氢能在全球能源革命中扮演重要角色

与传统化工燃料相比，氢能具有高含能特性、高能源转化效率及碳零排放三大优势。 从含能特性来看，除核燃料外，氢的发热值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高 的，达 142 KJ/KG，约为汽油的三倍。从能源转化效率来看，氢能可以通过燃料电池直接 转变为电能，同时过程中的废能可再利用，其综合转化效率可达到 83%。从碳排放的角度 来看，氢燃料电池在产生电能的过程中不会产生碳排放，可以实现良性循环。

氢能在全球能源转型革命中扮演重要角色，燃料电池是其重要应用场景。氢既可作为 清洁能源，同时也是良好的能源载体，具备清洁高效、可储能、可运输、应用场景较为丰 富的特点。全球范围内，众多发达国家通过能源法案、能源战略、技术路线图等途径积极 发展氢能，改变能源结构，减少对传统一次能源的依赖。梳理各国支持政策，政策着力点 一方面引导供给端氢能基础设施的建设，另一方面主要以购置补贴的形式推进需求端氢燃 料电池汽车的发展。政策的持续加码推动了氢能应用的快速发展，根据 E4tech 数据，2019 年度全球燃料电池出货量达 1129.6MW，2015 年-2019 年 CAGR 达 39.52%，其中交通运 输领域需求上升尤为显著，CAGR 达 68.13%。

氢能产业链涵盖氢能端及燃料电池端。氢能端指氢气从生产到下游应用的过程，包括 氢气制取、储运、加氢站等核心环节。燃料电池端包括其上游核心材料，如双极板、膜电 极及密封层等环节；中游主要为燃料电池系统集成，包括电堆及供气系统等；下游主要为 燃料电池的应用场景，目前重点应用方向为交通领域的燃料电池汽车。

从产业链发展的视角出发，储氢、燃料电池电堆及其核心材料为重要突破方向。

（1）从氢能端来看，氢能源作为理想的新型能源和含能体能源，制约其实用化、规 模化的关键在储氢环节。储氢环节贯穿整个产业链环节，包括前端制氢、加氢环节的固定 式储氢，后端的车载式储氢。目前国内以高压气态氢为主，长期参考天然气产业发展历史，以及海外当前应用情况，液氢或是未来主要技术，破局关键点在于突破技术进步带来的成 本下降、液氢民用政策放开及标准的制定。储氢核心设备包括储氢罐、氢阀门等部件，目 前 20 兆帕气态储氢设备已实现国产化量产，70 兆帕以上气态储氢设备及液氢设备高度依 赖进口。随着氢能产业链产业化推进，储氢设备环节具备较强的需求放量及国产化替代逻 辑。

（2）从燃料电池端来看，国内燃料电池产业链呈现自下而上发展的态势。国家层面 政策补贴下游燃料电池汽车，下游需求刺激下带动中游燃料电池系统厂商蓬勃发展。而从 核心技术的角度出发，根据 DOE 数据，电堆为燃料电池系统的技术核心所在，占据系统 60%的成本；而膜电极则占据电堆 60%的成本。目前国内大部分系统供应商在电堆及膜电 极等关键部件主要靠海外进口或技术授权为主，部分领先企业在电堆领域已实现国产化突 破，但在功率、使用寿命等关键参数较海外龙头差距仍较大。核心材料中石墨双极板和密 封层已实现国产化，在金属双极板、催化剂、质子交换膜和气体扩散层国产化进程仍处于 早期阶段。随着政策持续加码，燃料电池正迎来产业化快速突破阶段。短期来看，绑定下 游优质客户，具备较强渠道资源的燃料电池系统供应商具备较快放量的逻辑。长期来看， 参考海外电堆龙头巴拉德的国际地位，预计掌握产业链核心环节关键技术的企业将具备更 高的话语权和议价能力。

作为氢气从生产到利用过程中的桥梁，储氢技术贯穿产业链氢能端至燃料电池端，是 控制氢气成本的重要环节。目前主要储氢技术包括物理储氢、化学储氢及吸附储氢三大类 别。物理储氢技术主要以单纯改变氢压力、温度等条件提高氢气密度，或通过物理吸附作 用将氢气储存在金属合金等储氢材料中的技术，常见的包括高压气态储氢技术及低温液态 储氢技术。其中，高压气态储氢技术为目前发展最为成熟、应用最广泛的技术。液态储氢 为未来重要发展方向，但目前技术主要应用于航天领域，国内民用受政策限制。化学储氢 是利用储氢介质在一定条件下能与氢气反应生成稳定化合物，再通过改变条件实现放氢的 技术，如有机液体储氢技术等。吸附储氢主要利用金属合金、碳材质等在不同条件下对氢 的吸附属性差别来达到氢储放的效果。化学储氢及吸附储氢技术大多处于理论或早期应用 阶段，目前受制于成本、储氢密度等因素尚未广泛使用。

高压气态储氢技术目前应用最为广泛，核心设备为高压气态储氢瓶。高压气态储氢技 术是指在高压条件下将氢气压缩并注入储氢瓶中，以高密度气态形式储存氢气的一种技术。储氢瓶的工作压力大多设定为 35-70MPa，主要系氢气质量密度在 30～40MPa 时增加较 快，压力 70MPa 以上时密度变化较小。储氢瓶根据其材料不同主要分为四种类型：纯钢 制金属瓶(I 型)、钢制内胆纤维缠绕瓶(II 型)、铝内胆纤维缠绕瓶(III 型)和塑料内胆纤维缠绕 瓶(IV 型)。I 型、II 型受制于钢的“氢脆”问题，容易在钢制瓶胆内部形成细小裂纹，因此 主要应用在固定式储氢场景。III 型、IV 型瓶由内胆、碳纤维强化树脂层及玻璃纤维强化树 脂层组成，单位质量储氢密度有所提高，同时“氢脆”问题有所缓解，因此车载储氢领域 主要以 III 型及 IV 型瓶为主。目前海外已实现 70MPaIV 型瓶的车载应用，国内应用较为成 熟为 35MPa III 型瓶，70MPaIII 型瓶处于推广应用阶段，IV 型瓶仍处于开发阶段。

碳纤维复合材料为储氢瓶核心材料，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 作为主承力结构材料，CFRP 轻质高强特性可带来更高的工作压力、 使用寿命，同时可有效降低重容比，但其生产成本也较 I、II 型瓶提升一倍左右。从成本构 成的角度来看，根据中科院宁波材料所数据，以储氢质量为 5.6kg 的 35MPa、70MPa 高 压储氢 IV 型瓶成本构成为例，成本构成最大的三项依次为碳纤维复合材料、阀门、调节器， 分别占比为 77%-78%、8%、6%。从供应链格局来看，目前国内大部分高压储气瓶生产 企业所用碳纤维以国外产品为主，全球市场由东丽、东邦、三菱丽阳三家企业主导，国内 碳纤维材料已实现一定技术突破，在体育产品、风电叶片等领域应用相对成熟，高压容器 领域应用较少。氢阀方面，35MPa 气氢阀已实现国产化配套，但核心产品寿命及稳定性方 面仍需提高；70MPa 以上配套氢阀处于设计研发阶段，系统阀门均依赖进口。液氢阀技术 发展更为早期，目前国内处于空白阶段。

长期来看，低温液态储氢为重点研发方向，目前主要受制于技术、成本、政策等因素。 低温液态储氢技术的原理为将氢气压缩后冷却到-253 摄氏度以下，使之液化并存放在绝热 真空储存容器中。液氢的密度是气态氢的 800 倍以上，能有效解决高压气态储氢的重容比 较高的问题。根据高工数据，目前国外已有 70%左右的氢气通过液态形式运输，日、美、 德等国已将液氢的运输成本降低到高压氢气的八分之一左右。目前国内液态储氢处于早期 发展阶段，主要受制于技术、成本、政策等因素。技术及成本方面，氢气液化涉及的核心 技术为低温绝热技术，目前以主动绝热方式为主，常见的手段是采用制冷机来主动提供冷 量，与外界的漏热平衡，从而实现更高水平的绝热效果，但将氢气液化的过程中耗能较大。根据中国科学院理化技术研究所数据，1kg 氢气可用能约 33KWh，而 1kg 氢气液化耗能 平均在 12KWh 左右，占比接近 36%。同时，液态储氢对储氢罐材质及技术要求更高，同 样带来较为高昂的成本。政策方面，国内目前缺乏液氢相关的技术标准和政策规范，应用 仅限于航天行业，在民用方面还未实现使用。目前，全国氢能标委会编写制订的《液氢生 产系统技术规范》、《液氢贮存和运输安全技术要求》及《氢能汽车用燃料液氢》三项国家 标准已于 2019 年 10 月审查通过，未来正式落地后有望推动液氢的民用进程。参考天然气 发展历史及国外实际应用经验，随着技术进步带来的成本下降及政策规范逐步明确，低温 液态储氢将是我国氢能储运的重点发展方向之一。

氢燃料电池：技术链逐层解耦，上游技术突破进行时

质子交换膜燃料电池是燃料电池领域发展最为成熟的方向。与锂电池作为储能装置不 同，燃料电池是一种非燃烧过程的能量转换装置，通过电化学反应将阳极的氢气和阴极的 氧气的化学能转化为电能，从原理上可类比为内燃机和电池的结合。按电解质不同，燃料 电池可分为质子交换膜燃料电池、固体氧化物燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、磷酸盐燃 料电池、碱性燃料电池等。其中，质子交换膜燃料电池是目前技术及商业化应用最为成熟 的方向。受下游燃料电池汽车发展的拉动，质子交换膜燃料电池自 2015 年起出货量开始 跨越式增长。

电堆为整个燃料电池系统的核心部件，膜电极为电堆的核心部件。从成本构成的角度 来看，根据美国能源部（DOE）数据，电堆成本占据整个燃料电池系统成本达 60%。进一 步拆解来看，燃料电池电堆主要由质子交换膜、催化剂、双极板、气体扩散层、电堆的平 衡器件等构成，其中质子交换膜、催化剂、气体扩散层称为膜电极，是电堆中最重要的部 分，成本占整个电堆成本约 60%左右。长期来看，电堆中除了铂催化剂外，其他主要材料 包括石墨、聚合物膜、钢等，且近年来单位功率铂载量随着技术突破不断下降，随着燃料 电池系统及电堆的产量逐步攀升，总成本有望持续下降。根据 DOE 测算，当燃料电池发 动机年产量达到 50 万套时，燃料电池电堆及发动机成本可分别下降至 19 美元/千瓦及 45 美元/千瓦，成本较年产量 1,000 套情况下分别下降 84%、75%。

美、日、韩厂商占据供应链主导地位，部分国内企业进入上游电堆部件供应链体系。（1）从燃料电池整车视角来看，海外氢燃料电池汽车发展相对较早，其供应链配套 体系发展已较为成熟。日韩系整车厂商以丰田、本田、现代为代表，已基本实现打造自主 供应链垂直闭环，仅质子交换膜、气体交换层等偶有外部供应商。以丰田为例，丰田率先 于 2014 年底推出首部量产的氢燃料电池乘用车 Mirai，超过 75%的核心零部件由丰田集团 旗下公司供应或三井财团旗下公司供应。欧美系整车厂商以奥迪、奔驰、通用为代表，供应链配套成熟且较之日韩系厂商更为开放，以建立合作共同开发为主。以奥迪为例，奥迪 与现代签署多年专利交叉许可协议，共享燃料电池汽车相关专利，并与电堆龙头巴拉德合 作开发适用电堆。

（2）从上游电堆视角来看，目前全球燃料电池电堆龙头企业为巴拉德（Ballard）、 普拉格（Plug）及水吉能（Hydrogenics），供应链以自主配套及海外巨头配套供应为主， 部分国内企业也进入了其供应链体系。其中，巴拉德具备全球最大的膜电极产能，核心部 件质子交换膜及气体扩散层由旗下子公司自主供应配套，催化剂及双极板等部件则由 Nisshinbo、Tanaka Precious Metals 等日本细分领域巨头供应；普拉格供应商较为多元， 核心部件质子交换膜、催化剂、双极板等以子公司自主配套为主，安泰环境（气体扩散层）、 武汉理工新能源（膜电极）两家国内企业进入了普拉格供应链体系。

国内政策补贴下游商用车，带动中游系统厂商蓬勃发展。国内自 2015 年以来出台一 系列新能源汽车推广应用财政支持政策，在其余车型补贴逐步退坡的背景下，燃料电池汽 车保持了较强的补贴力度。根据中汽协数据，2019 年燃料电池汽车销量增长至 2737 辆， 同比增长近 80%。各地方氢能示范城市亦在相关发展规划中明确未来燃料电池汽车推广的 阶段性目标。根据各城市相关规划来看，上海、武汉、佛山等 10 座重点城市 2025 年燃料 电池汽车发展数量规划合计约达 8.3 万-10.3 万辆。下游需求带动了中游燃料电池系统厂商 的蓬勃发展。截止 2019 年末，根据国内当时有效的《新能源汽车推广应用推荐车型目录》， 纳入目录的燃料电池商用车型共 185 款，其燃料电池系统配套厂商基本以国内厂商为主。根据工信部数据，推荐车型目录中燃料电池系统供应商占比 TOP3 为亿华通、国鸿氢能及 上海重塑，占比分别为 20%、12%、9%。

技术链逐环解耦，上游核心组件国产化亟待突破。从技术发展路径来看，我国燃料电 池产业链呈现典型的自下而上发展模式，沿“燃料电池系统-电堆-膜电极-质子交换膜及催 化剂等核心材料”路径逐次发展。参照清华大学燃料电池动力系统技术路线图，我国燃料 电池系统技术发展路径可分为四个阶段：第一阶段为研发燃料电池的混合动力系统，发动 机外协；第二阶段为研发燃料电池发动机，电堆外协；第三阶段为研发电堆，膜电极外协；第四阶段为研发膜电极。结合行业发展情况，当前我国正处于第三阶段向第四阶段演进的 区间内。国内大部分系统供应商在电堆及膜电极等关键部件主要靠海外进口或技术授权为 主，部分领先企业在电堆领域已实现国产化突破，但在功率、使用寿命等关键参数较海外 龙头差距仍较大。核心材料中石墨双极板和密封层已实现国产化，在金属双极板、催化剂、 质子交换膜和气体扩散层国产化进程仍处于早期阶段。长期来看，围绕性能、使用寿命、 环境适应性、成本的核心参数优化，进一步研发电堆、膜电极及核心材料的关键技术，是 我国燃料电池产业实现突破的关键所在。

国内电堆及上游材料企业正通过自主研发、技术引进及股权投资等方式，逐步实现核 心技术突破。按企业的核心技术来源做划分，国内电堆及上游材料企业可分为三类：

（1）纯自主研发，代表企业如武汉理工新能源、安泰科技、新源动力、上海神力（亿 华通 2015 年收购）等。此类企业入局燃料电池行业较早，技术上存在较为长期的积累， 一般采取与高校等研究机构深度合作的方式共同攻克燃料电池上游核心技术。以武汉理工 新能源为例，公司于 2006 年成立，由武汉理工大学和湖北省市政府共同投资，公司依托 武汉理工大学在质子交换膜燃料电池关键材料技术方面的优势，开发了具有自主知识产权 的燃料电池核心组件膜电极（CCM/MEA）制备技术，进入普拉格膜电极供应链。

（2）技术引进叠加自主研发二次创新，以亿华通为典型代表。此类企业一般具备较 强的资源禀赋，早期采取和国际巨头达成技术合作或技术转让的方式来率先打开国内市场， 后期凭借自身在研发方面的积累对核心技术做二次创新突破。以亿华通为例，公司成立于 2004 年，系清华大学节能与新能源汽车工程中心的产业化实体，为科技部及北京市政府 重点扶持企业。公司一方面与巴拉德、水吉能、丰田等国际巨头在电堆、双极板层面合作， 引进海外技术，另一方面与清华大学等国内高校合作研发燃料电池系统，收购上海神力并 实现电堆的国产化。

（3）通过技术授权、中外合资、股权投资等方式引进海外技术，代表企业如大洋电 机、国鸿氢能、潍柴动力等。此类企业资金实力较强，同时自身存在产业链拓展的需求， 也具备较强的产品推出能力。以潍柴动力为例，公司通过股权投资成为巴拉德的第一大股 东，并成立合资公司潍柴巴拉德氢能科技有限公司，获得巴拉德最新一代 Fcgen LCS 的 非独家免版税许可。

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