物所 贵研铂业 研发阶段 贵研铂业与上海汽车集团合作 3 年，已经研发出铂基催化剂；中国科学院大连化学物理研究所制备的 PdPt/C 核壳催化剂，其氧还原活性与稳定性表现优异 气体扩散层气体扩散层 上海河森、台湾碳能科技公司 小规模生产 上海河森气体扩散层具备 1000 平米/月生产能力，台湾碳能科技公司的碳纸产品价格较低，获得了一定市场认可。同时中南大学、武汉理工大学以及北京化工大学等研究机构也都有研究 双极板双极板 上海治臻、上海弘枫、鑫能石墨等 石墨双极板国产化，金属双极板开始国产化阶段 石墨双极板目前已实现国产化，国产厂商主要有上海弘枫、鑫能石墨等 金属双极板处于开始国产化阶段，上海治臻新能源装备有限公司依托上海交大，研制出车用燃料电池金属双极板，并尝试在电堆和整车中实际应用。来源：公司官网 国金证券研究所 国内膜电极具备产业化能力，有序化膜电极是工艺发展趋势国内膜电极具备产业化能力，有序化膜电极是工艺发展趋势 膜电极（membrane electrode assembly，MEA）是质子交换膜燃料电池发生电化学反应的场所，是传递电子和质子的介质，为反应气体、尾气和液态水的进出提供通道，膜电极是质子交换膜燃料电池的心脏。膜电极通常由 5 部分组成，即中间的质子交换膜、两侧的阳极催化层和阴极催化层，最外侧的阳极气体扩散层和阴极气体扩散层。图表图表13：膜电极结构：膜电极结构 来源：国金证券研究所 当前膜电极在性能和产能方面当前膜电极在性能和产能方面可以可以初步初步满足商业化需求满足商业化需求。现阶段现阶段性能性能初步初步满足产业使用，满足产业使用，2015 年MEA，在工况条件下寿命达到2500小时，性能方面也达到810mW/cm2。膜电极厂商具备万平米级产能膜电极厂商具备万平米级产能，目前做膜电极的厂商分为两类，一种是具备膜电极产业化能力，能够自给自足的燃料电池厂商，以丰田和Ballard为代表。另外一种是专业的膜电极供应商，包括Gore、JM、3M、Toray（Greenerity）和国内的武汉理工新能源等，都已经具备了不同程度的自动化生产线，年产能在数千平米到万平米级。图表图表14：膜电极：膜电极2015性能现状与性能现状与DOE目标目标 特性 单位 2015 现状 2020 目标 性能（0.8V）mA/cm2 240 300 性能（额定功率，150kPa）mW/cm2 810 1000 成本（50 万台 80kW/年）$/kW 17 14 耐久性（工况循环）小时数 2500 5000 耐久性（启停循环）循环次数-5000 来源：DOE 国金证券研究所 国内武汉理工新能源生产的是燃料电池的核心零部件膜电极，年产量达到国内武汉理工新能源生产的是燃料电池的核心零部件膜电极，年产量达到12 万片，建成自动生产线产能万片，建成自动生产线产能 5000 平米平米/年。武汉理工新能源膜电极产品年。武汉理工新能源膜电极产品功率密度，最高可达功率密度，最高可达 1W/cm2；Pt 用量用量低至低至 0.3mg Pt/cm2 。行业深度研究-12-敬请参阅最后一页特别声明 图表图表15：武汉理工新能源：武汉理工新能源MEA产品规格产品规格 MEA产品 EVMEA ACMEA SNMEA WEMEA 应用应用 车用 备用电源 电化学传感器 水电解 特点特点 高功率密度 长寿命 低湿度 低成本 高灵敏度 高性能 低渗透 结构结构 7-layer（5-layer+sub-gasket）5-layer（CCM+GDL）3-layer（CCM）膜膜 均质膜 复合膜 边框边框 60 60 Pt 载量载量 0.8/2 0.8/2 0.6/2 0.5/2 0.4/2 来源：公司官网 国金证券研究所 MEA 生产工艺瞄准低铂和高功率密度，有序化膜电极工艺是未来发展趋生产工艺瞄准低铂和高功率密度，有序化膜电极工艺是未来发展趋势势。膜电极技术经历了三代发展，大体上可以分为热压法、CCM（catalyst coating membrane）法和有序化膜电极三种类型。目前大部分厂商选择第二代 CCM 三合一膜电极技术，有序化膜电极是当下工艺发展趋势。有序化膜电极能兼顾超薄电极和结构控制，拥有巨大的单位体积的反应活性面积及孔隙结构相互贯通的新奇特性，可以达到高效三相传输、高Pt利用率、高耐久性，使其成为了PEMFC领域的研究热点，也是下一代膜电极制备技术的主攻方向。图表图表16：膜电极生产工艺发展一览：膜电极生产工艺发展一览 代数 名称 特征 Pt 总载量(mgcm-2)1 热压法膜电极（热压法膜电极（PTFEPTFE）Pt/C催化剂与PTFE乳液按一定比例混合均匀制备到气体扩散层上形成催化层，经过烧结、浸渍PFTE溶液、再烧结，并与膜热压后形成膜电极 4 0.118 1.5 热压法膜电（热压法膜电（NafionNafion）采用 Nafion 溶液替代 PTFE 乳液的制备方法 2 CCMCCM 三合一膜电极三合一膜电极 将催化层直接制备在质子交换膜表面上。制备方法包括喷涂、转印、化学沉积法、电化学沉积法、物理溅射沉积法、干粉喷射法、打印法等 2.5 梯度化膜电极梯度化膜电极 通过对 Nafion 含量、Pt 载量、孔隙度等量的分布进行梯度化设计以实现 Pt 的最大利用率 3 有序化膜电极有序化膜电极 通过将三相传输通道的有序化，实现超低铂载量与高功率密度 来源：科技导报国金证券研究所 行业深度研究-13-敬请参阅最后一页特别声明 质子质子交换膜：全氟磺酸膜是主流，国内具备量产能力交换膜：全氟磺酸膜是主流，国内具备量产能力 质子交换膜是作为 PEM燃料电池的核心组件，主要功能是充当质子通道实现质子快速传导，同时还起阻隔阳极燃料和阴极氧化物的作用，防止燃料（氢气、甲醇等）和氧化物（氧气）在两个电极见发生互串，此外还需要对催化剂层起到支撑作用。质子交换膜性能好坏直接决定着 PEM燃料电池的性能和使用寿命，作为 PEM材料，应具有以下性质：图表图表17：质子交换膜主要质子交换膜主要性质性质 性质 备注 高质子传导率 保证在高电流密度下，膜的欧姆电阻小，提高输出功率密度和电池效率 低电子导电率 使得电子都从外电路通过，提高电池效率 气体渗透性低 有效阻隔燃料和氧化剂的互串，以免氢气和氧气在电极表面发生反应，造成电极局部过热，影响电池的电流效率。化学和电化学稳定性好 在燃料电池工作环境下不发生化学降解，以提高电池的工作寿命 热稳性好 在燃料电池环境中，能够有较好的机械性能，不发生热降解 良好尺寸稳定性 较低的尺寸变化率防止膜吸水和脱水过程中的膨胀和收缩引起的局部应力增长而造成膜与电极剥离，使电池寿命降低 良好的机械性能 高湿环境下溶胀率低 适当的性价比 降低成本，满足商业化需求 来源：国金证券研究所 全氟磺酸膜是主流质子交换膜全氟磺酸膜是主流质子交换膜。质子交换膜根据含氟情况进行分类主要包括全氟磺酸膜、非全氟化质子交换膜、无氟化质子交换膜和复合膜。目前目前世界上主流质子交换膜是全氟磺酸膜世界上主流质子交换膜是全氟磺酸膜，全氟磺酸聚合物具有聚四氟乙烯结构，其碳-氟键的键能高，使其力学性能和化学稳定性优异，其聚合物膜的使用寿命远远好于其他膜材料的使用寿命，其次分子链上的亲水性磺酸基团具有优良的氢离子传导特性。全氟磺酸膜也是目前在全氟磺酸膜也是目前在 PEMFC 中唯一得中唯一得到广泛应用的质子交换膜到广泛应用的质子交换膜，如美国杜邦的 Nafion 膜、陶氏公司的 Dow 系列质子交换膜、日本旭化成公司的 Aciplex膜和日本旭哨子公司的 Flemion膜，其中 Nafion 膜应用最广泛。图表图表18：各类质子交换膜对比各类质子交换膜对比 类型类型 全氟磺酸膜全氟磺酸膜 非全氟化质子交换膜非全氟化质子交换膜 无氟化质子交换膜无氟化质子交换膜 复合膜复合膜 组成组成 由碳氟主链和带有磺酸基团的醚支链构成 用取代的氯化物代替氟树脂，或用氟化物与无机或其他非氟化物共混 无氟化烃类聚合物膜 修饰材料和全氟磺酸树脂构成的复合膜 优点优点 机械强度高，化学稳定性好，导电率较高，低温时电流密度大，质子传导电阻小 成本低，工作效率较高，并且能够使电池寿命提升到15000h 成本低，环节污染小 机械性能改善，改善膜内水传动与分布，降低质子交换膜内阻 缺点缺点 温度升高使质子传导性能变差，高温易发生化学降解，成本高 机械强度及化学稳定性较差 化学稳定性较弱 制备技术要求较高 商业应用商业应用/研研究究 杜邦-Nafion系列 旭化成-Aciplex膜 氯工程-C膜 Ballard-BAM型膜 Ballard-BAM3G 膜 DAIS-磺化苯乙烯-丁 二烯/苯乙烯嵌段共聚物膜（研制）Gore-select-PTFE 增强膜 来源：化学进展国金证券研究所 全氟磺酸膜全氟磺酸膜成型工艺可分为三类：成型工艺可分为三类：PESIM 挤出成型工艺、溶液浇铸成型工挤出成型工艺、溶液浇铸成型工艺和复合成型工艺。艺和复合成型工艺。行业深度研究-14-敬请参阅最后一页特别声明 PFSIEM 挤出成型工艺可分为熔融挤出成型和凝胶挤出成型，熔融挤 出成型又分为熔融挤出流延成型和熔融挤出压延成型。熔融挤出成型工艺，具有厚度均匀，生产效率高，树脂熔融时破坏性小，产品质量稳定等优点。PFSIEM 的挤出工艺过的挤出工艺过 程中主要有程中主要有 3 部分组成部分组成：全：全 氟氟磺酰氟树脂磺酰氟树脂(perfluorosulfonyl fluoride resin简称简称 PFSR)挤出造粒、挤出造粒、全氟磺酰氟薄膜制造和全氟磺酰氟薄膜的转型全氟磺酰氟薄膜制造和全氟磺酰氟薄膜的转型。图表图表19：全全 氟磺氟磺 酸质子膜酸质子膜挤出挤出工艺流程工艺流程图图 来源：全氟磺酸质子膜成型工艺的研究进展国金证券研究所 溶液浇铸成型是指在常压下将树脂溶液注入固有模具，经溶液挥发后加热成膜的工艺。浇铸成膜方法成本较低和操作简单可控，目前国内研究机构大多采用此法，不过实验室厚度均匀性不足。全氟磺酸钠盐树脂溶液钢带流延成型的工艺过程主要有 4 个部分：全氟磺酸钠盐树脂溶液配制、钢带流延成型、溶剂挥发和质子膜转型干燥。图表图表20：全氟磺酸质子膜溶液浇铸成型工艺流程图：全氟磺酸质子膜溶液浇铸成型工艺流程图 来源：全氟磺酸质子膜成型工艺的研究进展国金证券研究所 全氟磺酸复合膜中采用其他材料改善全氟磺酸质子膜性能，比如采用 PTFE 的多孔材料