产研发布 | 氢能产业链图谱分析
前言
近年来，为了应对气候变化和如期实现“3060”目标，氢能作为一种清洁低碳、热值高、来源多样、储运灵活的绿色能源，得到了全球的广泛关注。日本高度重视氢能产业的发展，是全球第一个提出建设“氢能社会”的国家。在过去的30年里，日本政府先后投入数千亿日元用于氢能和燃料电池技术的研究和推广。
美国将氢能视为未来不可或缺、仅次于电能的重要二次能源。美国能源局从1970年就开始布局燃料电池研发，并一直走在世界前列。
韩国将氢能定位为提升能源效率和优化可再生能源电力系统的重要媒介，并将氢能列为三大战略投资领域之一。
我国氢能产业的发展，在国际上也处于领先地位。在《氢能产业发展中长期规划（2021-2035 年）》中，我国将氢能定位为未来国家能源体系中的重要组成部分和实现绿色能源转型的重要载体，并计划在未来15年内逐步建立完备的氢能产业体系。
在政策的加持下，越来越多的资本和资源流向氢能产业。捷氢科技、国富氢能和治臻股份三家氢能企业在三日内接连申请科创板IPO，加之重塑科技、东岳氢能、国鸿氢能等氢能企业均已完成股改，可能在短期内启动科创板上市申报工作，都从一定程度上表明氢能产业正在蓬勃发展。
一
氢能
产业链全景图谱
氢能是指氢在物理与化学变化过程中释放的能量，可用于储能、发电、各种交通工具用燃料、家用燃料等。氢能是二次能源，不像石油、天然气可以直接开采使用，需要通过一定的技术制取得到，所以氢能产业链长且关键环节众多。整个产业链可以分为上游能源端、中游产品端和下游应用端。能源端包括氢气制取、氢气储运和加氢站；产品端包括燃料电池、氢燃气轮机和氢内燃机，目前燃料电池技术是氢能产业发展的重点和难点；应用端主要体现在交通、发电、储能和工业等领域上，其中交通领域中的燃料电池汽车是氢能最主要的应用，越来越多的汽车厂商开始在燃料电池汽车领域布局。
图1：氢能全产业链图谱
来源：火石创造根据公开资料绘制
二
氢能
产业链上游
1、氢气制取
氢气制取是氢能产业链中的重要一环，按照制取技术来分，可以分为化石能源制氢、工业副产制氢和电解水制氢。化石能源制取的氢气也被称为灰氢，灰氢制取成本较低，是我国氢气的主要来源。但这种制氢方式的碳排放较高，不利于我国“3060”目标的实现。工业副产气制取的氢气被称为蓝氢，主要是指生产焦炉煤气、合成氨、合成甲醇等化工产品时所得到的氢气。通过电解水等手段制取的氢气被称为绿氢，整个制氢过程不会排放温室气体，而且得到的氢气纯度高。不过目前电解水制氢耗电量大，生产成本较高。综合来看，电解水制氢会是未来制氢的主要方向。
2、氢气储运
氢气储运是制约我国氢能产业发展的关键环节，氢气是自然界中最轻的气体，由于其独特的物理、化学性能，使得它储运难度非常大，成本较高，这也是马斯克不看好氢能产业发展的原因之一。
氢气储运包括氢的储存和运输两方面，一种储氢方式对应着一种运氢方法。储运氢的方式主要有四种，分别是高压气态储运、低温液氢储运、有机液体储运、固体储运。其中，有机液体储运指的是利用烯烃、炔烃、芳烃等不饱和有机液体做储氢材料，借助不饱和有机物与氢的可逆反应来实现氢的储存。固体氢储运指的是利用活性炭、碳纳米管进行物理吸附，或者是利用金属氢化物进行化学吸附，从而达到储氢的目标。目前来说，高压气态储氢技术较成熟，在未来一段时间内都会是国内主推的储氢技术，低温液氢储运主要运用在航空航天领域，而有机液体储运和固体储运尚处在研究或示范阶段。
3、加氢站
加氢站的主要部件包括加氢机、氢气压缩机、储氢瓶组等，其中氢气压缩机占总成本比例较高，约30%。目前设备制造的发展方向是加速氢气压缩机的国产化进程，进而降低加氢站的建设成本。
截止到2022年7月5日，我国累计建成加氢站272座。其中广东省的加氢站数量最多，达到52座，遥居全国第一；山东省有29座加氢站，居全国第二；江苏省和浙江省的加氢站数量均超20座。在直辖市中，上海的加氢站数量最多，达到15座；北京的加氢站数量略小于上海，为14座。目前来说，我国除西藏、青海、甘肃外， 加氢站实现全覆盖。全国各省、市/区、自治区已出台氢能规划文件达90项，按照加氢站数量规划，2025年加氢站总规划数量将超800座。
图2：加氢站分布热力图
来源：火石创造产业数据中心
三
氢能
产业链中游
针对氢能产业链中游来说，氢燃气轮机和氢内燃机的市场规模较小，故在此不做过多的描述，本文主要围绕燃料电池及其八大关键部件进行介绍。
1、燃料电池
燃料电池是将氢气和氧气的化学能直接转换成电能的发电装置。其基本原理是电解水的逆反应，把氢和氧分别供给阳极和阴极，氢通过阳极向外扩散和电解质发生反应后，放出电子通过外部的负载到达阴极。燃料电池与常见的锂电池不同，系统更为复杂，主要由电堆和系统部件（空压机、增湿器、氢气循环泵、储氢瓶组）组成，其中电堆是整个电池系统的核心。
图3：燃料电池系统工作原理
来源：捷氢科技招股书
2、燃料电池八大关键部件
在氢能领域，工信部将燃料电池电堆、双极板、膜电极、质子交换膜、催化剂、气体扩散层、空压机和氢气循环泵列为燃料电池的八大关键部件，这也是我国发展氢能产业需要重点攻克的环节。
燃料电池电堆是发动机系统的核心部件，是氢气和氧气发生电化学反应及产生电能的场所。由于单个燃料电池单元输出功率较小，通常将多个燃料电池单元串联起来构成电堆，以此提高输出功率。因此，电堆是由双极板与膜电极交替叠合，各单体之间嵌入密封件，经前、后端板压紧后用螺杆拴牢，构成的复合组件。在燃料电池汽车中，燃料电池系统占整车成本的60%左右，而燃料电池电堆占燃料电池系统成本的62%以上，故降低燃料电池电堆成本是发展燃料电池汽车产业的关键。
图4：燃料电池电堆内部结构
来源：亿华通招股书
双极板质量约占燃料电池电堆的60-80%，成本占20-40%，并且几乎占据了整个燃料电池电堆的全部体积，起到支撑机械结构、均匀分配气体、排水、导热、导电的作用。根据材料不同，双极板可以分为石墨双极板、金属双极板以及复合材料双极板。石墨双极板具有质量轻、稳定性强和耐腐蚀性高等特点，但机械性能较差；金属双极板具有机械性能强、厚度薄、阻气性好等特点，但易被腐蚀，寿命较短。复合双极板则兼具石墨板和金属板的优点，但制备工艺繁杂，成本较高。由于金属双极板的批量生产进程加快，我国的双极板市场格局发生改变。石墨双极板（含复合双极板）市场占比从2019年的78%，降至2020年的65%和2021年的49%，与之对应的，金属双极板市场占比从22%、35%，上升到2021年的51%。
膜电极主要由质子交换膜、催化剂、边框和气体扩散层组成，一般是一种七层叠加结构。目前，国内外主流膜电极厂商生产的产品性能差距越来越小，制备价格低廉、性能高、耐久性好的膜电极成为国内外厂商关注的焦点。从企业布局情况来看，21年后国内膜电极企业扩产速度加快，双面直接涂布技术和膜电极一体成型技术正在成为主流。鸿基创能、武汉理工和擎动科技等企业在膜电极产业上处于国内领先位置。
质子交换膜起到隔绝电子，分隔阴、阳两极并传导质子的功能。按照含氟量，可以将质子交换膜分为全氟磺酸膜、部分氟化聚合物膜、新型非氟聚合物膜、复合膜等。目前全氟质子交换膜（全氟磺酸膜）由于其优秀的热稳定性、化学稳定性、较高的力学强度以及较高的产业化程度而得到广泛应用。质子交换膜制作工艺复杂，具有较高的技术壁垒和资质壁垒。在国产化上，以山东东岳为代表的企业已经实现技术上的突破和量产，有希望在该赛道上实现快速成长。
燃料电池催化剂可以分为铂催化剂，低铂催化剂和非铂催化剂。在催化剂的工业化生产上，我国一直远远落后于国外。很长一段时间以来，我国燃料电池的催化剂必须靠进口，这推高了燃料电池成本，也限制了我国氢能产业的发展。但燃料电池催化剂的国产化进程不断加快，近期中自环保的燃料电池催化剂生产线建成并顺利通过验收。此次中自环保生产线的建成，对燃料电池核心材料国产化推进、实现技术可控并降低成本有重大意义。
气体扩散层在燃料电池中起到支撑催化层、收集电流、传导气体和排出反应产物水的重要作用。气体扩散层通常由基底层和微孔层组成。基底层经过疏水处理后，在其上涂覆单层或多层微孔层，从而制成气体扩散层。按照基底层不同，可以将气体扩散层分为碳纤维纸基材，碳布基材和金属基材等不同类型。现阶段，燃料电池生产商大多采用日本东丽、美国AvCarb、德国SGL等厂商的气体扩散层产品，不过我国通用氢能、江苏氢电等企业在技术层面基本可以对标国际先进产品，有望实现产业化。
氢气循环泵是我国主流的氢气循环产品，如果将电堆比作燃料电池的“心脏”，那么氢气就是燃料电池的“血液”，而氢气循环系统就是“强心肌”，保障“血液”的自由流动。氢气循环产品主要包括氢气循环泵和氢气引射器，与氢气引射器相比，氢气循环泵在主动可调节、快响应速度和宽工作区间等方面占有一定优势。在2020年以前，德国厂商普旭占据国内氢气循环泵90%的份额，近年来，国内山东东德、瑞驱科技开始小批量供应氢气循环泵，市场占比在不断提升。
空压机由压缩元件、驱动器、驱动压缩机元件的机械设备等组成。不同于普通空压机，燃料电池空压机需要满足绝对无油、低噪声、高可靠性、高效、小型化、工作范围宽、良好的动态响应能力、良好的热管理等诸多严苛要求。从市场占比来说，燃料电池空压机的国产化程度较高，国内领先企业包括金士顿、势加透博等。
四
氢能
产业链下游
在产业链下游，氢能的应用主要体现在交通、发电、储能、工业等几大场景上，其中交通是氢能消费重要的突破口。
图5：氢能示范应用举例
来源：火石创造根据公开资料整理
而在交通领域，大力发展的是燃料电池汽车，目前是以政策引导的区域市场模式，由“短期示范——公交、物流领域示范运行——城市群示范”，逐步迈入商业化推广阶段。截至2022年4月30日，新能源汽车国家监测与管理平台累计接入燃料电池汽车8198辆。其中燃料电池客车占比最多，客车共接入4241辆，占接入总量的51.73%；专用车接入3945辆，占接入总量的48.12%，包括物流特种车、工程特种车和环卫特种车等；而乘用车共接入12辆，占接入总量的0.15%。
从燃料电池汽车示范应用来看，当前我国有京津冀、上海、广东、河北、郑州五大示范城市群。五大示范城市群累计接入5853辆燃料电池汽车，占全国燃料电池汽车接入量的71.40%。其中，广东城市群燃料电池汽车累计接入量最多，达到2604辆，客车和专用车分别累计接入1049辆和1555辆。
日前，我国首款燃料电池轿车—长安深蓝SL03氢电版正式上市，该款车型具有730公里超长续航、3分钟超快补能、馈电情况下百公里耗氢量仅为0.65千克等多项性能，但由于售价高达69.99万元，因此将目标市场定位在B端。除长安汽车外，海马、上汽、广汽、长城等国内主流车企均加大了对燃料电池汽车的研发和布局。不过由于受到制氢、储氢、加氢等技术的制约，燃料电池乘用车的商业化还需要一些时日。
五
总结
总的来说，我国氢能产业发展初具规模。从氢能产业的市场规模来看，目前规模较小，但是增速较快。2021年我国氢能产量达3,300万吨，同比增长32%。根据中国氢能联盟数据，2020年中国氢能行业市场规模为3,000亿元，预计至2025和2035年，氢能行业产值将分别达1万亿和5万亿规模。从氢能产业的区域布局来看，氢能产业集聚性特征明显，目前长三角、粤港澳大湾区、环渤海三大区域氢能产业呈现了“集群化”的发展态势，氢能相关产业处于同步协调发展阶段。从氢能产业的市场主体方面来看，我国发展十分迅速，目前氢能全产业链规模以上工业企业已经超过了300家。从氢能产业链的关键环节上来看，质子交换膜、催化剂和气体扩散层等环节国产化程度较低，需要重点突破。
而在燃料电池汽车的发展上，尤其是在乘用车领域，我国还处于起步阶段，与日本、韩国等国相比，还存在巨大的差距。政府应该充分发挥引导作用，一方面在财政补贴和采购等方面提供政策支持，推动技术创新应用，并在行业多个关键环节发力；另一方面要拓宽宣传渠道，举办具有国际影响力的氢能与燃料电池汽车产业论坛等，开展氢能与燃料电池汽车知识普及。
参考资料：
《上海捷氢科技股份有限公司招股说明书》
《北京亿华通科技股份有限公司招股说明书》
平安证券——氢能系列报告（二）储氢篇
FC EXPO|日本氢能发展研究
美国氢能及燃料电池发展路径-赵学良 中国石化发展计划部，当代石油石化
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