發布時間：2019年5月28日
摘要：
電堆是燃料電池的電能來源，也是燃料電池中最為關鍵的部分，成本占比高達62%。國內能夠獨立自主開發電堆并經過多年實際應用考驗的只有大連新源動力和上海神力兩家企業。從各個材料環節來看，國產膜電極性能與國際水平接近，但專業特性上與國際水平還有一定差距，武漢理工新能源有限公司已實現了商業化生產并出口美國。中國新型催化劑其中一部分在性能和穩定性上已經超過商業催化劑，但尚未實現量產制備。質子交換膜國內具備量產能力但批量生產線還有待進一步建設。氣體擴散層和雙極板國內技術條件相對成熟，需提高規模化生產能力。
正文：
1. 自主研發和海外引進雙輪驅動
1.1 燃料電池產業鏈的關鍵——電堆
在燃料電池產業鏈中，電堆是處于中游核心環節。催化劑、質子交換膜、氣體擴散層組成膜電極和雙極板構成電堆的上游，電堆與空壓機、儲氫瓶系統、氫氣循環泵等其它組件構成燃料電池動力系統，下游應用對應交通領域和備用電源領域，主要是客車、轎車、叉車、固定式電源和便攜式電源等。
電堆是燃料電池最關鍵部件，由多個單體電池以串聯方式層疊組合構成。將雙極板與膜電極交替疊合，各單體之間嵌入密封件，經前、后端板壓緊后用螺桿緊固拴牢，即構成燃料電池電堆。電堆工作時，氫氣和氧氣分別由進口引入，經電堆氣體主通道分配至各單電池的雙極板，經雙極板導流均勻分配至電極，通過電極支撐體與催化劑接觸進行電化學反應。組成電堆的單體電池主要由雙極板和膜電極組成。膜電極包含了質子交換膜、催化劑和氣體擴散層。
863計劃推動燃料電池電堆體系建立。我國早在2001年就通過國家科技部863電動汽車重大專項設立課題，以在燃料電池、燃料電池發動機以及整車系統方面形成一套擁有自主知識產權的核心技術。經過863計劃，我國初步掌握了燃料電池關鍵材料、部件及電堆的部分關鍵技術，基本建立了具有自主知識產權的車用燃料電池技術平臺。
國家“新能源汽車”重點專項實現電堆技術難題突破。2016年，國家重點研發計劃“ 新能源汽車”重點專項“燃料電池基礎材料與過程機理研究”項目在大連啟動。2018年，中國科學院大連化學物理研究所在經過壽命測試和整車應用驗證后，研發的HYMOD-300 型車用燃料電池模塊成為中國首例自主研發，耐久性超越 5000 小時的燃料電池產品。此次研發的 HYMOD-300 型燃料電池電堆模塊突破了多項技術難關，產品實現了電堆在-10℃環境下的低溫啟動，以及在-40℃下的儲存。
1.2 國內企業自主研發和海外引進并舉
目前國內燃料電池電堆正在逐漸起步，電堆及產業鏈企業數量逐漸增長，產能量級快速提升。目前國內電堆廠商主要有兩類：（1）自主研發，以新源動力和神力科技為代表；（2）引進國外成熟電堆技術，以廣東國鴻為代表。
新源動力涵蓋了燃料電池質子交換膜等各個環節，技術水平國內領先。新源動力在國內率先實現了燃料電池實驗室科研成果向現實生產力的轉化，燃料電池中試基地，生產、測試裝備齊全，已實現燃料電池關鍵材料及關鍵部件、電堆組裝的小批量生產。新源動力江蘇子公司將建成可年產5500KW燃料電池堆用關鍵部件的批量生產線，成為我國第一個燃料電池材料及部件的產業化生產基地。上海子公司將成為新源動力的系統集成、總成生產與技術服務中心。第十五屆東京燃料電池展覽會上，中國燃料電池廠商新源動力全球首次發布最新一代燃料電池電堆模塊HYMOD?-70。新產品系新源動力研發的第三代金屬雙極板質子交換膜燃料電池，單堆功率85kW，電堆體積功率密度突破3.3kW/L，具備良好的低溫適應性，可在-30 ℃啟動/-40℃存儲，適用于乘用車和商用車，已獲多家主機廠小批量訂單。
上海神力科技有限公司是國家科技部重點培育、上海市政府重點支持的民營新能源高科技企業。公司承擔并完成國家“九·五”重點攻關計劃、“十·五”863及“十一·五”863重大攻關計劃燃料電池發動機課題，擁有完全自主知識產權的燃料電池技術。公司自主開發的C290－30燃料電池模塊通過國家強制檢測認證，達到國內領先水平。
廣東國鴻氫能科技有限公司是在廣東省委、省政府大力支持下和佛山、云浮兩市政府直接領導下，于2015年6月成立的一家以氫燃料電池為核心產品的高科技企業，是國內最早介入燃料電池新能源汽車開發的企業。2017年6月30日廣東國鴻氫能科技有限公司在廣東云浮市建成投產了全球最大的商用燃料電池 9SSL 電堆生產線，并成功調試出全球首條燃料電池電堆全自動生產線。2017年全年生產了 9SSL電堆 2000 多個，每個電堆功率15KW，采用石墨柔性雙極板。截至目前，公司已成為國內燃料電池領域的龍頭企業。公司主要產品9SSL燃料電池電堆和HD85、MD30、MP30車用燃料電池模塊，市場主要集中在國內，目前公司的海外市場正在規劃當中。
公司與加拿大巴拉德動力有限公司以及上海重塑能源科技有限公司合作成立合資控股公司，建成投產全球最大規模的商用燃料電池電堆生產線和燃料電池動力系統集成生產線，年產電堆可達2萬臺，動力系統5000套。公司在引進、消化和吸收加拿大巴拉德公司的電堆生產線技術和電堆組裝技術后，對產品進行了二次創新，首先是在保證電堆品質的條件下將電堆零部件逐步替換為國產零部件，其次是在掌握引進技術的基礎上開發了擁有自主知識產權的新一代燃料電池電堆，同時公司正在研發高比功率的燃料電池電堆。目前公司已申請專利43項，擁有授權專利9項。
2.海內外電堆發展現狀
2.1海外電堆發展模式存在一定差異
日韓車企多自主研發電堆，歐美車企同電堆企業合作。目前來看，日韓和歐美的整車廠采用不同的電堆策略。日韓廠商大多自行開發電堆，并不對外開放，例如豐田、本田、現代等。歐美廠商很多采用合作伙伴電堆來開發發動機，例如奧迪（采用加拿大巴拉德定制開發的電堆）和奔馳（采用奔馳與福田的合資公司AFCC的電堆）。
Ballard和Hydrogenics電堆產品已經過長期運營驗證。目前國外可以單獨供應車用燃料電池電堆的知名企業主要有加拿大的Ballard和Hydrogenics。歐洲和美國正在運營的燃料電池公交車絕大多數采用這兩家公司的石墨板電堆產品，已經經過了數千萬公里、數百萬小時的實車運營考驗，這兩家加拿大電堆企業都已經具備了一定產能，Ballard還與廣東國鴻設立了合資企業生產9SSL電堆。
2.2石墨板較為成熟，金屬板有待發展
石墨電堆目前主要用于石墨雙極板耐腐蝕性強、導電導熱性好，但氣密性欠佳、成本較高、加工時間長于金屬雙極板。得益于國家政策發展風向，在國內現已被大規模應用。石墨雙極板在技術層面及商業化層面都相對成熟，但如若繼續采用機械加工的方式，石墨雙極板的成本費用實難降低，不易實現大批量生產。若要降低成本，可從石墨材料進行優化，開發出性能更優、成本更低、可供模壓成型的碳基材料。
金屬雙極板功率高、成本低、耐抗壓，但抗腐蝕性差，成型工藝困難。金屬雙極板具有優異的導電、導熱性能、機械加工性、致密性，以及強度高、阻氣性好等優勢，可以為汽車應用提供良好的動力密度、低溫(－40℃)啟動保障，適合大批量低成本生產。考慮到車輛空間限制問題，金屬雙極板未來有望在乘用車實現大規模應用。
石墨雙極板國內具備量產能力，金屬雙極板國內尚處于試制階段。石墨基雙極板的主流供應商有美國POCO、美國SHF等。石墨雙極板已實現國產化，國產廠商主要有上海神力、上海弘楓等公司。上海弘楓產品已經實現出口海外。目前國外金屬雙極板主要供應商有瑞典Cellimpact、德國Dana、德國Grabener、美國treadstone等。國內還處于研發試制階段，上海佑戈、上海治臻新能源、新源動力等企業研制出車用燃料電池金屬雙極板，并嘗試在電堆和整車中實際應用。上海治臻新能源裝備有限公司依托于上海交通大學的技術力量，已經攻克了雙極板成型、焊接、涂層三道技術難關，可以實現雙極板國產化、批量化生產，設計年產量可達50萬副，至少可供1500輛以上FCV使用。
2.3膜電極具備一定國產能力
膜電極是電堆的核心。膜電極組件由質子交換膜、催化劑和氣體擴散層（氣體擴散層）組成。國外膜電極的供應商主要有3M、Johnson Matthey、Gored等。豐田、本田等乘用車企業自主開發了膜電極，但不對外銷售。國產膜電極性能與國際水平接近，但在鉑載量、啟停、冷啟動、抗反極等方面與國際水平還有一定差距，目前武漢理工新能源有限公司已實現了商業化生產，產能已經達到5000平米，大連新源也自主生產膜電極，主要是自用為上汽的發動機配套。
2.4全氟磺酸膜是主流交換膜
從膜的結構來看，PEM大致可分為三大類：磺化聚合物膜，復合膜，無機酸摻雜膜。目前研究的PEM材料主要是磺化聚合物電解質，按照聚合物的含氟量可分為全氟磺酸質子交換膜、部分氟化質子交換膜以及非氟質子交換膜等。目前車用質子交換膜逐漸趨于薄型化，由幾十微米降低到十幾微米，降低質子傳遞的歐姆極化，以達到較高的性能。但是薄膜的使用給耐久性帶來了挑戰，尤其是均質膜在長時間運行會出現機械損傷與化學降解，在車輛工況下，操作壓力、干濕度、溫度等操作條件的動態變化會加劇這種衰減。
迄今最常用的質子交換膜(PEMFC)仍然是美國杜邦公司的Nafion®膜，具有質子電導率高和化學穩定性好的優點，目前PEMFC大多采用Nafion®等全氟磺酸膜。
質子交換膜國產進程處于提速階段。質子交換膜是膜電極中最核心的部件之一。質子交換膜必須具有較高的質子導電性、必須有足夠低的氣體滲透率、在運行環境下具有足夠的化學和機械穩定性等三個主要的技術要求，還應有低廉的價格。
國內山東東岳集團在質子交換膜領域處于領先地位。以東岳的 DF260隔膜為例，膜厚度為 15微米，在開路電位情況下耐久性大于600小時，膜在保證性能的前提下運行壽命超過6000小時，干濕循環次數超過20000次，得到 AFCC（Automotive Fuel Cell Cooperation，戴姆勒-奔馳與福特的合資公司）的認可。目前，該膜已經定型量產，二代規劃產能20萬平方米，至少可滿足每年20000輛全功率型FCV的需求。
2.5催化劑朝著低鉑和新型催化劑方向發展
催化劑以Pt（鉑）催化劑為主，低Pt催化劑是燃料電池的主要技術方向，目前燃料電池中常用催化劑是Pt/C，即由Pt的納米顆粒分散到碳粉（如XC-72）載體上的擔載型催化劑，目標是使FCV的鉑用量低于傳統汽車三元催化中鉑的用量的，而制備殼型結構的催化劑是降低催化劑用量的一個有效的方法。
催化劑海外企業領先，國內正起步。海外企業處于領先地位，已經能夠實現批量化生產。其中英國 JohnsonMatthey和日本田中（本田燃料電池車Clarity 催化劑供應商）是全球鉑催化劑的巨頭。國內企業尚處于研究階段。（1）貴研鉑業；主營汽車尾氣鉑催化劑，和上汽共同研發燃料電池催化劑；（2）研究機構，大連化物所、新源動力等，中國科學院大連化學物理研究所制備的 Pd@Pt/C 核殼催化劑，其氧還原活性與穩定性表現優異。雖然中國新型催化劑，其中一部分在性能和穩定性上已經超過商業催化劑，但尚未實現量產制備。
催化劑發展趨勢為低鉑和新型替代。目前Pt用量已從10年前0.8~1.0g/kw降至現在國內的0.1~0.3g/kw，未來有希望進一步降低，目標2020年燃料電池電堆的Pt用量降至0.1 g/kw左右。Pt催化劑除了受成本與資源制約外，也存在穩定性問題，通過燃料電池衰減機理分析可知，燃料電池在車輛運行工況下，催化劑會發生衰減，如在動電位作用下會發生Pt納米顆粒的團聚、遷移、流失，在開路、怠速及啟停過程產生氫空界面引起的高電位導致催化劑碳載體的腐蝕，從而引起催化劑流失。因此，針對目前商用催化劑存在的成本與耐久性問題。研究新型高穩定、高活性的低Pt或非Pt催化劑是未來發展方向。
2.6擴散層技術相對成熟
燃料電池電堆的擴散層一般可以分為兩層，包括擴散層基底（BL）和覆蓋在其上的微孔層（MPL）。BL由碳紙或碳布構成。擴散層基底與流場相接觸，起到收集電流，并支撐微孔層和催化層的作用。BL也是MEA中的彈性部件，使電池在組裝過程中保證各個部件緊密接觸的同時不會產生過大的應力。MPL一般由碳粉和聚四氟乙烯（PTFE）聚合物組成。MPL與催化層相接觸，增強擴散層與催化層的緊密接觸，使電子傳導順暢，而且MPL可以阻擋催化層中的催化劑滲透到擴散層基底，避免催化劑的失效、浪費。
國內氣體擴散層領域國內產業化有待進步。主要原因是氣體擴散層的石墨化工序需要2000℃以上的高溫，但高溫爐技術尚未掌握。目前燃料電池生產商多采用日本東麗、加拿大Ballard、德國SGL等廠商的碳紙產品。東麗占據較大的市場份額，我國對碳紙的研發主要集中于中南大學、武漢理工大學等高校，國內江蘇天鳥具備優秀的碳纖維織物的生產能力，但由于燃料電池市場太小，尚無量產計劃。
3.電堆降本途徑多樣
3.1電堆占燃料電池成本比重最高
電堆成本占比62%，仍有較大下降空間。燃料電池系統的關鍵成本在電堆和輔助系統2個部分。在產業化的背景下，電堆和輔助系統零部件的成本均會下降。但在當前國內尚未達到產業化批量化生產、供應鏈體系尚未成熟、系統相關的法規標準尚未完善的背景下，上述系統成本依然會維持高價。電堆成本結構中催化劑和雙極板的成本占比較高，分別達到36%以及23%。催化劑通過技術進步降低鉑含量降低成本。
3.2燃料電池成本下降是必然趨勢
根據美國能源部（DOE）的測算，以80kW質子交換膜燃料電池為例，在大規模生產條件假設下，燃料電池的生產成本從在2010年以前大幅下降，從2011年開始較為穩定地維持在50美元/kW以上的水平，同時美國目標在2020年將燃料電池成本降低到40美元/kW，并最終達到35美元/kW。目前質子交換膜燃料電池實際成本在1000-2000美元/kW左右，據估計，汽車廠商制造燃料電池堆的價格約在50000到100000美元之間。
從現有的技術與市場出發，未來燃料電池成本的降低可以從兩個方面入手：一是技術進步和制造工藝提升；二是規模化效應降低攤銷成本。原材料價格昂貴或工藝不完善的部件，例如催化劑、質子交換膜、雙極板等可以通過優化制造材料改進制備工藝的方式降低成本，現有技術已經較完善的部件可通過規模化生產的效應有效建立成本優勢。
降低鉑含量主要是降本需求，新型催化劑有助于改善中毒情況。從實際車型中降本來看，當前豐田在其Mirai車型中鉑含量為20g/輛，比上一代Mirai降低了90%的用量，整車成本較之2008年豐田FCHV-adv降低了95%。鉑催化劑在燃料電池系統啟停期間也是發生鉑溶解現象，加速燃料電池衰減。使用非鉑催化劑可以避免復雜的MEA加工過程、催化劑中毒現象，由于鉑催化劑提供反應活性位點促進氫氣和氧氣的電化學反應，一氧化碳和其他雜質氣體極易吸附在催化劑表面，降低反應活性面積，從而影響電堆效率和穩定性。
膜電極是燃料電池發生電化學反應產生電能的關鍵部件，膜電極技術從最初的熱壓法到CCM法一直到最新的有序化膜電極技術，其生產成本持續下降，3M推出的有序化膜電極已經把成本降到5美元/kW，預計未來可通過材料優化，開發低成本量產工藝，進一步降低制造成本。
質子交換膜方面，目前國內雖然已有部分企業能生產全氟磺酸膜，但市場仍然被進口產品牢牢掌握，目前主流的供應商是最早開發應用全氟磺酸膜的美國杜邦公司。杜邦膜價格按乘用車用量計算相當于120美元/kW，按上汽榮威950FuelCell搭載的30kW燃料電池計算，其質子交換膜成本在25000元人民幣以上。依靠國產化技術探索，開發新型制備工藝是目前降低質子交換膜成本的必由之路。
氣體擴散層是目前燃料電池堆各部件中技術條件最成熟，商業化利用潛力最好的產品，未來通過在國內建立批量化的生產設備，開發標準化平臺化的產品，降低開發生產成本，可以大幅降低燃料電池中擴散層的制造成本。
3.3 電堆產業鏈初步形成
國內燃料電池電堆產業鏈初成雛形，上游廠商齊全，膜電極、質子交換膜和雙極板具備國產化能力，氣體擴散層有小批量供應，催化劑具備研發能力。
燃料電池產業下游需求有充分保障。全國以富氫優勢、棄電較多或者產業領先為代表的地區重視燃料電池發展，多地市興建氫能產業園區，氫能小鎮和產業集群等，推動燃料電池公交、物流車示范運營，截至目前超過20省市明確推動氫燃料電池產業發展。
2019年3月15日，科技部高技術研究發展中心發布《關于國家重點研發計劃“可再生能源與氫能技術”重點專項2018年度項目安排公示的通知》。據重點專項公示通知，2018年擬立項的項目共有31個，其中有9項涉及氫能和燃料電池。這說明未來燃料電池的市場空間是開闊的，相應帶動電堆行業的發展。
乘用車領域仍處于驗證階段。國內在燃料電池乘用車方面，投入研發的主要企業是上汽集團，已完成前后四代氫燃料電池轎車的開發。在國家創新工程支持下，上汽氫燃料電池轎車在動力性、續駛里程等性能指標方面取得了重大進步，已累計實現81輛示范運行，部分車輛在2014年參加了上汽的“新能源汽車萬里行”全國巡游，歷經10000km 的實際路試，通過各種地形、海拔、環境氣溫的綜合考驗。
物流車已經開始逐步向企業滲透。物流快遞用戶對燃料電池物流車有極大興趣。目前京東、申通等企業已經開始采用燃料電池物流車運輸，該批車輛載重達3.5噸，配載3瓶組車載供氫系統，一次加氫時間5-10 分鐘，續航里程可達400公里。宜家、郵政、盒馬的物流供應商等多家知名物流企業也在考慮引進燃料電池車輛，未來燃料電池物流車將有較大發展空間，物流車的興起將進一步促進電堆行業的技術研發以及產業化的進程。
4.國內上市公司電堆情況梳理
4.1國內上市公司電堆產業發展情況
雖然國內燃料電池電堆技術水平不如國外，但在一系列新能源政策的刺激下,已經有了長足的發展。從發展的路徑來看，其一是通過控股股外國著名企業來引進技術,如濰柴動力控股加拿大巴拉德，成立濰柴巴拉德合資公司，引進技術。其次,是通過自己的獨立研發,如上汽集團，專門成立上汽大通全資子公司，自主掌握的“電池+電機+電控”三電核心技術。另外，又如洲際油氣，主營業務是石油服務,但是通過參股世能氫電，成為其大股東來進軍燃料電池產業。
5.投資建議
我們推薦產業布局合理的濰柴動力（參股巴拉德、弗爾賽等）、雄韜股份(布局膜電極、電堆、系統企業)。
6.風險提示
新建產能建設不及預期，電池價格與上游原材料價格波動風險，新能源補貼政策出現重大調整。
