●氢能及燃料电池行业科普

双碳背景下

上下游共同驱动

氢能是一种来源广泛、清洁无碳、灵活高效、应用场景丰富的二次能源，是推动传统化石能源清洁高效利用和支 撑可再生能源大规模发展发展的理想互联媒介，是实现交通运输、工业和建筑等领域大规模深度脱碳的最佳选择， 其产业链较长，能够带动上下游产业共同发展，为经济增长提供强劲动力。氢能的发展具有重要意义：推动能源结构转型，保障能源安全；降低碳以及污染物排放；带动产业链发展， 促进经济增长。

氢能及燃料电池产业链的上游氢能源行业符合能源转型需求。根据国际能源署预测，到2070年，全球对氢气的需求预计将从2019年的7000万吨增长7倍达5.2亿吨。随着化石 燃料燃料的减少，叠加氢气低碳化生产因素，全球能源行业和工业加工领域有望在2070年实现碳中和。我国的能源结构则自2005年起发生较大改变，原油和煤炭消费量占比较高但总体呈下降趋势；清洁能源占比逐 年稳步提升。伴随着能源结构逐步转型，氢能源作为清洁能源将具备良好的发展前景。

发展历史及政策

发展历史：上世纪50年代起步，十三五期间步入快车道

中国的氢能与燃料电池研究始于上世纪50年代。

20 世纪80年代以来，相继启动了863计划和973计划，加速以研 究为基础的技术商业化项目，氢能和燃料电池均被纳入其中。

“十三五”期间，氢能与燃料电池开始步入快车道。2016 年以来相继发布《能源技术革命创新行动计划 （2016 ～ 2030年）》、《节能与新能源汽车产业发展规划（2012 ～ 2020 年）》、《中国制造2025》等顶层 规划。2019 年两会期间，氢能首次写入政府工作报告。2020年4 月，氢能被写入《中华人民共和国能源法》 （征求意见稿）。2020 年9 月21 日，五部委联合发布《关于开展燃料电池汽车示范应用的通知》采取“以奖代 补”方式，对入围示范的城市群，按照其目标完成情况核定并拨付奖励资金，鼓励并引导氢能及燃料电池技术研 发。目前政府累计支持氢能与燃料电池的研发投入已超20亿元。

政策规划：国内持续加码，全球政策共振

2021年以来，在国家层面上有关氢能和燃料电池相关的政策持续加码，推进氢能及燃料电池的推广和应用。与 此同时，各地方政府也陆续发布政策支持氢能产业的发展。截至2020年10月，我国有23个省、市、自治区，40 个城市及地区已发布氢能相关的发展战略或规划。

氢能已经成为国际议程的新焦点，已有多个国家制定全面的国家氢能战略。全球各国陆续推出政策支持氢能的产 业发展，其中，欧洲、美国、中国、日本和韩国等经济和科技较为领先的国家已规划了明确的发展目标，发展路 线清晰，政策力度较强。全球各国有关氢能发展战略的政策同频共振，有望推动产业链快速发展和应用成熟。

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产业链分析

 产业链条：产业链长，产值大，重要环节多

根据中国氢能联盟的预计，2020年至2025年间，中国氢能产业产值将达1万亿元，2026年至2035年产值达到5万亿元。

在氢能及燃料电池的产业链上，氢燃料电池上游氢气制储运加环节规模化发展、电堆核心组件本土化批量化生产以及下游商用车辆应用等均是现阶段值得重点关注的重要环节。

上游：制氢、储氢、运氢、加氢

1 制氢：化石能源制氢为目前主流，电解水制氢最具潜力

我国是世界第 一产氢大国，2019年全国氢气产量约2000万吨，但主要用作工业原料而非能源。氢的制取产业主要有三种较为成熟的技术路线：一是以煤炭、天然气为代表的化石能源重整制氢；二是以焦炉煤 气、氯碱尾气、丙烷脱氢为代表的工业副产气制氢，三是电解水制氢。化石能源制氢为我国目前主流的制氢方式， 而基于可再生能源的电解水制氢方案的碳排放最低。

2 储氢：高压气储氢为主流，先进储氢技术待突破

高压储氢主要利用气瓶作为储存容器，对于储气瓶，全球呈现出从I型储氢瓶到IV型储氢瓶的技术发展趋势。目前最为成熟且成本较低的技术是钢制氢瓶和钢制压力容器，如目前工业中广泛采用20MPa钢制氢瓶，并可与 45MPa钢制氢瓶、98MPa钢带缠绕式压力容器进行组合应用于加氢站，但钢制氢气瓶重量大，并不适宜汽车用。目前车用高压储氢瓶的国际主流技术通过以铝合金/塑料作为内胆，外层则用碳纤维进行包覆（即III型、IV型 瓶），提升氢瓶的结构强度并尽可能减轻整体质量。国外氢燃料电池汽车已经广泛使用70MPa碳纤维缠绕 IV型 瓶；目前我国车载储氢方式大多为35MPa碳纤维缠绕III型瓶，70MPa碳纤维缠绕III型瓶也已少量用于国产汽车中。

3 运氢：与储氢方式紧密相关，适宜不同应用场景

运输方式与储氢的技术方案紧密相关。目前国际上主要氢气储运技术包括气态储运（长管拖车、管道）、液氢储 运、氢载体储运和固态储运。在实际应用中，可根据运输距离和运输规模，选择最经济的储运氢技术。气态储运氢环节涉及的核心技术装备主要有长管拖车用高压管束储氢瓶与管道。低温液态储运氢涉及的核心技术装备主要有氢液化装置与液氢储罐。有机液体储运氢涉及的核心技术装备主要有供热脱氢装置。现阶段，中国普遍采用20MPa气态高压储氢与集束管车运输的方式。随着用氢规模扩大、运输距离增长，提高气 氢运输压力或采用液氢槽车、输氢管道等方案才能满足高效经济的要求。

中游：氢燃料电池及系统

1 氢燃料电池系统的原理与构成

氢燃料电池是通过氢气和氧气的化学能直接转换成电能的发电装置。其基本原理是电解水的逆反应，把氢和氧分 别供给阳极和阴极，氢通过阳极向外扩散和电解质发生反应后，放出电子通过外部的负载到达阴极。

只有燃料电池本体还不能工作， 燃料电池必须有一套相应的辅助系统构成燃料电池系统，包括反应剂供给系统、 排热系统、排水系统、电性能控制系统及安全装置等。

燃料电池具有发电效率高、环境污染少等优点。由于燃料电池直接将燃料的化学能转化为电能，中间不经过燃 烧过程，因而不受卡诺循环的限制，因而能量转化效率高。燃料电池系统的燃料-电能的转换效率一般在45%～ 60%，高于汽车发动机的热效率，也高于火力发电和核电的约30%～40%的效率。（报告来源：未来智库）

根据电池所采用电解质分类，燃料电池可分为七类：碱性燃料电池（AFC）、质子交换膜燃料电池（PEMFC）、 阴离子交换燃料电池（AEMFC）、直接甲醇燃料电池（DMFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电 池（MCFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）。其中适用于氢燃料电池汽车的主要是质子交换膜燃料电池。

中游：氢燃料电池及系统

2 氢燃料电池系统的关键部件

膜电极

膜电极（Membrane Electrode Assembly, MEA）是燃料电池发电的关键核心部件。膜电极由质子交换膜 （PEM）、膜两侧的催化层（CL）和气体扩散层（GDL）组成，燃料电池的电化学反应发生在膜电极中。

MEA的结构设计和制备工艺技术是燃料电池研究的关键技术，它决定了燃料电池的工作性能。高性能的膜电极需 要具备以下特征：能够最大限度减小气体的传输阻力，即最大限度发挥单位面积和单位质量的催化剂的反应 活性；形成良好的离子通道，降低离子传输的阻力；形成良好的电子通道；气体扩散电极应该保证良好 的机械强度及导热性；膜具有高的质子传导性，有很好的化学稳定性和热稳定性及抗水解性。

双极板

双极板（Bipolar plate，以下简称BPP）是燃料电池的一种核心零部件，主要作用为支撑MEA、提供氢气、氧气 和冷却液流体通道并分隔氢气和氧气、收集电子、传导热量。目前常见的BPP材料有石墨、复合材料和金属。丰 田Mirai、本田Clarity和现代NEXO等乘用车均采用金属双极板，而商用车一般采用石墨双极板。石墨是热和电的良导体，耐腐蚀，密度较低。人造石墨机加工制造BPP设计灵活、迭代周期短，但柔韧性差。柔 性石墨基材可以模压成型、柔韧性好，但金属和非金属杂原子杂质含量高，需要提纯。

高分子复合物的密度小，通过不同的加工工艺能被浇铸成复杂形状。但树脂类材料导电性能较差，用于BPP制造 需要添加导电物质，可以选用石墨、碳纤维、碳纳米管、石墨烯等。金属材料具有机械强度高、体相电导和热导优良，容易制成薄板并冲压加工成型的特点，但是其大规模应用还需 要实现大面积流场冲压制作高精度流道、材料表面能在燃料电池操作条件下具有高耐腐蚀能力和低界面接触电阻。

空压机在做功过程中，效率、进出压缩比是性能的重要指标。目前燃料电池系统使用的空压机主要包括离心式空 压机、罗茨式空压机和螺杆式空压机，其中离心式空压机是主要的发展方向。

下游：氢燃料电池的应用

1 应用场景：固定能源目前市场最大，交通领域为主要突破口

燃料电池主要有三大类应用场景：固定电源、交通运输和便携式电源。

交通动力应用是目前关注度最高的燃料电池应用领域。交通运输市场包括为乘用车、巴士、客车、叉车及其他以 燃料电池作为动力的车辆提供的燃料电池，例如特种车辆、物料搬运设备和越野车辆的辅助供电装置等。

便携式电源包括笔记本电脑、手机、收音机及其他需要电源的移动设备。燃料电池的能量密度通常是可充电电池 的5到10倍，已有DMFC和PEMFC被应用为军用单兵电源和移动充电装置上。成本、稳定性和寿命将是燃料电池 应用于便巧式移动电源的所需要解决的技术问题。

固定电源应用是目前最大的市场。固定电源市场包括所有的在固定位置运行的作为主电源、备用电源或者热电联 产的燃料电池，比如分布式发电及余热供热等。固定燃料电池被用于商业、工业及住宅主要和备份能发电。

交通运输领域将成为氢能和燃料电池下游应用市场发展的突破口，并逐渐向储能、工业、建筑领域拓展。根据《中国氢能发展报告2020》测算，氢燃料电池商用车将率先实现产业化的应用与运行，除了政策的激励效 应之外，氢燃料电池客车、物流车、重卡等车型将在2030年前取得与纯电动车型相当的全生命周期经济性。

2 氢燃料电池汽车

组成结构：燃料电池车一般主要由以下部分组成：燃料电池电堆、储氢罐、驱动电机、动力电池、电力电子控制器、DC/DC、 热管理（冷却）系统、变速器等。燃料电池车核心部件为燃料电池电堆，而大量的零部件与纯电动汽车相类似。由于动力电池和燃料电池电堆配置的差异，不同厂家的燃料电池车结构也存在区别。有的主要以燃料电池电堆作 为主动力输出源；有的则以电池作为主动力输出源，燃料电池电堆起增程器的作用。

工作原理：氢气与氧气在燃料电池电堆中进行反应，释放的能量转化为电能。燃料电池电堆与电池一起协同工作，为电机提 供电能，而电机则作为动力源为车辆提供动力，驱动车辆行驶。对于动力电池来说，其本身即为能量源；而燃料电池能量源则为氢气，目前主要通过高压储氢罐储存。

工作模式：从工作模式上看，燃料电池车主要有燃料电池模式、辅助模式、充电模式和能量回收模式四种。

商用车先行，乘用车市场化进程加快

中国氢能在交通领域的应用遵循氢燃料电池商用车先发展，氢燃料电池乘用车后发展的特点。当前氢燃料电池汽 车的主要示范应用集中在物流、客车等领域。过去的十多年里，在产业补贴和国家支持政策等措施激励下，中国氢燃料电池客车、物流车等商用车的应用已经 领先于其他氢燃料电池汽车。未来的20-30年，随着质子交换膜燃料电池的技术突破与规模效应带来的成本下降， 氢燃料电池重卡、乘用车等车型的市场化进程将加快。

在乘用车领域，国际厂商布局和量产应用较早。目前已到量产阶段的燃料电池乘用车主要包括现代NEXO Blue、 丰田Mirai 、本田Clarity等。近年来，我国燃料电池乘用车的市场得到初步发展。目前上汽大通EUNIQ 7、北汽EU7 FC、广汽Aion LX FC等车 型已量产或计划上市。

本文内容节选自天风证券《氢能及燃料电池专题研究》

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