燃料电池电堆深度研究：燃料电池之芯，市场空间广阔

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报告综述：

技术自主研发和海外引进并举

• 在燃料电池产业链中，电堆是处于中游核心环节。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、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。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，目前国内电堆厂商路线主要有两类，自主研发和引进国外成熟电堆技术。

国内外技术仍存在一定差距

• 国内企业同海外企业相比最主要的差距体现在产业化应用层面。国内能够独立自主开发电堆并经过多年实际应用考验的只有大连新源动力和上 海神力两家企业。从各个材料环节来看，国产膜电极性能与国际水平接近， 但专业特性上与国际水平还有一定差距，武汉理工新能源有限公司已实现 了商业化生产并出口美国。中国新型催化剂其中一部分在性能和稳定性上 已经超过商业催化剂，但尚未实现量产制备。质子交换膜国内具备量产能 力但批量生产线还有待进一步建设。气体扩散层和双极板国内技术条件相 对成熟，需提高规模化生产能力。

降本后电堆行业发展广阔

• 电堆是燃料电池的电能来源，也是燃料电池中最为关键的部分，成本占比高达 62%。从现有的技术与市场出发，未来燃料电池成本的降低可以 从两个方面入手:一是技术进步和制造工艺提升;二是规模化效应降低摊 销成本。原材料价格昂贵或工艺不完善的部件，例如催化剂、质子交换膜、 双极板等可以通过优化制造材料改进制备工艺的方式降低成本，现有技术 已经较完善的部件可通过规模化生产的效应有效降低生产成本。

电堆在政策刺激下即将赢来快速发展

• 虽然国内燃料电池电堆技术水平不如国外,但在一系列新能源政策的刺激下,已经有了长足的发展。从发展的路径来看,其一是通过控股外国著名 企业来引进技术，如潍柴动力控股加拿大巴拉德，成立潍柴巴拉德合资公 司引进技术。其次是通过自己的独立研发，如上汽集团，专门成立上汽大 通全资子公司，自主掌握的“电池+电机+电控”三电核心技术。另外，又 如洲际油气，主营业务是石油服务，但是通过参股世能氢电，成为其大股 东来进军燃料电池产业。

报告内容：

1、自主研发和海外引进双轮驱动

1.1 燃料电池产业链的关键——电堆

在燃料电池产业链中，电堆是处于中游核心环节。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。

电堆是燃料电池最关键部件，由多个单体电池以串联方式层叠组合构成。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。组成电堆的单体电池主要由双极板和膜电极组成。膜电极包 含了质子交换膜、催化剂和气体扩散层。

863 计划推动燃料电池电堆体系建立。我国早在2001 年就通过国家科技部863 电动汽车重大专项设立 课题，以在燃料电池、燃料电池发动机以及整车系统方面形成一套拥有自主知识产权的核心技术。经过863 计划，我国初步掌握了燃料电池关键材料、部件及电堆的部分关键技术，基本建立了具有自主知识产权的车用燃料电池技术平台。

国家“新能源汽车”重点专项实现电堆技术难题突破。2016 年，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。2018 年，中国科学院大连化学物理研究所 在经过寿命测试和整车应用验证后，研发的HYMOD-300 型车用燃料电池模块成为中国首例自主研发，耐 久性超越5000 小时的燃料电池产品。此次研发的HYMOD-300 型燃料电池电堆模块突破了多项技术难 关，产品实现了电堆在-10°C环境下的低温启动，以及在-40°C下的储存。

1.2 国内企业自主研发和海外引进并举

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，产能量级快速提升。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。

新源动力涵盖了燃料电池质子交换膜等各个环节，技术水平国内领先。新源动力在国内率先实现了燃料电池实验室科研成果向现实生产力的转化，燃料电池中试基地，生产、测试装备齐全，已实现燃料电池 关键材料及关键部件、电堆组装的小批量生产。新源动力江苏子公司将建成可年产 5500KW 燃料电池堆用 关键部件的批量生产线，成为我国第一个燃料电池材料及部件的产业化生产基地。上海子公司将成为新源 动力的系统集成、总成生产与技术服务中心。第十五届东京燃料电池展览会上，中国燃料电池厂商新源动 力全球首次发布最新一代燃料电池电堆模块 HYMOD®-70。新产品系新源动力研发的第三代金属双极板质 子交换膜燃料电池，单堆功率 85kW，电堆体积功率密度突破 3.3kW/L，具备良好的低温适应性，可在-30 °C 启动/-40°C存储，适用于乘用车和商用车，已获多家主机厂小批量订单。

上海神力科技有限公司是国家科技部重点培育、上海市政府重点支持的民营新能源高科技企业。公司 承担并完成国家“九·五”重点攻关计划、“十·五”863 及“十一·五”863 重大攻关计划燃料电池发动 机课题，拥有完全自主知识产权的燃料电池技术。公司自主开发的 C290-30 燃料电池模块通过国家强制检测认证，达到国内领先水平。

广东国鸿氢能科技有限公司是在广东省委、省政府大力支持下和佛山、云浮两市政府直接领导下，于2015 年 6 月成立的一家以氢燃料电池为核心产品的高科技企业，是国内最早介入燃料电池新能源汽车开发 的企业。2017年 6 月 30 日广东国鸿氢能科技有限公司在广东云浮市建成投产了全球最大的商用燃料电池 9SSL 电堆生产线，并成功调试出全球首条燃料电池电堆全自动生产线。2017年全年生产了9SSL电堆 2000 多个，每个电堆功率 15KW，采用石墨柔性双极板。截至目前，公司已成为国内燃料电池领域的龙头企业。 公司主要产品9SSL燃料电池电堆和 HD85、MD30、MP30 车用燃料电池模块，市场主要集中在国内，目 前公司的海外市场正在规划当中。

公司与加拿大巴拉德动力有限公司以及上海重塑能源科技有限公司合作成立合资控股公司，建成投产全球最大规模的商用燃料电池电堆生产线和燃料电池动力系统集成生产线，年产电堆可达2 万台，动力系 统5000 套。公司在引进、消化和吸收加拿大巴拉德公司的电堆生产线技术和电堆组装技术后，对产品进行 了二次创新，首先是在保证电堆品质的条件下将电堆零部件逐步替换为国产零部件，其次是在掌握引进技 术的基础上开发了拥有自主知识产权的新一代燃料电池电堆，同时公司正在研发高比功率的燃料电池电堆。 目前公司已申请专利43 项，拥有授权专利9 项。

2、海内外电堆发展现状

2.1 海外电堆发展模式存一定差异

日韩车企多自主研发电堆，欧美车企同电堆企业合作。目前来看，日韩和欧美的整车厂采用不同的电 堆策略。日韩厂商大多自行开发电堆，并不对外开放，例如丰田、本田、现代等。欧美厂商很多采用合作 伙伴电堆来开发发动机，例如奥迪(采用加拿大巴拉德定制开发的电堆)和奔驰(采用奔驰与福田的合资 公司 AFCC 的电堆)。

Ballard 和 Hydrogenics 电堆产品已经过长期运营验证。目前国外可以单独供应车用燃料电池电堆的 知名企业主要有加拿大的Ballard和 Hydrogenics。欧洲和美国正在运营的燃料电池公交车绝大多数采用这 两家公司的石墨板电堆产品，已经经过了数千万公里、数百万小时的实车运营考验，这两家加拿大电堆企 业都已经具备了一定产能，Ballard还与广东国鸿设立了合资企业生产 9SSL 电堆。

2.2 石墨板较为成熟，金属板有待发展

石墨电堆目前主要用于商用车，金属板电堆有望在乘用车领域获得突破。双极板是电堆的核心结构零 部件，起到均匀分配气体、排水、导热、导电的作用，占整个燃料电池 60%的重量和 20%的成本，其性能 优劣直接影响电池的输出功率和使用寿命。双极板材料目前主要是石墨双极板和金属双极板。目前石墨电 极板技术相对成熟，在市场上占据了主要的份额。

石墨双极板耐腐蚀性强、导电导热性好，但气密性欠佳、成本较高、加工时间长于金属双极板。得益 于国家政策发展风向，在国内现已被大规模应用。石墨双极板在技术层面及商业化层面都相对成熟，但如 若继续采用机械加工的方式，石墨双极板的成本费用实难降低，不易实现大批量生产。若要降低成本，可 从石墨材料进行优化，开发出性能更优、成本更低、可供模压成型的碳基材料。

金属双极板功率高、成本低、耐抗压，但抗腐蚀性差，成型工艺困难。金属双极板具有优异的导电、 导热性能、机械加工性、致密性，以及强度高、阻气性好等优势，可以为汽车应用提供良好的动力密度、 低温(-40°C)启动保障，适合大批量低成本生产。考虑到车辆空间限制问题，金属双极板未来有望在乘用 车实现大规模应用。

石墨双极板国内具备量产能力，金属双极板国内尚处于试制阶段。石墨基双极板的主流供应商有美国POCO、美国 SHF 等。石墨双极板已实现国产化，国产厂商主要有上海神力、上海弘枫等公司。上海弘枫

产品已经实现出口海外。目前国外金属双极板主要供应商有瑞典Cellimpact、德国 Dana、德国 Grabener、 美国 treadstone 等。国内还处于研发试制阶段，上海佑戈、上海治臻新能源、新源动力等企业研制出车用 燃料电池金属双极板，并尝试在电堆和整车中实际应用。上海治臻新能源装备有限公司依托于上海交通大 学的技术力量，已经攻克了双极板成型、焊接、涂层三道技术难关，可以实现双极板国产化、批量化生产， 设计年产量可达 50万副，至少可供 1500 辆以上 FCV 使用。

2.3 膜电极具备一定国产能力

膜电极是电堆的核心。膜电极组件由质子交换膜、催化剂和气体扩散层(气体扩散层)组成。国外膜 电极的供应商主要有 3M、Johnson Matthey、Gored 等。丰田、本田等乘用车企业自主开发了膜电极，但不 对外销售。国产膜电极性能与国际水平接近，但在铂载量、启停、冷启动、抗反极等方面与国际水平还有 一定差距，目前武汉理工新能源有限公司已实现了商业化生产，产能已经达到 5000 平米，大连新源也自主 生产膜电极，主要是自用为上汽的发动机配套。

2.4 全氟磺酸膜是主流交换膜

从膜的结构来看，PEM 大致可分为三大类:磺化聚合物膜，复合膜，无机酸掺杂膜。目前研究的PEM材料主要是磺化聚合物电解质，按照聚合物的含氟量可分为全氟磺酸质子交换膜、部分氟化质子交换膜以 及非氟质子交换膜等。目前车用质子交换膜逐渐趋于薄型化，由几十微米降低到十几微米，降低质子传递 的欧姆极化，以达到较高的性能。但是薄膜的使用给耐久性带来了挑战，尤其是均质膜在长时间运行会出 现机械损伤与化学降解，在车辆工况下，操作压力、干湿度、温度等操作条件的动态变化会加剧这种衰减。

迄今最常用的质子交换膜(PEMFC)仍然是美国杜邦公司的 Nafion® 膜，具有质子电导率高和化学稳 定性好的优点，目前 PEMFC 大多采用 Nafion® 等全氟磺酸膜。

质子交换膜国产进程处于提速阶段。质子交换膜是膜电极中最核心的部件之一。质子交换膜必须具有较高的质子导电性、必须有足够低的气体渗透率、在运行环境下具有足够的化学和机械稳定性等三个主要 的技术要求，还应有低廉的价格。

国内山东东岳集团在质子交换膜领域处于领先地位。以东岳的DF260 隔膜为例，膜厚度为15 微米， 在开路电位情况下耐久性大于600 小时，膜在保证性能的前提下运行寿命超过6000 小时，干湿循环次数超 过20000 次，得到AFCC(Automotive Fuel Cell Cooperation，戴姆勒-奔驰与福特的合资公司)的认可。目 前，该膜已经定型量产，二代规划产能20 万平方米，至少可满足每年20000 辆全功率型FCV 的需求。

2.5 催化剂朝着低铂和新型催化剂方向发展

催化剂以 Pt(铂)催化剂为主，低 Pt 催化剂是燃料电池的主要技术方向，目前燃料电池中常用催化剂 是 Pt/C，即由 Pt 的纳米颗粒分散到碳粉(如XC-72)载体上的担载型催化剂，目标是使 FCV 的铂用量低 于传统汽车三元催化中铂的用量的，而制备壳型结构的催化剂是降低催化剂用量的一个有效的方法。

催化剂海外企业领先，国内正起步。海外企业处于领先地位，已经能够实现批量化生产。其中英国 Johnson Matthey 和日本田中(本田燃料电池车 Clarity 催化剂供应商)是全球铂催化剂的巨头。国内企业 尚处于研究阶段。(1)贵研铂业;主营汽车尾气铂催化剂，和上汽共同研发燃料电池催化剂;(2)研究 机构，大连化物所、新源动力等，中国科学院大连化学物理研究所制备的Pd@Pt/C 核壳催化剂，其氧还 原活性与稳定性表现优异。虽然中国新型催化剂，其中一部分在性能和稳定性上已经超过商业催化剂，但 尚未实现量产制备。

催化剂发展趋势为低铂和新型替代。目前Pt用量已从 10 年前 0.8~1.0 g/kw 降至现在国内的 0.1~0.3g/kw，未来有希望进一步降低，目标 2020 年燃料电池电堆的 Pt 用量降至 0.1 g/kw 左右。Pt 催化剂除了受成本与 资源制约外，也存在稳定性问题，通过燃料电池衰减机理分析可知，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 纳米颗粒的团聚、迁移、流失，在开路、怠速及启停过程产生氢 空界面引起的高电位导致催化剂碳载体的腐蚀，从而引起催化剂流失。因此，针对目前商用催化剂存在的 成本与耐久性问题。研究新型高稳定、高活性的低 Pt 或非 Pt 催化剂是未来发展方向。

2.6 扩散层技术相对成熟

燃料电池电堆的扩散层一般可以分为两层，包括扩散层基底(BL)和覆盖在其上的微孔层(MPL)。 BL 由碳纸或碳布构成。扩散层基底与流场相接触，起到收集电流，并支撑微孔层和催化层的作用。BL 也 是 MEA 中的弹性部件，使电池在组装过程中保证各个部件紧密接触的同时不会产生过大的应力。MPL 一 般由碳粉和聚四氟乙烯(PTFE)聚合物组成。MPL 与催化层相接触，增强扩散层与催化层的紧密接触，使 电子传导顺畅，而且 MPL 可以阻挡催化层中的催化剂渗透到扩散层基底，避免催化剂的失效、浪费。

国内气体扩散层领域国内产业化有待进步。主要原因是气体扩散层的石墨化工序需要2000°C以上的高温，但高温炉技术尚未掌握。目前燃料电池生产商多采用日本东丽、加拿大Ballard、德国 SGL 等厂商的 碳纸产品。东丽占据较大的市场份额，我国对碳纸的研发主要集中于中南大学、武汉理工大学等高校，国 内江苏天鸟具备优秀的碳纤维织物的生产能力，但由于燃料电池市场太小，尚无量产计划。

3、电堆降本途径多样

3.1 电堆占燃料电池成本比重最高

电堆成本占比 62%，仍有较大下降空间。燃料电池系统的关键成本在电堆和辅助系统 2 个部分。在产 业化的背景下，电堆和辅助系统零部件的成本均会下降。但在当前国内尚未达到产业化批量化生产、供应 链体系尚未成熟、系统相关的法规标准尚未完善的背景下，上述系统成本依然会维持高价。电堆成本结构 中催化剂和双极板的成本占比较高，分别达到 36%以及 23%。催化剂通过技术进步降低铂含量降低成本。

3.2 燃料电池成本下降是必然趋势

根据美国能源部(DOE)的测算，以80kW质子交换膜燃料电池为例，在大规模生产条件假设下，燃 料电池的生产成本从在 2010年以前大幅下降，从 2011 年开始较为稳定地维持在 50 美元/kW 以上的水平， 同时美国目标在 2020 年将燃料电池成本降低到 40 美元/kW，并最终达到 35 美元/kW。目前质子交换膜燃 料电池实际成本在 1000-2000美元/kW 左右，据估计，汽车厂商制造燃料电池堆的价格约在 50000 到 100000 美元之间。

从现有的技术与市场出发，未来燃料电池成本的降低可以从两个方面入手:一是技术进步和制造工艺提升;二是规模化效应降低摊销成本。原材料价格昂贵或工艺不完善的部件，例如催化剂、质子交换膜、 双极板等可以通过优化制造材料改进制备工艺的方式降低成本，现有技术已经较完善的部件可通过规模化 生产的效应有效建立成本优势。

降低铂含量主要是降本需求，新型催化剂有助于改善中毒情况。从实际车型中降本来看，当前丰田在其Mirai车型中铂含量为 20g/辆，比上一代 Mirai 降低了 90%的用量，整车成本较之 2008 年丰田 FCHV- adv 降低了 95%。铂催化剂在燃料电池系统启停期间也是发生铂溶解现象，加速燃料电池衰减。使用非铂 催化剂可以避免复杂的 MEA加工过程、催化剂中毒现象，由于铂催化剂提供反应活性位点促进氢气和氧 气的电化学反应，一氧化碳和其他杂质气体极易吸附在催化剂表面，降低反应活性面积，从而影响电堆效 率和稳定性。

膜电极是燃料电池发生电化学反应产生电能的关键部件，膜电极技术从最初的热压法到CCM法一直到最新的有序化膜电极技术，其生产成本持续下降，3M 推出的有序化膜电极已经把成本降到 5 美元/kW， 预计未来可通过材料优化，开发低成本量产工艺，进一步降低制造成本。

质子交换膜方面，目前国内虽然已有部分企业能生产全氟磺酸膜，但市场仍然被进口产品牢牢掌握， 目前主流的供应商是最早开发应用全氟磺酸膜的美国杜邦公司。杜邦膜价格按乘用车用量计算相当于 120 美元/kW，按上汽荣威 950FuelCell 搭载的 30kW 燃料电池计算，其质子交换膜成本在 25000 元人民币以 上。依靠国产化技术探索，开发新型制备工艺是目前降低质子交换膜成本的必由之路。

气体扩散层是目前燃料电池堆各部件中技术条件最成熟，商业化利用潜力最好的产品，未来通过在国 内建立批量化的生产设备，开发标准化平台化的产品，降低开发生产成本，可以大幅降低燃料电池中扩散 层的制造成本。

3.3 电堆产业链初步形成

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。

燃料电池产业下游需求有充分保障。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。

2019 年 3 月 15日，科技部高技术研究发展中心发布《关于国家重点研发计划“可再生能源与氢能技 术”重点专项 2018年度项目安排公示的通知》。据重点专项公示通知，2018 年拟立项的项目共有 31 个， 其中有 9 项涉及氢能和燃料电池。这说明未来燃料电池的市场空间是开阔的，相应带动电堆行业的发展。

乘用车领域仍处于验证阶段。国内在燃料电池乘用车方面，投入研发的主要企业是上汽集团，已完成前后四代氢燃料电池轿车的开发。在国家创新工程支持下，上汽氢燃料电池轿车在动力性、续驶里程等性 能指标方面取得了重大进步，已累计实现 81 辆示范运行，部分车辆在 2014 年参加了上汽的“新能源汽车 万里行”全国巡游，历经 10000km 的实际路试，通过各种地形、海拔、环境气温的综合考验。

物流车已经开始逐步向企业渗透。物流快递用户对燃料电池物流车有极大兴趣。目前京东、申通等企 业已经开始采用燃料电池物流车运输，该批车辆载重达 3.5 吨，配载 3 瓶组车载供氢系统，一次加氢时间 5-10 分钟，续航里程可达 400 公里。宜家、邮政、盒马的物流供应商等多家知名物流企业也在考虑引进燃 料电池车辆，未来燃料电池物流车将有较大发展空间，物流车的兴起将进一步促进电堆行业的技术研发以 及产业化的进程。

4.国内上市公司电堆情况梳理

4.1 国内上市公司电堆产业发展情况

虽然国内燃料电池电堆技术水平不如国外，但在一系列新能源政策的刺激下,已经有了长足的发展。从 发展的路径来看，其一是通过控股股外国著名企业来引进技术,如潍柴动力控股加拿大巴拉德，成立潍柴巴 拉德合资公司，引进技术。其次,是通过自己的独立研发,如上汽集团，专门成立上汽大通全资子公司，自主 掌握的“电池+电机+电控”三电核心技术。另外，又如洲际油气，主营业务是石油服务,但是通过参股世能 氢电，成为其大股东来进军燃料电池产业。

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（报告来源：广证恒生；分析师：潘永乐、李子豪）

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