1、 - 1 - 敬请参阅最后一页特别声明 长期竞争力评级长期竞争力评级：高于行业均值高于行业均值 市场数据市场数据(人民币）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 11987.46 相关报告相关报告 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. ，2016.8.22 2.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 3.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
2、张帅 分析师分析师 SAC 执业编号：执业编号：S1130511030009 (8621)60230213 姚遥姚遥 分析师分析师 SAC 执业编号：执业编号：S1130512080001 (8621)60230214 王菁王菁 联系人联系人 (8621)60230250 成本下降路径：国产化、规模经济和技术进步成本下降路径：国产化、规模经济和技术进步 燃料电池系列研究之燃料电池系列研究之 PEMPEMFCFC 投资建议投资建议 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
3、源竞争，这与光伏、风电、锂电池的逻辑是完全一致的； 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经济规模后成本下降幅度有望超过 60%； 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规模经济和技术进步，前者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。 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、氢气系电堆、氢气系统、其他统、其他。 电堆的主要构成中，电堆的主要构成中，MEA 成本下降空间巨大成本下降空间巨大
4、，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 之外的成本也在快速下降。之外的成本也在快速下降。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； 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，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。 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 的的成
5、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。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。 413440466492519545572151110160210160510160810国金行业 沪深300 2016 年年 11 月月 10 日日 燃料电池燃料电池产业链产业链系列系列报告之四报告之四 评级：评级：买入买入 维持评级维持评级 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
6、金管理有限公司使用万份行业报告免费下载，尽在w w w . t en l ea r n in g . c n , 微信公众号：l ea r n in g me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 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
7、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
8、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 . 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
9、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 万份行业报告免费下载，尽在w w w . t en l ea r n in g . c n , 微信公众号：l ea r n in g me行业深度研究 - 3 - 敬请参阅最后一页特别声明 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
10、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 . 19 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
11、 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 .
12、 27 图表 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 万份行业报告免费下载，尽在w w w . t en l ea r n in g . c n , 微信公众号：l
13、 ea r n in g me行业深度研究 - 4 - 敬请参阅最后一页特别声明 综述：材料工艺进步综述：材料工艺进步+规模化效应驱动燃料电池车降本，规模量产后将降规模化效应驱动燃料电池车降本，规模量产后将降 60% 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（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：）各个环节，我们认为： （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
14、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。 （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）降本则需技术和材料工艺的进步加以推进。 图表图表1：我国燃料电池车（：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）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 万份行业报告免费下载，尽在w w w . t en l ea r n in g .
15、c n , 微信公众号：l ea r n in g me行业深度研究 - 5 - 敬请参阅最后一页特别声明 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 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。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（SOFC） 、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC
16、） 、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。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。 图表图表2：不同类型的燃料电池及其参数和应用情况比较：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 AFC PEMFC PAFC MCFC SOFC 电解质 氢氧化钾
17、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% 37%-42% 50%- 50%-65% 使用温度 60-120 80-100 160-220 600-1000 600-1000 优点 效率高； 可以用非铂催化剂； 可以采用双镍板做双极板；成本低。 工作温度低；可在室温下快速启动； 可使用氢气、天然气/甲醇重整气作燃料，空气做氧化剂； 运行安静、污染排放低； 功率密度高、机动性好。 利用廉价的炭材料为骨架； 除以氢气为燃料外，有可能直接利
18、用甲醇、天然气、城市煤气等低廉燃料； 不需要 CO2处理设备。 燃料适应性广； 使用非贵金属催化剂； 高品位余热可用于热电联供。 燃料适应性广； 采用非贵金属作为催化剂；高品位余热可用于热电联供； 固体电解质；较高的功率密度 缺点 必须使用纯的 H2和O2；需周期性地更换 KOH 电解质； 必须从阳极及时除水； 电解质易 CO2中毒。 催化剂铂昂贵； 聚合物膜和辅助组件昂贵； 经常需要水管理； CO 和 S 容许度非常差。 电催化剂必须采用贵金属； 催化剂易中毒。 CO2 必须再循环； 熔融碳酸盐电解质具有腐蚀性； 退化/寿命问题；材料昂贵。 材料在高温下运行会产生一系列问题； 密封问题； 电
19、池部件制造成本高。 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 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（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）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，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
20、于移动设备、小型交通工具和小型备用电源设施。 以瓦数统计各类燃料电池的出货量，我们发现以瓦数统计各类燃料电池的出货量，我们发现 PEMFC 电池出货量从电池出货量从 2014年的年的 60-70MW 上升到了上升到了 2015 年的年的 180MW，且超过了其他几种燃料电池的总和。，且超过了其他几种燃料电池的总和。 万份行业报告免费下载，尽在w w w . t en l ea r n in g . c n , 微信公众号：l ea r n in g me行业深度研究 - 6 - 敬请参阅最后一页特别声明 2015 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）
21、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。 图表图表3：不同种类燃料电池按件数统计不同种类燃料电池按件数统计 图表图表4：不同种类燃料电池以瓦数：不同种类燃料电池以瓦数计计(MW) 来源：E4tech,国金证券研究所 来源：E4tech,国金证券研究所 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（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（PE
22、MFC）进行展开：）进行展开： 新一轮新一轮 FCV 商业化浪潮正在迫近，关键在于其成本和耐久性商业化浪潮正在迫近，关键在于其成本和耐久性 车用燃料电池在世界各国的不断研发下，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。车用燃料电池在世界各国的不断研发下，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
23、 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 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：P
24、EMFC 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。 万份行业报告免费下载，尽在w w w . t en l ea r n in g . c n , 微信公众号：l ea r n in g me行业深度研究 - 7 - 敬请参阅最后一页特别声明 图表图表5：世界主要公司燃料电池车车型：世界
25、主要公司燃料电池车车型 来源：国金证券研究所 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。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；
26、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； 万份行业报告免费下载，尽在w w w . t en l ea r n in g . c n , 微信公众号：l ea r n in g me行业深度研究 - 8 - 敬请参阅最后一页特别声明 图表图表6：燃料电池全生命周期成本分解：燃料电池全生命周期成本分解 来源：国金证券研究所 燃料电池车的商业化最终取决于购置成本和使用成本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：购置成本的降低主要有几条途径： （1）开发
27、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：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。 使用成本使用成本中涉及到氢气上游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
28、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） 。 万份行业报告免费下载，尽在w w w . t en l ea r n in g . c n , 微信公众号：l ea r n in g me行业深度研究 - 9 - 敬请参阅最后一页特别声明 图表图表7：不同制氢方式和运氢方式配合所得到的氢气成本范围：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 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
29、，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） 。质子交换膜燃料电池汽车为例） 。 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
30、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。 图表图表8：燃料电池系统成本变化：燃料电池系统成本变化 来源：DOE，国金证券研究所 45 40 30 050100150200620082010201220142016最终目标 美元/kw 万份行业报告免费下载，尽在w w w . t en l ea r n in g . c n , 微信公众号：
31、l ea r n in g me行业深度研究 - 10 - 敬请参阅最后一页特别声明 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（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。） 、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
32、催化剂和非贵金属催化剂。 质子交换膜质子交换膜（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。 图表图表9：燃料电池系统组成：燃料电池系统组成 来源：国金证券研究所 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
33、、氧化剂供应子系统、水热管理子系统及监控子系统等。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。 车载空压机车载空压机是车用燃料电池重要部件之一，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
34、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 高压气态储氢技术，其中高压氢瓶是关键技术。 万份行业报告免费下载，尽在w w w . t en l ea r n in g . c n , 微信公众号：l ea r n in g me行业深度研究 - 11 - 敬请参阅最后一页特别声明 图表图表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）：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
35、究所 图表图表11：国外燃料电池系统成本目标及现状（分类别）：国外燃料电池系统成本目标及现状（分类别） 图表图表12：国外燃料电堆耐久性目标及现状（分类别）：国外燃料电堆耐久性目标及现状（分类别） 来源：国金证券研究所 来源：国金证券研究所 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。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：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；
36、（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。 05000轿车用燃料电池系统成本 巴士用燃料电池系统成本 叉车用燃料电池系统成本 静态电站燃料电池系统成本 $/kw 目标 现状 0200004000060000轿车电堆耐久性 巴士电堆耐久性 叉车电堆耐久性 静态电站耐久性 小时 目标 现状 万份行业报告免费下载，尽在w w w . t en l ea r n in g . c n , 微信公众号：l ea r n in g me行业深度研究 - 12 - 敬请参阅最后一页特别声明 图表图表13：DOE
37、对燃料电堆耐久性设置的目标对燃料电堆耐久性设置的目标 耐久性 目标 电堆寿命 5000 小时，10 年 电堆启停循环次数 3 万次 电堆工作（0.6-0.95V）循环寿命 300000 5000 小时后性能衰减 10% 5000 小时后催化剂（MEA）ECA 衰减 40% 5000 小时后催化剂（MEA）电压衰减 30 mV 催化剂支撑（MEA）启停衰减 1 mV圈 自主低温启停温度 -40C 膜 H2、O2 穿透电流密度（100kPa，80C） 2 mAcm2 来源：DOE，国金证券研究所 中国制造中国制造 2025目标：目标：2020 年达到年达到 DOE 的以上性能要求，的以上性能要求，
38、2025 年开始量产。年开始量产。原文中提到， “2020 年，燃料电池堆寿命达到 5000 小时，功率密度超过 2.5 千瓦/升，整车耐久性到达 15 万公里，续驶里程 500 公里，加氢时间 3 分钟，冷启动温度低于-30；2025 年，燃料电池堆系统可靠性和经济性大幅提高，和传统汽车、电动汽车相比具有一定的市场竞争力，实现批量生产和市场化推广。 ” 图表图表14：燃料电池技术目标与现状：燃料电池技术目标与现状 技术指标 2015 年国际现状 DOE2020 年目标 DOE 长期目标 中国制造 2025目标 燃料电池系统 功率密度（W/L) 640 650 850 N/A 比功率（W/kg
39、) 659 650 650 N/A 年产 50 万套成本（$/kw) 53 40 30 N/A 寿命（小时） 5000 5000 8000 N/A 无协助冷启动温度（） -30 -30 -30 -30 燃料电池电堆 电堆功率密度（W/L) 3100（丰田） 2250 2500 2500 功率比功率（W/kg） 2000（日产） 2000 2000 N/A 年产 50 万套成本（$/kw) 26 20 15 N/A 耐久性（小时） 3900 5000 8000 5000 来源： Multi-Year Research, Development, and Demonstration Plan ，国
40、金证券研究所 万份行业报告免费下载，尽在w w w . t en l ea r n in g . c n , 微信公众号：l ea r n in g me行业深度研究 - 13 - 敬请参阅最后一页特别声明 图表图表15：燃料电池关键材料及零部件国外现状与中国现状对比：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 催化剂 铂族金属载量 :0.06 g/kW, 0.035 mg/cm2 铂族金属载量 : 0.3 g/kW, 0.16 mg/cm2 Pt 质量比活性 : 0.76 A/mg,(900 mV) Pt 质量比活性 ：0.27 A/mg，(900 mV)
41、 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 质子交换膜 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 国外巨头垄断:美国 Dupont,WL Gore,3M,比利时 Solvay 等 碳纸 / 碳布 已形成流水生产线:SGL，Tora，Ballard 等 有试生产（中南大学） 膜电极 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/cm
42、2 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 双极板 腐蚀电流:0.58 S/cm 金属板未成熟量产 抗弯强度(碳板):34MPa 中国科学院大连化学物理 研究所、新源动力股份有限公司、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：瑞士 Cellimpact，德国 SGL，DANA，英国 Bac2，
43、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 电堆整体性能 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% 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 万份行
44、业报告免费下载，尽在w w w . t en l ea r n in g . c n , 微信公众号：l ea r n in g me行业深度研究 - 14 - 敬请参阅最后一页特别声明 膜电极组件是燃料电池的核心部件，降本需结合技术进步膜电极组件是燃料电池的核心部件，降本需结合技术进步 膜电极组件膜电极组件( 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。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
45、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%。 图表图表16：PEMFC电堆组成电堆组成 来源：同济大学，国金证券研究所 图表图表17：膜电极目标与现状对比：膜电极目标与现状对比 现状与目标 Q/T（kW/） 成本 （美元/kW) 耐久性（h*kW) performance0.8V (mW/c ） PGM 含量（g/kW) PGM 总载荷 （mg/c ） 2020 年 1.45 7 500010% V loss 1
46、000 0.125 0.125 2015 年 1 月 1.45 16 进展中 861 0.137 0.118 2016 年 10 月 1.45 5 300005% V loss 861 0.137 0.035 来源：DOE,科技导报 ，国金证券研究所 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、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。）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
47、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。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。 万份行业报告免费下载，尽在w w w . t en l ea r n in g . c n
48、 , 微信公众号：l ea r n in g me行业深度研究 - 15 - 敬请参阅最后一页特别声明 图表图表18：膜电极发展历程：膜电极发展历程 来源： 科技导报 ，国金证券研究所 图表图表19：3M公司有序化膜电极及公司有序化膜电极及NSTF催化层形貌催化层形貌 图表图表20：膜电极制备技术未来的主要方向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 有序化膜电极对杂质敏感，需开展材料优化和诊断提高耐受性 3 通过材料优化、表征和建模，拓宽膜电极操作范围 4 在催化剂层引入快质子导体纳米结构，实现自增湿发电，降低燃料电池系统成本 5 低成本量产工艺开发，降低制作
49、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： 科技导报 ，国金证券研究所 来源： 科技导报 ，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 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。 受到资源和成本方面的限制，目前受到资源和成本方面的限制，目前 Pt 的用量已经由的用量已经由 10 年前的年前的 0.81g/kw降低到目前的降低到目前的 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） 。 降低降低 Pt 用量的近期目标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） 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） 。催化剂除了受成本与资源制约外，也存在耐久性问题（
