氫能在全球能源革命中扮演重要角色

與傳統(tǒng)化工燃料相比，氫能具有高含能特性、高能源轉化效率及碳零排放三大優(yōu)勢。 從含能特性來看，除核燃料外，氫的發(fā)熱值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高 的，達 142 KJ/KG，約為汽油的三倍。從能源轉化效率來看，氫能可以通過燃料電池直接 轉變?yōu)殡娔埽�同時過程中的廢能可再利用，其綜合轉化效率可達到 83%。從碳排放的角度 來看，氫燃料電池在產生電能的過程中不會產生碳排放，可以實現良性循環(huán)。

氫能在全球能源轉型革命中扮演重要角色，燃料電池是其重要應用場景。氫既可作為 清潔能源，同時也是良好的能源載體，具備清潔高效、可儲能、可運輸、應用場景較為豐 富的特點。全球范圍內，眾多發(fā)達國家通過能源法案、能源戰(zhàn)略、技術路線圖等途徑積極 發(fā)展氫能，改變能源結構，減少對傳統(tǒng)一次能源的依賴。梳理各國支持政策，政策著力點 一方面引導供給端氫能基礎設施的建設，另一方面主要以購置補貼的形式推進需求端氫燃 料電池汽車的發(fā)展。政策的持續(xù)加碼推動了氫能應用的快速發(fā)展，根據 E4tech 數據，2019 年度全球燃料電池出貨量達 1129.6MW，2015 年-2019 年 CAGR 達 39.52%，其中交通運 輸領域需求上升尤為顯著，CAGR 達 68.13%。

氫能產業(yè)鏈涵蓋氫能端及燃料電池端。氫能端指氫氣從生產到下游應用的過程，包括 氫氣制取、儲運、加氫站等核心環(huán)節(jié)。燃料電池端包括其上游核心材料，如雙極板、膜電 極及密封層等環(huán)節(jié)；中游主要為燃料電池系統(tǒng)集成，包括電堆及供氣系統(tǒng)等；下游主要為 燃料電池的應用場景，目前重點應用方向為交通領域的燃料電池汽車。

從產業(yè)鏈發(fā)展的視角出發(fā)，儲氫、燃料電池電堆及其核心材料為重要突破方向。

（1）從氫能端來看，氫能源作為理想的新型能源和含能體能源，制約其實用化、規(guī) 模化的關鍵在儲氫環(huán)節(jié)。儲氫環(huán)節(jié)貫穿整個產業(yè)鏈環(huán)節(jié)，包括前端制氫、加氫環(huán)節(jié)的固定 式儲氫，后端的車載式儲氫。目前國內以高壓氣態(tài)氫為主，長期參考天然氣產業(yè)發(fā)展歷史，以及海外當前應用情況，液氫或是未來主要技術，破局關鍵點在于突破技術進步帶來的成 本下降、液氫民用政策放開及標準的制定。儲氫核心設備包括儲氫罐、氫閥門等部件，目 前 20 兆帕氣態(tài)儲氫設備已實現國產化量產，70 兆帕以上氣態(tài)儲氫設備及液氫設備高度依 賴進口。隨著氫能產業(yè)鏈產業(yè)化推進，儲氫設備環(huán)節(jié)具備較強的需求放量及國產化替代邏 輯。

（2）從燃料電池端來看，國內燃料電池產業(yè)鏈呈現自下而上發(fā)展的態(tài)勢。國家層面 政策補貼下游燃料電池汽車，下游需求刺激下帶動中游燃料電池系統(tǒng)廠商蓬勃發(fā)展。而從 核心技術的角度出發(fā)，根據 DOE 數據，電堆為燃料電池系統(tǒng)的技術核心所在，占據系統(tǒng) 60%的成本；而膜電極則占據電堆 60%的成本。目前國內大部分系統(tǒng)供應商在電堆及膜電 極等關鍵部件主要靠海外進口或技術授權為主，部分領先企業(yè)在電堆領域已實現國產化突 破，但在功率、使用壽命等關鍵參數較海外龍頭差距仍較大。核心材料中石墨雙極板和密 封層已實現國產化，在金屬雙極板、催化劑、質子交換膜和氣體擴散層國產化進程仍處于 早期階段。隨著政策持續(xù)加碼，燃料電池正迎來產業(yè)化快速突破階段。短期來看，綁定下 游優(yōu)質客戶，具備較強渠道資源的燃料電池系統(tǒng)供應商具備較快放量的邏輯。長期來看， 參考海外電堆龍頭巴拉德的國際地位，預計掌握產業(yè)鏈核心環(huán)節(jié)關鍵技術的企業(yè)將具備更 高的話語權和議價能力。

作為氫氣從生產到利用過程中的橋梁，儲氫技術貫穿產業(yè)鏈氫能端至燃料電池端，是 控制氫氣成本的重要環(huán)節(jié)。目前主要儲氫技術包括物理儲氫、化學儲氫及吸附儲氫三大類 別。物理儲氫技術主要以單純改變氫壓力、溫度等條件提高氫氣密度，或通過物理吸附作 用將氫氣儲存在金屬合金等儲氫材料中的技術，常見的包括高壓氣態(tài)儲氫技術及低溫液態(tài) 儲氫技術。其中，高壓氣態(tài)儲氫技術為目前發(fā)展最為成熟、應用最廣泛的技術。液態(tài)儲氫 為未來重要發(fā)展方向，但目前技術主要應用于航天領域，國內民用受政策限制。化學儲氫 是利用儲氫介質在一定條件下能與氫氣反應生成穩(wěn)定化合物，再通過改變條件實現放氫的 技術，如有機液體儲氫技術等。吸附儲氫主要利用金屬合金、碳材質等在不同條件下對氫 的吸附屬性差別來達到氫儲放的效果。化學儲氫及吸附儲氫技術大多處于理論或早期應用 階段，目前受制于成本、儲氫密度等因素尚未廣泛使用。

高壓氣態(tài)儲氫技術目前應用最為廣泛，核心設備為高壓氣態(tài)儲氫瓶。高壓氣態(tài)儲氫技 術是指在高壓條件下將氫氣壓縮并注入儲氫瓶中，以高密度氣態(tài)形式儲存氫氣的一種技術。儲氫瓶的工作壓力大多設定為 35-70MPa，主要系氫氣質量密度在 30～40MPa 時增加較 快，壓力 70MPa 以上時密度變化較小。儲氫瓶根據其材料不同主要分為四種類型：純鋼 制金屬瓶(I 型)、鋼制內膽纖維纏繞瓶(II 型)、鋁內膽纖維纏繞瓶(III 型)和塑料內膽纖維纏繞 瓶(IV 型)。I 型、II 型受制于鋼的“氫脆”問題，容易在鋼制瓶膽內部形成細小裂紋，因此 主要應用在固定式儲氫場景。III 型、IV 型瓶由內膽、碳纖維強化樹脂層及玻璃纖維強化樹 脂層組成，單位質量儲氫密度有所提高，同時“氫脆”問題有所緩解，因此車載儲氫領域 主要以 III 型及 IV 型瓶為主。目前海外已實現 70MPaIV 型瓶的車載應用，國內應用較為成 熟為 35MPa III 型瓶，70MPaIII 型瓶處于推廣應用階段，IV 型瓶仍處于開發(fā)階段。

碳纖維復合材料為儲氫瓶核心材料，在 III 型、IV 型瓶中成本占比超 75%。III 型和 IV 型瓶中主要利用 CFRP 作為主承力結構材料，CFRP 輕質高強特性可帶來更高的工作壓力、 使用壽命，同時可有效降低重容比，但其生產成本也較 I、II 型瓶提升一倍左右。從成本構 成的角度來看，根據中科院寧波材料所數據，以儲氫質量為 5.6kg 的 35MPa、70MPa 高 壓儲氫 IV 型瓶成本構成為例，成本構成最大的三項依次為碳纖維復合材料、閥門、調節(jié)器， 分別占比為 77%-78%、8%、6%。從供應鏈格局來看，目前國內大部分高壓儲氣瓶生產 企業(yè)所用碳纖維以國外產品為主，全球市場由東麗、東邦、三菱麗陽三家企業(yè)主導，國內 碳纖維材料已實現一定技術突破，在體育產品、風電葉片等領域應用相對成熟，高壓容器 領域應用較少。氫閥方面，35MPa 氣氫閥已實現國產化配套，但核心產品壽命及穩(wěn)定性方 面仍需提高；70MPa 以上配套氫閥處于設計研發(fā)階段，系統(tǒng)閥門均依賴進口。液氫閥技術 發(fā)展更為早期，目前國內處于空白階段。

長期來看，低溫液態(tài)儲氫為重點研發(fā)方向，目前主要受制于技術、成本、政策等因素。 低溫液態(tài)儲氫技術的原理為將氫氣壓縮后冷卻到-253 攝氏度以下，使之液化并存放在絕熱 真空儲存容器中。液氫的密度是氣態(tài)氫的 800 倍以上，能有效解決高壓氣態(tài)儲氫的重容比 較高的問題。根據高工數據，目前國外已有 70%左右的氫氣通過液態(tài)形式運輸，日、美、 德等國已將液氫的運輸成本降低到高壓氫氣的八分之一左右。目前國內液態(tài)儲氫處于早期 發(fā)展階段，主要受制于技術、成本、政策等因素。技術及成本方面，氫氣液化涉及的核心 技術為低溫絕熱技術，目前以主動絕熱方式為主，常見的手段是采用制冷機來主動提供冷 量，與外界的漏熱平衡，從而實現更高水平的絕熱效果，但將氫氣液化的過程中耗能較大。根據中國科學院理化技術研究所數據，1kg 氫氣可用能約 33KWh，而 1kg 氫氣液化耗能 平均在 12KWh 左右，占比接近 36%。同時，液態(tài)儲氫對儲氫罐材質及技術要求更高，同 樣帶來較為高昂的成本。政策方面，國內目前缺乏液氫相關的技術標準和政策規(guī)范，應用 僅限于航天行業(yè)，在民用方面還未實現使用。目前，全國氫能標委會編寫制訂的《液氫生 產系統(tǒng)技術規(guī)范》、《液氫貯存和運輸安全技術要求》及《氫能汽車用燃料液氫》三項國家 標準已于 2019 年 10 月審查通過，未來正式落地后有望推動液氫的民用進程。參考天然氣 發(fā)展歷史及國外實際應用經驗，隨著技術進步帶來的成本下降及政策規(guī)范逐步明確，低溫 液態(tài)儲氫將是我國氫能儲運的重點發(fā)展方向之一。

氫燃料電池：技術鏈逐層解耦，上游技術突破進行時

質子交換膜燃料電池是燃料電池領域發(fā)展最為成熟的方向。與鋰電池作為儲能裝置不 同，燃料電池是一種非燃燒過程的能量轉換裝置，通過電化學反應將陽極的氫氣和陰極的 氧氣的化學能轉化為電能，從原理上可類比為內燃機和電池的結合。按電解質不同，燃料 電池可分為質子交換膜燃料電池、固體氧化物燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、磷酸鹽燃 料電池、堿性燃料電池等。其中，質子交換膜燃料電池是目前技術及商業(yè)化應用最為成熟 的方向。受下游燃料電池汽車發(fā)展的拉動，質子交換膜燃料電池自 2015 年起出貨量開始 跨越式增長。

電堆為整個燃料電池系統(tǒng)的核心部件，膜電極為電堆的核心部件。從成本構成的角度 來看，根據美國能源部（DOE）數據，電堆成本占據整個燃料電池系統(tǒng)成本達 60%。進一 步拆解來看，燃料電池電堆主要由質子交換膜、催化劑、雙極板、氣體擴散層、電堆的平 衡器件等構成，其中質子交換膜、催化劑、氣體擴散層稱為膜電極，是電堆中最重要的部 分，成本占整個電堆成本約 60%左右。長期來看，電堆中除了鉑催化劑外，其他主要材料 包括石墨、聚合物膜、鋼等，且近年來單位功率鉑載量隨著技術突破不斷下降，隨著燃料 電池系統(tǒng)及電堆的產量逐步攀升，總成本有望持續(xù)下降。根據 DOE 測算，當燃料電池發(fā) 動機年產量達到 50 萬套時，燃料電池電堆及發(fā)動機成本可分別下降至 19 美元/千瓦及 45 美元/千瓦，成本較年產量 1,000 套情況下分別下降 84%、75%。

美、日、韓廠商占據供應鏈主導地位，部分國內企業(yè)進入上游電堆部件供應鏈體系。（1）從燃料電池整車視角來看，海外氫燃料電池汽車發(fā)展相對較早，其供應鏈配套 體系發(fā)展已較為成熟。日韓系整車廠商以豐田、本田、現代為代表，已基本實現打造自主 供應鏈垂直閉環(huán)，僅質子交換膜、氣體交換層等偶有外部供應商。以豐田為例，豐田率先 于 2014 年底推出首部量產的氫燃料電池乘用車 Mirai，超過 75%的核心零部件由豐田集團 旗下公司供應或三井財團旗下公司供應。歐美系整車廠商以奧迪、奔馳、通用為代表，供應鏈配套成熟且較之日韓系廠商更為開放，以建立合作共同開發(fā)為主。以奧迪為例，奧迪 與現代簽署多年專利交叉許可協議，共享燃料電池汽車相關專利，并與電堆龍頭巴拉德合 作開發(fā)適用電堆。

（2）從上游電堆視角來看，目前全球燃料電池電堆龍頭企業(yè)為巴拉德（Ballard）、 普拉格（Plug）及水吉能（Hydrogenics），供應鏈以自主配套及海外巨頭配套供應為主， 部分國內企業(yè)也進入了其供應鏈體系。其中，巴拉德具備全球最大的膜電極產能，核心部 件質子交換膜及氣體擴散層由旗下子公司自主供應配套，催化劑及雙極板等部件則由 Nisshinbo、Tanaka Precious Metals 等日本細分領域巨頭供應；普拉格供應商較為多元， 核心部件質子交換膜、催化劑、雙極板等以子公司自主配套為主，安泰環(huán)境（氣體擴散層）、 武漢理工新能源（膜電極）兩家國內企業(yè)進入了普拉格供應鏈體系。

國內政策補貼下游商用車，帶動中游系統(tǒng)廠商蓬勃發(fā)展。國內自 2015 年以來出臺一 系列新能源汽車推廣應用財政支持政策，在其余車型補貼逐步退坡的背景下，燃料電池汽 車保持了較強的補貼力度。根據中汽協數據，2019 年燃料電池汽車銷量增長至 2737 輛， 同比增長近 80%。各地方氫能示范城市亦在相關發(fā)展規(guī)劃中明確未來燃料電池汽車推廣的 階段性目標。根據各城市相關規(guī)劃來看，上海、武漢、佛山等 10 座重點城市 2025 年燃料 電池汽車發(fā)展數量規(guī)劃合計約達 8.3 萬-10.3 萬輛。下游需求帶動了中游燃料電池系統(tǒng)廠商 的蓬勃發(fā)展。截止 2019 年末，根據國內當時有效的《新能源汽車推廣應用推薦車型目錄》， 納入目錄的燃料電池商用車型共 185 款，其燃料電池系統(tǒng)配套廠商基本以國內廠商為主。根據工信部數據，推薦車型目錄中燃料電池系統(tǒng)供應商占比 TOP3 為億華通、國鴻氫能及 上海重塑，占比分別為 20%、12%、9%。

技術鏈逐環(huán)解耦，上游核心組件國產化亟待突破。從技術發(fā)展路徑來看，我國燃料電 池產業(yè)鏈呈現典型的自下而上發(fā)展模式，沿“燃料電池系統(tǒng)-電堆-膜電極-質子交換膜及催 化劑等核心材料”路徑逐次發(fā)展。參照清華大學燃料電池動力系統(tǒng)技術路線圖，我國燃料 電池系統(tǒng)技術發(fā)展路徑可分為四個階段：第一階段為研發(fā)燃料電池的混合動力系統(tǒng)，發(fā)動 機外協；第二階段為研發(fā)燃料電池發(fā)動機，電堆外協；第三階段為研發(fā)電堆，膜電極外協；第四階段為研發(fā)膜電極。結合行業(yè)發(fā)展情況，當前我國正處于第三階段向第四階段演進的 區(qū)間內。國內大部分系統(tǒng)供應商在電堆及膜電極等關鍵部件主要靠海外進口或技術授權為 主，部分領先企業(yè)在電堆領域已實現國產化突破，但在功率、使用壽命等關鍵參數較海外 龍頭差距仍較大。核心材料中石墨雙極板和密封層已實現國產化，在金屬雙極板、催化劑、 質子交換膜和氣體擴散層國產化進程仍處于早期階段。長期來看，圍繞性能、使用壽命、 環(huán)境適應性、成本的核心參數優(yōu)化，進一步研發(fā)電堆、膜電極及核心材料的關鍵技術，是 我國燃料電池產業(yè)實現突破的關鍵所在。

國內電堆及上游材料企業(yè)正通過自主研發(fā)、技術引進及股權投資等方式，逐步實現核 心技術突破。按企業(yè)的核心技術來源做劃分，國內電堆及上游材料企業(yè)可分為三類：

（1）純自主研發(fā)，代表企業(yè)如武漢理工新能源、安泰科技、新源動力、上海神力（億 華通 2015 年收購）等。此類企業(yè)入局燃料電池行業(yè)較早，技術上存在較為長期的積累， 一般采取與高校等研究機構深度合作的方式共同攻克燃料電池上游核心技術。以武漢理工 新能源為例，公司于 2006 年成立，由武漢理工大學和湖北省市政府共同投資，公司依托 武漢理工大學在質子交換膜燃料電池關鍵材料技術方面的優(yōu)勢，開發(fā)了具有自主知識產權 的燃料電池核心組件膜電極（CCM/MEA）制備技術，進入普拉格膜電極供應鏈。

（2）技術引進疊加自主研發(fā)二次創(chuàng)新，以億華通為典型代表。此類企業(yè)一般具備較 強的資源稟賦，早期采取和國際巨頭達成技術合作或技術轉讓的方式來率先打開國內市場， 后期憑借自身在研發(fā)方面的積累對核心技術做二次創(chuàng)新突破。以億華通為例，公司成立于 2004 年，系清華大學節(jié)能與新能源汽車工程中心的產業(yè)化實體，為科技部及北京市政府 重點扶持企業(yè)。公司一方面與巴拉德、水吉能、豐田等國際巨頭在電堆、雙極板層面合作， 引進海外技術，另一方面與清華大學等國內高校合作研發(fā)燃料電池系統(tǒng)，收購上海神力并 實現電堆的國產化。

（3）通過技術授權、中外合資、股權投資等方式引進海外技術，代表企業(yè)如大洋電 機、國鴻氫能、濰柴動力等。此類企業(yè)資金實力較強，同時自身存在產業(yè)鏈拓展的需求， 也具備較強的產品推出能力。以濰柴動力為例，公司通過股權投資成為巴拉德的第一大股 東，并成立合資公司濰柴巴拉德氫能科技有限公司，獲得巴拉德最新一代 Fcgen LCS 的 非獨家免版稅許可。

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