2.1 膜电极---专业特性尚待提升，降本增效任重道远

膜电极为燃料电池发电的关键核心部件，决定电堆性能、寿命和成本上限。膜电极 由质子交换膜、催化剂和扩散层组成。规模化生产质子交换膜和扩散层，可以降低膜电 极成本；降低铂用量可以大幅降低膜电极成本，但燃料电池的反应效率会降低。膜电极 的主要制造商包括 3M，杜邦，GORE 等，其中 3M 市占率最高为 20%，杜邦约占 16%的 的市场份额。

国内膜电极产品性能与国际水平接近，但是专业特性尚待提升。国内膜电极供应商 主要为武汉理工新能源，其产品主要供应美国 PlugPower 公司。大连新源的膜电极产品 主要为上汽的发动机配套。3M 公司是唯一可量产有序化膜电极的公司。国产膜电极性能 与国际水平接近，但专业特性上如铂载量等性能与国际水平还有一定差距。国产膜电极 铂载量约为国际先进水平的 3-4 倍，导致成本相对较高。

氢燃料电池膜电极的发展方向是有序化膜电极。膜电极结构的有序化使电子、质子 气体传质高效通畅，提高发电性能和降低铂载量。

2.2 质子交换膜---全氟磺酸型膜为目前主流，复合膜、高温膜等是未来发展方向

当前商业化质子交换膜为全氟磺酸膜，集中于日本和欧美。质子交换膜的作用是在 电池反应时，只让阳极失去电子的氢离子透过到达阴极，但阻止电子、氢分子、水分子 等通过。因而需要其具有电导率高，化学稳定性好，热稳定性好，反应气体的透气率低、 水的电渗系数小等性能特征。目前常用的商业化质子交换膜是全氟磺酸膜，供应商集中 于日本和欧美国家，应用最广泛的是美国杜邦公司的 Nafion 系列膜。

全氟磺酸膜传导率与含水率成线性关系，质子交换膜工作时对温度和含水量要求很高。全氟磺酸膜具有机械强度高、化学稳定性好、湿度大条件下导电率高等优点，但是 也存在缺点。质子交换膜工作温度为 70~90℃，超过此温度会使其含水量急剧降低，导 电性迅速下降，甚至损坏质子交换膜；温度过低氢气活动性变差，发电效率低；温度升 高时会引起质子传导性变差，高温时易发生化学降解，单体合成困难，成本高等。

复合膜、高温膜、碱性膜是未来发展方向。高温质子交换膜可减少 CO 毒化，加速 动力学反应速度，有利于水管理和热管理，存在的缺点为膜失去水导致膜电阻增加，电 极极化增加。复合膜是通过复合的方法来改性全氟型磺酸膜，从而提升其耐高温性和阻 醇性，如大连化物所的 Nafion/PTFE 复合增强膜和碳纳米管增强复合膜等；碱性膜对应的 燃料电池系统的工作环境为碱性，在这种状态下催化剂选择的范围可以更宽泛，不仅限 于铂，还可以使用镍和银等；美国 3M 公司开发的一种新型 PAIF 高温质子交换膜，其某 些特性参数已经达到甚至超过 DOE 2020 年目标。

国内的武汉理工新能源公司、山东东岳集团、上海神力科技、大连新源动力和三爱富都有均质膜的生产能力，武汉理工的产品还出口国外。在复合膜方面，武汉理工已向 国内外数家研究单位提供测试样品；大连化物所、上海交大也在质子交换膜的研究领域 有所突破。目前东岳集团是唯一一家通过 AFCC 技术鉴定的中国企业，产能规划 20 万平 方米。

2.3 催化剂--- Pt/C 是目前主流，超低铂、无铂是降低成本有效途径

价格高昂的贵金属铂催化剂导致燃料电池成本居高不下。催化剂作用于氢气，促使 电子离开氢原子。目前燃料电池商用催化剂主要为 Pt/C，由纳米级的 Pt 颗粒（3~5nm） 和支撑 Pt 颗粒的大比表面积活性炭构成。目前铂用量为 0.3~0.5 g/kw，仍为较高水平。 铂资源具有稀缺、昂贵的属性，导致燃料电池成本较高。Pt 催化剂除了受成本与资源制 约外，也存在稳定性问题，因为 Pt 会发生衰减，存在稳定性制约以及一氧化碳积聚造成 的催化剂中毒。

Pt 金属供给紧张，超低铂、无铂是降低燃料电池成本的有效途径。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＜0.05g/kw。 目前 3M 公司已经开发出可量产的有序化膜电极，铂载量仅为 0.118 mg/cm2。为降低成 本及增强催化剂的耐久性、降低铂载量、或开发新的催化剂替代铂，为催化剂技术发展 方向。

燃料电池催化剂的国外生产商主要有英国 Johnson Matthery，美国的 3M、Gore，德国 BASF，日本 Tanaka，比利时 Umicore 等；国内主要有贵研铂业、武汉喜马拉雅、中科 中创、苏州擎动动力、昆山桑莱特等。

2.4 气体扩散层---碳纸碳布形成寡头市场，成本由加工费主导

气体扩散层（GDL）是支撑催化剂层和收集电流的重要结构，燃料电池系统成本占 比 5%左右。GDL 由基底层和微孔层组成，基底层大多是多孔碳纸或碳布，微孔层由导电 炭黑和憎水剂构成。

扩散层核心工艺为碳纸选材及技术，碳纸碳布形成寡头市场。全球范围内碳纸、碳 布的供需已形成一个寡头市场，供应商仅有日本东丽、加拿大 Ballard 及德国 SGL 三家， 其中东丽市场份额最大。

成本由加工费用主导，重在工艺积累。规模化生产将带来气体扩散层大幅的成本削减。 根据 Strategic Analysis 数据，当生产规模从 1000 套提升到 50 万套，成本将从$2661/套降 到$102/套。国内对碳纸研发主要集中于中南大学、武汉理工大学等高校，江苏天鸟具备 碳纤维织物生产能力

2.5 双极板--- 石墨双极板技术最为成熟，金属双极板或将是未来方向

国内燃料电池商用车以石墨双极板电堆为主，国外乘用车主要使用金属双极板。双极板的作用主要有 1）连接单电池；2）输送氢气和氧气；3）电流收集、传导；4）排出 反应的热量和水；5）支撑电堆和 MEA。从种类来分，双极板可以分为石墨双极板、金属 双极板和复合双极板。石墨双极板原料来源广泛且加工工序简单，国内到现在仍以石墨 板电堆为主。但其很难做薄，导致体积功率密度只有 1-2KW/L，远低于金属双极板的 2.5~4.5KW/L 的体积功率密度，因此石墨双极板电堆在国内主要应用于物流车、大巴等终 端。而国外燃料电池主要用于乘用车（丰田 Mirai、本田 Clarity 和现代 NEXO 等乘用车均 采用金属双极板），要更高的能量密度，因此主要使用金属双极板。

目前国内企业正在加大金属双极板的研发，有望逐步替代石墨双极板。金属双极板 是替代石墨双极板的最佳选择，表面改性的多涂层结构金属双极板具备较大的发展空间。 金属双极板的机械性能、加工性能、导电性等都十分优异，易于批量化生产降低成本。 国内金属双极板还处于研发试制阶段，主要参与企业包括江苏清能、氢璞创能、新源动 力、大连化物所等，但国内尚无成熟的双极板涂层加工设备。

2.6 电堆--- 国内尚处于技术验证阶段，后续国产化有望加速

国外电堆技术相对成熟，巴拉德石墨板电堆产品被市场认可。国外乘用车厂大多自 行开发电堆，也有少数采用合作伙伴的电堆，例如奥迪和奔驰。目前国外可以单独供应 车用燃料电池电堆的企业主要有加拿大的巴拉德 Ballard 和 Hydrogenics。欧美正在运营的 燃料电池公交车大多数采用这两家公司的石墨板电堆产品。

国内自主电堆处于从小批量到产业化转化的关键阶段。国内电堆企业主要有上海神 力和大连新源动力。上海神力成立于 1998 年，是中国第一家专业的燃料电池电堆研发生 产企业；大连新源动力采用的是金属板和复合板的技术路线。目前两家都建成了燃料电 池电堆中试线，正处于从小批量到产业化转化的关键阶段。另外还存新兴的燃料电池电 堆企业，如弗尔塞、北京氢璞、武汉众宇等，也开发出燃料电池电堆样机和生产线，正 处于验证阶段。

9SSL 电堆是目前商用车用技术最成熟的电堆，自主电堆耐久性达到 5000 小时。9SSL 电堆寿命可超 2 万小时，产品的成熟性已经过充分的市场验证，广东国鸿于 2016 年和巴 拉德达成合作引进 9SSL 电堆生产线，基本实现国产化。新源动力开发出 HYMOD-300 型 车用燃料电池电堆模块，成功实现车用燃料电池 5000 小时的耐久性难关，并实现了电堆 在-10℃环境下的低温启动，以及在-40℃下的储存。该电堆已成功应用于燃料电池动车轿 车荣威 750 燃料电池轿车以及上汽大通 FCV80。

电堆产业加速国产化，商用车国产电堆已经成熟应用。通过自主研发或引进国外成 熟电堆技术，国内燃料电池电堆生产已经起步，2018 年电堆产能达到 40 万 kW。国产商 用车电堆技术已经满足商用车需求，神力科技新一代商用车电堆耐久性达到 1 万小时， 国鸿引进的巴拉德 9ssl 商用车电堆耐久性超 2 万小时。

2.7 空压机--- 涡旋和双螺杆空压机是目前主流技术，离心式空压机加速开发

空压机的作用是将常压的空气压缩到燃料电池期望的压力,并根据电力需求提供相 应的空气流量。空压机种类很多，按工作原理可分为 3 大类：容积型（活塞式、螺杆式、 涡旋式）、速度型（离心式、鼓风机）、热力型压缩机（喷射器）等。目前，车用燃料电 池使用的空压机主要是容积型空压机和速度型空压机。

涡旋和双螺杆空压机是目前主流技术路线，离心式空压机加速开发。目前美国 GM、 德国 Xcellsis、加拿大 Ballard 等公司的燃料电池中都采用了螺杆压缩机压缩机/膨胀机供 气系统，日本丰田（TOYOTA）、美国 UTC 等公司的燃料电池系统采用了涡旋机械作为其 供气系统的核心部件。离心式空压机的价格相对便宜，质量和体积功率密度高，是目前 燃料电池用空压机的开发方向。但是离心式空压在偏离设计工况情况下性能下降严重。

2.8 储氢罐--- 技术密集压力标准不统一，轻量化、耐高压为发展方向

储氢罐成本占比高，决定续航里程、安全性及重量。车载储氢罐在燃料电池车中成 本占比位列第二，约为 14%；储氢罐决定了燃料电池车续航里程的长短，安全性和重量， 也决定了乘坐空间的大小。乘用车车载储氢罐一般储存 5-6kg 的高压氢气，储氢罐的体 积和重量分别在 240L 和 120kg 左右；

压力标准不统一，国内尚不具备 70Mpa 高压储氢容器生产能力。氢气的储存方法分 为高压气态储存、低温液态储存、固态氢化物储存三种。目前国内最成熟最常用的车载 储氢技术为高压气态储存。车用储氢罐承受压力标准不同，国内的储氢罐承受压力一般 为 35MPa，国外一般 70MPa，日本正鼓励车载氢罐充气压力安全上限从 70MPa 提升至 80MPa 以上。目前国内 70Mpa 高压储氢容器处于探索阶段，尚无生产能力，主要依靠从日本进口。

高压气态存氢罐需规避“氢脆现象”，轻量化、耐高压为发展方向。“氢脆”现象是指氢 气在高于 300 ℃和 30 MPa 时，会对金属产生腐蚀，导致金属塑性下降，最终诱发裂纹 或产生断裂。因此，储氢容器中必须选用特殊的材料来规避氢脆现象。目前国内主要为 轻质复合容器 III 型瓶（金属内里，碳纤维强化树脂外层，全缠绕），国外为 IV 型储氢瓶 （非金属内胆，碳纤维强化树脂外层，全缠绕）。

国内储氢瓶主要制造商包括富瑞特装与中材科技，能够生产承压 35MPa 的储氢罐。

（来源：中金公司）