在燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈中，電堆是處于中游核心環(huán)節(jié)。催化劑、質(zhì)子交換膜、氣體擴(kuò)散層組成膜電極和雙極板構(gòu)成電堆的上游，電堆與空壓機(jī)、儲氫瓶系統(tǒng)、氫氣循環(huán)泵等其它組件構(gòu)成燃料電池動力系統(tǒng)，下游應(yīng)用對應(yīng)交通領(lǐng)域和備用電源領(lǐng)域，主要是客車、轎車、叉車、固定式電源和便攜式電源等。
一、中國燃料電池電堆行業(yè)概況
電堆是燃料電池最關(guān)鍵部件，由多個單體電池以串聯(lián)方式層疊組合構(gòu)成。將雙極板與膜電極交替疊合，各單體之間嵌入密封件，經(jīng)前、后端板壓緊后用螺桿緊固拴牢，即構(gòu)成燃料電池電堆。電堆工作時，氫氣和氧氣分別由進(jìn)口引入，經(jīng)電堆氣體主通道分配至各單電池的雙極板，經(jīng)雙極板導(dǎo)流均勻分配至電極，通過電極支撐體與催化劑接觸進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)。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(zhì)子交換膜、催化劑和氣體擴(kuò)散層。
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電堆成本結(jié)構(gòu)中催化劑和雙極板的成本占比較高，分別達(dá)到36%以及23%。催化劑通過技術(shù)進(jìn)步降低鉑含量降低成本。
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相關(guān)報告：華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的《2019-2025年中國燃料電池電堆行業(yè)市場前景預(yù)測及投資戰(zhàn)略研究報告》
二、燃料電池電堆行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀
日韓車企多自主研發(fā)電堆，歐美車企同電堆企業(yè)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(fā)電堆，并不對外開放，例如豐田、本田、現(xiàn)代等。歐美廠商很多采用合作伙伴電堆來開發(fā)發(fā)動機(jī)，例如奧迪（采用加拿大巴拉德定制開發(fā)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(chǎn)品已經(jīng)過長期運營驗證。目前國外可以單獨供應(yīng)車用燃料電池電堆的知名企業(yè)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(shù)采用這兩家公司的石墨板電堆產(chǎn)品，已經(jīng)經(jīng)過了數(shù)千萬公里、數(shù)百萬小時的實車運營考驗，這兩家加拿大電堆企業(yè)都已經(jīng)具備了一定產(chǎn)能，Ballard還與廣東國鴻設(shè)立了合資企業(yè)生產(chǎn)9SSL電堆。
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1、雙極板
石墨電堆目前主要用于商用車，金屬板電堆有望在乘用車領(lǐng)域獲得突破。雙極板是電堆的核心結(jié)構(gòu)零部件，起到均勻分配氣體、排水、導(dǎo)熱、導(dǎo)電的作用，占整個燃料電池60%的重量和20%的成本，其性能優(yōu)劣直接影響電池的輸出功率和使用壽命。雙極板材料目前主要是石墨雙極板和金屬雙極板。目前石墨電極板技術(shù)相對成熟，在市場上占據(jù)了主要的份額。
石墨雙極板耐腐蝕性強(qiáng)、導(dǎo)電導(dǎo)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(fā)展風(fēng)向，在國內(nèi)現(xiàn)已被大規(guī)模應(yīng)用。石墨雙極板在技術(shù)層面及商業(yè)化層面都相對成熟，但如若繼續(xù)采用機(jī)械加工的方式，石墨雙極板的成本費用實難降低，不易實現(xiàn)大批量生產(chǎn)。若要降低成本，可從石墨材料進(jìn)行優(yōu)化，開發(fā)出性能更優(yōu)、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?yán)щy。金屬雙極板具有優(yōu)異的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能、機(jī)械加工性、致密性，以及強(qiáng)度高、阻氣性好等優(yōu)勢，可以為汽車應(yīng)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(chǎn)?？紤]到車輛空間限制問題，金屬雙極板未來有望在乘用車實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。
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2、膜電極
膜電極是電堆的核心。膜電極組件由質(zhì)子交換膜、催化劑和氣體擴(kuò)散層（氣體擴(kuò)散層）組成。國外膜電極的供應(yīng)商主要有3M、JohnsonMatthey、Gored等。豐田、本田等乘用車企業(yè)自主開發(fā)了膜電極，但不對外銷售。國產(chǎn)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(xiàn)了商業(yè)化生產(chǎn)，產(chǎn)能已經(jīng)達(dá)到5000平米，大連新源也自主生產(chǎn)膜電極，主要是自用為上汽的發(fā)動機(jī)配套。
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3、質(zhì)子交換膜
從膜的結(jié)構(gòu)來看，PEM大致可分為三大類：磺化聚合物膜，復(fù)合膜，無機(jī)酸摻雜膜。目前研究的PEM材料主要是磺化聚合物電解質(zhì)，按照聚合物的含氟量可分為全氟磺酸質(zhì)子交換膜、部分氟化質(zhì)子交換膜以及非氟質(zhì)子交換膜等。目前車用質(zhì)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(zhì)子傳遞的歐姆極化，以達(dá)到較高的性能。但是薄膜的使用給耐久性帶來了挑戰(zhàn)，尤其是均質(zhì)膜在長時間運行會出現(xiàn)機(jī)械損傷與化學(xué)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(tài)變化會加劇這種衰減。迄今最常用的質(zhì)子交換膜(PEMFC)仍然是美國杜邦公司的Nafion®膜，具有質(zhì)子電導(dǎo)率高和化學(xué)穩(wěn)定性好的優(yōu)點，目前PEMFC大多采用Nafion®等全氟磺酸膜。
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質(zhì)子交換膜國產(chǎn)進(jìn)程處于提速階段。質(zhì)子交換膜是膜電極中最核心的部件之一。質(zhì)子交換膜必須具有較高的質(zhì)子導(dǎo)電性、必須有足夠低的氣體滲透率、在運行環(huán)境下具有足夠的化學(xué)和機(jī)械穩(wěn)定性等三個主要的技術(shù)要求，還應(yīng)有低廉的價格。
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4、催化劑
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(shù)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(dān)載型催化劑，目標(biāo)是使FCV的鉑用量低于傳統(tǒng)汽車三元催化中鉑的用量的，而制備殼型結(jié)構(gòu)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(yè)領(lǐng)先，國內(nèi)正起步。海外企業(yè)處于領(lǐng)先地位，已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)批量化生產(chǎn)。其中英國JohnsonMatthey和日本田中（本田燃料電池車Clarity催化劑供應(yīng)商）是全球鉑催化劑的巨頭。國內(nèi)企業(yè)尚處于研究階段。
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三、燃料電池電堆行業(yè)競爭格局
目前國內(nèi)燃料電池電堆正在逐漸起步，電堆及產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)數(shù)量逐漸增長，產(chǎn)能量級快速提升。目前國內(nèi)電堆廠商主要有兩類：（1）自主研發(fā)，以新源動力和神力科技為代表；（2）引進(jìn)國外成熟電堆技術(shù)，以廣東國鴻為代表。
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1、新源動力
新源動力涵蓋了燃料電池質(zhì)子交換膜等各個環(huán)節(jié)，技術(shù)水平國內(nèi)領(lǐng)先。新源動力在國內(nèi)率先實現(xiàn)了燃料電池實驗室科研成果向現(xiàn)實生產(chǎn)力的轉(zhuǎn)化，燃料電池中試基地，生產(chǎn)、測試裝備齊全，已實現(xiàn)燃料電池關(guān)鍵材料及關(guān)鍵部件、電堆組裝的小批量生產(chǎn)。新源動力江蘇子公司將建成可年產(chǎn)5500KW燃料電池堆用關(guān)鍵部件的批量生產(chǎn)線，成為我國第一個燃料電池材料及部件的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)基地。上海子公司將成為新源動力的系統(tǒng)集成、總成生產(chǎn)與技術(shù)服務(wù)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(fā)布最新一代燃料電池電堆模塊HYMOD®-70。新產(chǎn)品系新源動力研發(fā)的第三代金屬雙極板質(zhì)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(yīng)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(jī)廠小批量訂單。
HYMOD®-70六大顯著技術(shù)優(yōu)勢
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2、上海神力
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(yè)。公司承擔(dān)并完成國家“九·五”重點攻關(guān)計劃、“十·五”863及“十一·五”863重大攻關(guān)計劃燃料電池發(fā)動機(jī)課題，擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的燃料電池技術(shù)。公司自主開發(fā)的C290－30燃料電池模塊通過國家強(qiáng)制檢測認(rèn)證，達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平。
3、廣東國鴻
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(lǐng)導(dǎo)下，于2015年6月成立的一家以氫燃料電池為核心產(chǎn)品的高科技企業(yè)，是國內(nèi)最早介入燃料電池新能源汽車開發(fā)的企業(yè)。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(chǎn)了全球最大的商用燃料電池9SSL電堆生產(chǎn)線，并成功調(diào)試出全球首條燃料電池電堆全自動生產(chǎn)線。2017年全年生產(chǎn)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(nèi)燃料電池領(lǐng)域的龍頭企業(yè)。公司主要產(chǎn)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(nèi)，目前公司的海外市場正在規(guī)劃當(dāng)中。
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