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燃料電池是氫能產(chǎn)業(yè)下游應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，國(guó)內(nèi)外諸多企業(yè)投入到相關(guān)零部件、電堆及系統(tǒng)的研發(fā)制造當(dāng)中。尤其是近3年，國(guó)內(nèi)燃料電池產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平及制造工藝日新月異，不但產(chǎn)品總體性能達(dá)到了較高水平，國(guó)產(chǎn)化程度也得到了大幅提高。

能景研究認(rèn)為，除部分關(guān)鍵零部件性能、國(guó)產(chǎn)化不足等少數(shù)卡點(diǎn)外，2022年之后國(guó)內(nèi)燃料電池產(chǎn)業(yè)技術(shù)部分技術(shù)發(fā)展需求與趨勢(shì)呈現(xiàn)了一些趨勢(shì)。

能景研究對(duì)2022年燃料電池技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r及部分趨勢(shì)進(jìn)行了分析，以供行業(yè)參考。

01 核心零部件研發(fā)逐步深入，性能逐年提升

燃料電池屬于技術(shù)含量密集的復(fù)雜系統(tǒng)產(chǎn)品，其性能水平極大地取決于其關(guān)鍵零部件的性能。燃料電池各零部件，尤其是材料類零部件工藝敏感性高、研發(fā)需求時(shí)間長(zhǎng)，其性能取決于研發(fā)突入的深度、時(shí)間積累長(zhǎng)度，整體呈現(xiàn)出逐年提升的特征。

膜電極功率面密度持續(xù)提升。目前國(guó)際市場(chǎng)上的膜電極功率密度在1.4~1.6 W/cm2之間。2020年，國(guó)內(nèi)膜電極研發(fā)較淺，功率面密度在1.2 W/cm2左右；到2022年，隨著研發(fā)投入的增加以及生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的積累，膜電極功率面密度達(dá)到1.4 W/cm2左右。而隨著新型催化劑、有序化膜電極制備技術(shù)、高效質(zhì)子交換膜技術(shù)等方面的突破，膜電極功率面密度可繼續(xù)提高，有望達(dá)到2 W/cm2以上。

提高膜電極功率密度對(duì)燃料電池降本增效十分關(guān)鍵。相同燃料電池功率需求下，膜電極的功率密度提高一半，可以約降低膜面積或膜片數(shù)一半，從而節(jié)約一半質(zhì)子交換膜、氣體擴(kuò)散層、極板等的需求，降低生產(chǎn)成本與燃料電池體積。

質(zhì)子交換膜厚度不斷減小，質(zhì)子電導(dǎo)率提升；國(guó)產(chǎn)性能接近國(guó)際先進(jìn)水平。國(guó)內(nèi)車(chē)規(guī)級(jí)質(zhì)子交換膜以美國(guó)戈?duì)柕漠a(chǎn)品為主，且仍在不斷進(jìn)行產(chǎn)品升級(jí)，降低厚度，提高電導(dǎo)率；2021年戈?duì)栔饕峁?2微米質(zhì)子交換膜，2022年左右開(kāi)始推廣8微米質(zhì)子交換膜，此外實(shí)驗(yàn)室還在開(kāi)發(fā)5微米產(chǎn)品。

國(guó)內(nèi)東岳、國(guó)電投武漢綠動(dòng)等已企業(yè)已實(shí)現(xiàn)了質(zhì)子交換膜量產(chǎn)，厚度最低可達(dá)8微米，在質(zhì)子電導(dǎo)率、機(jī)械強(qiáng)度等方面也已達(dá)到國(guó)際同類競(jìng)品水準(zhǔn)，且已實(shí)現(xiàn)了超百輛燃料電池汽車(chē)的裝車(chē)實(shí)用與驗(yàn)證。但是，保證8微米質(zhì)子交換膜長(zhǎng)壽命以及穩(wěn)定性難度較高，推廣難度高，預(yù)計(jì)短期內(nèi)國(guó)內(nèi)產(chǎn)品仍以10微米以上為主。

02 國(guó)產(chǎn)化替代逐步實(shí)現(xiàn)

氫能的燃料電池產(chǎn)業(yè)應(yīng)用屬于新興領(lǐng)域，涉及到諸多新型機(jī)械裝備及新型材料；國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)起步晚，但工業(yè)及科研基礎(chǔ)好，在政策推動(dòng)及市場(chǎng)需求拓寬的背景下，空壓機(jī)、氫循環(huán)泵等裝備類產(chǎn)品迅速實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)替代。

但是質(zhì)子交換膜、氣體擴(kuò)散層等材料類產(chǎn)品，以及涉及到新材料（增濕膜）的增濕器等國(guó)產(chǎn)化腳步相對(duì)較慢，因?yàn)閲?guó)內(nèi)材料產(chǎn)業(yè)底子薄，且新材料的生產(chǎn)工藝流程多、參數(shù)復(fù)雜，需要更多時(shí)間進(jìn)行技術(shù)積累與數(shù)據(jù)資料迭代。

到2022年，部分企業(yè)已經(jīng)過(guò)了5年以上的新材料研發(fā)及市場(chǎng)推廣，增濕膜最先突破，隨之增濕器國(guó)產(chǎn)化率提高到近80%；質(zhì)子交換膜、氣體擴(kuò)散層由于工藝相對(duì)更加復(fù)雜，產(chǎn)品良品率較難保證，但也已來(lái)到了市場(chǎng)推廣階段，目前二者的國(guó)內(nèi)產(chǎn)能都已達(dá)到了100萬(wàn)平米以上。

能景研究認(rèn)為，2022~2024年是質(zhì)子交換膜、氣體擴(kuò)散層國(guó)產(chǎn)替代規(guī)?；l(fā)展階段，到2025年左右可基本完成國(guó)產(chǎn)化。

03 技術(shù)路徑出現(xiàn)新選擇

國(guó)內(nèi)金屬雙極板應(yīng)用比例逐漸增大。2019年金屬板電堆出貨量?jī)H占20%左右，到2022年則首次超過(guò)了石墨板電堆，達(dá)到了55%左右。

2022年之前，國(guó)內(nèi)燃料電池行業(yè)以解決可用性問(wèn)題為首要目標(biāo)，即提高功率、保障穩(wěn)定性等，在此需求下研發(fā)成本低、加工技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好的石墨板就成為了首要選擇。

2022年，燃料電池市場(chǎng)快速起量，同時(shí)功率低等問(wèn)題基本得到解決，市場(chǎng)需求由可用逐漸轉(zhuǎn)向好用，細(xì)節(jié)技術(shù)迭代及深度性能優(yōu)化更加重要；加上經(jīng)過(guò)多年研發(fā)，金屬板加工技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，市場(chǎng)需求變化疊加技術(shù)積累，厚度更小、導(dǎo)電性更高的金屬板逐漸上升為廠家及市場(chǎng)的主流選擇。

此外，2022年氫引射器逐漸廣泛應(yīng)用同樣遵循此邏輯。能景研究認(rèn)為，2022年之后燃料電池零部件技術(shù)升級(jí)及其帶來(lái)的燃料電池深入優(yōu)化將成為更加核心的競(jìng)爭(zhēng)目標(biāo)。

04 電堆體積功率密度逐漸提高

據(jù)能景研究不完全統(tǒng)計(jì)，2019年，國(guó)內(nèi)石墨板燃料電池電堆的體積功率密度不到4 kW/L。到2022年，國(guó)內(nèi)石墨板燃料電池新發(fā)布產(chǎn)品中，電堆體積功率密度最高已達(dá)到4.9 kW/L，且多款達(dá)到4.5 kW/L，已超過(guò)了Mirai搭載的金屬板燃料電池（含端板4.4 kW/L）；同時(shí)，新發(fā)布金屬板電堆中，體積功率密度最高達(dá)到了6.4 kW/L以上。國(guó)產(chǎn)燃料電池體積功率密度已居于國(guó)際領(lǐng)先地位。

雖然重卡等商用車(chē)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)空間占用的要求較低，但降低體積功率密度可為更大功率的燃料電池減小體積；而乘用車(chē)受外型限制，要求燃料電池電堆的體積要求更高。國(guó)內(nèi)高體積功率密度燃料電池會(huì)為燃料電池乘用車(chē)的發(fā)展打下良好的基礎(chǔ)。

現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)燃料電池體積功率密度的提高策略主要在于降低雙極板的厚度，石墨雙極板的厚度最低已降到了1.5 mm水平，金屬雙極板已降低到了0.5 mm水平。但雙極板厚度降低空間始終有限，將來(lái)更取決于提高膜電極面功率密度。

05 系統(tǒng)總功率繼續(xù)攀升

根據(jù)工信部數(shù)據(jù)，2018年，國(guó)內(nèi)燃料電池重卡的單臺(tái)系統(tǒng)功率最高僅63 kW；到2021年，燃料電池重卡的單臺(tái)系統(tǒng)功率提高到162 kW。

到2022年，燃料電池重卡的單臺(tái)系統(tǒng)功率最高仍為162 kW，但14噸以下的燃料電池汽車(chē)最高系統(tǒng)功率由2021年的110 kW提高到了121 kW；同時(shí)，2022年多家燃料電池企業(yè)發(fā)布了200 kW以上乃至250 kW以上的燃料電池產(chǎn)品。

200 kW燃料電池已基本滿足重卡在平坦路線、短程運(yùn)輸?shù)葓?chǎng)景下的動(dòng)力需求，但在長(zhǎng)途、復(fù)雜路況、40噸以上重載等陸運(yùn)領(lǐng)域，以及在船舶、固定式發(fā)電等新應(yīng)用領(lǐng)域，除去考慮占地更多的多臺(tái)并聯(lián)方案之外，200 kW電堆只是需求起點(diǎn)。

燃料電池系統(tǒng)功率的提升并非簡(jiǎn)單的單池堆疊。首先，大功率燃料電池體積增大，不但占用更多空間，而且氣流管理等方面的難度也會(huì)增大；另一方面，200 kW以上大功率空壓機(jī)等BOP系統(tǒng)產(chǎn)品仍然較少，300 kW以上將更難匹配，同時(shí)大功率BOP系統(tǒng)耗能將會(huì)增加。

能景研究認(rèn)為，200 kW乃至300 kW以上大功率燃料電池電堆以及相應(yīng)的BOP系統(tǒng)仍會(huì)是研發(fā)熱點(diǎn)。

06 小結(jié)

2022年，國(guó)內(nèi)燃料電池核心零部件性能提升、國(guó)產(chǎn)化替代逐步實(shí)現(xiàn)、新技術(shù)路徑出現(xiàn)，電堆功率密度快速提高，系統(tǒng)功率大幅攀升并滿足簡(jiǎn)單交通應(yīng)用需求。與此同時(shí)，燃料電池技術(shù)發(fā)展的重心及方向展現(xiàn)出了一定的趨勢(shì)。首先，關(guān)鍵零部件及燃料電池系統(tǒng)的深度優(yōu)化將成為首要發(fā)展重心；其次，大功率燃料電池電堆及BOP系統(tǒng)仍是重點(diǎn)研發(fā)方向。

原標(biāo)題：燃料電池技術(shù)快速發(fā)展，為大規(guī)模應(yīng)用奠定基礎(chǔ)