燃料电池系列研究之pemfc成本下降路径国产化规模经济和技术进步

1、2016 年 11 月 10 日燃料电池产业链系列报告之四证券研究报告评级：买入维持评级行业深度研究长期竞争力评级：高于行业均值市场数据(人民币）市场优化平均市盈率16.95国金燃料电池指数480.61沪深 300 指数3353.05上证指数3128.37深证成指10697.11中小板综指11987.46572545成本下降路径：国产化、规模经济和技术进步燃料电池系列研究之 PEMFC投资建议n 燃料电池行业的快速成长依赖于技术的成熟、政策的支持、产业链的完善， 而归根到底，作为新能源的一种，燃料电池商业模式要成功，最重要的是在相应使用场景中成本下降到能与传统能源竞争，这与光伏、风电、锂电池的

2、逻辑是完全一致的；n 我们认为随着规模经济和技术进步，燃料电池成本将迅速下降，当需求到达经济规模后成本下降幅度有望超过 60%；n 燃料电池成本的下降原因可以归结为两个方面：规模经济和技术进步，前者519492466440413 151110160210160510160810 国金行业沪深300是未来两年最主要的推动力，而从长期看技术进步是燃料电池最终替代传统能源的内在根本动力。n 我们分三个子系统来详细分析产业现状和成本下降的路径：电堆、氢气系统、其他。 电堆的主要构成中，MEA 成本下降空间巨大，ePTFE 膜的国产化、贵金属催化剂的减量与替代都会带来成本下降； MEA 之外的成本也在快

3、速下降。双极板方面，未来随着国内的合格的金属双极板的大批量使用，成本将有大幅度降低；而类似碳纸这类易于国产化的零部件已经具备批量化的能力，只待需求爆发；相关报告1. 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. ，2016.8.222. 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. ，2016.8.83. 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张帅分析师SAC 执业编号：S1130511030009 (8621)60230213姚遥分析师SAC 执业编号：S11305120800

4、01 (8621)60230214王菁联系人(8621)60230250 氢气系统方面，空压机和高压储氢瓶是现阶段需要突破的关键，其他的 辅助设备多数是在其他领域已经得到应用，只要有批量化的需求即可实现低成本生产。n 综合以上分析，我们认为燃料电池，尤其是质子交换膜燃料电池 PEMFC 的成本下降曲线已经基本明晰，在目前明确的政府补贴政策的推动下，市场将迅速扩大，因此坚定看好行业的未来，而现在，已经是行业爆发前夜。敬请参阅最后一页特别声明- 1 -用使司公限有理管金基银瑞投国供仅告报此 万份行业报告免费下载，此尽报在告仅w供

5、w国w投.瑞te银n基le金a管r理ni有n限g公.c司n使,微用信公众号：learningme行业深度研究内容目录综述：材料工艺进步+规模化效应驱动燃料电池车降本，规模量产后将降 60% 4关键材料和部件的成本和耐久性是燃料电池实现商业化的基础5质子交换膜燃料电池具有多种性能优势，占据市场主导地位5新一轮 FCV 商业化浪潮正在迫近，关键在于其成本和耐久性6膜电极组件是燃料电池的核心部件，降本需结合技术进步14催化剂：资源限制使得研究热度高涨，未来降本主要依靠改性和非铂催化剂研究15质子交换膜：全氟磺酸膜为主流，成本下降空间巨大，国产化进程提速17气体扩散层：是关键材料中降本较简单的环节，已

6、踏出国产化第一步19双极板：广泛采用无孔石墨板，材料的不断优化提供降本可能性22空气供应系统：现阶段降本突破口，长期看成本有 60%的下降空间25车载空压机：降本主要来自于批量生产和国产化加速25车载储氢瓶：储氢技术是氢能应用走向规模化的关键，批量化生产凸显储氢系统降本空间26相关公司收入及股票估值30图表目录图表 1：我国燃料电池车（FCV）各环节降本路线：规模化量产后成本将降低60%4图表 2：不同类型的燃料电池及其参数和应用情况比较5图表 3：不同种类燃料电池按件数统计6图表 4：不同种类燃料电池以瓦数计(MW)6图表 5：世界主要公司燃料电池车车型7图表 6：燃料电池全生命周期成本分解

7、8图表 7：不同制氢方式和运氢方式配合所得到的氢气成本范围9图表 8：燃料电池系统成本变化9图表 9：燃料电池系统组成10图表 10：燃料电池车成本结构示意图（包含燃料电池系统成本结构、燃料电堆成本结构细分）11图表 11：国外燃料电池系统成本目标及现状（分类别）11图表 12：国外燃料电堆耐久性目标及现状（分类别）11图表 13：DOE 对燃料电堆耐久性设置的目标12图表 14：燃料电池技术目标与现状12图表 15：燃料电池关键材料及零部件国外现状与中国现状对比13图表 16：PEMFC 电堆组成14敬请参阅最后一页特别声明- 2 -万份行业报告免费下载，尽在www.tenlearning.

8、cn,微信公众号：learningme行业深度研究图表 17：膜电极目标与现状对比14图表 18：膜电极发展历程15图表 19：3M 公司有序化膜电极及 NSTF 催化层形貌15图表 20：膜电极制备技术未来的主要方向15图表 21：电催化剂主要研究方向16图表 22：Pd Pt 核壳催化剂质量比活性与稳定性与商业化催化剂比较16图表 23：各类质子交换膜优缺点17图表 24：各种全氟磺酸树脂膜结构及基本参数18图表 25：东岳集团 PFSA 制备流程18图表 26：国产膜与进口商品膜燃料电池性能比较18图表 27：国内杜邦 Nafion 膜零售售价情况19图表 28：电子科大开发的电泳平台1

9、9图表 29：炭纸表面形貌19图表 30：炭布19图表 31：不同种类扩散层的性能指标20图表 32：中外炭纸基本性能参数对比20图表 33：不同炭纸对原材料的需求20图表 34：单位炭纸对应原材料价格计算20图表 35：湿法制炭纸工艺21图表 36：双极板参数指标22图表 37：不同材料双极板特点分析23图表 38：国外金属双极板电堆与国内碳板电堆成本结构对比23图表 39：美国 SHF 石墨双极板24图表 40：德国 Dana 金属双极板24图表 41：国产空压机研究进展25图表 42：主要压缩机供应商26图表 43：空压机成本降低取决于产量和技术突破26图表 44：三种储氢方式27图表

10、45：70Mpa 储氢瓶图示27图表 46：1992 年美国颁布的标准将气瓶按照结构和材料的不同划分为 4 种类型27图表 47：不同车用高压氢气瓶存储 5kg 氢气的重量27图表 48：70Mpa 储氢瓶技术主要掌握在美国和日本厂商手中28图表 49：储氢瓶成本组成29图表 50：储氢瓶成本降低来自于原材料、系统集成和批量生产（美国数据）29图表 51：A 股相关标的及估值30图表 52：海外公司收入及估值30敬请参阅最后一页特别声明- 3 -万份行业报告免费下载，尽在,微信公众号：learningme行业深度研究综述：材料工艺进步+规模化效应驱动燃料电池

11、车降本，规模量产后 将降 60%n 关键材料和部件的成本和耐久性是燃料电池实现商业化的基础。综合分析 燃料电池车（FCV）各个环节，我们认为：n （1）整体来看，现阶段（FCV 规模1 万辆）降本空间最大的是空气供应系统，成本降幅可达到 50%；长期来看（FCV 规模1 万辆），主要结合材料、工艺进步以及技术路线的选择来降低电堆系统的成本，降幅可达到 70%以上，从而降低燃料电池整车成本。n （2）具体到各个环节来看，气体扩散层、空压机、储氢瓶、电机电控系统和其他常用零部件（管路、连接部件等）降本主要由规模化效应驱动；而质子交换膜、催化剂、双极板和其他较为关键的零部件（氢气电池阀等） 降本则需

12、技术和材料工艺的进步加以推进。图表 1：我国燃料电池车（FCV）各环节降本路线：规模化量产后成本将降低 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敬请参阅最后一页特别声明- 4 -万份行业报告免费下载，尽在,微信公众号：learningme行业深度研究关键材料和部件的成本和耐久性是燃料电池实现商业化的基础质子交换膜燃料电池具有多种性能优势，占据市场主导地位n 燃料电池是把燃料中的化学能通过电化学反应直接转换为电能的高效发电装置。常用的燃料电池按其电解质不同，可以分为质子交换膜燃料电池（ PEMFC ）、固体氧化物燃料电池（ S

13、OFC ）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、磷酸燃料电池（PAFC）和碱性燃料电池（AFC）等。其中质 子交换膜燃料电池操作温度低、启动速度快，是一种环保、高效与高功率 密度的发电方式，特别是在零排放交通动力应用方面具有及其诱人的前景。图表 2：不同类型的燃料电池及其参数和应用情况比较类型碱性燃料电池质子交换膜燃料电池磷酸型燃料电池熔融碳酸盐燃料电池固体氧化物燃料电池英文简称AFCPEMFCPAFCMCFCSOFC电解质氢氧化钾溶液含氟质子交换膜磷酸碳酸钾固体氧化物燃料纯氢氢、甲醇、天然气天然气、氢天然气、煤气、沼气天然气、煤气、沼气氧化剂纯氧空气空气空气空气效率60%-90%43%-58%3

14、7%-42%50%-50%-65%使用温度60-12080-100160-220600-1000600-1000优点效率高；工作温度低；可在室温利用廉价的炭材料为燃料适应性广；燃料适应性广；可以用非铂催化剂；下快速启动；骨架；使用非贵金属催化采用非贵金属作为催可以采用双镍板做双可使用氢气、天然气/甲除以氢气为燃料外，剂；化剂；高品位余热可极板；成本低。醇重整气作燃料，空气有可能直接利用甲高品位余热可用于热用于热电联供；做氧化剂；醇、天然气、城市煤电联供。固体电解质；较高的运行安静、污染排放低；气等低廉燃料；不需要 CO2 处理设功率密度功率密度高、机动性备。好。缺点必须使用纯的 H2 和催化剂

15、铂昂贵；电催化剂必须采用贵CO2 必须再循环；材料在高温下运行会O2；需周期性地更聚合物膜和辅助组件昂金属；熔融碳酸盐电解质具产生一系列问题；换 KOH 电解质；贵；催化剂易中毒。有腐蚀性；密封问题；必须从阳极及时除经常需要水管理；/寿命问题；材电池部件制造成本水；CO 和 S 容许度非常料昂贵。高。电解质易 CO2 中差。毒。应用情况应用于宇宙飞船等领域应用广泛、发展迅速有可能用于大型发电厂有可能用于大型发电厂发展迅速、可用于FCEV来源：国金证券研究所n 从件数角度来分析各类燃料电池的出货量，质子交换膜电池（PEMFC）仍占据统治性地位，从这一点上可以看出，质子交换膜技术广泛适用于各个领域

16、，包括交通、备电和移动领域；相对而言，其他种类的燃料电池技术更倾向于专注于单一领域的使用，例如：MCFC 和 PAFC 适用于固定式燃料电池电站、家用热电联产；SOFC 使用于固定式和便携式电源；甲醇重整燃料电池（DMFC）多用于移动设备、小型交通工具和小型备用电源设施。n 以瓦数统计各类燃料电池的出货量，我们发现 PEMFC 电池出货量从 2014 年的 60-70MW 上升到了 2015 年的 180MW，且超过了其他几种燃料电池的总和。敬请参阅最后一页特别声明- 5 -万份行业报告免费下载，尽在,微信公众号：learningme行业深度研究 2015

17、年以来 PEMFC 出货量（以瓦数计）的暴增一方面得益于丰田（功率 114kw）和现代（功率 110kw）等燃料电池车的产量增长；另一方面是因为日本和欧洲等地的小型热电联产项目持续增加，在这方面，日本和加拿大的企业占据主要市场。图表 3：不同种类燃料电池按件数统计图表 4：不同种类燃料电池以瓦数计(MW)来源：E4tech,国金证券研究所来源：E4tech,国金证券研究所n 结合各方面来看，质子交换膜燃料电池在市场中占据主导地位。因此，我们后文对于成本方面的分析也主要基于质子交换膜燃料电池（PEMFC）进行展开：新一轮 FCV 商业化浪潮正在迫近，关键在于其成本和耐久性n 车用燃料电池在世界各

18、国的不断研发下，在能量效率、功率密度与比功率、低温启动等功能特性方面取得了突破性的进展，新一轮的燃料电池车产业 化浪潮正在迫近。 商业化方面：（1）欧美的燃料电池汽车研究和产业化都是在各大汽车 公司的主导下进行的：GM 新一代 Hydrogen 4 预计将于今年年末上市； VW 现阶段的战略重点是 PHEV，注重技术储备，已经有数款 PHEV 车型问世，未来将会分别推出奥迪 A7、帕萨特和高尔夫三款 FC 车型； 福特和奔驰都计划 2017 年实现商业化。（2）日韩政府及产业界对燃料电池未来期望较高，企业掌握领先技术：TOYOTA 是当之无愧的电动汽车领头羊，计划 2020 年燃料电池车达到

19、700 台/年的销量；HONDA 在今年上市，开始实现商业化，燃料电池技术与 GM 共同研发；尼桑新一代燃料电池汽车在 2015 年底上市。 能量效率方面：Hyundai-Kia 开发的燃料电池发动机能量效率在 25%额定功率（DC 输出电能与输入氢燃料LHV 的比值）； 功率密度与比功率方面：PEMFC 模块的功率密度大幅提升，日本丰田Sedan 燃料电池汽车用 PEMF 模块的功率密度达到 3kw/L；英国Intelligent Energy 的新一代 EC200-192 模块的功率密度达到 5kw/L； 日产 2011modelPEMFC 模块比功率达到 2kw/kg； 低温启动方面：丰

20、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。敬请参阅最后一页特别声明- 6 -万份行业报告免费下载，尽在,微信公众号：learningme行业深度研究图表 5：世界主要公司燃料电池车车型来源：国金证券研究所n 然而，无论是车用燃料电池，还是备用电源燃料电池，关键材料和部件的 成本和耐久性都是目前存在的瓶颈，也是燃料电池实现商业化的基础。根 据 美 国 能 源 部 （ DOE ） 2016 年 发 布 的 Multi-Year Research, Development, and Demonstration Plan，为了实现商业化目标，燃

21、料电池系统需满足以下要求： 功率密度：2020 年达到 650W/L，长期达到 850W/L； 耐久性：2020 年达到 5000h，长期目标 8000h； 规模生产成本：2020 年达到 40 USD/kW，长期达到 30 USD/kW；敬请参阅最后一页特别声明- 7 -万份行业报告免费下载，尽在,微信公众号：learningme行业深度研究图表 6：燃料电池全生命周期成本分解来源：国金证券研究所n 燃料电池车的商业化最终取决于购置成本和使用成本；其中，购置成本的降低主要有几条途径：（1）开发新材料；（2）制备工艺的集成创新；（3） 推进关键零部件和材料国

22、产化进程；（4）加速商业化进程实现规模效应等；降低使用成本的途径主要包括：（1）降低燃料成本（制氢、氢气储运）；（2）加氢站的布局和运营的合理化；（3）提高燃料电池耐久性（即使用寿命） 等。 使用成本中涉及到氢气上游产业链的部分，我们在之前的燃料电池产业链系列报告 13 中曾对于制氢成本、储运成本和加氢站建设运营进行过系统的分析和研究，我们认为：气氢拖车+氯碱副产氢是目前的最优选择，成本和环保方面都已经成熟；未来液氢罐车+大规模工业制氢将是解决燃料电池普及之后的能源需求。相对于产业链的其他环节，加氢站投资规模不算大，对应单车基础投资约为 5 万元/车（考虑加氢站补贴的情况）。敬请参阅最后一页特

23、别声明- 8 -万份行业报告免费下载，尽在,微信公众号：learningme行业深度研究图表 7：不同制氢方式和运氢方式配合所得到的氢气成本范围注：T:气氢拖车；P：管道输氢；L：液氢储运来源：国金证券研究所n 在对目前氢气上游产业链进行分析和研究后，我们认为氢气来源和加氢站 的建设运营的商业化进程正在逐步提速、成本经济性也逐渐合理化，因此， 本篇报告将聚焦于燃料电池车的购置成本降低路线和燃料电池的耐久性问 题（以 PEMFCV 质子交换膜燃料电池汽车为例）。n 燃料电池车的购置成本主要取决于燃料电池系统成本，包括燃料电堆成本 和系统主要部件成本。燃料电池系

24、统成本约占燃料电池车成本的 64%，其中，燃料电堆的成本约占整个燃料电池系统成本的 47%。 美国能源部（DOE）氢和燃料电池项目对每年氢燃料电池 系统的成本进行了测算，以 80kw 的质子交换膜电池为样本，以大规模生产（50 万个/年）为测算条件。结果表明，氢燃料电池系统成本已经从 2006 年的 124 美元/kw 降至 2015 年的 53 美元/kw（下降近 60%）。 DOE 认为质子交换膜燃料电池系统成本有望于 2020 年降至 40 美元/kw，最终目标是实现 30 美元/kw。图表 8：燃料电池系统成本变化15010050美元/kw45403002006200820102012

25、20142016最终目标来源：DOE，国金证券研究所敬请参阅最后一页特别声明- 9 -万份行业报告免费下载，尽在,微信公众号：learningme行业深度研究n 燃料电池动力系统中，包括燃料电池电堆、氢气系统和其他零部件。其中燃料电池电堆中的核心材料又分为膜电极（MEA）、双极板及其他部件。膜电极是电化学反应的核心部件，由电催化剂、质子交换膜、气体扩散层组成。 电催化剂(catalyst)的作用是降低反应的活化能，促进氢、氧在电极上的氧化还原过程、提高反应速率。目前主要研究方向包括 Pt-M 催化剂、Pt 核-壳催化剂、Pt 单原子层催化剂和非贵金属催化剂。

26、 质子交换膜（proton exchange membrane,PEM）是一种固态电解质膜，其作用是隔离燃料与氧化剂、传递质子（H+）。 气体扩散层（GDL）位于流场和催化层之间，其作用是支撑催化层、稳定电机结构，并具有质/热/电的传递功能。 双极板(bipolar plate, BP)的作用是传导电子、分配反应气并带走生成水，从功能上要求双极板材料是电与热的良导体、具有一定的强度以及气体致密性等。图表 9：燃料电池系统组成来源：国金证券研究所n 燃料电池工作方式与内燃机相类似，除了燃料电池电堆之外，还包括燃料供应子系统、氧化剂供应子系统、水热管理子系统及监控子系统等。 车载空压机是车用燃料电

27、池重要部件之一，其作用是提供燃料电池发电所需要的氧化剂（空气中的氧气），要求空压机能够提供最高功率所需要的空气。如果按照空气化学计量比 2.0 计算，100kw 的燃料电池系统大约需要 300Nm3/h 的空气。 增湿器是燃料电池发电系统的另一重要部件，这是因为质子交换膜传导质子需要有水的环境，反应气通过增湿器把燃料电池反应所需的水带入燃料电池内。 氢气回流泵的作用是是燃料电池发电系统氢气回路上把未反应氢气从燃料电池出口直接泵回燃料电池入口，与入口反应气汇合后进入燃料电池。 氢瓶在燃料电池汽车上相当于传统汽车的油箱。为了达到一定的续驶里程，目前国内外开发的燃料电池汽车大多采用 70Mpa 高压

28、气态储氢技术，其中高压氢瓶是关键技术。敬请参阅最后一页特别声明- 10 -万份行业报告免费下载，尽在,微信公众号：learningme行业深度研究图表 10：燃料电池车成本结构示意图（包含燃料电池系统成本结构、燃料电堆成本结构细分）来源：DOE，国金证券研究所图表 11：国外燃料电池系统成本目标及现状（分类别）图表 12：国外燃料电堆耐久性目标及现状（分类别） 静态电站燃料电池系统成本叉车用燃料电池系统成本巴士用燃料电池系统成本轿车用燃料电池系统成本静态电站耐久性叉车电堆耐久性巴士电堆耐久性轿车电堆耐久性020000400006000005000$/kw小时

29、目标现状目标现状来源：国金证券研究所来源：国金证券研究所n 另一方面，燃料电池的耐久性问题涉及面广，挑战大，是目前燃料电池汽车产业化的棘手问题。通过研究燃料电池汽车的示范运营情况，业内普遍认为燃料电池汽车的关键材料和部件的劣化模式主要有四种：（1）频繁的启停引起的高电位造成催化剂碳载体的腐蚀；（2）反复加减速引起的电位循环造成的催化剂铂颗粒粗大化；（3）低负荷运行导致质子交换膜分解；（4）低温循环所伴随的胀缩造成膜电极机械损伤。敬请参阅最后一页特别声明- 11 -万份行业报告免费下载，尽在,微信公众号：learningme行业深度研究图表 13：DOE 对燃

30、料电堆耐久性设置的目标耐久性目标电堆寿命5000 小时，10 年电堆启停循环次数3 万次电堆工作（0.6-0.95V）循环寿命3000005000 小时后性能衰减10%5000 小时后催化剂（MEA）ECA 衰减40%5000 小时后催化剂（MEA）电压衰减30 mV催化剂支撑（MEA）启停衰减1 mV圈自主低温启停温度-40C膜 H2、O2 穿透电流密度（100kPa，80C）2 mAcm2来源：DOE，国金证券研究所图表 14：燃料电池技术目标与现状n 中国制造 2025目标：2020 年达到 DOE 的以上性能要求，2025 年开始量产。原文中提到，“2020 年，燃料电池堆寿命达到 5

31、000 小时，功率密度超过 2.5 千瓦/升，整车耐久性到达 15 万公里，续驶里程 500 公里，加氢时间 3 分钟，冷启动温度低于-30；2025 年，燃料电池堆系统可靠性和经济性大幅提高，和传统汽车、电动汽车相比具有一定的市场竞争力， 实现批量生产和市场化推广。”燃料电池系统比功率（W/kg)659650650N/A技术指标2015 年国际现状DOE2020 年目标DOE 长期目标中国制造 2025目标功率密度（W/L)640650850N/A年产 50 万套成本寿命（小时）500050008000N/A（$/kw)无协助冷启动温度燃料电池电堆（）534030N/A-30-30-30-3

32、0功率比功率（W/kg）2000（日产）20002000N/A电堆功率密度（W/L)3100（丰田）225025002500年产 50 万套成本耐久性（小时）3900500080005000（$/kw)262015N/A来源：Multi-Year Research, Development, and Demonstration Plan，国金证券研究所敬请参阅最后一页特别声明- 12 -万份行业报告免费下载，尽在,微信公众号：learningme行业深度研究图表 15：燃料电池关键材料及零部件国外现状与中国现状对比国外现状与水平中国现状与水平 铂族金属载量

33、:0.06 g/kW, 0.035 mg/cm2 铂族金属载量 : 0.3 g/kW, 0.16 mg/cm2催化剂质子交换膜 Pt 质量比活性 : 0.76 A/mg,(900 mV) Pt 质量比活性 ：0.27 A/mg，(900 mV) 3 万次循环伏安后活性衰减 :5% 3000 次循环伏安后活性衰减: 86 % 催化剂大规模生产:3M,JM,BASF,Tanaka,Umicore 等 催化剂小规模生产：大化所 从均质膜到向复合膜发展已开发成功复合膜,但尚未量产：新源动力，武汉理工 , 山东东岳 国外巨头:美国 Dupont,WL Gore,3M,比利时 Solvay等碳纸 / 碳布

34、已形成流水生产线:SGL，Tora，Ballard 等有试生产（中南大学） 额定功率性能:1.8W/cm2 最高功率密度 : 800 mW/cm2 ; 电流密度:2.53.0A/cm2 电流密度:1.5A/cm2膜电极 动态工况寿命: 44000h 动态工况寿命:3000h 成本:16 USD/kW 成本:20005000 元/kW 流水线生产能力:WL Gore，3M,Ballard 等 制造工艺以湿法 CCM 工艺为主,除武汉理工新能源与大连新源动力以外,主要是半手工生产 腐蚀电流:0.58 S/cm 金属板未成熟量产 中国科学院大连化学物理 研究所、新源动力股份双极板 抗弯强度(碳板):

35、34MPa、上海交通大学、武汉理工大 学等单位已成功开发了金属双极板技术。 成本：3 USD/kW 以石墨碳板为主 成熟的产品供应商：Cellimpact，德国 SGL， DANA，英国 Bac2，美国 Graftech 等密封剂专门的燃料电池密封胶生产商:德国汉高,日本三健无专门产品,缺乏研究 体积功率密度: 3.0kW/L 体积功率密度 : 2.7 kW/L 质量功率密度: 2.5kW/kg 质量功率密度 : 2.2 kW/kg 25% 额定功率下的效率: 65% 25% 额定功率下的效率: 50%电堆整体性能 客车车载工况寿命: 1.2 万 h 轿车车载工况寿命:2000h 轿车车载工况

36、寿命: 2500 h 客车车载工况寿命:约 3000h 成本 ：60 USD/kW 成本:0.51.0 万元/kW来源：DOE, 汽车安全与节能学报，公开资料整理，国金证券研究所敬请参阅最后一页特别声明- 13 -万份行业报告免费下载，尽在,微信公众号：learningme行业深度研究膜电极组件是燃料电池的核心部件，降本需结合技术进步图表 16：PEMFC 电堆组成来源：同济大学，国金证券研究所n 膜电极组件( Membrane Electrode Assembly，MEA) 是电化学反应的核心部件，主要由质子交换膜、催化剂层和气体扩散层组成。电解质隔膜两侧

37、分别发生氢氧化反应与氧还原反应，电子通过外电路做功，反应产物为水。膜电极组件直接影响到燃料电池的成本，燃料电池大量使用贵金属铂作为催化剂的活性成分， 成为燃料电池成本居高不下的重要因素。 根据DOE 的测算，在大规模生产（50 万台/年）的情况下，MEA 占质子交换膜电池（PEMFC）成本的 60%。图表 17：膜电极目标与现状对比Q/T成本耐久性performance0.8VPGM 含量PGM 总载荷现状与目标（kW/）（美元/kW)（h*kW)500010% V(mW/c ）（g/kW)（mg/c ）2020 年1.457loss10000.1250.1252015 年 1 月1.4516

38、进展中8610.1370.118300005% V2016 年 10 月1.455来源：DOE,科技，国金证券研究所loss8610.1370.035n 技术方面，膜电极技术经历了几代革新，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。膜电极的材料、结构及操作条件等决定着其电化学性能。膜电极结构的有序化使得电子、质子气体传质高效通畅，对提高发电性能和降低 PGM 的载量提供了新的解决方案。有序化膜电极是下一代膜电极制备技术的主攻方向。 3M 公司基于 Pt 基于薄膜的有序化膜电极是目前唯一可以量产的有序化膜电极，目前，该膜电极在质子

39、交换膜和气体扩散层的匹配上、Pt 基合金的配方上都有了新进展。 3M 的膜电极性能达到了 861mW/cm20.692V ， PGV 载量为0.118mg/c ，成本降至 5 美元/kw。目前，该膜电极的铂载量、成本及 Q/T 值方面已经达到美国DOE2020 年目标。敬请参阅最后一页特别声明- 14 -万份行业报告免费下载，尽在,微信公众号：learningme行业深度研究图表 18：膜电极发展历程来源：科技，国金证券研究所图表19：3M 公司有序化膜电极及 NSTF 催化层形貌图表 20：膜电极制备技术未来的主要方向序号主攻方向1降低 PGM 载量2有序

40、化膜电极对杂质敏感，需开展材料优化和诊断提高3通过材料优化、表征和建模，拓宽膜电极操作范围耐受性4在催化剂层引入快质子导体纳米结构，实现自增湿发5低成本量产工艺开发，降低制作成本电，降低燃料电池系统成本6研究质子交换膜、电催化剂和气体扩散层之间的协同关系，技术集成创新来源：科技，国金证券研究所来源：科技，国金证券研究所催化剂：资源限制使得研究热度高涨，未来降本主要依靠改性和非铂催化剂研究n 电催化剂是燃料电池的关键材料之一，目前燃料电池中常用的商用催化剂是Pt/C，由 Pt 的纳米颗粒分散到碳粉（如 XC-72）载体上的担载型催化剂。n 受到资源和成本方面的限制，目前 Pt 的用量已经由 10

41、 年前的 0.81g/kw降低到目前的 0.30.5g/kw。 根据 DOE 统计，如果以现有技术进行燃料电池汽车商业化，每年车用燃料电池对 Pt 资源的需求高达 1160 吨，远超过全球 Pt 的年产量（2015 年 178 吨）。 降低 Pt 用量的近期目标是到 2020 年，燃料电池电堆的 Pt 用量下降到0.1g/kw 左右；长期目标是催化剂用量达到传统内燃机尾气净化器贵金属用量水平（0.05g/kw）n Pt 催化剂除了受成本与资源制约外，也存在耐久性问题（主要体现在稳定性上）。通过燃料电池衰减机制分析可知，燃料电池在车辆运行工况下，催化剂会发生衰减，如在动电位作用下会发生 Pt 纳

42、米颗粒的团聚、迁移、流敬请参阅最后一页特别声明- 15 -万份行业报告免费下载，尽在,微信公众号：learningme行业深度研究失等。针对这些成本和耐久性问题，研究新型高稳定、高活性的低 Pt 或非Pt 催化剂是目前热点。 许多研究着眼于提高 Pt 基阴极氧还原（Oxygen Reductive Reaction, ORR）催化剂的稳定性、利用率、改进电极结构以降低 Pt 负载量， 降低燃料电池成本。 另一些研究专注于开发寻找完全可以替代铂的、低成本的、资源丰富 的非铂 ORR 催化剂。图表 21：电催化剂主要研究方向定义优点举例通过过渡金属催化剂对 Pt

43、 的电子与Pt-M 催化剂Pt 与过渡金属合金催化剂利用非 Pt 材料为支撑核、几何效应，在提高稳定性的同时，质量比活性也有所提高。同时降低了贵金属的用量，使催化剂的成本大幅降低可降低 Pt 用量，提高质量比活性，如 Pt-Co/C、Pt-Fe/C、Pt-Ni/C 等二元合金催化剂如采用欠电位沉积方法制备的 Pt-Pd-Co/C 单层核壳催化剂总质量比活性是商业催化剂Pt 核壳催化剂表面贵金属为壳的结构是下一代催化剂的发展方向之一Pt/C 的 3 倍，利用脱合金(de-alloyed)方法制备的 Pt-Cu-Co/C 核壳电催化剂，质量比活性可达 Pt/C 的 4 倍。Pt 单原子层催Pt 单

44、原子层的核壳结构催是一种有效降低 Pt 用量、提高 Pt 利化剂化剂用率，同时改善催化剂的 ORR 性能的方式主要包括过渡金属原子簇合采用欠电位沉积方法在金属（Au、Pd、Ir、Ru、Rh 等）或非贵金属表面沉积一层 Cu 原子层，然后置换成致密的 Pt 单原子层如碳载氮协同铁电催化剂 Fe/N/C，在电压不非贵金属催化剂物、过渡金属螯合物、过渡金属氮化物与碳化物降低成本小于 0.9 V 时，与 Pt 载量为 0.4 mg/cm2 的Gore 电极性能相当；新型 Co-Mo-N、Co- Mo-S 氧还原催化剂等来源：科技，国金证券研究所图表 22：Pd Pt 核壳催化剂质量比活性与稳定性与商业

45、化催化剂比较来源：科技，国金证券研究所敬请参阅最后一页特别声明- 16 -万份行业报告免费下载，尽在,微信公众号：learningme行业深度研究n 燃料电池催化剂的主要生产商为美国的 3M 公司、Gore；英国的 Johnson Matthery；德国的 BASF；日本的 Tanaka；比利时的 Umicore 等。国内的大连化物所也具备小规模的生产能力。质子交换膜：全氟磺酸膜为主流，成本下降空间巨大，国产化进程提速n 质子交换膜（MEA）是燃料电池电解质和电极活性物质（催化剂）的基地， 厚度仅为 50180um，其主要功能是在一定的温度和湿度条件下，具有

46、选择 透过性，即只容许 H 离子（质子）透过，而不容许 H2 分子及其它离子透过。同时具有适度的含水率，对氧化、还原和水解反应具有稳定性，质 子交换膜具有足够高的机械强度和结构强度，以及膜表面适合与催化剂结 合等性能； 质子交换膜作为 PEMFC 的核心元件，从材料的角度来说，对其基本要求包括：（1）电导率高（高选择性地离子导电而非电子导电）；（2）化学稳定性好(耐酸碱和抗氧化还原的能力) ；（3）热稳定性好；（4） 良好的机械性能（如强度和柔韧性）；（5）反应气体的透气率低；（6）水的电渗系数小；（7）作为反应介质要有利于电极反应；（8）价格低 廉。图表 23：各类质子交换膜优缺点质子交换膜

47、类型优点缺点机械强度高、化学稳定性好，在湿度大的条高温时膜易发生化学降全氟磺酸膜件下导电率高；低温时电流密度大，质子传解，质子传导性变差； 导电阻小单体合成困难，成本高部分氟化聚合物膜工作效率高；单体电池寿命提高；成本低氧溶解度低新型非氟聚合物膜电化学性能与 Nafion 相似；环境污染小； 成本低化学稳定性差；很难同时满足高质子传导性和良好的机械性能复合膜可改善全氟磺酸膜导电率低及阻醇性差等缺点，赋予特殊功能制备工艺有待完善来源：化学进展，国金证券研究所n 目前常用的商业化质子交换膜是全氟磺酸膜。生产全氟磺酸膜的主要国家包括美国、日本、加拿大和中国，美国杜邦（Dupont）的 Nafion

48、膜、陶氏化学（ Dow Chemical ） 的 Xus-B204 膜、3M 的膜； 日本的旭硝子F l emi on 、旭化成 Aciplex 膜；加拿 allard 公司 BAM 膜；国内东岳集团DF988、DF2801 质子交换膜和新源动力、武汉理工的复合膜等。 山东东岳集团长期致力于全氟离子交换树脂和含氟功能材料的研发， 建成了年产 50 吨的全氟磺酸树脂生产装置、年产 10 万 m2 的氯碱离子膜工程装置和燃料电池质子交换膜连续化十堰装置，批量生产线还有待于进一步建设。敬请参阅最后一页特别声明- 17 -万份行业报告免费下载，尽在,微信公众号：le

49、arningme行业深度研究图表 24：各种全氟磺酸树脂膜结构及基本参数生产商E.W 值厚度（m）杜邦(Nafion)1100-120025-250旭硝子（Flemion)100050-120旭化成（Aciplex)1000-120025-1000Dow800125东岳集团800-120050-150来源：膜科学与技术，国金证券研究所图表25：东岳集团PFSA 制备流程图表 26：国产膜与进口商品膜燃料电池性能比较来源：东岳集团，国金证券研究所来源：国金证券研究所n 质子交换膜的逐渐趋于薄型化，由几十微米降低到十几微米，降低质子传 递的欧姆极化，以达到更高的性能；为了提高耐久性，目前研发了一系

50、列 强复合膜。复合膜是由均质膜改性而来的，利用均质膜的树脂与有机或无机物复合使其比均质膜在某些功能方面得到强化，典型的包括：（1）提高机械性能的复合膜；（2）提高化学稳定性的复合膜；（3）具有增湿功能的复合膜 如美国 Gore 公司的 Gore-select 复合膜、大连化物所的 Nafion/PTFE复合增强膜和碳纳米管增强复合膜等。n 随着燃料电池批量化生产及技术工艺的不断优化，质子交换膜存在较大的 降本空间。根据 DOE 数据显示，80kw 的燃料电池需要 11.8 平米的质子交换膜，目前国内企业主要向美国杜邦公司采购，每平米质子交换膜成本约为 400 美金以上，对应质子交换膜总成本为 4720 美元（单位成本 59 美元/kw）。按照 Mirai 燃料电池车折合美元售价 5.75 万美元来计算，目前质子 交换膜成本占整车成本为 8.2%。要达到 DOE 对大规模生产（50 万台/年） 的成本要求，质子交换膜成本将占整车成本 3%，对应成本为 1.9 美元/kw， 说明质子交换膜在大规模生产后，将由于规模效应使得成本较快下降。 国产化进程加速：电子科大教授何伟东及其团队在实验室中研发出的质子交换膜能够与杜邦公司的产品抗衡（质子传导率是 Nafion-117 的1.7