●氫能及燃料電池行業(yè)科普

　　雙碳背景下

　　上下游共同驅(qū)動

　　氫能是一種來源廣泛、清潔無碳、靈活高效、應(yīng)用場景豐富的二次能源，是推動傳統(tǒng)化石能源清潔高效利用和支 撐可再生能源大規(guī)模發(fā)展發(fā)展的理想互聯(lián)媒介，是實現(xiàn)交通運輸、工業(yè)和建筑等領(lǐng)域大規(guī)模深度脫碳的最佳選擇， 其產(chǎn)業(yè)鏈較長，能夠帶動上下游產(chǎn)業(yè)共同發(fā)展，為經(jīng)濟增長提供強勁動力。氫能的發(fā)展具有重要意義：推動能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，保障能源安全;降低碳以及污染物排放;帶動產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展， 促進(jìn)經(jīng)濟增長。

　　氫能及燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈的上游氫能源行業(yè)符合能源轉(zhuǎn)型需求。根據(jù)國際能源署預(yù)測，到2070年，全球?qū)錃獾男枨箢A(yù)計將從2019年的7000萬噸增長7倍達(dá)5.2億噸。隨著化石 燃料燃料的減少，疊加氫氣低碳化生產(chǎn)因素，全球能源行業(yè)和工業(yè)加工領(lǐng)域有望在2070年實現(xiàn)碳中和。我國的能源結(jié)構(gòu)則自2005年起發(fā)生較大改變，原油和煤炭消費量占比較高但總體呈下降趨勢;清潔能源占比逐 年穩(wěn)步提升。伴隨著能源結(jié)構(gòu)逐步轉(zhuǎn)型，氫能源作為清潔能源將具備良好的發(fā)展前景。

　　1?發(fā)展歷史及政策

　　發(fā)展歷史：上世紀(jì)50年代起步，十三五期間步入快車道

　　中國的氫能與燃料電池研究始于上世紀(jì)50年代。

　　20 世紀(jì)80年代以來，相繼啟動了863計劃和973計劃，加速以研 究為基礎(chǔ)的技術(shù)商業(yè)化項目，氫能和燃料電池均被納入其中。

　　“十三五”期間，氫能與燃料電池開始步入快車道。2016 年以來相繼發(fā)布《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計劃 (2016 ～ 2030年)》、《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2012 ～ 2020 年)》、《中國制造2025》等頂層 規(guī)劃。2019 年兩會期間，氫能首次寫入政府工作報告。2020年4 月，氫能被寫入《中華人民共和國能源法》 (征求意見稿)。2020 年9 月21 日，五部委聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于開展燃料電池汽車示范應(yīng)用的通知》采取“以獎代 補”方式，對入圍示范的城市群，按照其目標(biāo)完成情況核定并撥付獎勵資金，鼓勵并引導(dǎo)氫能及燃料電池技術(shù)研 發(fā)。目前政府累計支持氫能與燃料電池的研發(fā)投入已超20億元。

　　政策規(guī)劃：國內(nèi)持續(xù)加碼，全球政策共振

　　2021年以來，在國家層面上有關(guān)氫能和燃料電池相關(guān)的政策持續(xù)加碼，推進(jìn)氫能及燃料電池的推廣和應(yīng)用。與 此同時，各地方政府也陸續(xù)發(fā)布政策支持氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。截至2020年10月，我國有23個省、市、自治區(qū)，40 個城市及地區(qū)已發(fā)布?xì)淠芟嚓P(guān)的發(fā)展戰(zhàn)略或規(guī)劃。

　　氫能已經(jīng)成為國際議程的新焦點，已有多個國家制定全面的國家氫能戰(zhàn)略。全球各國陸續(xù)推出政策支持氫能的產(chǎn) 業(yè)發(fā)展，其中，歐洲、美國、中國、日本和韓國等經(jīng)濟和科技較為領(lǐng)先的國家已規(guī)劃了明確的發(fā)展目標(biāo)，發(fā)展路 線清晰，政策力度較強。全球各國有關(guān)氫能發(fā)展戰(zhàn)略的政策同頻共振，有望推動產(chǎn)業(yè)鏈快速發(fā)展和應(yīng)用成熟。

　　2?產(chǎn)業(yè)鏈分析

　　產(chǎn)業(yè)鏈條：產(chǎn)業(yè)鏈長，產(chǎn)值大，重要環(huán)節(jié)多

　　根據(jù)中國氫能聯(lián)盟的預(yù)計，2020年至2025年間，中國氫能產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值將達(dá)1萬億元，2026年至2035年產(chǎn)值達(dá)到5萬億元。

　　在氫能及燃料電池的產(chǎn)業(yè)鏈上，氫燃料電池上游氫氣制儲運加環(huán)節(jié)規(guī)?；l(fā)展、電堆核心組件本土化批量化生產(chǎn)以及下游商用車輛應(yīng)用等均是現(xiàn)階段值得重點關(guān)注的重要環(huán)節(jié)。

　　上游：制氫、儲氫、運氫、加氫

　　1 制氫：化石能源制氫為目前主流，電解水制氫最具潛力

　　我國是世界第一產(chǎn)氫大國，2019年全國氫氣產(chǎn)量約2000萬噸，但主要用作工業(yè)原料而非能源。氫的制取產(chǎn)業(yè)主要有三種較為成熟的技術(shù)路線：一是以煤炭、天然氣為代表的化石能源重整制氫;二是以焦?fàn)t煤 氣、氯堿尾氣、丙烷脫氫為代表的工業(yè)副產(chǎn)氣制氫，三是電解水制氫?；茉粗茪錇槲覈壳爸髁鞯闹茪浞绞?， 而基于可再生能源的電解水制氫方案的碳排放最低。

　　2 儲氫：高壓氣儲氫為主流，先進(jìn)儲氫技術(shù)待突破

　　高壓儲氫主要利用氣瓶作為儲存容器，對于儲氣瓶，全球呈現(xiàn)出從I型儲氫瓶到IV型儲氫瓶的技術(shù)發(fā)展趨勢。目前最為成熟且成本較低的技術(shù)是鋼制氫瓶和鋼制壓力容器，如目前工業(yè)中廣泛采用20MPa鋼制氫瓶，并可與 45MPa鋼制氫瓶、98MPa鋼帶纏繞式壓力容器進(jìn)行組合應(yīng)用于加氫站，但鋼制氫氣瓶重量大，并不適宜汽車用。目前車用高壓儲氫瓶的國際主流技術(shù)通過以鋁合金/塑料作為內(nèi)膽，外層則用碳纖維進(jìn)行包覆(即III型、IV型 瓶)，提升氫瓶的結(jié)構(gòu)強度并盡可能減輕整體質(zhì)量。國外氫燃料電池汽車已經(jīng)廣泛使用70MPa碳纖維纏繞 IV型 瓶;目前我國車載儲氫方式大多為35MPa碳纖維纏繞III型瓶，70MPa碳纖維纏繞III型瓶也已少量用于國產(chǎn)汽車中。

　　3 運氫：與儲氫方式緊密相關(guān)，適宜不同應(yīng)用場景

　　運輸方式與儲氫的技術(shù)方案緊密相關(guān)。目前國際上主要氫氣儲運技術(shù)包括氣態(tài)儲運(長管拖車、管道)、液氫儲 運、氫載體儲運和固態(tài)儲運。在實際應(yīng)用中，可根據(jù)運輸距離和運輸規(guī)模，選擇最經(jīng)濟的儲運氫技術(shù)。氣態(tài)儲運氫環(huán)節(jié)涉及的核心技術(shù)裝備主要有長管拖車用高壓管束儲氫瓶與管道。低溫液態(tài)儲運氫涉及的核心技術(shù)裝備主要有氫液化裝置與液氫儲罐。有機液體儲運氫涉及的核心技術(shù)裝備主要有供熱脫氫裝置。現(xiàn)階段，中國普遍采用20MPa氣態(tài)高壓儲氫與集束管車運輸?shù)姆绞?。隨著用氫規(guī)模擴大、運輸距離增長，提高氣 氫運輸壓力或采用液氫槽車、輸氫管道等方案才能滿足高效經(jīng)濟的要求。

　　中游：氫燃料電池及系統(tǒng)

　　1 氫燃料電池系統(tǒng)的原理與構(gòu)成

　　氫燃料電池是通過氫氣和氧氣的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電裝置。其基本原理是電解水的逆反應(yīng)，把氫和氧分 別供給陽極和陰極，氫通過陽極向外擴散和電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)后，放出電子通過外部的負(fù)載到達(dá)陰極。

　　只有燃料電池本體還不能工作， 燃料電池必須有一套相應(yīng)的輔助系統(tǒng)構(gòu)成燃料電池系統(tǒng)，包括反應(yīng)劑供給系統(tǒng)、 排熱系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、電性能控制系統(tǒng)及安全裝置等。

　　燃料電池具有發(fā)電效率高、環(huán)境污染少等優(yōu)點。由于燃料電池直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，中間不經(jīng)過燃 燒過程，因而不受卡諾循環(huán)的限制，因而能量轉(zhuǎn)化效率高。燃料電池系統(tǒng)的燃料-電能的轉(zhuǎn)換效率一般在45%～ 60%，高于汽車發(fā)動機的熱效率，也高于火力發(fā)電和核電的約30%～40%的效率。(報告來源：未來智庫)

　　根據(jù)電池所采用電解質(zhì)分類，燃料電池可分為七類：堿性燃料電池(AFC)、質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)、 陰離子交換燃料電池(AEMFC)、直接甲醇燃料電池(DMFC)、磷酸燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電 池(MCFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)。其中適用于氫燃料電池汽車的主要是質(zhì)子交換膜燃料電池。

　　中游：氫燃料電池及系統(tǒng)

　　2 氫燃料電池系統(tǒng)的關(guān)鍵部件

　　膜電極

　　膜電極(Membrane Electrode Assembly, MEA)是燃料電池發(fā)電的關(guān)鍵核心部件。膜電極由質(zhì)子交換膜 (PEM)、膜兩側(cè)的催化層(CL)和氣體擴散層(GDL)組成，燃料電池的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生在膜電極中。

　　MEA的結(jié)構(gòu)設(shè)計和制備工藝技術(shù)是燃料電池研究的關(guān)鍵技術(shù)，它決定了燃料電池的工作性能。高性能的膜電極需 要具備以下特征：能夠最大限度減小氣體的傳輸阻力，即最大限度發(fā)揮單位面積和單位質(zhì)量的催化劑的反應(yīng) 活性;形成良好的離子通道，降低離子傳輸?shù)淖枇?形成良好的電子通道;氣體擴散電極應(yīng)該保證良好 的機械強度及導(dǎo)熱性;膜具有高的質(zhì)子傳導(dǎo)性，有很好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性及抗水解性。

　　雙極板

　　雙極板(Bipolar plate，以下簡稱BPP)是燃料電池的一種核心零部件，主要作用為支撐MEA、提供氫氣、氧氣 和冷卻液流體通道并分隔氫氣和氧氣、收集電子、傳導(dǎo)熱量。目前常見的BPP材料有石墨、復(fù)合材料和金屬。豐 田Mirai、本田Clarity和現(xiàn)代NEXO等乘用車均采用金屬雙極板，而商用車一般采用石墨雙極板。石墨是熱和電的良導(dǎo)體，耐腐蝕，密度較低。人造石墨機加工制造BPP設(shè)計靈活、迭代周期短，但柔韌性差。柔 性石墨基材可以模壓成型、柔韌性好，但金屬和非金屬雜原子雜質(zhì)含量高，需要提純。

　　高分子復(fù)合物的密度小，通過不同的加工工藝能被澆鑄成復(fù)雜形狀。但樹脂類材料導(dǎo)電性能較差，用于BPP制造 需要添加導(dǎo)電物質(zhì)，可以選用石墨、碳纖維、碳納米管、石墨烯等。金屬材料具有機械強度高、體相電導(dǎo)和熱導(dǎo)優(yōu)良，容易制成薄板并沖壓加工成型的特點，但是其大規(guī)模應(yīng)用還需 要實現(xiàn)大面積流場沖壓制作高精度流道、材料表面能在燃料電池操作條件下具有高耐腐蝕能力和低界面接觸電阻。

　　空壓機在做功過程中，效率、進(jìn)出壓縮比是性能的重要指標(biāo)。目前燃料電池系統(tǒng)使用的空壓機主要包括離心式空 壓機、羅茨式空壓機和螺桿式空壓機，其中離心式空壓機是主要的發(fā)展方向。

　　下游：氫燃料電池的應(yīng)用

　　1 應(yīng)用場景：固定能源目前市場最大，交通領(lǐng)域為主要突破口

　　燃料電池主要有三大類應(yīng)用場景：固定電源、交通運輸和便攜式電源。

　　交通動力應(yīng)用是目前關(guān)注度最高的燃料電池應(yīng)用領(lǐng)域。交通運輸市場包括為乘用車、巴士、客車、叉車及其他以 燃料電池作為動力的車輛提供的燃料電池，例如特種車輛、物料搬運設(shè)備和越野車輛的輔助供電裝置等。

　　便攜式電源包括筆記本電腦、手機、收音機及其他需要電源的移動設(shè)備。燃料電池的能量密度通常是可充電電池 的5到10倍，已有DMFC和PEMFC被應(yīng)用為軍用單兵電源和移動充電裝置上。成本、穩(wěn)定性和壽命將是燃料電池 應(yīng)用于便巧式移動電源的所需要解決的技術(shù)問題。

　　固定電源應(yīng)用是目前最大的市場。固定電源市場包括所有的在固定位置運行的作為主電源、備用電源或者熱電聯(lián) 產(chǎn)的燃料電池，比如分布式發(fā)電及余熱供熱等。固定燃料電池被用于商業(yè)、工業(yè)及住宅主要和備份能發(fā)電。

　　交通運輸領(lǐng)域?qū)⒊蔀闅淠芎腿剂想姵叵掠螒?yīng)用市場發(fā)展的突破口，并逐漸向儲能、工業(yè)、建筑領(lǐng)域拓展。根據(jù)《中國氫能發(fā)展報告2020》測算，氫燃料電池商用車將率先實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的應(yīng)用與運行，除了政策的激勵效 應(yīng)之外，氫燃料電池客車、物流車、重卡等車型將在2030年前取得與純電動車型相當(dāng)?shù)娜芷诮?jīng)濟性。

　　2 氫燃料電池汽車

　　組成結(jié)構(gòu)：燃料電池車一般主要由以下部分組成：燃料電池電堆、儲氫罐、驅(qū)動電機、動力電池、電力電子控制器、DC/DC、 熱管理(冷卻)系統(tǒng)、變速器等。燃料電池車核心部件為燃料電池電堆，而大量的零部件與純電動汽車相類似。由于動力電池和燃料電池電堆配置的差異，不同廠家的燃料電池車結(jié)構(gòu)也存在區(qū)別。有的主要以燃料電池電堆作 為主動力輸出源;有的則以電池作為主動力輸出源，燃料電池電堆起增程器的作用。

　　工作原理：氫氣與氧氣在燃料電池電堆中進(jìn)行反應(yīng)，釋放的能量轉(zhuǎn)化為電能。燃料電池電堆與電池一起協(xié)同工作，為電機提 供電能，而電機則作為動力源為車輛提供動力，驅(qū)動車輛行駛。對于動力電池來說，其本身即為能量源;而燃料電池能量源則為氫氣，目前主要通過高壓儲氫罐儲存。

　　工作模式：從工作模式上看，燃料電池車主要有燃料電池模式、輔助模式、充電模式和能量回收模式四種。

　　商用車先行，乘用車市場化進(jìn)程加快

　　中國氫能在交通領(lǐng)域的應(yīng)用遵循氫燃料電池商用車先發(fā)展，氫燃料電池乘用車后發(fā)展的特點。當(dāng)前氫燃料電池汽 車的主要示范應(yīng)用集中在物流、客車等領(lǐng)域。過去的十多年里，在產(chǎn)業(yè)補貼和國家支持政策等措施激勵下，中國氫燃料電池客車、物流車等商用車的應(yīng)用已經(jīng) 領(lǐng)先于其他氫燃料電池汽車。未來的20-30年，隨著質(zhì)子交換膜燃料電池的技術(shù)突破與規(guī)模效應(yīng)帶來的成本下降， 氫燃料電池重卡、乘用車等車型的市場化進(jìn)程將加快。

　　在乘用車領(lǐng)域，國際廠商布局和量產(chǎn)應(yīng)用較早。目前已到量產(chǎn)階段的燃料電池乘用車主要包括現(xiàn)代NEXO Blue、 豐田Mirai 、本田Clarity等。近年來，我國燃料電池乘用車的市場得到初步發(fā)展。目前上汽大通EUNIQ 7、北汽EU7 FC、廣汽Aion LX FC等車 型已量產(chǎn)或計劃上市。

　　本文內(nèi)容節(jié)選自天風(fēng)證券《氫能及燃料電池專題研究》