1、氢能源:产业化迎来真实导入期 氢能源:绿色零排放，或是能源终极形式 历史纵向看历史纵向看:能源使用清洁程度不断提升能源使用清洁程度不断提升 环境保护意识的增强推动能源利用向着绿色、清洁化的方向发展。 从最开始的草木发展到如今的风能、太阳能、核能、地热能等多种形式，能源 使用过程的污染物排放逐渐降低，这代表这人类能源使用的方向。 而目前已知的所有能源中，最为清洁的是氢能，氢气使用过程产物是水，可以 真正做到零排放、无污染，被看做是最具应用前景的能源之一，或成为能源使 用的终极形式。 本文主要是研究氢能源产业链情况(主要是研究非工业用途，尤其是在燃料电 池上的应用)，望其未来的可行性和机会所在。
2、横向对比看横向对比看:氢能源具有多方面优势氢能源具有多方面优势 从不同能源的功率密度和用于发电时的建设成本方面考虑，氢能源都具有优势。 从物质能量密度角度看，氢能源高于汽油、柴油和天然气。 美国能源局数据显示，氢气功率密度几乎是其他化石燃料的 3 倍多。从发电建 设成本来讲，氢能源发电建设成本最低。 EIA 数据显示，氢气发电建设成本仅 580 美元/KW，在风能、天然气、光伏、 石油、生物质能发电等众多方式中成本最低。 氢能源应用阻碍氢能源应用阻碍:分布式应用场景综合成本高与加氢难分布式应用场景综合成本高与加氢难 虽然氢气在理论层面相较于其他能源具有功率密度优势，且用于发电时建设成 本较低，
3、但是这仅考虑了发电时利用氢能源的 模式。 氢能源大范围推广使用离不开分布式使用场景， 当应用场景发生变化时， 氢能源使用需要考虑的影响因素就变得更为复杂。 分布式应用场景中与替代产品相比成本较高分布式应用场景中与替代产品相比成本较高 氢能源的清洁利用主要是通过燃料电池，燃料电池应用在分布式应用场景中的 时候与其他可替代方式相比，还存在成本高的问题。 以氢能源燃料电池汽车为例，应用氢能源首先要考虑购买产品的成本，燃料电 池本就是技术含量高的产品，应用到汽车上时使得汽车的一次性购置成本迅速 增长; 其次考虑维护成本， 燃料电池汽车比其他汽车更为精密， 因此其维护成本更高; 接着考虑消耗燃料的成本，
4、氢气由于在制备、储存、运输等过程中需要更多的 技术处理而具有更高的单位成本;最后考虑配套设施设施成本，燃料电池汽车 使用需要众多加氢站支持，加氢站由于需要配置大型压缩机等大型设备，具有 比加油站和充电站更高的建设成本。 综合考虑之下，分布式应用场景中，氢能源应用综合成本很高。 根据罗兰贝格提供的燃料电池汽车的数据测算，欧洲市场燃料电池小汽车的综 合使用成本达到 0.24 欧元/km，高于纯电动和柴油汽车的综合使用成本。 因为氢气出售时会考虑氢气制备、运输以及加氢站建设、运营等成本，所以氢 气价格里面包含了这些相关配套设施的成本。因此这一成本就是氢能源以燃料 电池形式应用到小汽车上的全成本。 氢
5、气使用便利程度不如可替代产品氢气使用便利程度不如可替代产品 氢气利用另一大难题是加氢难。 因为设备与技术要求，加氢站的建设运营成本远高于加油站和充电站，目前加 氢站的数量还不足以完全满足商业化应用的需求。 汽油和电力的广泛使用是以加油站和电网覆盖为前提的，氢能源大规模使用也 要以加氢站覆盖为基础。截止 2017 年底，全球共计加氢站 328 个，而国内仅 有 9 座。加氢站覆盖范围小对于氢能源的利用有不小的阻碍。 产业化现状产业化现状:尚处于导入期，需要政策支持尚处于导入期，需要政策支持 国际汽车制造商协会数据显示，2017 年全球销售乘用车接近 0.71 亿辆，而势 银智库数据显示 2017
6、 年全球 FCV(燃料电池汽车)销量 3260 辆(燃料电池汽车 大多使用氢能源作为燃料，极少数使用其他燃料，在此暂且先认为这些 FCV 都使用了氢气做燃料)，氢能源在汽车领域渗透率不过 0.0046%，在汽车应用 领域氢能源产业化尚处于导入期。 因为目前氢能源的利用尚处于导入期，因此需要政策支持引导。世界各国都针 对氢能源利用出台了各自的扶持政策，由于氢能源燃料电池汽车市场有望成为 氢能源最大的消费端，支持政策主要集中在燃料电池汽车产业链。 国外政策支持国外政策支持:消费端补贴与制造端补贴并举消费端补贴与制造端补贴并举 从补贴形式看，大多国家把补贴放在了消费环节，以购置税费抵免或者购臵补 贴
7、的形式发放，仅德国将补贴放在了开发制造环节。 前者属于需求端的刺激，后者属于供给端刺激。供给侧(生产制造领域)补贴促 进企业研发新车型，有利于在无形中促进企业形成研发能力，就算补贴断了， 多年的技术积累不会随着补贴停止而消失。因此从这个角度看，德国将研发补 贴放在生产领域不无道理。 国内补贴政策也可借鉴此类方法，在补贴政策上实行多途径刺激，在消费端和 研发端同时给予补贴，既保证政策效果也利于产业技术积淀。 从补贴力度看，各国补贴力度波动幅度较大。美国和英国补贴在 5000 美元/ 辆上下，日韩则给予消费者 22000 美元/辆左右的补贴。这也是日韩在燃料电 池汽车领域技术领先的原因之一。国内政
8、策支持:补贴力度大 国内方面补贴政策最早是在 2009 年出现，主要形式是免征购置税，同时还会 在购买时给予一次性的不同额度的补贴。 从补贴力度看，我国的补贴力度是最大的，按 2017 年标准，仅乘用车补贴就 高达 20 万元/辆，高于日韩 22000 美元/辆的标准，大型客货则高达 50 万元/ 辆，远超出国外最高额度。 2018 年补贴有所调整，原来对应的 20、30、50 万元/辆，分别调整为对应补 贴上限。 虽然我国氢能源燃料电池汽车补贴高出国外很多，但是全部都是以购臵补贴形 式发放的，没有在氢能源燃料电池汽车生产制造领域设臵补贴政策。 我们可以考虑在需求侧和供给侧同时补贴。需求刺激与
9、技术进步刺激并举，可 能是更健康的产业政策，对产业发展更为有利。 同时，我们看到国家从 2014 年起将加氢站纳入了补贴范围，这是刺激配套产 业加速发展，是从整条产业链的角度出发看问题，对氢能源燃料电池汽车发展 有促进作用。 国内方面，新能源汽车领域一直是锂电汽车占据主导地位。 但是国家在锂电池汽车上的补贴政策正在逐步退坡，而氢能源燃料电池汽车的 补贴政策相对来说较为稳定，就补贴力度上限来说，燃料电池汽车的补贴力度 是没有下降的。 2018 年锂电池汽车的补贴力度降幅较大，传统工况续航在 300km 左右的乘用 车补贴降幅达 20%多，更低续航里程的降幅则更多。 而燃料电池汽车补贴力度较为稳定
10、，且力度比锂电池补贴力度大，因此氢能源 燃料电池汽车处于政策大力支持阶段，这也是氢能源产业处于导入阶段所决定 的。 总的来说，氢能源在众多能源中具有一定优势，但实际应用仍有成本和便利性 方面的障碍，尤其是在分布式应用领域更是如此。在国家政策支持和财政补贴 下，氢能源的分布式应用正处于高速发展中，而且处于概念向导入期转化的关 键时间节点。 我们认为，氢能源燃料电池汽车产业发展有向好趋势，但产业化和行业健康发 展仍需产业链逐步成长和完善。 氢能源应氢能源应用方式及场景用方式及场景:主要通过燃料电池，交通运输需求渐成主主要通过燃料电池，交通运输需求渐成主 流流 目前全球范围内，氢能源分布式应用主要是
11、通过燃料电池。氢能源利用可以通 过热机(通过利用内能做功的机械)也可以通过燃料电池，通过热机利用氢气的 原理是:燃料在燃烧室内燃烧，气体膨胀推动传动装臵，实现机械驱动。另一 种利用方式就是通过燃料电池的形式，氢气不直接燃烧，先分解成原子，再分 解成质子和电子，电子通过外电路产生电流做功。 热机利用氢能源的方式还属于热循环的过程，存在热量的浪费，能量利用效率 低。 燃料电池利用氢能源的方式不受热循环原理影响，因而具有更高的能量利用效 率，同时还有更低的噪音。 因此燃料电池应用是氢能源利用的主流途径。 燃料电池原理燃料电池原理:氧化还原反应氧化还原反应 燃料电池主要由正极、负极、电解质三部分组成，
12、原理是氧化还原反应，反应 实质是燃料和氧气发生反应生水或者其他产物。负极(阳极)是燃料反应端，正 极(阴极)是空气反应端。 负极发生的反应是燃料物质(氢气/甲醇/煤气等)在催化剂作用下产生氢质子、 电子以及其他副产物，氢质子穿过电解质达到正极，准备与正极上的物质发生 反应 正极发生的反应是氧气在催化剂作用下与通过电解质达到正极的氢质子、通过 外电路从负极到达正极的电子结合生成水或者其他产物。 电子从负极出发经过外电路达到正极的过程中会产生电流(电子定向运动产生 电流)，从而可以带动负载工作。 氢能源应用需求氢能源应用需求:三大应用场景，交运需求渐成主流三大应用场景，交运需求渐成主流 氢能源主要
13、是通过燃料电池得到应用，而且燃料电池使用的燃料也主要是氢气， 因此我们可以根据氢燃料电池的应用将氢能 源的应用分为三大场景:便携式应用场景、固定式应用场景、交通运输应用场 景。便携式应用主要在辅助充电设备(户外等场景)、军用等产品，固定式应用 主要在家庭热电联产、 家用燃料电池、 通信基站备用电源、 不间断电源等产品， 交通运输应用主要在汽车等产品上。 FuelCellToday 和 E4tech 数据显示，燃料电池装机逐年增长，2012 年-2017 年复合增长率达到 32.1%，其中交通运输领域的应用比例逐年上升，2017 年 交运领域的装机占比已经达到 68.05%。交运领域的需求已经成
14、为燃料电池主 要需求，也是氢能源的主要需求。 氢能源主产业链氢能源主产业链:日益完善，整装待发日益完善，整装待发 氢能源主产业链包括上游氢气制备、氢气运输储存、中游氢燃料电池、下游氢 能源燃料电池应用等多个环节。 上游氢气制备包括氯碱工业副产氢、电解水制氢、化工原料制氢(甲醇裂解、 乙醇裂解、液氨裂解等)、石化资源制氢(石油裂解、水煤气法等)和新型制氢方 法(生物质、光化学等)等多种途径;氢气储存包括气态储氢、液态储氢、固态合 金储氢三种方式，氢气运输包括罐车运输、管道运输等方法途径; 中游氢燃料电池涉及质子交换膜、 扩散材料、 催化剂等多种零部件和关键材料; 下游燃料电池应用包括便携式应用、
15、固定式应用、交通运输应用。 氢能源产业链的完善需要很多专用装备支持，而且大多数技术含量高，主要集 中在制氢、储氢领域。 制氢制氢 制取氢气目前主要的方法有化工原料制氢、石化资源制氢、电解水制氢等多种 途径。 化工原料制氢主要使用的原料是甲醇、乙醇、液氨等，具有制取氢气纯度高、 反应要求低等优点;石化资源制氢主要使用石油、水煤气、天然气等资源，具 有规模效应， 且原料易获取;电解水制氢使用的原材料是水， 具有原料可再生、 可依赖的特点，如果使用清洁电力可实现全程无污染，但是过程中耗费大量电 能，成本昂贵; 生物质能制氢反应速度较慢，且不能满足大规模使用要求。 制氢工艺路线选择上，我们认为不同地区
16、根据资源禀赋适合不同的工艺路线。 在煤炭资源丰富的地区如山西等地，因为煤价格低廉，使用煤制取氢气是较为 实际的方式。 同样，在风电、光伏、水电丰富的地区由于电价低，电解水可能是最经济环保 的制氢方式。 没有特殊资源禀赋的地区， 性价比是制取氢气时的首要考虑因素。 未来在氢气制取环节，会存在两种运营形式。 第一种是中央制氢，典型的运营模式是在城市周边地区建设大规模氢气生产厂， 然后通过运氢车将氢气运输到城市中的加氢站，再由加氢站出售给消费者。 第二种是分布式制氢， 城市中的加氢站在站内装有氢气发生器， 实现氢气生产、 压缩、储存、出售一体化，或者在应用端直接安装氢气发生器，实现应用端自 产自供氢
17、气。我们认为，未来中央产氢和分布式产氢两种形式并存较为合理。 储氢储氢 储氢方式有三种，分别是气态储氢、液态储氢、固态储氢。 气态储氢主要是将氢气直接储存在高压罐中，又细分为低压储存和高压储存， 低压储存使用巨大的水密封储槽储存，高压储存是通过对氢气加压减小体积储 存在容器中;液态储氢是将氢气冷却到一定低的温度之下，使氢气呈现液态， 然后再将其储存到特定容器中; 固态储氢是利用金属合金(一般称为储氢合金)晶格间隙吸附氢原子， (涉及到氢 气分子转化为氢原子的过程)，同时表面还可以在表面结合一部分氢分子。 气态储氢是目前主流的储氢方式。气态储氢是目前主流的储氢方式。 气态储氢最大的优点是使用方便
18、，储存要求条件易满足，成本低。 液态储氢需要先提供极低的温度，之后储存的容器还必须采用双层真空隔热结 构，液态氢沸点低，仅为 20.38K(-253 C)，气化潜热小，仅 0.91kj/mol，罐内 液氢和外界存在巨大的温度差，一旦隔热工作没做好，液氢将大规模沸腾挥发 损失，目前的技术只能保证液氢每天 1%-2%的挥发，作为对照，汽油每月只 损失 1%。 固体合金储氢可以做到安全、高效、高密度，不仅可以在表面吸附氢分子，还 可以在一定温度和压力下让氢分子分解成为氢原子，进入合金的八面体或四面 体间隙(金属原子堆垛时形成的空隙)，形成金属化合物，可吸收相当于储氢合 金体积 1000-3000 倍
19、的氢气，储氢能力极其强大。 常见的储氢合金有钛系合金、锆系合金、铁系合金、稀土系合金。 其主要问题在于储存和释放氢气的过程主要是化学反应的过程，需要一定的温 度和压强环境，使用不方便，同时储氢合金一般成本较高。 虽然目前大范围使用的是气态储氢，但是固态合金储氢方式性能卓越，是三种 方式中最为理想的储氢方式，是储氢科研领域的前沿方向之一。 随着技术进步，储氢合金吸收释放氢气的条件要求可能降低和改善，非稀土系 金属合金的开发研究可以降低储氢成本，储氢合金使用便利性的提升和成本的 降低有望使得储氢合金成为未来主流的储氢方式。 加氢站加氢站 目前，为了支持燃料电池汽车发展，各国积极建设氢能源燃料电池汽
20、车配套设 施。 根据规划，到 2020 年，中国将建成 100 座加氢站，到 2030 年将建成 1000 座加氢站，日本在 2020 年前建成 160 个加氢站，韩国计划到 2020 年建成 80 座加氢站，德国到 2020 年也预计达到 100 座加氢站的规模。 世界上几个建设加氢站的大国都以 2020 年 100 座加氢站为目标。 而截至 2017 年底我国加氢站共有 9 座，北京、上海各 2 座，深圳、广州各 1 座，还有一座 移动加氢站，另外 2 座归属新源动力和宇通客车，这距离我国 2020 年 100 座 加氢站的目标还有很大距离，同时也表明，未来两年内加氢站建设进度会急剧 增加
21、，相关方面需求巨大，也是机会点。 技术路线技术路线:看好站内制氢加氢方案发展前景看好站内制氢加氢方案发展前景 加氢站的技术路线有:站内制氢技术和外供氢技术。 站内制氢加氢站技术主要是用天然气或者其他原料在加氢站内自己制氢然后 加注到燃料电池汽车中，或者通过电解水制取氢气然后压缩，再加注到氢能源 燃料电池汽车中。 天然气通过管道输送到加氢站，加氢站配备有自己的制氢和压缩氢气的设备。 其中，电解水制氢技术在国外已经十分成熟，欧洲大多数加氢站都采用这种技 术;外供氢加氢站的氢气供氢气来源多样，包括中央产氢厂产出的氢气、氯碱 厂副产氢等多种来源，一般使用高压氢气瓶集束拖车运输。 我们看好站内制氢加氢方
22、案的发展前景。站内制氢加氢比外供氢气少了汽车运 输成本，可以利用原有的天然气管道或者送水管道，成本相对较低。 而且电解水在现阶段仍因为电价因素综合成本高于天然气制氢成本，从成本角 度和配套设施完备程度来看，使用天然气的站内制氢加氢站比较符合实际情况。 从便利性角度看，站内制氢加氢可以随时制取，方便快捷。但是加氢站一般建 在城市内或者城市周边，面积限制决定了其氢气产能产量不一定够用，因此中 央制氢通过运氢车运到加氢站的模式作为补充形式具有存在的合理性。 考虑到中央制氢厂建设投入大，资金需求高，且运营成本高，因此可能是由政 府部门建设运营，形成“市场化的站内制氢加氢站点主导，少数大型中央产氢 厂补
23、充”的格局。我们看好站内加氢制氢模式带来的投资机会。 氢燃料电池氢燃料电池 氢能源燃料电池是氢能源清洁高效利用的核心，同样也是整条氢能源主产业链 的核心所在。燃料电池主要由膜电极组(MEA)、双极板、集流板、端板组成， 其中膜电极组又是由质子交换膜、催化剂、气体扩散层组成。 一块 MEA 单体正负极之间的理论电压在 0.7V，需要串联起来使用才能提供高 电压。 而用外接导线串联则会有较多的电压降和电量损失，因此采用双极板在各个 MEA 之间充当传输气体和连接电路的作用。 最后燃料电池的结构就变成“.双极板-MEA-双极板-MEA-双极板-MEA-双极板 -MEA.”的结构，类似于高分聚合物重复
24、的单体结构。 催化剂在燃料电池的总成本中占比最高，在年产 1000 套燃料电池时，催化剂 占总成本 25%，当年产电池数量达到 10 万套和 50 万套时，催化剂成本就会 达到 40%左右。 因此，从成本角度看，催化剂是整个燃料电池汽车降低成本的关键所在，但是 燃料电池最为关键的技术在质子交换膜上。我们认为氢能源燃料电池环节未来 的机会有两个， 一个是有技术壁垒的核心零部件， 如质子交换膜和空气扩散层; 另一个是 成本占比较高的部分，比如催化剂。成本占比较高的部分在理论上存在较大的 降成本空间，会带动燃料电池整体成本下降，加速推进燃料电池的需求爆发。 下游应用下游应用 氢能源燃料电池下游主要分
25、三大市场，分别是便携设备市场、固定式系统应用 市场、交通运输应用市场。 在燃料电池下游市场中，交通运输领域装机占到了近 70%。我们将简要介绍便 携设备和固定应用设备，之后着重分析氢燃料电池汽车。 便携式设备主要是一些备用电源，因为氢能源燃料电池携带电量多、重量轻， 因此可以用在户外和军用电源设备上。 固定式应用场景则包括氢能源家用燃料电池、电信行业无间断电源或备用电源 等。 汽车市场汽车市场:国外乘用车技术成熟，国内商用车先行国外乘用车技术成熟，国内商用车先行 氢燃料电池汽车市场呈现日韩做乘用车、中国做客车、美国做专用车的格局。 日本丰田本田等车企 2000 年前后就开始做燃料电池汽车，至今
26、已经有近 20 年的技术积累，且将燃料电池汽车应用于汽车时间较早，产品经过市场多年检 验，技术成熟。 虽然中国也有燃料电池汽车，但是发布时间较短，应用于汽车经验不足。中国 的燃料电池汽车主要是客车， 2017 年中国生产的 1000 多辆氢能源燃料电池汽 车均是商用车(清华大学氢燃料电池实验室主任王诚曾在接受媒体采访时表示)。 美国燃料电池技术在卡车上的应用比较成熟。 2016 年美国发布全球第一款燃料电池卡车，续航里程接近 2000Km，此后日 本、 中国相继发布燃料电池专用车， 但性能有较大差距， 后来者难以望其项背。 OFweek 锂电网数据显示，2017 年国内生产燃料电池汽车 122
27、6 辆，几乎全是 商用车，其中物流车占到了 94%，客车占到 6%。 2017 年 1 月至 2018 年 5 月国内燃料电池客车产量 150 辆，上汽和北汽福田 共占据 84%的市场份额。 目前阶段国内市场物流车是主要需求。但是未来随着技术进步，乘用车和客车 领域出现较大需求，物流车占比会有所下降，乘用车会成为主要需求。 我们认为在氢能源汽车环节，短期内仍是以商用车为主，在补贴政策激励下， 更多的传统燃油商用车产能会向氢燃料电池汽车转换。中长期来看，乘用车仍 是未来的主要市场。 商用车(尤其是客车)可以简单地通过增加储氢瓶增加续航能力，对储氢技术的 要求不高，同时国家的补贴力度大，因此商用车
28、对成本敏感性低，这些因素决 定了中国氢能源汽车市场首先爆发的是商用车市场，之后在技术进步与降成本 的带动下，乘用车市场才会有大范围应用。 总结与展望总结与展望:看好配套设施市场看好配套设施市场 我们认为 2018 年是氢能源产业化应用元年，未来 3-5 年是导入期，5-10 年后 开始进入成长期，时间上展望，是 2025 年前后的事情。 目前国内市场尚处于概念期向真实导入期转化的时间节点， 未来 3 年左右的导 入期产业链的场景会是配套设施先行，之后再是商用车生产制造的跟进，可能 会伴随有国外乘用车进入中国市场。 所以整条产业链我们要关注的是整条产业链我们要关注的是: 1)氢能源的生产及其设备等附属产业; 2)加氢站运营服务产业; 3)燃料电池核心技术的突破和氢能源商用车生产制造产业链。 技术瓶颈与突破技术瓶颈与突破:燃料电池核心技术与产氢设备燃料电池核心技术与产氢设备 目前氢能源应用的主要技术瓶颈在燃料电池和储氢罐，其他环节的瓶颈在制氢 机。燃料电池环节最难的是质子交换膜和催化 剂。质子交换膜决定燃料电池性能，催化剂决定成本。制氢机决定制氢成本、 制氢效率、制得的氢气的纯度等多方面指标，储氢罐决定氢气储存能力和安全 性。 这几个方面是氢能源燃料电池汽车比较核心的地方，同时也是国内技术和国外 有差距的地方。配套设施及制造装备和核心技术有壁垒的环节值得持续投资和 提前布局。
