氢能源行业专题报告：应用场景多点开花燃料电池前景广阔

氢能源行业专题报告：应用场景多点开花，燃料电池前景广阔一、氢能：零碳可持续的理想能源能源安全和节能减排两大因素驱动一、二次能源的革新按能源的基本形态分类，能源可分为一次能源和二次能源。一次能源，即天然能源，指在自然界现成存在的能源，如煤、石油、天然气、水能等；二次能源指由一次能源加工转换而成的能源产品，如电力、煤气、汽油、氢能等。由于人类现阶段面临严峻的能源危机和环境问题，一次能源和二次能源领域的革新势在必行。可再生性是一次能源面临的重大问题。现阶段，我们应用的能源以不可再生的化石能源为主，未来面临枯竭的危机，因此开发风电、光伏等可再生能源尤为重要。二次能源的革新是解决碳排放问题的关键。二次能源是联系一次能源和能源用户的中间纽带，但汽油等能源在燃烧过程中会产生二氧化碳和污染物质。解决能源应用的碳排放问题，就需要开发优质的含能体能源，如锂电和氢能。氢能是一种优势突出、前景广阔的二次能源氢能的开发和应用对促进节能减排、保障能源安全具有战略意义。从应用端节能减排的角度来看，氢能是一种优质的二次能源，可以作为汽油、柴油等能源的替代，与锂动力电池形成互补。从供给侧能源安全的角度来看，氢能够以水为原料制取，储量丰富，且理论上可循环制取；同时，使用风电、光伏电解水制氢可以解决弃风弃光的消纳问题，从而进一步推动风电、光伏等可再生一次能源的应用。供需现状：全球氢气产能以灰氢为主，下游主要作为化工原料使用目前全球氢气生产以化石燃料制氢（灰氢）为主，清洁制氢存在替代空间。2021年全球氢气总产量9400万吨，其中化石燃料制氢占80%以上，清洁制氢（电解水制氢/化石燃料制氢+CCUS）占比不到1%。目前我国氢气产能约4100万吨/年，产量约3300万吨，制氢规模全球领先，以化石燃料制氢为主（近80%）。氢作为能源应用的普及程度不高，现阶段主要作为化工原料使用。2021年，全球氢气需求超过9400万吨。我国是全球最大的氢气消费国，需求量约2800万吨，占全球的30%。分应用来看，氢气在全球范围内和我国均主要用于化工（合成氨/合成甲醇）和炼油，作为能源的应用程度不高。我国政策驱动下，氢能产业开启新篇我国国家层面日益重视氢能的战略重要性，加强氢能布局。2022年3月，国家发改委、能源局发布《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》，明确了氢能的战略定位，提出了氢能产业一系列发展目标。2023年8月，六部委印发《氢能产业标准体系建设指南（2023版）》，有望解决氢能产业标准缺乏的长期痛点，推动产业链各环节打通。各地纷纷出台氢能发展规划目标。从已公布的规划目标来看，到2025年，我国将累计至少建成加氢站762座，燃料电池车保有量8.8万辆，氢能产业规模接近7000亿元。二、氢能的四大应用场景氢能应用领域短期以工业为主，长期在交通、电力领域发展空间广阔工业是氢能当前的主要应用领域，长期占据可观份额。现阶段全球氢气主要应用于化工和炼油。工业领域氢气用量大、用氢技术成熟，存在绿氢替代灰氢的减碳空间，将成为短期内氢能最主要的应用领域。IEA预计，“净零排放”情形下，2030年全球工业用氢需求达1亿吨，占全球用氢规模的47%；2050年，全球工业用氢规模约1.4亿吨，占全球用氢规模的26%。我国化工产业占全球比重较大，工业用氢将占据主要规模，中国氢能联盟预计，碳中和情景下，2060年我国工业用氢规模7,794万吨，占氢总需求量的60%。氢能在交通、电力等领域的应用将逐步扩展。交通和电力部门是全球碳排放的重要来源。氢能在重载交通工具、长时储能等领域潜力巨大，但规模化推广有赖于技术成熟、产业链降本、基础设施建设等，需要时间发展。IEA预计，全球“净零排放”情形下，2030年全球交通/电力领域氢能需求分别为0.2/0.3亿吨；到2050年则大幅增至2.0/1.0亿吨，2050年交通将成为全球氢能最大的需求领域。中国氢能联盟预计，碳中和情景下，2060年我国交通/电力用氢规模分别为4051万吨/600万吨。工业应用|传统工业存量替代+新技术扩大需求，工业绿氢应用空间广阔传统工业存量替代+新技术扩大需求，我国工业用氢增长空间广阔。氢气作为传统化工原料，存量需求庞大（据中国氢能联盟，2019年为2810万吨），可以使用绿氢替代灰氢来减少排放。未来，随着新技术的成熟，氢气可以在钢铁行业逐步取代焦炭作为还原剂和燃料，或在工业供热等场景部分替代天然气等，增量空间大。到2060年，工业将仍是我国氢气用量最大的领域。中国氢能联盟估计，在2060年碳中和情景下，我国氢气的年需求量将增至1.3亿吨左右，在终端能源消费中占比约为20%；其中，工业领域用氢需求7,794万吨，占氢总需求量的60%。合成氨、合成甲醇等传统化工行业，绿氢渗透空间庞大。合成氨等传统化工领域用氢技术成熟，氢气需求量大。根据中国氢能联盟数据，2019年我国合成氨/合成甲醇/炼化与煤化工的氢气需求量分别为1080/910/820万吨，绿氢替代灰氢的空间广阔。合成氨已成为现阶段绿氢应用落地的主力场景。根据我们不完全统计，2023年上半年国内有52个绿氢项目公布了最新进展（签约/开工/投产等），绿氢规划年产能共计65.4万吨。其中，16个项目生产的绿氢将用于合成氨，对应绿氢年产能36.4万吨，占统计项目规模的56%。以合成氨为代表的化工应用，或将成为大规模制氢项目的首选应用场景。交通应用|

氢燃料电池汽车具有突出的性能优势+降本潜力氢燃料电池汽车有望与纯电动汽车形成互补发展。氢燃料电池汽车具有续航里程长、低温性能优良、加注迅捷等优势，适用于中长距离和重载运输，有望与纯电动汽车互补发展。现阶段氢燃料电池汽车经济性有限，降本有望助力燃料电池汽车推广。根据灼识咨询，2021年我国燃料电池汽车百公里成本924元，远高于纯电动汽车和燃油汽车，主要原因为折旧成本高昂。未来随着氢能产业链技术成熟和规模降本，燃料电池汽车购置成本和用氢成本有望逐步降低，成本竞争力提升。电力应用|氢能在长时储能、发电等领域存在应用潜力氢能在电力系统中存在应用潜力。氢除了作为二次能源直接应用外，理论上也可以通过电-氢-电的转化过程，用于电力系统中的储能和发电。储能方面，氢作为能量载体，可用于长时储能，或替代输电进行远距离运输；发电方面，氢可以通过燃料电池或燃气轮机发电，用于电网平衡（调峰）、作为分布式电源等。在电力系统长周期调节和降低碳排放的需求下，氢能作为长时储能载体和清洁发电来源，存在推广应用的潜力。氢能电力系统发展阶段尚早，能量效率是主要瓶颈。按照ALK电解槽工作效率70-80%、PEM燃料电池工作效率45-50%估算，电-氢电两次转换的能量转化效率仅有31.5-40%；若考虑储运阶段的系统损耗，氢能电力系统的实际能量效率可能更低。目前，氢能电力系统发展阶段尚早，各国仅有若干研发示范项目。氢能要在电力领域实现规模应用，仍需电解槽、燃料电池等技术进步。三、燃料电池产业链简介氢燃料电池是氢能应用的关键设备氢燃料电池是使用氢气发电的装置。燃料电池是一种能量转换装置，用于将燃料中的化学能直接转化为电能。氢燃料电池使用氢气或富氢气体作为燃料。在氢燃料电池中，氢气和氧气在催化剂的作用下发生电化学反应，产生电能和水。氢燃料电池是氢能应用的关键设备。氢气中的化学能需要转换为电能、热能等形式应用。燃料电池和内燃机是用于转化氢能的两种装置：燃料电池将氢气中的化学能转化为电能，内燃机则将其转化为动能、热能，或进一步转化为电能。与内燃机相比，氢燃料电池具有效率高、环境友好、可靠性强、灵活性高等优势。因此，氢燃料电池是氢能实现应用的关键设备。氢燃料电池技术路线：PEMFC先行，SOFC跟随技术路线：PEMFC先行，SOFC跟随。目前PEMFC是氢燃料电池的主流技术路线，SOFC次之。PEMFC具有结构紧凑、启停快、运行温度低等优势，适宜车载使用，也可以用作分布式发电；SOFC理论效率高，高温运行可同时提供电力和热量，是建筑热电联供的优选方案。根据E4tech报告数据（2020），PEMFC全球出货量占比达78.08%，具有绝对优势，SOFC次之，占比为11.19%。PEMFC系统：由燃料电池电堆和辅助系统构成质子交换膜燃料电池系统由电堆和辅助系统构成。电堆是电化学反应发生的场所。燃料电池与常规电池工作方式不同，它的活性物质（燃料和氧化剂）并非储存在电池内部，而是储存在外部储罐中；电堆为电化学反应提供催化剂和反应场所。电堆由大量单体电池堆叠而成，每个单体电池由膜电极、双极板等部件构成。辅助系统（BOP）用于为电堆持续提供反应气体，并使电堆保持反应所需的温湿度，主要设备包括空压机、循环泵、增湿器和水泵等。PEMFC系统：2025年市场规模有望达167-181亿元PEMFC系统市场前景广阔，2025年市场规模有望超过160亿元。Frost&Sullivan预测，2025年国内燃料电池系统出货量为7.26GW，市场规模达181亿元。该机构预计的2025年出货量中，车载应用6.71GW，其它运输应用0.13GW，固定式应用0.42GW。由于车载燃料电池均使用PEMFC，船舶和固定式发电可采用PEMFC、SOFC等路线，我们推算，2025年我国PEMFC系统出货量范围在6.71-7.26GW之间（下限为车载应用出货量，上限为全部系统出货量）；使用出货量比例粗略估算，2025年国内PEMFC系统市场规模约为167-181亿元，2030年PEMFC系统市场规模为922-1168亿元。PEMFC|电堆：燃料电池系统的“心脏”，2026年国内市场有望超百亿元电堆是是燃料电池系统的“心脏”，价值量占比最高。电堆是电化学反应发生的场所，维持着整个燃料电池系统的能量输出过程，决定了燃料电池的整体性能。在燃料电池系统各组成部分中，电堆价值量占比最高，成本占比达59%。国内电堆市场规模有望于2026年超百亿元。Frost&Sullivan预计，2022年到2030年中国氢燃料电池电堆出货量将由1GW增至100GW，市场规模将由21亿元增至662亿元。由于该机构的预测口径并未区分技术路线，我们仍参考各年度氢燃料电池系统分应用出货量占比（下限为车载应用出货量比例；上限为全部系统出货比例，即100%），粗略估算PEMFC电堆市场规模：2026年中国PEMFC电堆出货量约为13-15GW，对应的市场规模131-147亿元；2030年国内PEMFC电堆市场规模有望达522-662亿元。PEMFC|膜电极材料-催化剂：主要依赖进口，国内厂商开始发力国外催化剂厂商占据国内市场主要份额。催化剂技术壁垒较高且技术专利大多掌握在国外企业手里，因此国内催化剂供应主要依赖进口。根据36Kr数据，目前国内在营的燃料电池车中90%的燃料电池使用进口催化剂。国外的催化剂供应商主要有日本的田中贵金属（TKK）、英国的庄信万丰（JM）、比利时的优美科等公司，其中田中贵金属、庄信万丰占据主要市场份额。国内部分企业着手布局催化剂。催化剂成本高、技术壁垒