1、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
2、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
3、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
4、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 qRtMpPrPpOnRoPsQnQsNnQ7NbP9PnPqQoMrRfQmNmOiNqQrQaQmNtPuOqQzRxNoPsP 燃料电池产业
5、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
6、（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、一、背景：政策背景：政策、成本推动下成本推动下，FCV 开启放量开
7、启放量降本降本 1. 车辆电动化大势所趋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，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
8、重，运营时间长，燃油消耗量大，对推动节能环 保意义重大。 图表图表1：2017-2019年重卡销量及市场占比年重卡销量及市场占比 图表图表2：2019年重卡颗粒物、年重卡颗粒物、NOx排放占比排放占比 来源：中汽协、 来源：生态环境部、 FCV 在重载在重载、长续航领域优势明显长续航领域优势明显，加氢更为便捷，成为商用车电动化的，加氢更为便捷，成为商用车电动化的 优选。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
9、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政策、成本交替推动下，产业分两阶段实现快速成长 图表图表3：氢燃料电池汽车分阶段进入平价时代氢燃料电池汽车分阶段进入平价时代 来源： 112115117 3.4% 3.6% 3.8% 4.0% 4.2% 4.4% 4.6% 4.8% 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 201720182019 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% NO
10、X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（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
11、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。 图表图表4：2020年年FCV、ICEV全周期经济性对比全周期经济性对比（万元）（万元） 来源：Hyundai、北汽奔驰、 第二阶段：后补贴阶段（第二阶段：后补贴阶段（2025 年以后） ：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
12、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：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系统成本及氢气价格是决定 FCV 经济性的关键因素。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
13、济性的 主要因素。 系统系统降本由“国产化”主导向“国产化降本由“国产化”主导向“国产化+规模化”驱动转变。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。 0 50 100 150 2
14、00 250 300 350 FCVICEV 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 图表图表5：2020-2025燃料电池系统降本曲线（元燃料电池系统降本曲线（元/W） 图表图表6：2020-2025 49t燃料电池重卡降本趋势（万元）燃料电池重卡降本趋势（万元） 来源： 来源： 氢气成本随用量下行。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
15、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。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。 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 20202021E2022E2023E2024E2025E 0 50 100 150 200 250 300 201820192020 2021E 2022E 2023E 20
16、24E 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、二、需求需求：燃料电池技术成本中枢燃料电池技术成本中枢，2030 年市场规模年市场规模 350 亿亿 1. 膜电极是膜电极是燃料电池的核心部件燃料电池的核心部件，在燃料电池成本占比超，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。 图表图表7：燃料电池动力系统构成燃料电池动力系统构成 来源： MEA 是燃料电池是燃料电池的技术和成本中枢的技术和成本中枢。MEA 是燃
17、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。 图表图表8：PEMFC工作原理工作原理 来源：DOE、
18、从成本构成来看，膜电极占燃料电池成本大头。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%。 图表图表9：49t燃料电池重卡燃料电池重卡成本构成成本构成 图表图表10：燃料电池系统成本构成：燃料电池系统成本构成 来源：（注：系统占比随装机功率变化） 来源：（注：规模化生产后） 2. 需求：需求：整车
19、放量拉动膜电极需求，整车放量拉动膜电极需求，2030 年市场规模年市场规模将将接近接近 350 亿元亿元 FCV 市场开启放量，市场开启放量，2030 年有望达到百万产销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。 图表图表11：2021-2030年年国内国内FCV产量规模预测产量规模预测（万辆）（万辆） 来源： 2030 年年膜电极膜电极需求需求接近
20、接近千千万平万平米米，对应市场规模，对应市场规模超超 350 亿元。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
21、 图表图表12：2021-2030年国内年国内膜电极市场规模膜电极市场规模预测（亿元）预测（亿元） 来源： 0 50 100 150 200 250 300 350 400 2021E2025E2030E 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、三、技术：耐久性技术：耐久性功率密度功率密度成本成本 从技术本身看：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。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
22、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。 图表图表13：我国膜电极性能参数与目标：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
23、.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 10 10 碳 纸 电阻率 mcm 1.5 1 0.8 0.5 透气率 mlmm/
24、cm2hmmH20 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 mcm 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 、 1. 质子交换膜：质子交换膜：海外企业供应为主海外企业供应为主，突破点在于超薄兼顾高耐久性，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
25、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 、 燃料电池产业链系列报告十二 - 11 - 敬请参阅最后一页特别声明
26、 全氟磺酸膜是主流质子交换膜全氟磺酸膜是主流质子交换膜。1）质子交换膜根据含氟情况进行分类主 要包括全氟磺酸膜、部分氟化聚合物质子交换膜、复合质子交换膜和非氟 化聚合物质子交换膜。2）其中由于全氟磺酸聚合物具有聚四氟乙烯结构， 其碳-氟键的键能高，使其力学性能、化学稳定性、热稳定性佳，使用寿命 远好于其他膜材料的使用寿命，同时由于分子支链上存在亲水性磺酸基团， 具有优秀的离子传导特性，全氟磺酸膜成为目前主流质子交换膜方案。 图表图表15：质子交换膜技术方案质子交换膜技术方案 类型 全氟磺酸膜 部分氟化质子交换膜 复合膜 组成 由碳氟主链和带有磺酸基团的醚支 链构成 用取代的氯化物代替氟树脂，或
27、 用氟化物与无机或其他非氟化物 共混 修饰材料和全氟磺酸树脂构成的 复合膜 优点 机械强度高、化学稳定性好 导电率较高，低温时电流密度大， 质子传导电阻小 成本低 工作效率较高 并且能够使电池寿命提升到 15000h 机械性能改善 改善膜内水传动与分布 降低质子交换膜内阻 缺点 温度升高使质子传导性能变差，易 发生化学降解 成本高 机械强度不足 氧溶解度低 制备技术要求较高 商业应用/ 研究 杜邦-Nafion 系列 旭化成-Aciplex 膜 氯工程-C 膜 Ballard-BAM 型膜 Ballard-BAM3G 膜 Gore-select，e-PTFE 基 增强膜 来源： 化学进展 、
28、图表图表16：全氟磺酸质子交换膜几乎都是以：全氟磺酸质子交换膜几乎都是以Nafion结构为基础结构为基础 来源： 研究聚焦于超薄型、高机械强度、高耐久性质子交换膜。研究聚焦于超薄型、高机械强度、高耐久性质子交换膜。降低质子交换膜 的厚度可以大幅提升膜电极性能，但可能造成其机械强度、耐久性降低。 目前质子交换膜的研究主要聚焦于超薄型、高机械强度、耐久性好。目前 国内主流膜电极厂商采用交换膜厚度在 15m 上下，丰田 Mirai 搭载质子 交换膜已降至 10m 以下。 2. 催化剂：低铂载催化剂：低铂载&高性能高性能&高耐久性仍是技术难点高耐久性仍是技术难点 阳极催化剂层和阴极催化剂层是膜电极最重
29、要的部分，阳极使用催化剂促 进氢氧化反应，涉及氧化反应、气体扩散、电子运动、质子运动、水的迁 移等多种过程；阴极使用催化剂促进氧还原反应，涉及氧气的还原、氧气 扩散、电子运动、质子运动、反应生成的水的排出等。良好的催化剂应该 具有良好的催化活性、高质子传导率、高电子传导率和良好的水管理能力、 气体扩散能力。 提高耐久性提高耐久性为当前关键，未来低铂载为研发方向为当前关键，未来低铂载为研发方向。1）燃料电池在车辆运行 工况下，催化剂性能会发生衰减，如在动电位作用下会发生 Pt 纳米颗粒的 团聚、迁移、流失，在开路、怠速及启停过程产生氢空界面引起的高电位 燃料电池产业链系列报告十二 - 12 -
30、敬请参阅最后一页特别声明 导致的催化剂碳载体的腐蚀，从而引起催化剂流失。2）目前最优催化剂仍 是 Pt 和 Pt 基催化剂,常用的商业催化剂为 Pt/C，由 Pt 纳米颗粒分散到碳 粉载体上的担载型催化剂。使用 Pt 催化剂将会受资源与成本的限制，目前 Pt 用量已从 10 年前 0.81.0gPt/kW 降至现在的 0.3gPt/kW 左右，未来有 希望进一步降低，使其催化剂用量达到传统内燃机尾气净化器贵金属用量 水平（0.05gPt/kW） 。 图表图表17：目前最好的催化剂仍是：目前最好的催化剂仍是Pt和和Pt基催化剂基催化剂 图表图表18：铂载量下降，极化曲线在高电流密度急剧下降：铂载
31、量下降，极化曲线在高电流密度急剧下降 来源：FC-PAD、 来源：FC-PAD、 图表图表19：质量比活性、归一化电化活性面积水随循环次：质量比活性、归一化电化活性面积水随循环次 数下降数下降 图表图表20：显微镜下的催化剂降解：显微镜下的催化剂降解 来源：FC-PAD、 来源：FC-PAD、 降低铂载的研究途径主要有二：降低铂载的研究途径主要有二：1）提高催化剂的催化活性来实现 Pt 用量 降低。主要研究方向包括：Pt 合金催化剂（利用过度金属催化剂提高其 稳定性、质量比活性，包括 Pt-Co/C、Pt-Fe/C、Pt-Ni/C 等二元合金催化 剂） ；Pt 单原子层催化剂（Pt 单原子层的
32、核壳结构， ） ；Pt 核壳催化剂 （以非 Pt 材料为支撑核、表面壳为贵金属，由金属合金通过化学或电化学 反应，去除活性较高的金属元素，保留活性较低的 Pt 元素。该方法降低 Pt 载量，提升催化剂活性） ；纳米结构 Pt 催化剂（以碳纳米管为催化剂载 体的催化剂，是高度有序的催化层，质子、电子、气体可以更快传输） 。2） 寻找替代 Pt 的催化剂，其研究主要包括过度金属原子簇合物、过渡金属氮 化物等。 图表图表21：催化剂主要研究方向：催化剂主要研究方向 定义 优点 举例 Pt-M 催化剂 Pt 与过渡金属合金催 化剂 通过过渡金属催化剂对 Pt 的电子与几何效应，在提 高稳定性的同时，质
33、量比活性也有所提高。同时降低 了贵金属的用量。 如 Pt-Co/C、Pt-Fe/C、Pt-Ni/C 等二元合金催化剂 燃料电池产业链系列报告十二 - 13 - 敬请参阅最后一页特别声明 定义 优点 举例 Pt 单原子层 催化剂 Pt 单原子层的核壳结 构催化剂 是一种有效降低 Pt 用量、提高 Pt 利用率，同时改善 催化剂的 ORR 性能的方式 采用欠电位沉积方法在金属（Au、Pd、Ir、Ru、Rh 等）或非 贵金属表面沉积一层 Cu 原子层，然后置换成致密的 Pt 单原子 层 Pt 核壳 催化剂 利用非 Pt 材料为支撑 核、表面贵金属为壳 的结构 可降低 Pt 用量，提高质量比活性，是下
34、一代催化剂 的发展方向之一 Pt-Pd-Co/C 单层核壳催化剂、Pt-Cu-Co/C 核壳催化剂、 PdPt/C 核壳催化剂 Pt 纳米管 电催化剂 有序碳层上的单晶 Pt 纳米线、规则 Pt 纳米 晶等 对氧化还原具有较高的比活性，且解决了关于碳载体 的耐久性问题，对于铂溶解和膜化学侵蚀的损耗更小 3M 纳米薄膜催化剂（NSTF） 非贵金属 催化剂 主要包括过渡金属原 子簇合物、过渡金属 螯合物、过渡金属氮 化物等 降低成本 如碳载氮协同铁电催化剂 Fe/N/C，在电压不小于 0.9 V 时，与 Pt 载量为 0.4 mg/cm2的 Gore 电极性能相当 来源：科技导报、 图表图表22：
35、 Pt核壳催化剂制备过程核壳催化剂制备过程 图表图表23： Pt核壳催化剂性能更佳核壳催化剂性能更佳 来源：Strem Chemicals、 来源：Strem Chemicals、 图表图表24： Pt3Ni纳米结构催化剂形成过程纳米结构催化剂形成过程 图表图表25： Pt/SnC纳米线纳米线/Carbon paper复合物复合物 来源：Strem Chemicals、 来源：Strem Chemicals、 学术上低铂载膜电极技术不断突破。学术上低铂载膜电极技术不断突破。如今，膜电极催化层中 Pt 载量已经由 常规的 0.2mg/cm2不断降低，进一步加快燃料电池产业化进程。 燃料电池产业链
36、系列报告十二 - 14 - 敬请参阅最后一页特别声明 图表图表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 技术 催化层 Pt 载量 溅射技术 阴极催化层 Pt 载量为 0. 05mg / cm2，相较于传统膜电极性能更佳 直接膜沉积技术 阴阳极催化层铂载量均为 0. 029 mg / cm2 喷墨印刷法 Pt 载量为 0. 026 mg /cm2 电喷涂 Pt 载量为 0. 01 mg / cm2，相较传统膜电极性能更高 来源： 3. 气体扩散层：气体扩散层：海外企业海外企业把控碳纤维核心技术把控碳纤维核心技术，碳纸进口为
37、主，碳纸进口为主 两片多孔气体扩散层（GDL）将膜电极组合体夹在中间，主要作用包括支 撑催化层、收集电流、传导气体和排出反应产物水。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、 低成本。 图表图表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：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憎水平衡、高化学稳定性热稳定性 气体扩散层性能 电池性能/寿命 高导电性 电子在双极板和催化层之间传递需要以气体扩散层为通道，且需要收集电流， 故要求 GDL 具有较低的电阻率。 高机械强度 为了使膜电极能够稳定安装
38、，故要求其具有较高的机械强度， 以稳定整个电极的结构， 提高电池寿命。 多孔性 气体扩散层是氢气和氧气及生成水的传递通道， 故要求其具有高的孔隙率和一定的孔径分布来保证均匀分布气 体和产物水顺利排出 适当的亲水/憎水平衡 防止过多的水分阻塞孔隙而导致气体透过性能下降 化学、电化学、热稳定性好 不发生化学降解，提高电池寿命 来源： 燃料电池原理 关键材料和技术 、 1）气体扩散层由支撑层和微孔层组成，支撑层材料主要为多孔的碳纤维纸、 碳纤维织布、碳纤维无纺布及碳黑纸，微孔层通常是由导电炭黑和憎水剂 构成。其中碳纤维纸具备制造工艺成熟、性能稳定、成本相对较低等优点， 成为支撑层的首选。而碳纤维布编
39、织（结构存在缺陷易变形） 、无纺布（工 艺复杂、强度和耐用性不达标） 、碳黑纸（脆性大、强度低）均有优化空间。 2）目前碳纤维的核心技术工艺主要被日本、美国几个少数发达国家把控， 由于其技术含量高、回报率高、政治敏感，海外长期对我国实行严格的技 术封锁，目前我国碳纤维技术与发达国家差距较大，我国已将碳纤维列为 重点支持的战略性新兴产业，在政策扶持下技术有望加速成熟。 燃料电池产业链系列报告十二 - 15 - 敬请参阅最后一页特别声明 图表图表28： 电子显微镜下的炭布（正面电子显微镜下的炭布（正面/剖面）剖面） 图表图表29：电子显微镜下的碳纸（正面：电子显微镜下的碳纸（正面/剖面） ，结构更
40、加剖面） ，结构更加 均匀均匀 来源：Strem Chemicals、 来源：Strem Chemicals、 4. 制备工艺：制备工艺：CCM 是主流，第三代有序化膜电极是未来方向是主流，第三代有序化膜电极是未来方向 产业上膜电极工艺经历了三代发展，大体上可以分为产业上膜电极工艺经历了三代发展，大体上可以分为 GDE、CCM 和有序和有序 化膜电极三种类型。化膜电极三种类型。 第一代制备技术 GDE（Gas Diffusion Electrode，气体扩散电极）法 是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。但是该技术会导致催化剂的浪费，同时催化 剂和质子交换膜结合程度不好导致膜电极整体性能不佳。 第二代制备技术 CCM（Catalyst Coated Membrane 催化剂直接涂抹 技术）法指将催化剂涂布在质子交换膜两侧，再通过热压法将气体扩 散层和附着催化层的质子交换膜结合在一起。CCM 工艺增加了催化剂 和质子交换膜
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