- 1 - 敬请参阅最后一页特别声明 市场数据 (人民币） 市场优化平均市盈率 18.90 国金燃料电池指数 4750 沪深 300 指数 4960 上证指数 3392 深证成指 13670 中小板综指 12441 相关报告 1.基础设施先行，加氢站和氢气产业链率先受益 2.重载领域 FCV 成本优势明显 燃料电池物流车经济性分析 3.产业核心环节、国产化初见成效 燃料电池电堆行业分析 4.成本下降路径：国产化、规模经济和技术进步 -PEMFC 5燃料电池车用氢安全性分析 -氢气安全吗？ 6.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 7.氢气储存运输问题分析 -气氢拖车能够解决目前需求、其他方向潜力大 8.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能力 9.看好优势 区域的一体化副产氢气供应商 氢气基础设施产业分析 10各国积极布局，中日韩领跑 全球主要燃料电池市场分析 11.燃料电池平价还要多久？ 张帅 分析师 SAC 执业编号： S1130511030009 (8621)61038279 zhangshuai gjzq 张伟鑫 联系人 zhangweixin gjzq 国产化、规模化、精细化 燃料电池产业系列报告之十 二 ： MEA 篇 行业观点 新能源汽车大势所趋， 政策落地 国内燃料电池产业化 提速 。 节能减排背景下， 新能源汽车大势所趋 ，氢燃料电池能量密度更高， 在重载 、 长续航 领域优势明显 。目前 国产化燃料电池系统等核心部件使用寿命、 功率密度、低温启动均已达标， 2020 年 9 月“以奖代补”国补方案落地，政策引导下氢燃料电池迈出产业化第一步，进入放量、降本、技术进步的正向循环。 需求： 膜电极是燃料电池 的 成本、技术中枢 ，预计 2030 年 市场规模 约 350亿元。 1）膜电极是燃料电池 电化学反应的 场所 、占 系统 成本比例超 30%。在下游系统、电堆已实现国产化批量供应的背景下， 膜电极 成为当前 产业化的 关键 。 2） 根据我们的 测 算， 2030 年 国内 膜电极 需求 接近 1 千 万平， 对应市场规模 接近 350 亿元。 技术： 耐久性 >功率密度 >成本 从制备工艺看： 第二代 CCM 法为当前主流技术方案，技术 难点在于催化剂 涂布 在质子交换膜上容易出现膜变形、膜吸收催化剂等问题，第三代有序化膜电极制备技术仍待突破。 从 构成 材料 看 ： 质子交换膜 仍依赖进口， 技术难点主要在于 超薄型（高电子传导率）和高耐久性（高机械强度）难以兼得；催化剂是 目前膜电极 研究的重点， 主流催化剂为 Pt 基催化剂，技术难点主要在于 低铂载（低成本）和高性能、高耐久性难以兼得； 气体扩散层的关键 原材料（碳纸 纤维 ）仍被少数 海外企业 把控核心技术。 供给： 膜电极国产化快速推进 ，先发企业优势明显 。 参数达标，规模化供应能力逐步形成： 目前 国产 膜电极 企业包括鸿基创能、擎动科技、武汉理工氢电等，领先集团产品 在性能 参数 上已满足商业化目标（寿命 超 10000 小时，功率密度达到 1W/cm2 以上 ） ，并具备批量供应能力 。量产的质子交换膜企业主要为东岳集团 ； 催化剂 、气体扩散层具备小规模生产 能力 。 先发企业 调试 经验丰富，优势明显 ： 氢燃料电池仍处在导入阶段， 下游新兴企业产品尚未定型， 需求呈现多样化特点 。先发布局 企业 试错经验丰富，面对“定制化”需求响应速度和产品质量都更有保证。 投资建议 政策成本交替推动下 FCV 开启放量， 推荐 亿华通、 美锦能源 、雄韬股份、东岳集团、道氏技术。 代码 公司 股价 (元 ) 市值 (亿元 ) EPS（元） PE 2020E 2021E 2022E 2020E 2021E 2022E 688339 亿华通 240.0 169 3.61 4.36 67 55 000723 美锦能源 7.1 291 0.21 0.49 0.53 34 15 14 002733 雄韬股份 19.5 75 0.22 0.42 0.46 89 47 42 0189.HK 东岳集团 4.0 85 0.40 0.36 0.48 8 10 7 300409 道氏技术 14.2 65 0.28 0.60 0.99 51 24 14 风险提示 ： 政策风险、技术风险、市场竞争风险、 基础设施建设不及预期。 3827414244584773508854035719191202200302200602200902国金行业 沪深 3002020年 11 月 30日 新兴产业中心 燃料电池产业链系列报告十二 ) 行业深度研究 证券研究报告 燃料电池产业链系列报告十二 - 2 - 敬请参阅最后一页特别声明 内容目录 一、背景：政策、成本推动下， FCV 开启放量降本 . 4 1. 车辆电动化大势所趋，燃料电池为商用车电动化的优选方案 . 4 2. 政策、成本交替推动下，产业分两阶段实现快速成长 . 4 二、需求：燃料电 池技术成本中枢， 2030 年市场规模 350 亿 . 7 1. 膜电极是燃料电池的核心部件，在燃料电池成本占比超 30% . 7 2. 需求：整车放量拉动膜电极需求， 2030 年市场规模将接近 350 亿元 . 8 三、技术：耐久性 >功率密度 >成本 . 10 1. 质子交换膜：海外企业供应为 主，突破点在于超薄兼顾高耐久性 . 10 2. 催化剂：低铂载 &高性能 &高耐久性仍是技术难点 . 11 3. 气体扩散层：海外企业把控碳纤维核心技术，碳纸进口为主 . 14 4. 制备工艺： CCM 是主流，第三代有序化膜电极是未来方向 . 15 四、国产 化：膜电极达到商用标准，国产化推进带动成本下行 . 17 1. 国产膜电极初步满足商用标准，国产规模化带动成本下行 . 17 2. 原材料仍主要依赖进口，国产化逐步推进 . 17 五、相关企业：初期一体化占优，远期第三方或是主流 . 19 六、风险提示 . 21 图表目录 图表 1： 2017-2019 年重卡销量及市场占比 . 4 图表 2： 2019 年重卡颗粒物、 NOx 排放占比 . 4 图表 3： 氢燃料电池汽车分阶段进入平价时代 . 4 图表 4： 2020 年 FCV、 ICEV 全周期经济性对比（万元） . 5 图表 5： 2020-2025 燃料电池系统降本曲线（元 /W） . 6 图表 6： 2020-2025 49t 燃料电池重卡降本趋势（万元） . 6 图表 7： 燃料电池动力系统构成 . 7 图表 8： PEMFC 工作原理 . 7 图表 9： 49t 燃料电池重卡 成本构成 . 8 图表 10：燃料电池系统成本构成 . 8 图表 11： 2021-2030 年国内 FCV 产量规模预测（万辆） . 8 图表 12： 2021-2030 年国内膜电极市场规模预测（亿元） . 9 图表 13：我国膜电极性能参数与目标 . 10 图表 14：质子交换膜性能决定电池性能、寿命 . 10 图表 15：质子交换膜技术方案 . 11 图表 16：全氟磺酸质子交换膜几乎都是以 Nafion 结构为基础 . 11 图表 17：目前最好的催化剂仍是 Pt 和 Pt 基催化剂 . 12 图表 18：铂载量下降，极化曲线在高电流密度急剧下降 . 12 图表 19：质量比活性、归一化电化活性面积水随循环次数下降 . 12 燃料电池产业链系列报告十二 - 3 - 敬请参阅最后一页特别声明 图表 20：显微镜下的催化剂降解 . 12 图表 21：催化剂主要研究方向 . 12 图表 22： Pt 核壳催化剂制备过程 . 13 图表 23： Pt 核壳催化剂性能更佳 . 13 图表 24： Pt3Ni 纳米结构催化剂形成过程 . 13 图表 25： Pt/SnC 纳米线 /Carbon paper 复合物 . 13 图表 26： 低铂载膜电极技术不断突破，有助于加快燃料电池产业化进程 . 14 图表 27：理想的气体扩散层需要具备高导电性、多孔性、适当的亲水 /憎水平衡、高化学稳定性热稳定性 . 14 图表 28： 电子显微镜下的炭布（正面 /剖面） . 15 图表 29：电子显微镜下的碳纸（正面 /剖面），结构更加均匀 . 15 图表 30：膜电极生产工艺 . 15 图表 31： CCM 法的贴花工艺 . 16 图表 32：溅射技术 . 16 图表 33：以反蛋白石结构材料为催化层的膜电极结构 . 16 图表 34：反蛋白石结构材料为催化层 . 16 图表 35： 国内膜电极产能布局 . 17 图表 36： MEA 降本曲线（元 /W） . 17 图表 37：东岳集团质子交换膜性能达标 . 18 燃料电池产业链系列报告十二 - 4 - 敬请参阅最后一页特别声明 一、 背景：政策 、 成本推动下 ， FCV 开启放量 降本 1. 车辆电动化大势所趋 ，燃料电池为商用车电动化的优选方案 电动化趋势下锂电技术路线率先突围，尤其带动了乘用车的电动化浪潮。相较之下，重载运输领域的电动化进程却略显缓慢。从市场规模看， 2019年国内重卡销量 117 万辆，远不及乘用市场庞大， 但其能源消耗大，污染严重，电动化意义不亚于乘用车。 2019 年国内汽车销量 2577 万辆，其中重卡仅 117 万，占比不足 5%。从保有量看，截止 2020 年上半年国内汽车保有量 2.7 亿辆，其中载货汽车不足 3000 万辆，远不及乘用车等载客车辆。然而重卡等货运车型负荷重，运营时间长，燃油消耗量大，对推动节能环保意义重大。 图表 1： 2017-2019 年重卡销量及市场占比 图表 2： 2019 年重卡颗粒物、 NOx 排放占比 来源：中汽协、国金证券研究所 来源：生态环境部、国金证券研究所 FCV 在重载 、 长续航领域优势明显 ，加氢更为便捷，成为商用车电动化的优选。 商用场景下 随续航里程增长，锂电车辆电池质量占比快速提升，造成车辆运载能力下降。相较锂电，燃料电池能量密度更高，相同续航里程下， FCV 在自重方面的优势将增加有效荷载。除此之外， FCV 能够在 10-15min 内完成氢气加注，而 对纯电车型， 快充桩充电时长 仍需 1 小时上下 ，慢充近十小时 。由于商用运营强度更高， FCV 成为其 电动化的 优选方案 。 2. 政策、成本交替推动下，产业分两阶段实现快速成长 图表 3： 氢燃料电池汽车分阶段进入平价时代 来源：国金证券研究所 112 115 1173.4%3.6%3.8%4.0%4.2%4.4%4.6%4.8%05001000150020002500300035002017 2018 2019重卡销量 汽车销量 重卡占比重型货车 , 52%PM排放分担率重型货车 , 74%NOX排放分担率燃料电池产业链系列报告十二 - 5 - 敬请参阅最后一页特别声明 第一阶段：政策补贴阶段（ 2020-2024）： 2020 年 9 月，财政部 等五部委发布 关于开展燃料电池汽车示范应用的通知 ， 暂定 4 年示范期，采取 以奖代补、 城市群 申报的扶持方案 ， 推动 FCV 产业化进程。方案 契合燃料电池技术特征和国内产业现状 ，据补贴方案内容 ，测算在政策落地后的 4 年补贴期间， FCV 全周期成本可以持平或低于燃油车，调动下游整车运营方的积极性，市场化需求逐步形成带动产销放量。补贴阶段政策是主要推动，产业链国产化进程持续推进 ，补贴期末 FCV 产销规模达到十万辆上下，市场规模千亿，燃料电池系统成本降至 2 元 /W 附近，商用车为主要放量车型 。 图表 4： 2020 年 FCV、 ICEV 全周期经济性对比 （万元） 来源： Hyundai、北汽奔驰、国金证券研究所 第二阶段：后补贴阶段（ 2025 年以后）： 补贴阶段 FCV 产销量将迅速扩张 ，产业降本驱动力由“国产化”为主向“国产化 +规模化”双重驱动转变，燃料电池核心部件、氢气成本将快速下降。预计 2025 年前后，在国内氢气资源优势地区，燃料电池整车有望实现全生命周期成本持平甚至低于燃油车，届时成本成为产业发展的主要推动，氢燃料电池产业将更加趋于市场化，加速在重卡等商用车领域的替代进程，并向乘用车拓展， 2030 年前后整车市场规模达到百万辆，市场规模达到万亿，系统成本降至 1 元 /W 以下。 平价阶段： 远期氢燃料电池系统成本将持续下降，除车用外将逐步打开轨交、船舶、储能、发电等应用市场，进入平价阶段。 系统成本及氢气价格是决定 FCV 经济性的关键因素。 FCV 前期主要在商用领域推广，包含购置成本及营运费用的全生命周期成本成为衡量 FCV 经济性的有效指标。目前系统占整车成本达到 60%以上，而运营阶段费用构成以氢气为主，因此系统单价及氢气售价是影响 FCV 全生命周期经济性的主要因素。 系统 降本由“国产化”主导向“国产化 +规模化”驱动转变。 20172019年国内 FCV 产销量 快速增长 但 整体规模尚小 ，核心 部件 国产化为降本主要贡献。政策引导下未来 4 年 FCV 产销将由千辆向万辆、十万辆跨越，同时大功率重卡趋势下，系统装机量增速超过整车产销量， 规模化、国产化共同推动系统等部件成本下行。预计未来 5 燃料电池系统成本再降 60%至 2元 /W 合理可期，届时 100kW 系统售价做到约 20 万元， 49t 燃料电池重卡售价由目前 140150 万降至 60 万元上下。 050100150200250300350FCV ICEV实际购置成本 运营成本燃料电池产业链系列报告十二 - 6 - 敬请参阅最后一页特别声明 图表 5： 2020-2025 燃料电池系统降本曲线（元 /W） 图表 6： 2020-2025 49t 燃料电池重卡降本趋势（万元） 来源：国金证券研究所 来源：国金证券研究所 氢气成本随用量下行。 氢气成本主要由制氢成本、运氢成本、加氢站固定成本三大成本构成 。从制氢环节看，虽然目前国内东部沿海地区副产氢资源充足，但受限 FCV 整体用氢规模尚小，大部分副产氢资源并未形成规模化供应，造成氢气终端售价偏高。从储运加氢环节看，供氢设备利用率越高则分摊至每公斤氢气的投资、费用越低。 FCV 放量拉动氢气需求，氢气售价将逐步下调。 政策扶持下 FCV 快速放量，预计 2025 年国内氢气年消耗量将接近 150 万 吨 。 燃料电池氢气用量大幅提升，推动各地具备副产氢资源的企业逐步构建完整的供氢方案，保障供氢体系高效运转，氢气售价将持续下行。 0.01.02.03.04.05.06.07.02020 2021E 2022E 2023E 2024E 2025E0501001502002503002018 2019 2020 2021E 2022E 2023E 2024E 2025E其他电池车载储氢系统系统燃料电池产业链系列报告十二 - 7 - 敬请参阅最后一页特别声明 二、 需求 ： 燃料电池技术成本中枢 ， 2030 年市场规模 350 亿 1. 膜电极是 燃料电池的核心部件 ，在燃料电池成本占比超 30% 燃料电池 主要包括电堆、氢气系统，其中电堆以膜电极（ MEA）、双极板为主。 氢气系统以空压机、增湿器、氢循环泵、高压氢瓶为主。 图表 7： 燃料电池动力系统构成 来源：国金证券研究所 MEA 是燃料电池 的技术和成本中枢 。 MEA 是燃料电池 发生电化学反应的场所，为反应气体、尾气和液态水的进出提供通道，主要由催化剂、质子交换膜、气体扩散层构成。 氢气通过阳极气体扩散层扩散至阳极催化层，在阳极催化层的作用下生成氢离子和电子，电子由催化剂中的导电物质传递到阳极气体扩散层向外电路传递，质子（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 通过阴极催化剂扩散至阴极气体扩散层。理想的 MEA 需要良好的气体扩散能力、液态水管理能力、质子传导能力 。 图表 8： PEMFC 工作原理 来源： DOE、国金证券研究所 从成本构成来看，膜电极占燃料电池成本大头。 FCV 主要成本构成包括燃料电池系统、车载供氢系统、动力电池、车架等其他传统车辆部件 。其中燃料电池产业链系列报告十二 - 8 - 敬请参阅最后一页特别声明 系统为 FCV 的核心部件，在整车成本占比超 60%。系统包含电堆、空压机、氢循环泵等，其中膜电极作为电堆核心部件，在整个系统成本占比约30%。 图表 9： 49t 燃料电池重卡 成本构成 图表 10：燃料电池系统成本构成 来源：国金证券研究所（注：系统占比随装机功率变化） 来源：国金证券研究所（注：规模化生产后） 2. 需求： 整车放量拉动膜电极需求， 2030 年市场规模 将 接近 350 亿元 FCV 市场开启放量， 2030 年有望达到百万产销 。 政策正式落地将 加速 国内 FCV 产销， 2025 年国内 FCV 产销量有望突破十万辆 。规模化、国产化推动下，燃料电池成本将快速下降，补贴期末 FCV 将在部分地区实现无补贴条件下对标燃油车平价，经济性优势驱动下， FCV 将持续放量， 2030 年产销规模达到百万 。 图表 11： 2021-2030 年 国内 FCV 产量规模预测 （万辆） 来源：国金证券研究所 2030 年 膜电极 需求 接近 千 万平 米 ，对应市场规模 超 350 亿元。 假设 2021、2025、 2030 年燃料电池车需求达 1.5 辆 、 10 万辆、 100 万辆 ， 考虑燃料电池重卡放量 ， 单车系统额定容量将由此前 30kW 为主逐步提升至 100kW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 接近 1 千万平米 ，对应 2030 年市场规模 在 350 亿 元 上下 。 系统锂 电池车载储氢其他电堆 -膜电极电堆 -极板等电堆 -其他加湿器空压机氢泵DCDC其他燃料电池产业链系列报告十二 - 9 - 敬请参阅最后一页特别声明 图表 12： 2021-2030 年国内 膜电极市场规模 预测（亿元） 来源： 国金证券研究所 0501001502002503003504002021E 2025E 2030E燃料电池产业链系列报告十二 - 10 - 敬请参阅最后一页特别声明 三、 技术：耐久性 >功率密度 >成本 从技术本身看： 膜电极行业技术壁垒高，率先实现技术突破的企业有望脱颖而出。 2016 年 10 月，汽车工程 学 会发布节能与新能源汽车技术路线图， 提出了 MEA 各项核心参数的规划路线，逐步实现 高性能、高可靠性、低成本 。 目前国内膜电极性能、成本 基本达到 2020 年规划参数，但 与最终目标尚有一定差距，考虑行业技术壁垒较高，未来率先实现技术突破的企业有望在行业内脱颖而出。 图表 13：我国膜电极性能参数与目标 指标 单位 2015 2020E 2025E 2030E 膜电极 电极功率密度 W/cm2 0.7 1 1.2 1.5 Pt 用量 g/KW 0.4 0.3 0.2 0.125 催化剂 质量比活性（ Pt， 0.9V） mA/mg 300 440 480 570 活性比表面积（ Pt） m2/g 65 65 80 80 动电位扫描活性衰减率 （ 0.6V1.0V， Vs.RHE， 50mV/s） % 20 (3000 次） 40 (3 万次） 40 (3 万次） 40 (3 万次） 1.2V 恒电位运行后活性衰减率 % 20 （ 100h） 40 (400h） 40 (400h） 40 (400h） 质子交换膜 质子电导率 S/cm 0.05 0.08 0.1 0.1 机械强度 Mpa 35 40 45 50 渗氢电流 mA/cm2 2.5 2 1.5 1.5 机械稳定性 （ 20000 次干湿循环，渗氢电流） mA/cm2 >10 10 <10 <10 <10 碳纸 电阻率 m·cm 1.5 1 0.8 0.5 透气率 ml·mm/cm2·h·mmH20 1500 2000 2500 3000 抗拉强度 N/cm 30 50 60 60 耐蚀性（ 24h、 80 、 1.4V，0.5mol/LH2SO4+5*10-6HF) 电阻率增量 m·cm 1.5 1 0.8 0.5 湿润角增量 ° 50 30 20 15 来源：节能与新能源汽车技术路线图 、国金证券研究所 1. 质子交换膜： 海外企业供应为主 ，突破点在于超薄兼顾高耐久性 质子交换膜性能决定电池性能、寿命。 质子交换膜在燃料电池的主要功能是实现质子快速传导，同时也阻隔氢气氧气 和氮气 在 阴阳极间的渗透 。质子交换膜性能的好坏直接决定着燃料电池的性能和使用寿命。理想的质子交换膜需要具备高质子传导率，低电子导电率，气体渗透性低，化学、电化学、热稳定性好。 图表 14：质子交换膜性能决定电池性能、寿命 质子交换膜性能 电池性能 /寿命 高质子传导率 提高输出功率密度，电池效率 低电子导电率 使电子都从外电路通过，提高电池效率 气体渗透性低 阻隔燃料和氧气的互串 化学、电化学、热稳定性好 不发生化学降解，提高电池寿命 机械性能、尺寸稳定性 溶胀率低，提高电池寿命 来源：燃料电池原理 ·关键材料和技术 、国金证券研究所