电力设备与新能源：氢能深度系列五-膜电极篇：核心材料国产化，助推氢能车商业化

行业深度研究 氢能深度系列五——膜电极篇：核心材料国产化，助推氢能 车商业化 膜电极——氢燃料电池技术与成本中枢 膜电极是氢燃料电池的最核心部件，是多项物质传输和电化学反应唯一场所，决定着电堆性能、寿命和成本的上限，高性能、长寿命、低成本的膜电极对于加速氢燃料电池商业化进程具有重要的意义。目前膜电极占据电堆成本的70%左右，其成本主要由质子交换膜、催化剂和气体扩散层构成。 “以奖代补”加速氢燃料电池车产业化，膜电极有望迎来需求增长 随着“以奖代补”、氢能城市示范圈、氢能发展中长期规划等重磅政策陆续推出，氢燃料电池已具备商业化落地基础，膜电极产业有望迎来需求的快速增长，据我们保守测算，到2025年及2030年，国内氢燃料电池车产销规模将分别达到2万辆及10万辆，对应膜电极需求分别为24万、150万平米，市场规模分别为23.4亿元、57.2亿元。 膜电极核心材料国产化加速进行，成本进入下行通道 当前国内氢燃料电池系统产业链几大核心环节中，电堆集成、辅助系统、膜电极组件已实现国产批量化生产，且性能达到国际水平，而膜电极核心材料基本依赖于进口，其国产化进程直接影响氢燃料电池产业降本节奏，我们认为未来3-5年膜电极核心材料（质子膜、催化剂、扩散层）有能力实现完全国产化，推动氢燃料电池快速降本： 1）质子膜：国产质子膜正开始从试样检测向小批量商用阶段过渡，其中东岳未来氢能、苏州科润进展较快，具备批量供应能力； 2）催化剂：国内参与者众多，解决规模化供应产品一致性、寿命是关键，国内济平新能源、氢电中科等进展较快，产品覆盖已国内多数电堆企业； 3）扩散层：参与企业相对较少，目前通用氢能已打通碳纸工艺，并建成国内首条卷对卷连续化生产线。 投资建议 “以奖代补”等重磅政策陆续推出后，氢燃料电池已具备商业化落地基础，成本占比最高的膜电极有望迎来需求高速增长： 1）关注具备一体化先发优势的膜电极组件企业。建议关注：美锦能源（参股鸿基创能）、亿华通（参股亿氢科技）、威孚高科。 2）关注具备设计&制备能力，打通核心工艺的膜电极原材料企业。质子膜建议关注：东岳未来氢能、苏州科润、泛亚微透；催化剂建议关注：济平新能源、中自科技、康普顿（参股创启新能）；扩散层建议关注：华电重工（控股通用氢能）。 风险提示 1）政策不及预期；2）技术突破不及预期；3）基础设备配套不及预期；4）行业空间测算偏差风险 投资聚焦 本文从燃料电池堆成本及技术中枢的膜电极环节着手，通过解析膜电极及三大核心原材料工艺技术难点和国产化进展，判断氢燃料电池产业链商业化进程。 研究背景 “以奖代补”政策已正式落地执行，氢燃料电池汽车产业化有望得到加速，当前国内氢燃料电池系统产业链几大核心环节中，电堆集成、辅助系统、膜电极组件已完成国产规模化生产，且性能达到国际水平，而膜电极作为成本中心，三大核心原材料仍依赖于进口，其国产化进程直接影响氢燃料电池产业降本及商业化节奏，因此，研究膜电极核心材料国产化痛点及推动进程有助判断燃料电池汽车商业化拐点。 创新之处 本文深度解析了膜电极及材料工艺技术难点及创新方向，对各环节市场规模做出了预测，并对各环节相关的核心标的进行了统计梳理。 核心结论 （1）重磅政策陆续推出后，氢燃料电池已具备商业化落地基础，各大环节需求将迎来高速增长。随着“以奖代补”、氢能城市示范圈、氢能发展中长期规划等重磅政策陆续推出，氢燃料电池产业链已具备产业化基础，进入放量、降本、技术进步的正向循环，将推动燃料电池堆，及上游膜电极、核心材料有望迎来需求高速增长。 （2）膜电极组件已实现国产批量化生产，先发企业优势显著。当前膜电极组件已实现国产批量化生产，产品性能满足商业化需求，考虑到氢燃料电池仍处在导入阶段，下游新兴企业需求呈现多样化特点。先发布局企业know-how积累丰富，面对“定制化”需求响应速度和产品质量都更有保证。建议关注：美锦能源（参股鸿基创能）、亿华通（参股亿氢科技）、威孚高科。 （3）膜电极核心材料具备高技术工艺壁垒，可享受高估值溢价。由于膜电极三大核心材料工艺技术复杂，稳定性、寿命、一致性等方面与进口产品仍存在差距，其国产化进程直接影响氢燃料电池产业规模降本节奏，我们认为未来3-5年膜电极核心材料有能力实现完全国产化，推动氢燃料电池快速降本，同时这些企业可享受高技术壁垒下的估值溢价。质子膜建议关注：东岳未来氢能、苏州科润、泛亚微透；催化剂建议关注：济平新能源、中自科技、康普顿（参股创启新能）；扩散层建议关注：华电重工（控股通用氢能）。 1膜电极：氢燃料电池技术与成本中枢 1.1膜电极占氢燃料电池成本的60% 膜电极（MEA）是氢燃料电池的最核心部件，是多项物质传输和电化学反应的核心场所，被称为燃料电池的“心脏”。膜电极是由质子交换膜（PEM）、催化层电极（CL）、气体扩散层（GDL），在相应温度和压力下，热压而成的三合一组件，与双极板组成燃料电池电堆。膜电极决定了电堆性能、寿命和成本的上限，高性能、低铂载量、低成本、长寿命的膜电极对于加速氢燃料电池商业化进程具有非常重要的意义。 图表1：膜电极及燃料电池结构图 膜电极处于燃料电池产业链上游环节，是燃料电池技术和成本中心。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、氢气循环泵、储氢瓶系统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，主要是商用车、轿车、叉车、固定式电源和便携式电源等。 图表2：膜电极位于燃料电池产业链上游核心位置 从成本端来看，燃料电池系统在氢能车购置成本中占比超过60%，而电堆成本在系统中占比同样超过60%，是氢燃料电池汽车成本占比最高的环节。 图表3：氢燃料电池汽车成本构成 1.2技术特征：电化学反应唯一场所，设计制造技术壁垒高 在燃料电池反应过程中，氢气通过扩散层至阳极催化层，在催化层作用下生成氢离子和电子，电子传递到阳极气体扩散层向外电路传递，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、氧气在阴极催化层生成 H2O ， H2O 通过阴极气体扩散层排除。 图表4：电化学反应发生在膜电极内部的“三相界面” 膜电极承担了燃料电池全部电化学反应，以及电子、质子、气体和水的传导，因此，膜电极的制备工艺、催化剂的选择与载量、质子膜厚度与磺酸基含量、扩散厚度与微孔量，这些因素最终共同影响燃料电池的发电性能及效率，而膜电极的设计制造需同时考虑这些因素，具备较高的技术壁垒。 膜电极技术演化：CCM是主流，有序化膜电极为降本提效的新方向 20世纪60年代，美国通用电气公司采用铂黑作为燃料电池催化剂，当时膜电极铂载量超过 4 mg/cm2 ；20世纪90年代初，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室采用碳载铂取代铂黑的油墨（Ink）制造工艺后，使得膜电极的铂载量成倍降低；2000年后，低温、全固态的膜电极技术逐渐成熟，使得PEMFC进入面向示范应用的阶段。伴随着PEMFC几十年发展，膜电极技术经历了几代革新，大体上可分为GDE热压法、CCM法和有序化膜电极三种类型： 图表5：膜电极工艺技术路线图 1）第一代热压法膜电极（GDE），指将催化剂涂布在气体扩散层上，然后用热压法将气体扩散电极和质子交换膜结合在一起。该方法优点是制备工艺简单，缺点是催化剂利用率低（ ≈4mg/cm2 ），总体性能不高，目前已基本淘汰。 2）第二代CCM膜电极，指采用卷对卷直接涂布、丝网印刷、喷涂等方法直接将催化剂、磺酸树脂和适当分散剂组成的浆料涂布到质子交换膜两侧。该方法优点是提高了催化剂的利用率（小于 0.4mg/cm2 ）与耐久性，缺点是催化层结构具有不稳定性。CCM法目前商业化程度最高，已大批量生产。 3）第三代有序化膜电极，指把Pt催化剂制备到有序化的纳米结构上，使电极呈有序化结构，获得坚固、完整的催化层。该方法进一步提高了燃料电池性能，降低催化剂铂载量（ ≈0.1mg/cm2 ），是目前膜电极制造研究的热点，但仍处于研发试验阶段，只有小部分公司实现量产，如 3M 。 1.3市场规模：氢能车加速推进，2030年国内膜电极规模有望达57亿元 氢燃料电池为商用车减排优选方案，“以奖代补”政策加速推动销量 当前交通领域电动化技术解决方案主要为纯电动及燃料电池，两者对比各有明显优劣势。其中，氢燃料电池优势在更高的功率和能量密度，在载重和续航方面有优势，而在加氢站等配套设施方面相较纯电存在劣势；而对于纯电车，虽然续航能力有弱势，但是满足城市内的公交、物流车、环卫等短途行驶的续期，由于当前的成本优势，短期内城市内交通工具的纯电化会更加迅速。因此，从技术特性上，氢燃料电池汽车适用包括固定路线、中长途干线、高载重应用场景的商用车。 图表6：氢燃料电池重卡与纯电重卡对比 “以奖代补”新政鼓励车型朝大功率与重载方向发展。在2020年9月发布的“以奖代补”新政中，大功率、高载重的重卡同样成为补贴最多的车型，我们以2021年积分标准测算，其中功率≥110kw，载重31吨以上的重卡最多可享受国补50.4万元，假设地补按照1:1比例实施，则该型号重卡最多可享受补贴100万元，而当前配备110kw功率的燃料电池重卡售价仍普遍在130~150万元左右，对比同规格的柴油重卡销售价格，实施完补贴后的氢燃料重卡将在初次购买成本上获得优势。 图表7：“以奖代补”新政中各燃料电池车型奖励金额（万元） 氢燃料电池汽车开启放量，预计2030年有望达到十万辆水平 政策正式落地将加速国内氢燃料电池车产销，根据《氢能产业中长期发展规划（2021-2035）》，到2025年国内氢燃料电池车保有量达到5万辆，对应2025年销量2万辆左右。规模化、国产化推动下，燃料电池成本有望快速下降，据我们保守测算，到2030年国内氢燃料电池车全生命周期成本将实现与柴油重卡平价，经济性优势驱动下，氢燃料电池车将持续放量，2030年产销规模至少达到10万辆水平。 图表8：我国氢燃料电池车销量预测 预计2030年膜电极需求近150万平米，对应国内市场规模57亿元 假设2025、2030年燃料电池车需求达2万辆、10万辆，考虑燃料电池重卡放量，预计到2030年，单车系统额定容量将由此前110kW为主逐步提升至220kW左右，膜电极功率密度由目前 1W/cm2 逐步升至 1.5W/cm2 以上，对应2030年膜电极需求近150万平米，年市场规模在57亿元。 图表9：我国车用氢燃料电池膜电极及主要原材料市场规模 1.4竞争格局：国产膜电极加速扩张，性能与国际先进水平接近 目前主流膜电极的厂商分为两类，一类是具备膜电极批量产业化能力，能自给自足的车企或燃料电池厂商，以丰田、现代、巴拉德为代表。另外一类是专业的膜电极供应商，包括戈尔、杜邦和国内的鸿基创能、武汉理工氢电、新源动力、苏州擎动等。 我国膜电极企业主要来自于国外企业如巴拉德等技术专家回国创业，以及国内高校如武汉理工、上海交大、清华大学、南京大学等技术成果转化。国内企业膜电极主要参数已经与国际先进水平接近，部分参数可以超过国外先进水平。国内领先膜电极企业鸿基创能、武汉理工新能源、擎动科技膜电极产品功率密度均超过 1W/cm2 ，鸿基创能达到 1.4W/cm2 ，测试使用寿命超过1~2万小时，已基本满足产业化应用需求。 图表10：国内外膜电极性能参数对比 2019年后鸿基创能、擎动科技、武汉理工氢电以及泰极动力国产生产线先后正式落成，我国的膜电极领域逐步开启批量化生产步伐。到2021年，国内膜电极企业扩张步伐明显加速，尤其头部企业鸿基创能完成了百万片下线里程碑。 图表11：国内部分膜电极企业设备及产能情况 据势银（Trendbank）数据显示，2018-2019年进口膜电极占据了国内市场主要份额，分别占国内市场份额77.8%和52.9%，20年开始进口膜电极市场份额明显降低，约占市场份额20%。可以看出，