氢燃料电池的“心脏”-膜电极

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膜电*（MEA）是氢燃料电池的*核心部件，是多项物质传输和电化学反应的核心场所，其制备技术不但直接影响电池性能，而且对降低电池成本、提高电池比功率与比能量至关重要，被形象地称为燃料电池的“心脏”。

在构成方面，膜电*是将质子交换膜、催化层电*、扩散层在浸润全氟磺酸隔膜液后，在一定温度和压力下，热压而成的三合一组件，与双*板组成燃料电池电堆。

图 膜电*组成

一、制备工艺

膜电*的生产工艺经历了GDE型膜电*（热压法膜电*）、CCM（catalyst coated-membrane）膜电*和有序化膜电*三个阶段。

图 制备工艺

CCM膜电*制备工艺现已被广泛采用，是目前主流的商业化制备方法（包括转印、喷涂、电化学沉积、干粉喷射等，具有高铂利用率和耐久性的优点），随着纳米线状材料的发展，市场尝试将其引入到膜电*催化层，从而催生了有序化膜电*概念；膜电*结构的有序化使得电子、质子、气体传质实现高效通畅，具有*大反应活性面积及孔隙连通性，以此实现更高的催化剂利用率，对提高发电性能和降低PGM的载量提供了新的解决方案。

二、膜电*产业链

1、产业链位置

膜电*处于燃料电池上游，由电解质膜（质子交换膜）、催化剂、气体扩散层构成。虽是三种核心材料的合成组件，但膜电*由超过12种不同的核心材料组成，其产业化的难点之一就是核心材料的筛选，其次是制成工艺连续化以及工程验证，其技术难度不亚于比质子交换膜。

图 燃料电池产业链

目前在燃料电池系统、电堆环节，国产企业已经实现产品批量供应，随着膜电*国产化的逐步深入，燃料电池产业链已经基本实现国产化。但产业链中质子交换膜、气体扩散层等材料环节仍处于研发或小批量试制阶段，持续引导国产化推进，实现技术独立可控对成本下降意义重大。

2、成本构成

图 成本构成

在氢燃料电池系统中，电堆占总成本的比例高达60%；膜电*又占电堆总成本的60%。随着量产规模的逐步扩大，膜电*（质子交换膜+催化剂+气体扩散层）在电堆成本中的占比有望从60%（年产1000套电堆）下降至47%（年产50万套电堆）。

规模化生产有助于膜电*组件成本降低，继而带动燃料电池成本下降，更有利于燃料电池车的推广，对膜电*头部企业而言，有利于**占领国内市场，真正逐渐替代巴拉德等外国技术在国内的市场份额。

三、市场分析

1、市场规模

随着国内燃料电池产业的快速发展，国内电堆及其零部件环节基本实现国产化，膜电*作为电堆的核心组成部分，需求量也随着燃料电池行业的发展逐步上升。

在规模化、国产化推动下，燃料电池成本将快速下降，补贴期末氢燃料电池车（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年预计产销规模达到百万。

图 2021-2030年膜电*市场预测 单位：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*功率密度由目前1W/cm2逐步升至1.5W/cm2以上，对应2030年膜电*需求接近1千万平米，对应2030年市场规模在350亿元。

2、进口替代趋势

图2018-2021年膜电*装机面积

势银数据显示，2018年和2019年进口膜电*占据了市场主要份额，分别占国内市场份额77.8%和52.9%，2020年开始进口膜电*市场份额明显降低，约占市场份额20%。可以看出，随着技术的发展，国产膜电*市场份额从2020年开始逐渐上升，进口量大幅减少。

3、商业化规模进程

目前，国内**膜电*企业产品功率密度均超过1W/cm2，测试使用寿命达到1~2万小时，已基本满足产业化应用需求，2019年开始国产膜电*产品逐步开始供应。国产膜电*较进口产品成本优势明显，带动燃料电池成本持续下行。

图MEA降本曲线（元/W）

短期国产化、规模化将是降本的主要推动，未来功率密度提升带来更大降本空间。国产化MEA产品规模化应用增强供应商议价能力，大批量采购情况下上游原材料成本有望大幅下降，同时规模效应摊薄高昂的设备投入，带动MEA成本下行。远期看，MEA功率密度提升将降低单瓦材料用量，实现更大的降本空间。

四、行业相关企业

据不完全统计，国内从事膜电*相关企业如下所示。

图 膜电*相关企业

五、发展前景

1、进口和国产化

一方面是产业初期，产业链集中攻关的重点在系统及电堆，对于膜电*关注较少，产业链存在缺失，电堆企业采购较为成熟的进口膜电*，显然后者的性能优势较为明显，占据了大部分市场。另一方面国内膜电*技术水平参差不齐，存在批次一致性较差等问题，需要时间去改善。从2019年开始，国产膜电*市占率逐渐上升，特别是独立膜电*公司开始发力，一批优秀专业膜电*经历了从小批量应用到规模化出货，其功率密度均超过1W/cm2，测试使用寿命可达到1~2万小时，产品良率大幅上升。在政策引导下，国产化替代的步伐将会加快，预计2022年膜电*国产化率很可能超过60%。

2、产能和需求

国内的膜电*企业可分为自产自用型和独立的膜电*公司，前者随着自身电堆的出货需要逐渐的释放产能，多采用脉冲喷涂或超声喷涂等工艺，少数采用卷对卷设备。而第三方膜电*公司的产能设计一般比较超前，卷对卷设备是多数的选择，考虑未来大规模需求而设计，一旦市场需求激增可快速响应，从而扩大市场份额。

3、成本和价格

目前膜电*的成本约占电堆价格的50%，市场价格约在1200-1500元/kW的区间，如果达到千平级的订单，价格可以下探到千元之内。电堆已经开始激烈的价格竞争，会直接传导至膜电*的价格，而膜电*的又受制于上游的原材料价格。单从原材料本身的价值来测算膜电*价格能低至500元/kW以下，但现实还需要从如质子交换膜、碳纸等原材料国产化后降本，及量级提升带来的成本分摊和规模效率来着手。

4、发展方向

其一是铂载量问题，目前国内膜电*的铂载量水平已经达到0.3g/kW，多数的膜电*企业在攻关低铂化膜电*技术，使用合金催化剂被认为是一个发展方向；膜电*工艺在未来会有不断的技术迭代，对膜电*公司的要求会不断提高，产品迭代应用验证周期较长，需要有前瞻性眼光，提前布局。

其二是产业分工问题，未来产业链整合势在必行，电堆公司会自产膜电*或者向上游延伸，独立膜电*公司的市场空间可能会被压缩，但目前的产业分工合作正在越来越细，电堆公司会考虑自产和采购之间的投资回报关系，若市场上的膜电*质优价廉，电堆公司可能不必要再投入建设膜电*产线，同时也可预计到未来独立膜电*公司和电堆公司的绑定关系肯定会逐渐加深。

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