氢能行业专题报告：氢车未来可期，氢燃料电池蓄势待发

（报告出品：中银证券）

氢燃料电池用途广泛，燃料电池汽车是氢能应用的重要场景

氢燃料电池汽车是氢能的重要应用场景，具备减碳、里程长等优势

氢燃料电池车是氢能应用的重要场景

全球绿色低碳转型有望推动氢能需求提升：氢能是用能终端实现绿色低碳转型的重要载体，全球多 国制定绿色转型计划，并制定中长期碳排放目标，联合国表示到 2030 年全球碳减排 50%已成各国共 识。根据 Statista 数据，主要国际能源组织针对 2050 年氢能在全球能源总需求中的占比进行了预测， 数据显示主要能源组织预测到 2050 年氢能在总能源中的占比将达 22%，其余几家机构的预测值在 12%-18%间不等。以国际可再生能源机构 12%的占比预测为例，绿氢产量将提升到 2050 年的 6.14 亿吨。

交通领域将成为氢能应用的重要场景，氢燃料电池汽车需求有望快速增长：根据中国氢能联盟数据， 2020-2060 年通过使用绿氢有望实现超过 200 亿吨的碳减排量，其中交通行业累计减排量最大，约为 156 亿吨，减排占比 70%以上，可再生氢将在交通、钢铁、化工等领域成为主要的零碳原料。根据 我们的测算，全球绿氢需求有望从 2021 年的 3.76 万吨增长到 2030 年的 3320.44 万吨，CAGR 有望 达到 112.49%。根据 Statista 和国际可再生能源机构预测，绿氢在交通业总能源消耗中的占比预计由 2020 年低于 0.1%的较低水平提升至 2050 年 12%。2017-2021 年，随着氢燃料电池车销量提升，燃 料电池在交通领域装机量逐步提升。根据 E4tech 数据，2017-2021 年交通领域氢燃料电池装机逐渐 由 435.7MW 提升至 1,964.80MW，复合增长率达 46%。2017-2021 年交通领域氢燃料电池装机占全 球燃料电池总装机比例逐步由 66%提升至 85%。在碳达峰、碳中和的目标指引下，氢燃料汽车需求 有望快速增长。根据中国氢能联盟预测，2050 年我国燃料电池汽车保有量有望超过 300 万辆，加氢 站数量有望达到 1 万座，氢能消耗占比将达到 10%。

氢燃料电池是燃料电池汽车的核心零部件，具有转化效率高、无碳排放等特点：燃料电池汽车主要 结构包括电驱系统、燃料电池、车载储氢系统、电池系统等。根据国富氢能招股说明书（申报稿）， 氢燃料电池成本约占燃料电池汽车总成本的 50%，且燃料电池性能对整车功率输出、运行寿命等参 数具有重要影响，因此氢燃料电池是燃料电池汽车的核心零部件。氢燃料电池是由电极、电解质、 外部电路三部分构成的电化学装置，可通过电化学反应将氢气的化学能转变为电能。主流技 术——PEM 燃料电池的发电原理为：燃料（氢气）进入燃料电池的正极，在阳极上进行还原反应， 释放电子形成带正电荷的氢离子，氢离子穿过电解质到达负极，在负极与氧化剂（氧气）上进行氧 化反应生成水。在此过程中，电子不能通过电解质，从而只能流入电路，形成电流，产生电能。由 于燃料电池工作并不通过燃烧等热机过程，可直接将化学能转化成电能，理论上燃料电池热电转化 效率可达 85%-90%。

与燃油车相比，氢燃料汽车运行无污染，且能量转化效率较高

燃料可再生，运行过程中无碳排、无污染：氢燃料电池汽车的燃料为氢气，氢电转化的生成物只有 水，因此氢燃料电池汽车的运行可实现零排放，即不会生成 CO、CO2 或硫化物等污染物。根据碳中 和专业委员会数据，1 升汽油燃烧会释放 2.30kg CO2、0.627kg 碳、1 升柴油燃烧会释放 2.63kg CO2、 0.717kg 碳，使用氢燃料电池汽车可实现交通减碳。使用可再生能源制氢可进一步降低燃料汽车全生 命周期碳排放。燃料汽车全生命周期碳排放包括车辆周期和燃料周期，即车辆生产阶段排放的碳排 放和生产/使用燃料过程中的排放。根据余亚东《不同燃料路径氢燃料电池汽车全生命周期环境影响 评价》，若使用可再生能源发电制氢、气氢管道运氢，氢燃料电池汽车百公里等效碳排放量约 3.7kg；若使用焦炉煤气副产氢或煤制氢、气氢管道运氢，氢燃料电池汽车百公里等效碳排放量分别为 20kg、 26.1kg。

相比内燃机，氢燃料电池转换效率更高：内燃机需要先将化学能转化成热能，利用气体受热膨胀对 外做功后将热能转化为机械能，在实际工况中，燃料燃烧时所放出的热量不能完全被工质吸收，仅 有一部分转变为机械能，其余一部分随工质排出，传给低温热源，还有一部分能量因需克服摩擦而 损失。由于内燃机的运转涉及热力学，因此需要受到卡诺循环效率限制，即热机在两个不同温度之 间工作的最大效率必定小于 1 的限制。根据太平洋汽车数据，大部分汽车发动机的热效率在 28%-33% 之间，将汽车发动机的热效率提升至 40%较为困难，以 2022 年荣获“中国心”十佳发动机的长城汽车 3.0T V6 发动机为例，其热效率约 38.5%。燃料电池作为电化学能量转换装置，并不受到卡诺效率限 制，可以直接将化学能转化为电能，最终转化为机械能，因此能量效率转化效率较高。根据衣宝廉 等《氢燃料电池》数据，氢燃料电池转化效率最高可达 84%。2023 年 2 月，亿华通发布 M180 氢燃 料电池发动机，M180 氢燃料电池发动机额定点效率达 52%，最高效率达 64% 以上，较传统汽油 机具备效率优势。

与电动车相比，氢燃料电池汽车续航里程长、冷启动能力强

氢燃料电池汽车在续航方面具备优势：质量能量密度是一定的质量物质中储存能量的大小，质量能 量密度越大则其在单位重量内储存的能量越大。氢气的质量能量密度约 120MJ/kg，约为柴油、汽油 和天然气质量能量密度的 3 倍。由于氢气能量密度较高，因此其单位重量内储存的能量较高，将氢 气通过氢电反应后所得到电能的能量亦较高，从而可实现氢燃料电池在续航方面的优势。根据我们 测算，若按照 84%的能量转换效率进行测算，1kg 氢气最多可发 28.21 度电，若按照 60%的能量转化 效率进行测算，1kg 氢气可发 20.15 度电。若燃料电池汽车载氢量 5kg，则燃料电池汽车等效单车带 电量超过 100 度电，相比于 Tesla Model Y 单车 60 度电带电量高约 67%。由于氢气质量能量密度较 高且氢燃料电池能量转换效率较高，氢燃料电池汽车的续航能力较优。

氢燃料电池低温工况下衰减低，冷启动能力强：锂电池在超低温（-20℃）下长时间放置会产生不可 逆的损伤，导致电池容量降低。根据电池联盟，随着温度的降低，锂电池充电时间将逐渐延长，并 且负极颗粒表面会析出金属锂，负极中可用活性锂离子的减少会导致动力电池容量不可逆的衰减。控制燃料电池内部的含水量是提升其内部性能的关键，氢燃料电池本身电化学性能不受-40℃低温影 响，但如果燃料电池内部残留的水在低温下结冰，水-冰相会影响燃料电池材料性能、破坏电极材料 与燃料电池内部结构，导致燃料电池不能正常启动。因此通过优化燃料电池的内部排水设计、提升 排水性能可提升燃料电池的低温性能，目前国内系统厂商生产的燃料电池系统已经基本具备低温启 动能力。亿华通在 2020 年研发的石墨双极板 YHTG60SS 燃料电池系统已经可以实现-30℃低温启动、 -40℃低温存储。根据国家能源局《关于开展燃料电池汽车示范应用的通知》，燃料电池汽车城市群 示范使用的燃料电池汽车所采用的燃料电池启动温度需不高于-30℃。

与氢内燃机汽车相比，氢燃料电池汽车效率更高、排放更少

氢燃料电池在效率方面具备优势：氢内燃机需要先将氢气的化学能转化成热能，利用气体受热膨胀 对外做功后将热能转化为机械能，因此需要满足卡诺循环，且能量损失较高。氢燃料电池可以直接 将化学能转化成电能，并由电能转化为机械能，不需要满足卡诺循环，因此氢燃料电池效率更高。根据衣宝廉等《氢燃料电池》，燃料电池实际工作时的能量转换效率在 40%-60%范围内，而根据新 能源网数据，氢内燃机转化效率基本位于 35%-45%。

氢内燃机运行过程中会排放 NOx，NOx 有毒性且会造成大气污染：理想情况下氢内燃机的反应原理 为 2H2+O2=2H2O，但是由于大气中含有 80%氮气，且氢气在燃烧时火焰传播速度快、燃烧温度高， 导致氢内燃机在运行时会产生 NOx 排放，具体反应原理为：H2+O2+N2→H2O+NOX，氢气发动机与 空气混合燃烧所生成的 NOx 排放不可避免。NOx 的排放会导致一系列环境污染并对人体健康产生严 重的影响。根据智慧环境生态产业研究院，NOx（氮氧化物）的危害包括破坏臭氧层；阻碍植物光 合作用；危害人体中枢神经、心、肺多器官健康；形成酸雨等。

PEM 燃料电池为主流技术路线

质子交换膜燃料电池（PEM 燃料电池/PEMFC）是目前车用燃料电池主流技术方案，具有运行温度 低、效率高、启动时间快、技术成熟等特点：根据电解质不同，燃料电池可被分为碱性燃料电池（AFC）、 质子交换膜燃料电池（PEMFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）等不同类型燃料电池。PEMFC 工 作温度通常低于 100℃，属于低温燃料电池，可适应车用工况。PEMFC 电解质为固体质子交换膜， 与同样可低温运行的碱性燃料电池相比，PEMFC 电解质没有泄露风险。PEMFC 启动时间小于 5 秒、 功率密度可达 1.0-2.0W/cm2，与其他类型燃料电池相比具备启动时间短、单位功率密度高的特点。PEM 燃料电池汽车已经过超过 30 年研发，技术水平较为成熟。根据 E4tech 数据，截至 2021 年，PEM 燃料电池全球装机达 1,998.3MW，占全球燃料电池总装机比例超过 85%。

PEM 燃料电池对氢气纯度要求较高：依照国标《GB/T 37244—2018 质子交换膜燃料电池汽车用燃 料氢气》对原料氢气的纯度要求，PEM 燃料电池需要使用高纯氢气（≥99.97%）作为燃料，否则氢 气中微量的CO等杂质会吸附在铂催化剂上，从而占据了氢气发生氧化反应时所需的催化活性位点， 导致燃料电池性能显著降低。传统制氢方式如化石能源制氢以煤或天然气为原料，会产生包括烃类、 CO、CO2、有机硫等多种杂质，不能直接用作氢燃料电池燃料。根据李佩佩《浅谈氢气提纯方法的 选取》，煤制氢产物中氢气体积占比 48%-54%，天然气裂解制氢产物中氢气体积占比约 75%-80%。若使用低纯度氢气作为原料气，则需要进一步提纯以供氢燃料电池使用。目前，吸附分离法是提纯 工业副产氢的有效方式之一，但是原料气中 10×10-6级的 CO 仍会造成燃料电池性能严重下降，需将 CO 浓度控制在 2×10-6以下。目前 PEMFC 广泛采用抗 CO 的 PtRu/C（铂钌合金）作为电催化剂，但 是以纯氢作为原料气时以 Pt/C 为催化剂性能更优。电解水所制得氢气纯度较高。随着电解槽技术进 步，电解水所得氢气纯度可高达 99.999%，可直接用作氢燃料电池燃料。

延长使用寿命、降本、提升功率密度为 PEM 燃料电池技术主要发展方向

优化工艺或将改善燃料电池使用寿命

商用车对燃料电池寿命要求较高，国产燃料电池寿命仍有提升空间：燃料电池使用寿命指的是电堆 由最大功率下降至额定功率的 90%所运行的时间，电堆额定功率下降会对燃料电池正常运行造成影 响。根据衣宝廉等《氢燃料电池》数据，轿车用燃料电池系统对寿命一般要求为 5000 小时以上；由 于商用车、固定电站连续运行时间较长，一般要求燃料电池系统寿命分别在 2 万、4 万小时以上。国产燃料电池寿命已达到较高水平，但距离海外仍有一定差距。根据中国汽车工程学会，2022 年我 国石墨双极板电堆寿命已可达到 1.5-1.8 万小时，但海外部分燃料电池寿命已可达到 2.5 万小时。质子交换膜降解、催化剂腐蚀是导致燃料电池电堆衰减的常见原因，优化工艺或提升燃料电池寿命：质子交换膜化学降解、热降解、机械降解等方式都会导致质子交换膜快速失效；催化剂载体腐蚀会 导致铂颗粒脱落流失，从而导致催化剂电化学活性面积快速衰减。催化剂腐蚀、质子交换膜应力破 损会导致燃料电池效率快速衰减；质子交换膜的化学降解、催化剂的溶解沉积老化所导致的效率衰 减则较为缓慢。燃料电池寿命已经过多次改进，根据衣宝廉等《氢燃料电池》，截至 2020 年，燃料 电池通过三次迭代已将寿命由 700 小时提升至 6000 小时并以 1 万小时寿命作为研发目标，该目标已 于 2022 年阶段性达成。雄韬氢瑞生产的石墨板电堆的寿命已达到 1.5 万小时，并以 2 万小时寿命为 目标。后续或将通过优化工艺进一步提升燃料电池寿命，具体方案包括提升燃料电池气密性，防止 在电极上产生氧气/氢气混合界面、提升燃料电池操作控制，保持阴极、阳极供气速率保持平衡等。

国产替代、规模化生产有望推动氢燃料电池汽车降本

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