公用事业行业氢能系列报告（一）：氢燃料电池~“氢”风杨柳万千条，百亿市场尽舜尧

氢能是能源转型的不二选择。当前，全球各国面临资源枯竭，环境污染，但传统燃料使用量仍居高不下的严重问题。在这种背景下，各国纷纷寻找传统化石燃料的替代方案。氢能作为新型清洁能源，其使用过程无污染，热值高达140MJ/kg，远高于煤炭与石油，还克服了传统清洁能源存在的随机性大、波动性强等严重缺点成为解决能源与环境问题的不二选择。另外，氢能可以储存废弃能源、能够推动化石燃料向绿色清洁能源转换，可以说氢能是未来能源革命的颠覆性方向。 氢燃料电池逐步迈向商业化推广，2030年或达百亿市场。整个氢燃料电池发展可以分为2000年之前以概念车形式推出氢燃料电池汽车、2000-2010年的燃料电池汽车示范运行验证、技术攻关研究阶段、2010-2015年的燃料电池汽车性能提升阶段以及2015年之后燃料电池汽车进入商业化推广阶段。氢燃料电池电堆是燃料电池的核心；燃料电池电堆包括催化剂、质子交换膜、气体扩散层、双极板，以及其他结构件如集流板、密封件、端板等各种部件。据沙利文数据，2021年电堆成本约占燃料电池系统成本65%，所以降低电堆成本是燃料电池汽车商业化的关键。 2021年我国燃料电池电堆新增市场规模约为6.2亿元，预计2021-2025年燃料电池电堆新增市场需求的CAGR为87%，预计到2025年和2030年，燃料电池电堆新增市场分别为75、238亿元。 本土企业发力追赶，氢燃料电池市场潜力无限。目前，氢燃料电池系统中，膜电极、质子交换膜、双极板与催化剂等重要组件均取得了较大技术进步。质子交换膜燃料电池是目前燃料电池发展主流，金属双极板是双极板领域研究热点，降低催化剂中的铂用量是催化剂领域面临的主要问题。国内厂商在膜电极制备产能上取得较大进展，技术上已部分达到先进水平；在质子交换膜方面，虽未突破技术壁垒，但已取得较大进步。在双极板方面已具备较大产能。在燃料电池辅助组件方面，我国生产商已具备一定产能，主要集中在几个头部企业。例如在燃料电池电堆领域的捷氢科技的PROME-M4H以及新源动力HYMOD-150等；在燃料电池系统方面上海重塑的镜星十二系统等。未来随着燃料电池相关技术不断突破，我国燃料电池市场潜能巨大。 投资建议：由于全球性能源紧缺问题日趋突出以及环境保护和可持续发展的迫切要求，氢能因其突出的优越性得到了蓬勃的发展。国家加大对氢能领域的关注力度，不断出台政策加强对氢能产业的扶持也将成为推动氢燃料电池产业发展的强大推动力。建议关注：冷链压缩机龙头，积极布局CCUS及氢能产业带来业绩增长新动能的【冰轮环境】；氢燃料电池电堆龙头【亿华通】；通过战略投资巴拉德布局氢燃料电池行业的【潍柴动力】；膜电极催化剂铂基氢燃料电池(FCEV)技术获得重大突破的【贵研铂业】。 风险提示：政策推进不及预期、成本下降不及预期、氢燃料电池车销量不及预期、技术创新不及预期。 1.氢能是能源转型的不二选择 1.1.能源紧缺背景下，氢能源蕴藏巨大发展潜力 当前，全球各国面临资源枯竭，环境污染，但传统燃料使用量仍居高不下的严重问题。据统计，2009年所有的能源消耗中石油、天然气、煤的比例分别占到35%、22%、30%；而到了2020年，尽管各国已经加大了推进环保措施的力度，这三种主要化石能源占总能源消耗的比例仍占31%、25%、27%。 图1：化石燃料占全部能源消耗比例（%） 自工业革命以来，人类活动已经显著造成了全球温度的不正常上升，截至2017年，人类活动已经使全球温度较工业革命之前水平上升了1℃左右。如果不采取切实可行的措施，使得全球变暖按当今速度持续，到2040年人为引起的全球变暖将达到1.5℃。在这种背景下，各国纷纷寻找传统化石燃料的替代方案。而氢能作为清洁能源，具备热值高、无污染、蕴藏丰富等多种优点，成为解决能源与环境问题的不二选择。 图2：全球二氧化碳排放量 图3：2020年石油能源 CO2 排放量占全部能源 CO2 排放量比例 氢能是一种蕴藏丰富、用途广泛、清洁方便的能源载体，人类一直在研究将氢气作为燃料源的可能性，虽然目前开发有限，但随着技术突破以及能源成本的不断下降，为氢能的大规模应用带来了可能性。氢气在电力、工业和化工制造中可替代天然气，在长途运输中可替代石油。随着俄乌的战争的拖延，以及欧洲和亚洲的天然气价格达到创纪录的高位，氢气的吸引力也越来越大。 图4：氢气优势 图5：天然气优势 1.2.发展氢能成为各国共识，我国氢能顶层设计落地 目前，各国均将目光转向清洁能源领域。但传统的可再生能源如水能、风能以及光能等均存在随机性大、波动性强等缺点，这导致了弃水、弃风，弃光现象。而氢能具有清洁无污染、可以储存可再生能源、能够推动化石燃料向绿色清洁能源转换等诸多优点。另外，氢的能量密度高达140MJ/kg，是煤炭的4.5倍，石油的3倍，可以说氢能是未来能源革命的颠覆性方向。由于氢能在多个方面具有无与伦比的优越性，各个主要国家均开始了对氢能的大幅投入。 表1：部分国家氢能产业规划国家 自十三五计划以来，我国对氢能领域的重视程度显著提升。2020年9月，财政部发布《关于开展燃料电池汽车示范应用的通知》，文件提出根据示范城市在燃料电池汽车推广应用、氢能供应等方面的实际情况给予奖励。2022年3月23日，国家发改委、国家能源局联合印发了《氢能产业发展中长期规划2021-2035年》，明确了氢的能源属性、产业规划、产业发展要求、发展目标、具体措施和实施的保障措施。《规划》明确提出，到2025年，燃料电池车辆保有量约5万辆，部署建设一批加氢站；可再生能源制氢量达到10-20万吨/年，成为新增氢能消费的重要组成部分，实现二氧化碳减排100-200万吨/年。这次规划落地表明国家对氢能战略地位的肯定，行业有望在政策加持下迎来快速发展。根据氢能观察不完全统计，目前已有北京、江苏、广东、上海等29个省市出台了氢能专项政策。 表2：氢能产业相关政策颁布时间 表3：我国部分省及直辖市氢能专项政策汇总地区政策 2.氢燃料电池逐步发展，电堆降本是商业化关键 2.1.氢燃料电池逐步迈向商业化推广，具有独特优越性 燃料电池最早可以追溯到19世纪。1839年英国科学家威廉格罗夫发明了第一个燃料电池。进入60年代，燃料电池首次应用在美国航空航天管理局（NASA）的阿波罗登月飞船上作为辅助电源，这也标志着燃料电池由实验室阶段开始转入军用阶段的应用。1966年通用汽车推出了全球第一款燃料电池汽车Electrovan，完美诠释了燃料电池技术的可行性潜力。之后各大车厂均纷纷展开燃料电池汽车的研究。整个发展可以分为四个阶段：第一个阶段是2000年之前燃料电池汽车产业发展氢燃料电池汽车概念设计及原理性认证阶段，以概念车形式推出氢燃料电池汽车；第二个阶段是2000-2010年的燃料电池汽车示范运行验证、技术攻关研究阶段；第三个阶段是2010-2015年的燃料电池汽车性能提升阶段，这一阶段燃料电池的汽车功率密度、寿命取得进步，在特定领域商业化取得成功，在物流运输等领域率先使用，初步实现特定领域用车商业化；第四个阶段是2015年之后燃料电池汽车进入商业化推广阶段。 图6：氢燃料电池发展史 氢燃料电池是以氢为燃料，通过电化学反应，将氢燃料中的化学能转化为电能的装置。与传统的化石燃料发动机相比，氢燃料电池具有能量转换效率高、无污染排放、噪声很低的优点。另外，氢燃料电池的技术进步将以点带面，带动氢的制取、储存、运输等多方面的技术进步，极大地加快氢能产业整体技术升级。 图7：氢燃料电池工作原理 与常规的锂电池不同，氢燃料电池的系统更为复杂。燃料电池主要由燃料电池电堆和燃料电池系统其他部分（包括空压机、增湿器、氢循环泵、氢瓶等多个组件）构成。燃料电池电堆及燃料电池系统的耐用性等性能决定了燃料电池的使用寿命等多个指标。近年来，氢燃料电池技术方面的研究主要集中于电堆、双极板以及燃料电池系统等方面。对于完整的燃料电池系统来说，发电的全过程除了发电和供热，还包括燃料重整，反应气体的输送，电极的加热、冷却，电力调节和转换等，这些过程的效率都影响燃料电池系统的效率，其中最主要影响效率的因素有电流密度、极化、温度、燃料利用率。 图8：燃料电池功率与耗氢量关系 图9：燃料电池电压-面电流曲线 图10：燃料电池系统构成 2.2．燃料电池之“心”—氢燃料电池电堆 氢燃料电池电堆是燃料电池中氢燃料发生化学反应的场所，是燃料电池的核心。燃料电池电堆包括催化剂、质子交换膜、气体扩散层、双极板，以及其他结构件如集流板、密封件、端板等各种部件。据沙利文数据，2021年电堆成本约占燃料电池系统成本65%，所以降低电堆成本是燃料电池汽车商业化的关键。 从出货量情况来看，据华经情报网数据，2021年我国燃料电池电堆出货量为757MW，同比增长128%，行业增速趋快，新增市场规模约为6.2亿元，预计2021-2025年燃料电池电堆新增市场需求的CAGR为87%，预计到2025年和2030年，燃料电池电堆新增市场分别为75、238亿元。 图11：2018-2021年我国燃料电池电堆出货量及增速情况 图12：我国氢燃料电池电堆年新增市场需求 2.2.1．膜电极是燃料电池电堆核心 膜电极主要包括催化剂、质子交换膜以及气体扩散层。作为核心部件，膜电极的质量直接决定了氢燃料电池的功率密度、寿命以及耐久性等重要指标。常见的膜电极根据其中电解质的不同，可分为碱性燃料电池（AFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、固态氧化物燃料电池（SOFC）、质子交换膜燃料电池（PEMFC）几种。其中，质子交换膜PEM目前是处于商业化最前沿的燃料电池，具有多种优点，包括功率密度高、启动时间短（1min左右）、操作温度低（<100℃）、对氧化剂要求较低（空气就可以作为其氧化剂来源）等，使得PEM成为研究热点并得到了快速发展。 表4：几种主要燃料电池特点燃料电池类型电解液AFC 表5：国内部分膜电极企业生产情况企业 我国膜电极的起步虽然较晚，但发展非常迅速。自21年后，国内多家企业纷纷布局膜电极产业。在生产技术方面，双面直接涂布技术和膜电极一体成型技术为当前主流。19年以后以擎动科技，武汉理工氢电及泰及动力等企业的国产膜电极生产线先后落成，国产膜电极正逐步向批量生产阶段迈进。在技术参数方面，国内企业生产的膜电极的技术参数已经接近国际先进水平，部分指标已经优于国际领先水平。例如：国内在膜电极方向处于领先地位的企业武汉理工新能源、擎动科技以及鸿基创能的产品的功率密度均已超过 1W/cm2 ，鸿基创能的产品的膜电极功率已经达到 1.4W/cm2 ，测试使用寿命达到1至2万小时，基本已经满足商业化要求。 表6：国内外膜电极产品主要参数情况 国内膜电极在成本方面具有较强的优势，并且在未来有持续下降的可能。这是由于：（1）国产燃料电池膜电极将开始规模化应用，这将显著增强供应商的议价能力，在大批量采购的情况下原材料成本存在大幅下降的空间；（2）在生产规模增大带来规模效应的情况下，高昂的设备成本将得到进一步摊薄，这将进一步带动膜电极成本的下降。 图13：国产膜电极生产成本情况及预测 据统计2020年度我国氢燃料电池膜电极出货量已由2018年的0.76万平方米上升至3.68万平方米。由于氢能在我国的整体关注度持续提升，预计膜电极产品的出货量将进一步增加。2020年中国膜电极新增市场需求为1.8亿元，预计2021-2025年我国氢燃料电池车用膜电极的年新增市场需求的CAGR为83%，我国膜电极新增市场2025年和2030年将分别达到37、173亿元。 图14：我国燃料电池膜电极出货情况 图15：我国氢燃料电池膜电极新增市场需求 2.2.2．质子交换膜构成电堆重要组成部分 质子交换膜为燃料电池电堆的重要组成部分之一，按照含氟情况分类，可分为全氟磺酸膜、部分氟化聚合物质子交换膜、复合质子交换膜以及非氟化物质子交换膜几种。目前，常用的商业化离子交换膜为全氟磺酸膜。这种膜的原理为利用碳