氫能：“21世紀的終極能源”

國際能源轉(zhuǎn)型一直沿著從高碳到低碳、從低密度到高密度的路徑進行，而被譽為“21世紀的終極能源”的氫氣是目前公認的最為理想的能量載體和清潔能源提供者。

氫能是一種清潔、高效、安全、可持續(xù)的二次能源，可通過多種途徑獲取。且符合我國碳減排大戰(zhàn)略，同時有利于解決我國能源安全問題，是我國能源革命的重要媒介。

 

氫能的應用可以廣泛滲透到傳統(tǒng)能源的各個方面，包括交通運輸、工業(yè)燃料、發(fā)電等，主要技術(shù)是直接燃燒和燃料電池技術(shù)。

根據(jù)國際氫能委員會預計，到2050年，氫能將承擔全球18%的能源終端需求，創(chuàng)造超過2.5萬億美元的市場價值，燃料電池汽車將占據(jù)全球車輛的20%-25%，屆時將成為與汽油、柴油并列的終端能源體系消費主體。

根據(jù)中國氫能聯(lián)盟預計，2050年氫能在中國終端能源體系中占比至少達到10%，氫氣需求量接近6000萬噸，其中交通運輸領(lǐng)域用氫2458萬噸，約占該領(lǐng)域用能比例19%，燃料電池車產(chǎn)量達到520萬輛/年。

 

氫能產(chǎn)業(yè)鏈涵蓋氫能端及燃料電池端。在氫能及燃料電池領(lǐng)域，我國已經(jīng)初步形成從基礎(chǔ)研究、應用研究到示范演示的全方位格局，布局了完整的氫能產(chǎn)業(yè)鏈。

與鋰電池產(chǎn)業(yè)鏈相比，氫能源與燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈更長，復雜度更高，理論經(jīng)濟價值含量更大。

氫燃料產(chǎn)業(yè)鏈全景梳理：

 

氫能產(chǎn)業(yè)鏈指氫氣從生產(chǎn)到下游應用的過程，包括制氫（電解水制氫、工業(yè)副產(chǎn)氫等）、儲氫氫、運氫、加氫（加氫站加氫）等核心環(huán)節(jié)。

制 氫

目前制氫技術(shù)路線按原料來源主要分為化石原料制氫、化工原料制氫、工業(yè)尾氣制氫和電解水制氫幾種。

常規(guī)的制氫技術(shù)路線中以傳統(tǒng)化石能源制氫為主，全球范圍內(nèi)主要是使用天然氣制氫，我國由于煤炭資源比較豐富，因此主要使用煤制氫技術(shù)路線，占全國制氫技術(shù)的60%以上。

制氫路線上將由化石能源制氫逐步過渡至可再生能源制氫。大規(guī)模低成本氫氣是關(guān)鍵，路線由“灰氫”向“綠氫”發(fā)展。未來“可再生能源+水電解制氫”有望成為大規(guī)模制氫發(fā)展趨勢。

從三大工業(yè)氣體巨頭依托空分技術(shù)儲備及資源調(diào)配能力在氫能產(chǎn)業(yè)鏈的全方位布局的能力向國內(nèi)產(chǎn)業(yè)發(fā)展推導，國內(nèi)具有氫的制備和純化技術(shù)儲備的本土空分設備及工業(yè)氣體公司，有望受益國內(nèi)氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

 

儲 氫

氫氣的可大規(guī)模存儲和運輸是其區(qū)別于化學電池儲能的重要特性。在資源總量不受約束，制備成本中遠期可控的前提下，氫氣的儲存性能和運輸效率是氫能網(wǎng)絡建設的瓶頸問題。

目前，氫氣的儲存主要有氣態(tài)儲氫、液態(tài)儲氫和固體儲氫三種方式、高壓氣態(tài)儲氫已得到廣泛應用，低溫液態(tài)儲氫在航天等領(lǐng)域得到應用，有機液態(tài)儲氫和固態(tài)儲氫尚處于示范階段。

在儲氫環(huán)節(jié)，國內(nèi)主要廠商包括深冷股份（深冷股液氫裝置、液氫儲罐、儲氫系統(tǒng)）；富瑞特裝（車載高壓供氫系統(tǒng)和加氣設備）；京城股份（車載儲氣瓶、鋼質(zhì)無縫氣瓶，鋼質(zhì)焊接氣瓶，焊接絕熱氣瓶，碳纖維全纏繞碳復合氣瓶）；中材科技（粗紗、細砂、短切纖維、耐堿纖維、縫編織物等玻璃纖維制品）。

 

運 氫

加氫站網(wǎng)絡化分布是氫燃料電池技術(shù)大規(guī)模商用化的基本保障，而解決加氫站網(wǎng)絡化分布的關(guān)鍵是解決氫氣運輸問題。

氫氣在常溫常壓下為氣態(tài)，密度僅為0.0899千克/立方米。作為易燃氣體，它屬于?類危險品（非燃料），與空氣混合能形成爆炸性混合物，遇熱即發(fā)生爆炸，因此對運輸安全要求較高。

目前氫氣的輸運方式主要有氣態(tài)運輸、液態(tài)輸運和固體輸運三種方式。

我國氫能示范應用主要圍繞工業(yè)副產(chǎn)氫和可再生能源制氫地附近（小于200公里）布局，氫能儲運以高壓氣態(tài)方式為主。

加氫站

產(chǎn)業(yè)發(fā)展基礎(chǔ)設施先行，加氫站和氫氣作為燃料電池車產(chǎn)業(yè)重要的原料及基礎(chǔ)設施，是氫能源產(chǎn)業(yè)上游制氫和下游用戶的聯(lián)系樞紐，其布局和建設是燃料電池汽車商業(yè)化發(fā)展的突破口。

加氫站的建設數(shù)量和普及程度，在很大程度上決定了氫燃料電池汽車的產(chǎn)業(yè)化進程，而低價制氫和運輸也是氫燃料電池汽車進一步普及推廣的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，決定了行駛成本的經(jīng)濟性與否。

 

 

自從1999年5月全球第一座加氫站在德國慕尼黑機場建成以來，各國相繼推動加氫站建設。

截至2020年11月21日，全球主要氫能國家和地區(qū)共建成加氫站458座，另有255座在建或擬建的加氫站。

我國加氫站建設進度逐步加快，截止2020年底，加氫站建成128座。同時，中石油、中石化、國家能源集團等二十余家大型央企紛紛跨界發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)。

加氫站技術(shù)路線圖：

 

加氫站的營運方式：我國大部分采用外供高壓氫氣

從加氫站的營運模式來看，能否盈利主要取決于運營成本（氫氣的價格）、投資額（設備）、加氫站運行負荷（燃料電池汽車保有量）。

從目前國內(nèi)外加氫站的運營情況來看，目前供氫的方式主要分為兩種：站內(nèi)制氫和外供氫氣。

站內(nèi)制氫主要是水電解制氫，該技術(shù)已經(jīng)相當成熟并且在歐洲大多數(shù)加氫站獲得應用；而外供氫氣則是大規(guī)模的利用天然氣重整制氫或者鋼廠、化工廠副產(chǎn)氫氣，在凈化之后使用高壓氧氣瓶集束拖車運輸至加氫站。

中國加氫站氫源絕大部分來自于外供高壓氫氣。

典型的外供氫的高壓氣氫加氫站投資組成中，除去土建及，設備費用占據(jù)最大比例，主要是壓縮機、儲氫瓶、加氫和冷卻系統(tǒng)，由于國內(nèi)缺乏成熟量產(chǎn)的加氫站設備廠商，進口設備推高了加氫站建設成本。

由于燃料電池汽車還沒有實現(xiàn)大規(guī)模運營，目前加氫站建設成本和運營成本遠遠高于傳統(tǒng)加油站、加氣站。從全球范圍內(nèi)來看，政府和整車企業(yè)是加氫站建設的主體，政府補貼的幅度均超過50%。

外供高壓氫加氫站建設成本構(gòu)成：

 

加氫站國產(chǎn)化逐步開啟

雖然中國所生產(chǎn)的加氫站設備各項技術(shù)指標仍有欠缺，但是目前國產(chǎn)化已經(jīng)開啟，業(yè)內(nèi)企業(yè)在各領(lǐng)域均推出自主產(chǎn)品。

厚普股份提供加氫站成套設備，覆蓋設計到部件研發(fā)、生產(chǎn)，成套設備集成、加氫站安裝調(diào)試和售后服務；中集安瑞科2021年1月7日中標國家能源集團70MPa加氫站項目；鴻達興業(yè)已在務，已在內(nèi)蒙古建設運營我國第一座民用液氫加工廠；嘉化能源副產(chǎn)氫提純、運輸、加氫站一體化運營企業(yè)、國投聚力合作。

 

從氫能實際應用來看，氫燃料電池汽車是氫能高效利用的最有效途徑，當前我國已布局了較為完整的氫能產(chǎn)業(yè)鏈。

氫能燃料電池產(chǎn)業(yè)是電池產(chǎn)業(yè)中具有戰(zhàn)略性、前瞻性的一項綠色儲能技術(shù)，代表著未來新能源的發(fā)展方向，具有良好的發(fā)展前景。

燃料電池的能量密度高，可達0.5-1.0kWh/kg，特別適合重載車。電堆與氫罐是分開的，提高了發(fā)動機的安全性，電堆不易產(chǎn)生爆炸。氫燃料電池車在續(xù)駛里程、加氫時間、駕駛舒適性均可與燃油車接近。

當前氫能產(chǎn)業(yè)鏈已初具雛形，且燃料電池系統(tǒng)性能已滿足商業(yè)化需求，但大規(guī)模商業(yè)化應用依然受經(jīng)濟性及實用性制約。

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(lǐng)域的燃料電池汽車。

 

目前在燃料電池系統(tǒng)、電堆環(huán)節(jié)，國產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)實現(xiàn)產(chǎn)品批量供應，隨著膜電極國產(chǎn)化的逐步深入，燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)基本實現(xiàn)國產(chǎn)化。但產(chǎn)業(yè)鏈中質(zhì)子交換膜、碳紙等材料環(huán)節(jié)仍處于研發(fā)或小批量試制階段，持續(xù)引導國產(chǎn)化推進，實現(xiàn)技術(shù)獨立可控對成本下降意義重大。

催化劑

催化劑是膜電極的關(guān)鍵材料之一，在降低催化劑成本的方面，目前有兩條路徑，一條是降低鉑的使用量，另一條則是研發(fā)非鉑催化劑，兩者都已有所進展。

在工業(yè)化生產(chǎn)方面，日本、英國、比利時等國外供應商的催化劑制備技術(shù)處于絕對的領(lǐng)先地位，已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)批量化生產(chǎn)（＞10公斤/批次），而且性能穩(wěn)定，可靠性高。國內(nèi)目前幾乎沒有產(chǎn)業(yè)化催化劑制造企業(yè)，催化劑產(chǎn)品也比較單一。該領(lǐng)域參與廠商主要有貴研鉑業(yè)等。

質(zhì)子交換膜

質(zhì)子交換膜是一種固態(tài)電解質(zhì)膜，其作用是隔離燃料與氧化劑、傳遞質(zhì)子（H+）。該環(huán)節(jié)主要廠商包括東岳集團和騰龍股份等。

氣體擴散層

氣體擴散層位于流場和催化層之間，其作用是支撐催化層、穩(wěn)定電極結(jié)構(gòu)，具有質(zhì)/熱/電的傳導功能。

國外大多數(shù)制造廠商都已實現(xiàn)氣體擴散層的規(guī)模化生產(chǎn)，且都有多款適應不同應用場景的產(chǎn)品銷售，包括日本東麗、德國SGL和加拿大AVCarb等。

國內(nèi)氣體擴散層還處于初級碳微孔層的制備階段。

雙極板

雙極板是燃料電池的陰極板和陽極板，其作用是傳導電子、分配反應氣并帶走生成水。

燃料電池常采用的雙極板材料包括石墨碳板、復合雙極板、金屬雙極板三大類，由于車輛空間限制（尤其是乘用車），要求燃料電池具有較高的功率密度。

因此相對較薄的金屬雙極板有更好的應用前景。

國內(nèi)石墨雙極板技術(shù)近年來發(fā)展迅速，技術(shù)水平與國外相當，但厚度通常在2mm以上。復合膜壓碳板在國外已突破0.8mm薄板技術(shù)，具備與金屬板同樣的體積功率密度。

目前國內(nèi)薄碳板開發(fā)方面，國鴻有來自于加拿大巴拉德公司的授權(quán)技術(shù)。純國產(chǎn)復合膜壓碳板處于研制開發(fā)階段，預計2021年1mm薄板開始批量生產(chǎn)。

安泰科技在氣體擴散層和雙極板這兩個環(huán)節(jié)均有涉及。

對比國內(nèi)外燃料電池電堆，國內(nèi)電堆在核心材料與關(guān)鍵技術(shù)方面仍存在短板，也是造成燃料電池電堆成本居高不下的主要原因，其中膜電極層三大關(guān)鍵材料P/t催化劑、質(zhì)子交換膜、碳紙主要依賴進口，國產(chǎn)材料尚無法滿足高性能燃料電池電堆使用需求；集流體雙極板方面，石墨雙極板經(jīng)過多年開發(fā)已以國外技術(shù)水平相當，但低成本、輕薄的金屬雙板開發(fā)仍為空白。

 

燃料電池中游：燃料電池電堆從成本端來看，系統(tǒng)中最核心的部分是燃料電池電堆和空壓機，根據(jù)DOE對80KW系統(tǒng)的成本測算，在年產(chǎn)50萬套的規(guī)模化條件下，電堆已占據(jù)燃料電池系統(tǒng)約一半成本，可以說是燃料電池心臟，而空壓機占比超過四分之一，這兩部分也是降低燃料電池系統(tǒng)綜合成本的關(guān)鍵。

燃料電池系統(tǒng)成本構(gòu)成：

 

燃料電池電堆主要廠商包括億華通、騰龍股份、大洋電機、雄韜股份、濰柴力。

氫氣循環(huán)系統(tǒng)廠商方面，雪人股份是空壓機的主要供應商、漢鐘精機自主研發(fā)螺桿空氣壓縮機。

但由于產(chǎn)業(yè)規(guī)模尚小，同時MEA等部件國產(chǎn)化時點較晚，造成目前除了系統(tǒng)、電堆龍頭企業(yè)外，大部分國產(chǎn)化產(chǎn)品尚未能形成大規(guī)模，長周期應用，政策扶持期將提供國產(chǎn)部件的規(guī)模化應用及技術(shù)提升的空間。

氫能及燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈梳理示意：

《中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書》指出，交通領(lǐng)域?qū)⑹菤淠芟M的重要突破口，在商用車領(lǐng)域，2030年燃料電池商用車銷量將達到36萬輛，占商用車總銷量的7%（樂觀情景將達到72萬輛，占商用車總銷量13%）；2050年銷量有望達到160萬輛，占比37%（樂觀情景下銷量300萬輛，占比70%以上）。

 

當前我國燃料電池汽車已進入商業(yè)化初期，截止2020年底，我國燃料電池汽車保有量7352輛。

2020年9月，財政部、工業(yè)和信息化部、科技部等5部門聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于開展燃料電池汽車示范應用的通知》，明確燃料電池汽車示范期間，將采取“以獎代補”方式，對入圍示范的城市群按照其目標完成情況給予獎勵。

在4年補貼扶持期間，補貼后燃料電池汽車基本實現(xiàn)對標燃油車平價，刺激市場化整車采購需求，推動產(chǎn)業(yè)邁出規(guī)模化第一步，進入降本放量的良性循環(huán)，加速平價階段的到來。

 

氫燃料電池車輛的推廣應用前景除了取決于整車技術(shù)的先進性、成熟度與成本外，也和包含制氫、儲氫、運氫和加氫站在內(nèi)的氫能源鏈發(fā)展的完備程度及發(fā)展?jié)摿γ芮邢嚓P(guān)。

要實現(xiàn)無補貼的燃料電池車商業(yè)化，必須大幅度降低燃料電池發(fā)動機的成本和氫氣的成本，同時降低加氫站的建設費用。

德勤分析數(shù)據(jù)顯示，中國氫燃料電池公交車的總成本（TCO，購買成本和運營成本）在2019年為178美元/百公里，預計到2029年TCO將下降至55美元/百公里，將低于純電動公交和燃油公交車的成本。

以目前燃料電池的購車和使用成本來看，除了燃料電池系統(tǒng)等車輛相關(guān)部件成本有較大下降空間外，制氫儲氫環(huán)節(jié)的技術(shù)進步和基礎(chǔ)設施的推廣也是推廣燃料電池汽車的重要把手。

因此，產(chǎn)業(yè)發(fā)展初期的政策扶持顯得尤為重要，政策扶持下產(chǎn)業(yè)進入規(guī)模化-降本-開拓市場的良性內(nèi)循環(huán)，此外，持續(xù)的技術(shù)進步也將反哺解決各環(huán)節(jié)核心技術(shù)的成本制約，進一步提升商業(yè)化競爭力。

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