燃料电池MEA篇国产化、规模化、精细化.docx

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1、内容目录一、背景：政策、成本推动下，FCV开启放量降本 41 .车辆电动化大势所趋，燃料电池为商用车电动化的优选方案 42 .政策、成本交替推动下，产业分两阶段实现快速成长4二、需求：燃料电池技术成本中枢，2030年市场规模350亿71 .膜电极是燃料电池的核心部件，在燃料电池成本占比超30% 72 .需求：整车放量拉动膜电极需求，2030年市场规模将接近350亿元.8三、技术：耐久性功率密度成本 101 .质子交换膜：海外企业供应为主，突破点在于超薄兼顾高耐久性 102 .催化剂：低伯载&高性能&高耐久性仍是技术难点113 .气体扩散层：海外企业把控碳纤维核心技术，碳纸进口为主 144 .制

2、备工艺：CCM是主流，第三代有序化膜电极是未来方向 15四、国产化：膜电极达到商用标准，国产化推进带动成本下行 171 .国产膜电极初步满足商用标准，国产规模化带动成本下行 172 .原材料仍主要依赖进口，国产化逐步推进17五、相关企业：初期一体化占优，远期第三方或是主流 19六、风险提不21图表目录图表1： 2017-2019年重卡销量及市场占比4图表2： 2019年重卡颗粒物、NOx排放占比 4图表3：氢燃料电池汽车分阶段进入平价时代4图表4： 2020年FCV、ICEV全周期经济性对比（万元）5图表5： 2020-2025燃料电池系统降本曲线（元/W） 6图表6： 2020-2025 4

3、9t燃料电池重卡降本趋势（万元）6图表7：燃料电池动力系统构成7图表8： PEMFC工作原理7图表9： 49t燃料电池重卡成本构成 8图表10：燃料电池系统成本构成8图表11： 2021-2030年国内FCV产量规模预测（万辆）8图表12： 2021-2030年国内膜电极市场规模预测（亿元）9图表13：我国膜电极性能参数与目标10图表14：质子交换膜性能决定电池性能、寿命10图表15：质子交换膜技术方案 11图表16：全氟磺酸质子交换膜几乎都是以N#ion结构为基础11图表17：目前最好的催化剂仍是Pt和Pt基催化剂12图表18：伯载量下降，极化曲线在高电流密度急剧下降12图表19：质量比活性

4、、归一化电化活性面积水随循环次数下降 1212图表20：显微镜下的催化剂降解图表21：催化剂主要研究方向 12图表22：Pt核壳催化剂制备过程13图表23：Pt核壳催化剂性能更佳13图表24：Pt3Ni纳米结构催化剂形成过程13图表25：Pt/SnC纳米线/Carbon paper复合物13图表26：低钳载膜电极技术不断突破，有助于加快燃料电池产业化进程.14图表27：理想的气体扩散层需要具备高导电性、多孔性、适当的亲水/憎水平衡、高化学稳定性热稳定性14图表28：电子显微镜下的炭布（正面/剖面）15图表29：电子显微镜下的碳纸（正面/剖面），结构更加均匀 15-4 -10* 月. I*. I

5、: 图表团：法的贴花.乙0图表32：溅射技术图表33：以反蛋白石结构材料为催化层的膜电极结构15161616图表34：反蛋白石结构材料为催化层16图表35：国内膜电极产能布局17图表36： MEA降本曲线（元/W） 17图表37：东岳集团质子交换膜性能达标18一、背景：政策、成本推动下，FCV开启放量降本1 .车辆电动化大势所趋,燃料电池为商用车电动化的优选方案 电动化趋势下锂电技术路线率先突围，尤其带动了乘用车的电动化浪潮。相较之下，重载运输领域的电动化进程却略显缓慢。从市场规模看，2019年国内重卡销量117万辆，远不及乘用市场庞大，但其能源消耗大，污染严重，电动化意义不亚于乘用车。201

6、9年国内汽车销量2577万辆，其中重卡仅117万，占比不足5%。从保有量看，截止2020年上半年国内汽车保有量2.7亿辆，其中载货汽车不足3000万辆，远不及乘用车等载客车辆。然而重卡等货运车型负荷重，运营时间长，燃油消耗量大，对推动节能环保意义重大。图表1 ： 2077-2079年重卡销量及市场占比图表2： 2079年重卡颗粒物、NOx排放占比35003000250020001500100050002017重卡销量来源：中汽协、国金证券研究所4.8%4.6%4.4%4.2%4.0%3.8%3.6%3.4%20182019汽车销量重卡占比PM排放分担率52%来源：生态环境部、国金证券研究所NO

7、x排放分担率重型货车,74% FCV在重载、长续航领域优势明显，加氢更为便捷，成为商用车电动化的优选。商用场景下随续航里程增长，锂电车辆电池质量占比快速提升，造成车辆运载能力下降。相较锂电，燃料电池能量密度更高，相同续航里程下，FCV在自重方面的优势将增加有效荷载。除此之外，FCV能够在10-15min内完成氢气加注，而对纯电车型，快充桩充电时长仍需1小时上下,慢充近十小时。由于商用运营强度更高，FCV成为其电动化的优选方案。2 .政策、成本交替推动下，产业分两阶段实现快速成长图表3：氢燃料电池汽车分阶段进入平价时代来源：国金证券研究所/ 第一阶段：政策补贴阶段（2020-2024 ） ： 2

8、020年9月，财政部等五部委发布关于开展燃料电池汽车示范应用的通知，暂定4年示范期，采取以奖代补、城市群申报的扶持方案，推动FCV产业化进程。方案契合燃料电池技术特征和国内产业现状，据补贴方案内容，测算在政策落地后的4年补贴期间，FCV全周期成本可以持平或低于燃油车，调动下游整车运营方的积极性，市场化需求逐步形成带动产销放量。补贴阶段政策是主要推动，产业链国产化进程持续推进，补贴期末FCV产销规模达到十万辆上下，市场规模千亿，燃料电池系统成本降至2元/W附近，商用车为主要放量车型。图表4 ： 2020年FCV、/CEV全周期经济性对比（万元）35030025020015010050来源：Hyu

9、ndai.北汽奔驰、国金证券研究所，第二阶段：后补贴阶段（2025年以后）：补贴阶段FCV产销量将迅速扩张，产业降本驱动力由“国产化”为主向“国产化+规模化”双重驱动转变，燃料电池核心部件、氢气成本将快速下降。预计2025年前后，在国内氢气资源优势地区，燃料电池整车有望实现全生命周期成本持平甚至低于燃油车，届时成本成为产业发展的主要推动，氢燃料电池产业将更加趋于市场化，加速在重卡等商用车领域的替代进程，并向乘用车拓展，2030年前后整车市场规模达到百万辆，市场规模达到万亿，系统成本降至1元/W以下。,平价阶段：远期氢燃料电池系统成本将持续下降，除车用外将逐步打开轨交、船舶、储能、发电等应用市场

10、，进入平价阶段。,系统成本及氢气价格是决定FCV经济性的关键因素。FCV前期主要在商用领域推广，包含购置成本及营运费用的全生命周期成本成为衡量FCV经济性的有效指标。目前系统占整车成本达到60%以上，而运营阶段费用构成以氢气为主，因此系统单价及氢气售价是影响FCV全生命周期经济性的主要因素。，系统降本由国产化主导向国产化+规模化”驱动转变。20172019年国内FCV产销量快速增长但整体规模尚小，核心部件国产化为降本主要贡献。政策引导下未来4年FCV产销将由千辆向万辆、十万辆跨越，同时大功率重卡趋势下，系统装机量增速超过整车产销量，规模化、国产化共同推动系统等部件成本下行。预计未来5燃料电池系

11、统成本再降60%至27C/W合理可期，届时100kW系统售价做到约20万元，49t燃料电池重卡售价由目前140150万降至60万元上下。5图表5： 20202025燃料电池系统降本曲线（元/W）7.06.05.04.03.02.01.00.020202021E 2022E2023E2024E2025E来源：国金证券研窕所图表6： 20202025 49f燃料电池重卡降本趋势（万元）3002502001501005002018 2019 2020 2021E 2022E 2023E 2024E 2025E来源：国金证券研究所/氢气成本随用量下行。氢气成本主要由制氢成本、运氢成本、加氢站固定成本三

12、大成本构成。从制氢环节看，虽然目前国内东部沿海地区副产氢资源充足，但受限FCV整体用氢规模尚小，大部分副产氢资源并未形成规模化供应，造成氢气终端售价偏高。从储运加氢环节看，供氢设备利用率越高则分摊至每公斤氢气的投资、费用越低。/ FCV放量拉动氢气需求，氢气售价将逐步下调。政策扶持下FCV快速放量，预计2025年国内氢气年消耗量将接近150万吨。燃料电池氢气用量大幅提升，推动各地具备副产氢资源的企业逐步构建完整的供氢方案，保障供氢体系高效运转，氢气售价将持续下行。 6二、需求：燃料电池技术成本中枢，2030年市场规模350亿1 .膜电极是燃料电池的核心部件在燃料电池成本占比超30% 燃料电池主

13、要包括电堆、氢气系统，其中电堆以膜电极（MEA）、双极板为主。氢气系统以空压机、增湿器、氢循环泵、高压氢瓶为主。图表7：燃料电池动力系统构成来源：国金证券研究所 MEA是燃料电池的技术和成本中枢。MEA是燃料电池发生电化学反应的场所，为反应气体、尾气和液态水的进出提供通道，主要由催化剂、质子交换膜、气体扩散层构成。氢气通过阳极气体扩散层扩散至阳极催化层，在阳极催化层的作用下生成氢离子和电子，电子由催化剂中的导电物质传递到阳极气体扩散层向外电路传递，质子（氢离子）由阳极催化层通过质子交换膜传导至阴极催化层，外电路的电子经由阴极气体扩散层向阴极催化层传递，在阴极催化剂的作用下电子、质子、氧气在阴极

14、催化层生成H2O, H2O通过阴极催化剂扩散至阴极气体扩散层。理想的MEA需要良好的气体扩散能力、液态水管理能力、质子传导能力。图表8： PEMFC工作原理来源：DOE、国金证券研究所 从成本构成来看,膜电极占燃料电池成本大头。FCV主要成本构成包括燃料电池系统、车载供氢系统、动力电池、车架等其他传统车辆部件。其中系统为FCV的核心部件，在整车成本占比超60%o系统包含电堆、空压机、氢循环泵等，其中膜电极作为电堆核心部件，在整个系统成本占比约30%图表9 : 49f燃料电池重卡成本构成车载来源：国金证券研究所（注：系统占比随装机功率变化）图表70：燃料电池系统成本构成其他DCDC氢泵电堆膜电极空压机加湿器电堆其他电堆-极板等来源：国金证券研究所（注：规模化生产后）2.需求：整车放量拉动膜电极需求 2030年市场规模将接近350亿元/ FCV市场开启放量，2030年有望达到百万产销。政策正式落地将加速国内FCV产销，2025年国内FCV产销量有望突破十万辆。