膜電極，一個(gè)把握氫燃料電池性能、壽命、成本的核心部件，正開(kāi)啟行業(yè)爆發(fā)期。

燃料電池的“心臟”歷經(jīng)三代革新CCM為主流

膜電極(MEA)被稱(chēng)為氫燃料電池的“心臟”，是多項(xiàng)物質(zhì)傳輸和電化學(xué)反應(yīng)的核心場(chǎng)所。

從結(jié)構(gòu)上看，燃料電池系統(tǒng)主要包括電堆、氫氣供給系統(tǒng)、空氣供給系統(tǒng)、水熱管理系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等。其中，燃料電池電堆是燃料電池系統(tǒng)的核心部件，由雙極板與膜電極交替疊合后以單電池串聯(lián)方式層疊組合，各單體之間嵌入密封件，經(jīng)前、后端板壓緊后用螺桿拴牢，構(gòu)成的復(fù)合組件，其研發(fā)和生產(chǎn)具備較高的技術(shù)壁壘。

而膜電極，則主要由催化劑、質(zhì)子交換膜、氣體擴(kuò)散層三部分組成，在相應(yīng)溫度和壓力下，熱壓成為三合一組件，其承擔(dān)了燃料電池全部電化學(xué)反應(yīng)，以及電子、質(zhì)子、氣體和水的傳導(dǎo)，決定了電堆性能、壽命和成本的上限，高性能、低鉑載量、低成本、長(zhǎng)壽命的膜電極對(duì)于加速氫燃料電池商業(yè)化進(jìn)程具有非常重要的意義。

據(jù)悉，膜電極技術(shù)共經(jīng)歷了三代革新，大體上可分為GDE熱壓法、CCM法和有序化膜電極三種類(lèi)型：

第一代熱壓法膜電極(GDE)，指將催化劑涂布在氣體擴(kuò)散層上，后用熱壓法將氣體擴(kuò)散電極和質(zhì)子交換膜結(jié)合在一起，該方法總體性能不高，目前已基本淘汰;

第二代CCM膜電極，指采用卷對(duì)卷直接涂布、絲網(wǎng)印刷、噴涂等方法直接將催化劑、磺酸樹(shù)脂和適當(dāng)分散劑組成的漿料涂布到質(zhì)子交換膜兩側(cè)，該方法提高了催化劑的利用率(小于0.4mg/cm2)與耐久性，目前商業(yè)化程度最高，已大批量生產(chǎn);

第三代有序化膜電極，指把Pt催化劑制備到有序化的納米結(jié)構(gòu)上，使電極呈有序化結(jié)構(gòu)，獲得堅(jiān)固、完整的催化層，該方法進(jìn)一步提高了燃料電池性能，降低催化劑鉑載量(≈0.1mg/cm2)，是目前膜電極制造研究的熱點(diǎn)，但仍處于研發(fā)試驗(yàn)階段，只有小部分公司實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，如3M。

政策助推燃料電池車(chē)起量 膜電極迎行業(yè)爆發(fā)期

作為上游核心部件的膜電極，其發(fā)展主要得益于下游燃料電池車(chē)行業(yè)的戰(zhàn)略推進(jìn)。

為應(yīng)對(duì)全球氣候變化，在2019年聯(lián)合國(guó)氣候峰會(huì)上，66個(gè)國(guó)家宣布了到2050年實(shí)現(xiàn)凈零碳排放目標(biāo)，氫能逐漸成為全球能源向綠色低碳轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力之一。

至此，以燃料電池為主要應(yīng)用的氫能產(chǎn)業(yè)鏈已初步實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，美國(guó)、日本、韓國(guó)、德國(guó)等陸續(xù)發(fā)布?xì)淠芗叭剂想姵匕l(fā)展戰(zhàn)略及規(guī)劃，預(yù)計(jì)在未來(lái)5年氫能將迎來(lái)產(chǎn)業(yè)爆發(fā)，交通+發(fā)電領(lǐng)域成為燃料電池應(yīng)用的關(guān)鍵領(lǐng)域。

而在國(guó)內(nèi)，氫能也已經(jīng)納入國(guó)家能源戰(zhàn)略。2022年以來(lái)，圍繞擴(kuò)大氫能在推動(dòng)能源消費(fèi)方式綠色低碳變革方面的重要作用，國(guó)家相關(guān)部門(mén)密集出臺(tái)了支持燃料電池及其上下游產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展的政策及規(guī)劃，將氫能產(chǎn)業(yè)納入戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和重點(diǎn)發(fā)展方向。

其中，國(guó)家發(fā)改委在3月份發(fā)布的《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃(2021-2035)》，將氫能戰(zhàn)略定位為用能終端實(shí)現(xiàn)綠色低碳轉(zhuǎn)型的重要載體。

燃料電池技術(shù)在車(chē)用端應(yīng)用較為成熟，汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的規(guī)模效應(yīng)能夠有效實(shí)現(xiàn)燃料電池的快速降本，因此，車(chē)輛成為燃料電池產(chǎn)業(yè)開(kāi)局的重要突破口，在下游應(yīng)用中走在最前端，中長(zhǎng)期以氫燃料重卡為重點(diǎn)和主體，逐步建立燃料電池電動(dòng)汽車(chē)與鋰電池純電動(dòng)汽車(chē)的互補(bǔ)發(fā)展模式。

為推動(dòng)燃料電池行業(yè)有序發(fā)展，國(guó)家還發(fā)布政策采取“以獎(jiǎng)代補(bǔ)”方式，對(duì)符合條件的城市群開(kāi)展燃料電池汽車(chē)關(guān)鍵核心技術(shù)產(chǎn)業(yè)化攻關(guān)和示范應(yīng)用給予獎(jiǎng)勵(lì)。

從2021年8月份開(kāi)始，國(guó)家啟動(dòng)了京津冀、上海、廣東和河南、河北“3+2”城市群燃料電池汽車(chē)示范推廣，以及山東省“氫進(jìn)萬(wàn)家”科技示范，同年11月，四川省和重慶市啟動(dòng)成渝氫能走廊。

根據(jù)目前披露的數(shù)據(jù)，五大城市群、山東省、成渝地區(qū)將推廣燃料電池車(chē)44305輛。

截至2022年7月，我國(guó)共推廣燃料電池車(chē)10574輛;到2025年，五大城市群、山東省、成渝地區(qū)推廣數(shù)量疊加2021年底保有量，燃料電池車(chē)數(shù)量至少為53246輛。

在政策的助推下，燃料電池車(chē)快速起量，必將帶來(lái)燃料電池的需求增加和產(chǎn)量擴(kuò)張，進(jìn)而對(duì)上游相關(guān)部件催生巨大的需求，作為核心部件的膜電極，正迎來(lái)行業(yè)爆發(fā)期。

2021-2025年是發(fā)展關(guān)鍵期 企業(yè)產(chǎn)線落成擴(kuò)張加速

目前，中國(guó)燃料電池車(chē)行業(yè)發(fā)展已居全球前列。

據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，韓、日、中、美、德為全球燃料電池車(chē)主要推廣國(guó)家，2021年，全球主要國(guó)家共銷(xiāo)售氫燃料電池車(chē)16313臺(tái)，同比增長(zhǎng)68%。

截至2021年12月31日，全球主要國(guó)家氫燃料電池車(chē)保有量為49562臺(tái)，同比增長(zhǎng)49%。其中，中國(guó)保有量8938臺(tái)，占比18%，僅次于韓國(guó)和美國(guó)，位居全球第三，系統(tǒng)累計(jì)裝機(jī)量超過(guò)520MW。

根據(jù)《節(jié)能與新能源汽車(chē)技術(shù)路線圖2.0》規(guī)劃，2025年我國(guó)燃料電池車(chē)保有量將達(dá)到10萬(wàn)輛FCV，按照2021-2025年年均復(fù)合增速，浙商證券預(yù)計(jì)2025年燃料電池系統(tǒng)銷(xiāo)量約為45322輛，2021-2025CAGR約為131.21%。

“2021-2025年是產(chǎn)業(yè)規(guī)?？焖侔l(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期。”浙商證券在研報(bào)中表示，并認(rèn)為國(guó)內(nèi)燃料電池車(chē)在2022年有望開(kāi)啟行業(yè)爆發(fā)期。

根據(jù)2016-2021年燃料電池平均裝機(jī)功率的提升趨勢(shì)，浙商證券預(yù)計(jì)2025年燃料電池系統(tǒng)平均功率將達(dá)到161kW，在單車(chē)裝機(jī)功率及燃料電池車(chē)銷(xiāo)量提升的推動(dòng)下，預(yù)計(jì)2025年燃料電池系統(tǒng)年銷(xiāo)售功率約7312MW，2021-2025CAGR約為162.57%;

根據(jù)保有量及單車(chē)裝機(jī)功率，2025年車(chē)用燃料電池系統(tǒng)累計(jì)裝機(jī)規(guī)模將達(dá)到14401MW，根據(jù)《節(jié)能與新能源汽車(chē)技術(shù)路線圖2.0》對(duì)保有量的規(guī)劃以及DOE對(duì)規(guī)?；剂想姵叵到y(tǒng)降本通道的預(yù)測(cè)，預(yù)計(jì)2025年燃料電池系統(tǒng)價(jià)格將降至2384元/kW，對(duì)應(yīng)2025年車(chē)用燃料電池系統(tǒng)規(guī)模將達(dá)到343億元，2021-2025CAGR接近90%。

面對(duì)燃料電池發(fā)展規(guī)模的高速增長(zhǎng)，國(guó)內(nèi)膜電極企業(yè)已加速擴(kuò)產(chǎn)。

2019年以來(lái)，鴻基創(chuàng)能、擎動(dòng)科技、武漢理工氫電以及泰極動(dòng)力等多家企業(yè)的國(guó)產(chǎn)生產(chǎn)線先后落成，我國(guó)的膜電極領(lǐng)域逐步開(kāi)啟批量化生產(chǎn)步伐。

到2021年，國(guó)內(nèi)膜電極企業(yè)擴(kuò)張步伐明顯加速，尤其頭部企業(yè)鴻基創(chuàng)能完成了百萬(wàn)片下線里程碑。

當(dāng)前，我國(guó)企業(yè)膜電極主要參數(shù)已經(jīng)與國(guó)際先進(jìn)水平接近，部分參數(shù)可以超過(guò)國(guó)外先進(jìn)水平。國(guó)內(nèi)領(lǐng)先膜電極企業(yè)鴻基創(chuàng)能、武漢理工新能源、擎動(dòng)科技膜電極產(chǎn)品功率密度均超過(guò)1W/cm2。

發(fā)展重點(diǎn)：降本，實(shí)現(xiàn)核心材料國(guó)產(chǎn)替代化

加速擴(kuò)產(chǎn)的同時(shí)，降本，成為膜電極行業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)。

自2019年以來(lái)，燃料電池系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程步入快車(chē)道，現(xiàn)階段，我國(guó)在膜電極制備、雙極板、電堆組裝、輔助系統(tǒng)等領(lǐng)域已實(shí)現(xiàn)100%自主化，是近兩年燃料電池系統(tǒng)降本的關(guān)鍵推動(dòng)力。

不過(guò)，我國(guó)主要的膜電極供應(yīng)商頭部企業(yè)雖然已經(jīng)實(shí)現(xiàn)膜電極自主制備，但催化劑、PEM和氣體擴(kuò)散層等核心材料主要依賴(lài)進(jìn)口，僅國(guó)電投氫能公司實(shí)現(xiàn)了膜電極核心材料級(jí)別的完全自主化。

根據(jù)DOE的測(cè)算，在大規(guī)模生產(chǎn)(50萬(wàn)臺(tái)/年)的情況下，膜電極占燃料電池電堆成本的60%左右，而電堆成本在燃料電池系統(tǒng)中的占比超過(guò)60%，燃料電池系統(tǒng)在氫能車(chē)購(gòu)置成本中占比同樣超過(guò)60%。

也就是說(shuō)，膜電極的降本是未來(lái)電堆及系統(tǒng)降本的核心，而膜電極的降本則取決于核心材料的國(guó)產(chǎn)化。

據(jù)業(yè)內(nèi)人士表示，預(yù)計(jì)2022年-2023年開(kāi)始我國(guó)將逐步啟動(dòng)從催化劑、PEM到氣體擴(kuò)散層的國(guó)產(chǎn)化滲透，打破膜電極核心材料高度進(jìn)口依賴(lài)導(dǎo)致的電堆高成本現(xiàn)狀。

具體而言，膜電極核心材料國(guó)產(chǎn)化突破及降本，主要體現(xiàn)在催化劑、質(zhì)子交換膜、氣體擴(kuò)散層三部分：催化劑方面，優(yōu)化鉑基催化劑結(jié)構(gòu)，降低鉑載量減少貴金屬使用成本，并尋找新型非鉑催化劑;質(zhì)子交換膜方面，加強(qiáng)磺酸樹(shù)脂材料的自主研發(fā)，開(kāi)發(fā)低成本成膜量產(chǎn)制備工藝;氣體擴(kuò)散層方面，打通從高性能碳纖維到碳紙的制備工藝，開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化低成本的擴(kuò)散層工藝平臺(tái)。

企業(yè)“畫(huà)像”

目前，主流膜電極的廠商分為兩類(lèi)，一類(lèi)是具備膜電極批量產(chǎn)業(yè)化能力，能自給自足的車(chē)企或燃料電池廠商，以豐田、現(xiàn)代、巴拉德為代表;另外一類(lèi)是專(zhuān)業(yè)的膜電極供應(yīng)商，包括戈?duì)?、杜邦和?guó)內(nèi)的鴻基創(chuàng)能、武漢理工氫電、新源動(dòng)力、上海唐鋒能源、蘇州擎動(dòng)科技等企業(yè)。

鴻基創(chuàng)能致力于質(zhì)子交換膜氫燃料電池用高性能膜電極的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，其開(kāi)發(fā)了CCM陰陽(yáng)極雙面直接涂布技術(shù)、膜電極一體化成型技術(shù)、膜電極自動(dòng)化快速封裝技術(shù)，為膜電極大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

目前，鴻基創(chuàng)能的膜電極產(chǎn)品功率密度達(dá)到1.4W/cm2，測(cè)試使用壽命超過(guò)1~2萬(wàn)小時(shí)，已基本滿足產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用需求。

武漢理工氫電由深圳市雄韜股份與武漢理工大學(xué)共同發(fā)起成立，接力一脈相承的武漢理工新能源公司，專(zhuān)注于膜電極的產(chǎn)業(yè)化與研發(fā)，目前已完成6000平米潔凈廠房裝修，并建成了自動(dòng)化程度更高的膜電極生產(chǎn)線，膜電極產(chǎn)能達(dá)到2萬(wàn)平米/年，最終設(shè)計(jì)產(chǎn)能將達(dá)到10萬(wàn)平米/年。

新源動(dòng)力擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)，部分關(guān)鍵技術(shù)達(dá)到國(guó)際一流水平。其研發(fā)的HYMEA膜電極產(chǎn)品，活性面積25-400cm2，功率密度≥1.0W/cm2，耐久性5000-10000h。

針對(duì)商用車(chē)及乘用車(chē)使用場(chǎng)景，新源動(dòng)力研發(fā)的第二代和第三代車(chē)用質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極，已投入市場(chǎng)使用。目前，第四代低鉑高性能高耐久性膜電極正在進(jìn)行開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證。

低鉑膜電極供應(yīng)商上海唐鋒能源擁有燃料電池膜電極設(shè)計(jì)、材料、工藝、設(shè)備、測(cè)試評(píng)估等全套核心技術(shù)，開(kāi)發(fā)并建成了國(guó)內(nèi)用于量產(chǎn)燃料電池汽車(chē)電堆的首條低鉑合金膜電極生產(chǎn)線。

蘇州擎動(dòng)科技已通過(guò)國(guó)內(nèi)外多家知名燃料電池廠家及研究院的測(cè)試，且和國(guó)內(nèi)外多家燃料電池電堆廠家簽署合作協(xié)議，長(zhǎng)期為其提供膜電極產(chǎn)品。

2019年2月，擎動(dòng)科技自主研發(fā)的國(guó)內(nèi)首套“卷對(duì)卷直接涂布法”膜電極生產(chǎn)線正式投產(chǎn)，可實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)膜電極100萬(wàn)片。

阜陽(yáng)攀業(yè)正在建設(shè)全國(guó)首臺(tái)涂布幅寬570mm膜電極陽(yáng)極涂布生產(chǎn)線，建成后年產(chǎn)能達(dá)6萬(wàn)平米，二期擴(kuò)產(chǎn)后產(chǎn)能也將達(dá)到36萬(wàn)平米/年;正在建設(shè)中的國(guó)內(nèi)首臺(tái)高精度自動(dòng)雙點(diǎn)膠五合一生產(chǎn)線，設(shè)計(jì)產(chǎn)能達(dá)13萬(wàn)片/年。

今年10月，長(zhǎng)城旗下未勢(shì)能源實(shí)現(xiàn)了完全自研全新高性能膜電極規(guī)?；慨a(chǎn)。據(jù)悉，長(zhǎng)城創(chuàng)新“梯度技術(shù)”，形成了特有的商業(yè)化膜電極技術(shù)序列。依托此項(xiàng)創(chuàng)新性技術(shù)，長(zhǎng)城陸續(xù)攻克了高功率密度、可靠封裝和循環(huán)壽命等關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。

未勢(shì)能源自主設(shè)計(jì)全自動(dòng)“卷對(duì)卷”膜電極生產(chǎn)線，產(chǎn)線全面達(dá)產(chǎn)后，可年產(chǎn)膜電極百萬(wàn)片以上，預(yù)計(jì)年產(chǎn)值超3億元以上。