氢燃料电池是绿氢应用的重要场景，氢燃料电池汽车是交通领域利用氢能的重要方式。在上游制氢成本下降、国内外政策积极推动氢能在交通领域中应用的背景之下，氢燃料电池汽车需求有望快速增长。随着加氢、储氢基础设施建设逐步完善、氢燃料电池汽车性能提升，氢燃料电池汽车应用或将逐步由商用车扩展至乘用车领域；维持行业强于大市评级。
　　支撑评级的要点
　　氢燃料电池汽车是绿氢的重要应用场景：在全球绿色转型的背景下，2021-2030年，绿氢需求有望由3.76万吨提升至3320.44万吨，复合增速超100%。2021-2050年，绿氢在交通业总能源消耗中的占比预计由0.1%提升至12%。搭载氢燃料电池的氢燃料电池汽车与燃油车、纯电车相比，具备零排放、能量转换效率高、里程长、冷启动能力强等优点。
　　 PEM燃料电池迎来国产化、规模化前夕：我国已经具备燃料电池系统中双极板、膜电极等关键原材料生产能力，在燃料电池系统生产国产化、规模化的背景下，其具备70%降本空间。在国家能源局2025年我国氢燃料电池汽车保有量5万辆的目标下，2022-2025年我国氢燃料电池汽车保有量复合增速或达55%。欧美多国在碳中和目标提出后亦加速对氢燃料电池汽车推广，全球氢燃料车保有量有望快速增长。预计2030年全球氢燃料电池汽车保有量或超过165万辆，2022-2030年复合增速或达48%。
　　氢燃料电池适用于商用车领域：我国新能源商用车渗透率仅10%，相比于新能源乘用车26%的渗透率具备较大差距。商用车减排空间大，合适氢燃料电池汽车进行示范。氢燃料商用车具备载重大、续航长、运营效率高等优点，是我国燃料电池汽车的主要应用场景。截至2022年末，氢燃料商用车占我国氢燃料电池汽车保有量的99%。
　　氢气成本下降提升燃料电池汽车经济性：燃料成本占燃料电池商用车TCO成本的47%，可再生能源度电成本下降带动制氢成本下降，提升氢燃料电池汽车经济性。电解水制氢成本中电费约占制氢费用的86%，随着风电整机、光伏组件价格下降，风光发电度电成本有望下降，带动制氢成本下降。以燃料电池重卡为例，保持燃料电池重卡整车价格140万元，如氢气价格由35元/kg下降至15元/kg，燃料电池重卡TCO成本则由788万元下降至420万元，氢燃料电池重卡经济性有望超过柴油重卡。
　　完善基础设施、提高汽车性能或推动乘用车需求：完善的加氢基础设施、健全的氢气制储运体系是氢燃料乘用车推广的前提条件。随着我国加氢站建设数量提升、国产氢燃料汽车功率密度、续航里程等性能提升，氢燃料电池乘用车市场有望打开。上海计划通过网约车等形式推动氢燃料乘用车示范，有望打通氢燃料电池乘用车商业模式。
　　投资建议
　　氢能产业周期开启，绿电制氢成本预计逐步具备竞争力，绿氢应用场景有望扩大。氢燃料电池汽车是氢能在交通领域的重要应用场景，在燃料电池系统核心零部件逐步国产化、规模化、绿氢价格逐步下降背景下，氢燃料电池汽车需求有望提升。我们预计到2025年中国氢燃料汽车保有量有望超过5万辆，预计2030年全球氢燃料汽车保有量有望超过165万辆，2022-2030年复合增速48%。燃料电池商业化有望提速，具备成本优势及技术优势的燃料电池电堆及系统生产企业与氢储运、加注装置企业有望受益。推荐兰石重装、华电重工，建议关注亿华通、雄韬股份、潍柴动力、美锦能源、石化机械、厚普股份、开山股份、雪人股份。
　　评级面临的主要风险
　　氢能政策风险；产品价格竞争超预期；下游扩产需求低于预期；国际贸易摩擦风险；技术迭代风险。

研究报告全文：电力设备证券研究报告行业深度2023年8月22日强于大市氢能行业系列报告之三氢车未来可期氢燃料电池蓄势待发氢燃料电池是绿氢应用的重要场景氢燃料电池汽车是交通领域利用氢能的重要方式在上游制氢成本下降国内外政策积极推动氢能在交通领域中应用的背景之下氢燃料电池汽车需求有望快速增长随着加氢储氢基础设施建设逐步完善氢燃料电池汽车性能提升氢燃料电池汽车应用或将逐步由商用车扩展至乘用车领域维持行业强于大市评级支撑评级的要点氢燃料电池汽车是绿氢的重要应用场景在全球绿色转型的背景下2021-2030年绿氢需求有望由376万吨提升至332044万吨复合增速超1002021-2050年绿氢在交通业总能源消耗中的占比预计由01提升至12搭载氢燃料电池的氢燃料电池汽车与燃油车纯电车相比具备零排放能量转换效率高里程长冷启动能力强等优点PEM燃料电池迎来国产化规模化前夕我国已经具备燃料电池系统中双极板膜电极等关键原材料生产能力在燃料电池系统生产国产化规模化的背景下其具备70降本空间在国家能源局2025年我国氢燃料电池汽车保有量万辆的目标下年我国氢燃料电池汽车保相关研究报告52022-2025有量复合增速或达55欧美多国在碳中和目标提出后亦加速对氢燃料氢能行业动态点评20230731电池汽车推广全球氢燃料车保有量有望快速增长预计2030年全球氢氢能行业动态点评20230724燃料电池汽车保有量或超过165万辆2022-2030年复合增速或达48氢能行业系列报告之一20230326氢燃料电池适用于商用车领域我国新能源商用车渗透率仅10相比中银国际证券股份有限公司于新能源乘用车26的渗透率具备较大差距商用车减排空间大合适具备证券投资咨询业务资格氢燃料电池汽车进行示范氢燃料商用车具备载重大续航长运营效电力设备率高等优点是我国燃料电池汽车的主要应用场景截至2022年末氢燃料商用车占我国氢燃料电池汽车保有量的99证券分析师武佳雄氢气成本下降提升燃料电池汽车经济性燃料成本占燃料电池商用车jiaxiongwubocichinacomTCO成本的47可再生能源度电成本下降带动制氢成本下降提升氢证券投资咨询业务证书编号S1300523070001燃料电池汽车经济性电解水制氢成本中电费约占制氢费用的86随着风电整机光伏组件价格下降风光发电度电成本有望下降带动制联系人李天帅氢成本下降以燃料电池重卡为例保持燃料电池重卡整车价格140万tianshuailibocichinacom元如氢气价格由35元kg下降至15元kg燃料电池重卡TCO成本则一般证券业务证书编号S1300122080057由788万元下降至420万元氢燃料电池重卡经济性有望超过柴油重卡联系人顾真完善基础设施提高汽车性能或推动乘用车需求完善的加氢基础设施zhengubocichinacom健全的氢气制储运体系是氢燃料乘用车推广的前提条件随着我国加氢一般证券业务证书编号S1300123020009站建设数量提升国产氢燃料汽车功率密度续航里程等性能提升氢燃料电池乘用车市场有望打开上海计划通过网约车等形式推动氢燃料乘用车示范有望打通氢燃料电池乘用车商业模式投资建议氢能产业周期开启绿电制氢成本预计逐步具备竞争力绿氢应用场景有望扩大氢燃料电池汽车是氢能在交通领域的重要应用场景在燃料电池系统核心零部件逐步国产化规模化绿氢价格逐步下降背景下氢燃料电池汽车需求有望提升我们预计到2025年中国氢燃料汽车保有量有望超过5万辆预计2030年全球氢燃料汽车保有量有望超过165万辆2022-2030年复合增速48燃料电池商业化有望提速具备成本优势及技术优势的燃料电池电堆及系统生产企业与氢储运加注装置企业有望受益推荐兰石重装华电重工建议关注亿华通雄韬股份潍柴动力美锦能源石化机械厚普股份开山股份雪人股份评级面临的主要风险氢能政策风险产品价格竞争超预期下游扩产需求低于预期国际贸易摩擦风险技术迭代风险目录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6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6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11船舶轨交航空等领域亦加速氢燃料电池的应用17氢燃料电池可应用于储能发电等领域国内已有中长期规划18国内外政策积极落地推动氢燃料电池汽车高质量发展21国内政策积极推动燃料电池汽车发展21海外氢燃料电池市场发展提速24商用车国内氢燃料电池主要应用场景氢气价格下降有望提升氢燃料商用车经济性30商用车适合作为切入点发展燃料电池汽车30氢燃料电池重卡载重续航较纯电重卡具备优势32氢燃料电池重卡TCO成本有望下降33乘用车依赖于基础设施完善与汽车性能提升36日韩主推氢燃料电池乘用车36国内加氢基础设施有望完善助力氢能乘用车渗透率提升37国产氢能乘用车系统功率密度带氢量提升助力氢能乘用车性能提升38上海积极推动乘用车示范40投资建议43风险提示442023年8月22日氢能行业系列报告之三2图表目录图表1主要国际能源机构对2050年全球制氢量及结构的预测6图表2国际能源机构对2050年氢能在全球能源总需求中占比的预测6图表3国际可再生能源机构对实现15目标情境下的全球氢能预测6图表42020-2060年各行业用氢累计减排量7图表5氢燃料电池装机量及交通领域装机占比7图表6燃料电池电堆结构7图表7燃料电池汽车成本构成7图表8汽油柴油碳排放系数8图表9不同路径的等效碳排放量8图表10内燃机效率损耗说明8图表11卡诺效率与燃料电池理论效率8图表12不同燃料质量能量密度差异9图表13汽油机氢内燃机氢燃料电池转化效率对比9图表143种汽车减碳技术路线对比10图表15不同类型氢燃料电池特性对比10图表16不同制氢方法氢气纯度和杂质主要构成11图表17燃料电池堆的失效模式分析与耐久性提升路径11图表18PEMFC关键材料的失效模式及解决方案12图表19丰田Mirai2特斯拉model3对比12图表20燃料电池系统组成部分13图表212022年燃料电池系统成本结构13图表222022年燃料电池电堆成本结构13图表23燃料电池汽车核心零部件国产化进程14图表24燃料电池系统及零部件发展目标15图表25规模化量产降低燃料电池制造成本16图表262018-2022年氢燃料电池单车平均装机功率16图表27燃料电池额定功率占比17图表282020-2050不同车型燃料电池系统功率发展目标17图表29国际海事组织减碳政策17图表30近期国内氢燃料电池船舶应用进展17图表31氢燃料列车高铁动车对比18图表32国际民航组织减碳政策18图表33不同能源发电建设成本对比19图表34韩国大山燃料电池发电站19图表35东方电气氢燃料电池冷热电联产设备19图表36电池储能与氢储能效率对比202023年8月22日氢能行业系列报告之三3图表37不同方式储能典型参数对比20图表38示范城市群及燃料电池汽车推广目标21图表39燃料电池汽车折算国补情况万元22图表40国内氢燃料电池汽车三步走路线图22图表41非示范省市氢燃料电池相关政策23图表422015-2022国内氢燃料汽车产销量中汽协24图表432022年1月-2023年5月国内氢燃料汽车上险数据24图表44日本氢能政策发展梳理24图表452018-2022日本氢燃料电池车数量及增速25图表462022年末全球燃料电池汽车保有量分布25图表472018-2022韩国氢燃料电池车数量25图表48美国氢能及燃料电池研发预算26图表492018-2022美国氢燃料电池车数量26图表50美国氢能政策发展梳理27图表51欧盟氢能政策发展梳理28图表522020-2030年全球燃料电池汽车保有量预测29图表532018-2022商用车销量及新能源商用车占比30图表54氢燃料电池重卡主要车型和应用场景30图表552022年1-12月氢燃料电池汽车各类细分车型销量及占比31图表56河钢集团氢能重卡投运全国首发仪式现场31图表572022年末中国氢燃料电池汽车保有量结构31图表58氢燃料电池重卡与锂电池重卡对比32图表59纯电重卡与氢燃料重卡系统示意图33图表62现阶段燃料电池重卡与柴油重卡TCO成本比较33图表62燃料电池重卡TCO成本结构34图表64碱性电解槽制氢成本拆解34图表65电解水制氢成本敏感性分析34图表66氢能重卡总价及氢气价格对氢能重卡TCO成本敏感性分析35图表672023-2026年燃料电池商用车保有量及销售量预测35图表682022年末不同类型氢燃料电池汽车保有量36图表692022年末各国氢燃料电池汽车保有量及结构36图表70东京-大阪路线图36图表71日本东京都市圈加氢站布局36图表72氢加注标准子体系37图表732022年全球主要国家加氢站分布38图表742022年末加氢站建成前十大省份38图表75燃料电池功率密度趋势判断38图表76捷氢科技M4燃料电池电堆39图表77海外大多数氢燃料乘用车皆使用70MPa储氢瓶392023年8月22日氢能行业系列报告之三4图表78青卫油氢合建站40图表79青卫油氢合建站-上海虹桥站距离40图表80中国部分燃料电池相关企业41续图表80中国部分燃料电池相关企业42附录图表81报告中提及上市公司估值表452023年8月22日氢能行业系列报告之三5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614亿吨图表1主要国际能源机构对2050年全球制氢量及结构图表2国际能源机构对2050年氢能在全球能源总需求中的预测占比的预测资料来源Statista中银证券资料来源Statista中银证券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376万吨增长到2030年的332044万吨CAGR有望达到11249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01的较低水平提升至2050年122017-2021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4357MW提升至196480MW复合增长率达462017-2021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图表3国际可再生能源机构对实现15目标情境下的全球氢能预测核心指标202020302050绿氢产量亿吨年0154614绿氢在总能源消耗中的占比013012绿氢在交通业总能源消耗中的占比010712资料来源Statista国际可再生能源机构中银证券2023年8月22日氢能行业系列报告之三6图表42020-2060年各行业用氢累计减排量图表5氢燃料电池装机量及交通领域装机占比资料来源中国氢能联盟中银证券资料来源E4tech中银证券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图表6燃料电池电堆结构图表7燃料电池汽车成本构成资料来源衣宝廉等氢燃料电池中银证券资料来源国富氢能招股说明书申报稿中银证券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COCO2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230kgCO20627kg碳1升柴油燃烧会释放263kgCO20717kg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37kg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20kg261kg2023年8月22日氢能行业系列报告之三7图表8汽油柴油碳排放系数CO2排放系数CO2排放系数碳排放系数碳排放系数KgCO2升KgCO2kgKgC升KgCkg汽油2303150627086柴油26330607170834资料来源碳中和专业委员会中银证券图表9不同路径的等效碳排放量等效碳排放量kg百km可再生能源发电制氢气氢管道37混合电制氢气氢管道437焦炉煤气副产氢气氢管道20煤制氢气氢管道261天然气制氢气氢管道137可再生能源发电输电现场制氢27混合发电输电现场制氢427资料来源余亚东等不同燃料路径氢燃料电池汽车全生命周期环境影响评价中银证券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30TV6发动机为例其热效率约385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842023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图表10内燃机效率损耗说明图表11卡诺效率与燃料电池理论效率资料来源一汽奔腾中银证券资料来源衣宝廉等氢燃料电池中银证券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120MJkg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2821度电若按照60的能量转化效率进行测算1kg氢气可发2015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TeslaModelY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2023年8月22日氢能行业系列报告之三8图表12不同燃料质量能量密度差异资料来源中国氢能联盟研究院中银证券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图表13汽油机氢内燃机氢燃料电池转化效率对比资料来源新能源网中银证券2023年8月22日氢能行业系列报告之三9氢内燃机运行过程中会排放NOxNOx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2H2O22H2O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H2O2N2H2ONOX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图表143种汽车减碳技术路线对比氢内燃机氢燃料电池纯电动CO2强度如使用绿蓝氢零最少量CO2如使用绿蓝氢零最少量CO2CO2强度取决于电网组合如使用可再生电力则为零CO2空气质量使用SCR后处理系统不产生显著零排放零排放的NOx排放物动力总资本支出氢气发动机的资本支出与柴油发动燃料电池和动力电池的资本支出高如需要大尺寸电池则资本支出高机相当但需增加制氢罐但比纯电动车辆更具有扩展性较小较轻细分市场采用中等尺寸电池限制条件空间有效载发动机尺寸与当前的内燃机相当但与内燃机相比需要更多的空间放置比内燃机重有效载荷限制取决于荷需要增加H2储罐燃料电池和H2储罐用例充能时间1530min取决于燃料箱尺寸1530min取决于燃料箱尺寸3h以上取决于快充能力基础设施成本需要H2配送和再加注基础设施需要H2配送和再加注基础设施需要充电基础设施及升级电网资料来源李霖等氢内燃机能否延续柴油机的辉煌中银证券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10-20Wcm2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19983MW占全球燃料电池总装机比例超过85图表15不同类型氢燃料电池特性对比产品种类质子交换膜燃料电池碱性燃料电池固体氧化物燃料电池磷酸燃料电池熔融碳酸盐燃料电池电解质质子交换膜KOH溶液Y2O3ZrO2磷酸熔融碳酸盐比功率300-75035-10515-20100-20030-40Wkg功率密度10-2005030102Wcm2催化剂铂镍为主非贵金属铂非贵金属工作温度50-10080-230600-1000160-220600-700发电效率50-6045-6050-7035-5050-60启动时间5s几分钟10min几分钟10min主要优势启动快工作温度低启动快工作温度低能量效率高对CO2不敏感能量效率高主要劣势对CO敏感反应物需加湿需要纯氧作为催化剂运行温度较高对CO敏感启动较慢运行温度高交通固定式电源移动典型应用领域航空航天军事大型分布式发电分布式发电大型分布式发电式电源资料来源赛瑞研究徐志红等氢燃料电池的结构特性与氢燃料电池汽车的发展概述立鼎产业研究中银证券2023年8月22日氢能行业系列报告之三10PEM燃料电池对氢气纯度要求较高依照国标GBT372442018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9997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COCO2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1010-6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210-6以下目前PEMFC广泛采用抗CO的PtRuC铂钌合金作为电催化剂但是以纯氢作为原料气时以PtC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99999可直接用作氢燃料电池燃料图表16不同制氢方法氢气纯度和杂质主要构成制氢方法纯度杂质构成煤制氢48-54CO2COCH4天然气制氢75-80CO2COCH4甲醇制氢73-75COCO2电解水制氢995-99999O2H2O资料来源李佩佩浅谈氢气提纯方法的选取中银证券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15-18万小时但海外部分燃料电池寿命已可达到25万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15万小时并以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图表17燃料电池堆的失效模式分析与耐久性提升路径耐久性1000h10002000h约3000h5000h运行现象电极分层催化剂流失电极逐步失活扩散层亲水膜透气性增加电极活性下降失效机理启停操作水淹-阳极欠气动态工况动态负载Pt的电化学老化载体电化学氧化载体电化学氧化膜物理化学降解载荷控制高稳定性催化剂改进设计启停电位控制阳极循环降低载体电化学电位提升膜的强度载荷控制高稳定性催化剂实施效果1000h3000h5000h1万小时目标资料来源衣宝廉等氢燃料电池中银证券2023年8月22日氢能行业系列报告之三11图表18PEMFC关键材料的失效模式及解决方案资料来源衣宝廉等氢燃料电池中银证券国产替代规模化生产有望推动氢燃料电池汽车降本燃料电池降本是其重要发展方向氢燃料乘用车商用车均贵于同类型电动车乘用车方面根据特斯拉官网数据2023年特斯拉Model3标准版的售价为402万美元折合人民约291万元而丰田Mirai2标准版则需要495万美元折合人民币约355万元商用车方面据福田官网数据显示福田49t智蓝纯电重卡的价格为989万元而49t燃料电池重卡的售价约150万元2022年12月佛山飞驰汽车和鄂尔多斯市悦驰新能源汽车联合中标的30辆飞驰49吨氢燃料电池牵引车中标总金额4740万元车辆单价约158万元当前阶段燃料电池汽车销售价格高于同类型电车短期内燃料电池汽车降本依然重要如前文所述燃料电池系统在整车中成本占比约50燃料电池系统降本仍为重要发展方向图表19丰田Mirai2特斯拉model3对比丰田Mirai2特斯拉model3标准版最高车速kmh175225百公里加速s9261续航里程kmNEDC850556整备质量kg19301751电机峰值功率kW134194电机扭矩Nm300340电堆功率kW238-电池能量密度kWh-60价格美元4950040240资料来源特斯拉官网丰田官网汽车之家汽车测试网太平洋号中银证券2023年8月22日氢能行业系列报告之三12燃料电池零部件国产化是降低初始投资成本的重要方式燃料电池系统由燃料电池电堆和系统主要零部件组成电堆成本占燃料电池系统成本比例约60电堆由膜电极MEA双极板结构件及其他零部件构成系统主要零部件包括空压机加湿器DCDC及其他零部件等膜电极MEA是燃料电池电堆的核心零部件由质子交换膜催化剂气体扩散层组成占电堆成本比例约65燃料电池电堆国产化是燃料电池成本下降的重要推动力根据中国经济网电堆降本50依赖催化剂质子交换膜膜电极等关键材料和零部件降价30依靠企业技术进步和工艺革新20得益于电堆企业数量增多带来的竞争在产业化层面根据车百智库2021年唐锋能源武汉理工氢电鸿基创能苏州擎动等国产膜电极批量应用于国产电堆同年国鸿氢能氢璞创能雄韬氢雄竞相降低电堆价格至2000元kW以内推动燃料电池系统成本下降至4000元kW以内图表20燃料电池系统组成部分资料来源亿华通港交所上市招股说明书中银证券图表212022年燃料电池系统成本结构图表222022年燃料电池电堆成本结构资料来源亿华通港交所上市招股说明书中银证券资料来源亿华通港交所上市招股说明书中银证券2023年8月22日氢能行业系列报告之三13燃料电池核心零部件基本实现国产化燃料电池核心材料国产化替代进程不断加快根据吉林省人民政府2017年我国仅掌握系统集成双极板和DCDC生产能力其余主要依赖进口国产化率约302020年我国电堆膜电极空压机氢气循环泵等核心部件均可自主控制气体扩散层催化层和质子交换膜等核心材料加速研发总体国产化率约602022年我国已经基本实现了燃料电池系统的国产化2020年东岳150万平方米质子交换膜生产线一期工程在山东淄博投产2022年氢电中科已经具备年产1000kg的燃料电池催化剂的产能2022年金博股份与神力科技亿华通子公司签署协议共同研发满足氢燃料电池领域应用的碳纸柔性石墨极板我国燃料电池核心零部件已经基本实现国产化图表23燃料电池汽车核心零部件国产化进程2017年2020年2022年电堆部分国产化进程催化剂验证测试阶段质子交换膜验证测试阶段扩散层GDL膜电极MEA双极板石墨板石墨板石墨板金属板系统集成辅助系统国产化进程空压机氢循环泵DCDC储氢系统35MPa型瓶70MPa型瓶70MPa型瓶资料来源吉林省人民政府中银证券后续燃料电池零部件国产化产能有望提升我国将针对燃料电池核心零部件在国产化降本的同时提升材料的稳定性并形成稳定供应能力国电投氢能公司生产的质子交换膜价格较进口质子交换膜价格低约50但是由于膜电极制备工艺复杂研发周期较长仍需要在专业特性国产化产能方面进一步提升根据车百智库2022-2025年我国膜电极年产能有望从40万平米提升至100万平米气体扩散层产能有望从10万平米提升至40万平米2023年8月22日氢能行业系列报告之三14图表24燃料电池系统及零部件发展目标现阶段性能及成本产业进程与规划2025年性能指标2025年成本预测燃料电池系统面向中重卡车辆系统功率范围60-200kW方向扩展可靠性及耐久性大功率密度300-700Wkg系统功率范围60-400kW幅提升整体产品处于示范应低温启动-30电堆自启动功率密度700-1000Wkg燃料电池系统成本燃料电池系统用阶段耐久性将达15000小运行效率45运行效率接近501200元kW时2022年整体产能5000台现阶段系统成本低温启动-40无辅助加热年2025年预计达到20000台4000元kW年目标企业一电堆功率密度4kWL065V企业一企业一单堆功率150kW065V2022年形成10000堆年产电堆功率密度6kWL068V单堆成本约1500元kW能2025年形成30000堆年单堆功率300kW068V企业二产能企业二电堆电堆600元kW金属极板单堆最大功率150kW企业二金属极板单堆最大功率300kW功率密度35kWL2021年已建成电堆智能生产功率密8-10kWL耐久性不低于10000h线年产能为10000台2025耐久性不低于30000小时冷启动温度-30年产能为50000台冷启动温度-30C单堆成本约2000元kW国产技术水平相对统一关键原材料国产化率较低但与国际先进技术差距缩小国内行膜电极性能业总产能超过40万平米年膜电极性能1-12Wcm2065V企业最大产能30万平米年13-15Wcm2065V膜电极售价小于05膜电极耐久5000-10000h预计2025年国内技术达到国耐久20000h元cm2贵金属载量025-05mgcm2际先进水平关健原材料实现贵金属载量02mgcm2售价10-15元cm2全自主化平均产能超过10万平米年总产能100万平米年质子交换膜厚度12-18m质子交换膜厚度8-12m溶胀率5溶胀率2拉伸强度30-60MPa规划实现全国产化自主生产拉伸强度60-80MPa电导率008-01Scm质子交换膜成本约质子交换膜性能赶超国际先进水平扩充电导率01-012Scm渗氢电流密度3mAcm2300元m2产能降低成本渗氢电流密度2mAcm2物理耐久20000次循环物理耐久50000次循环OCV耐久500hOCV耐久800h成本约600元m2国内产品催化活性低种类少铂碳催化剂质量活性集中缺乏长期验证后续生产催化02-025AmgPt国外氢燃料电池从铂碳向铂合金方向发展使得铂2025年铂载量接近催化剂剂一致性好稳定性高更具铂用量已实现02gkW我国催载量逐步降低降至02gkW以下02gkW成本优势的企业将持续提升市化剂用量普遍03-04gkW占率气体扩散层厚度140-210m气体扩散层厚度80-210m偏差52022年具备10万m2产能2022偏差3气体扩散层炭透气率年末具备卷材生产能力2023透气率200-300元平米纸2000mlmmcm2hrmmAq年具备40万m2气体扩散层生2200mlmmcm2hrmmAq表面粗糙度8m客户实测电堆产能力表面粗糙度5m实测电堆性能性能06V3Acm207V3Acm2资料来源车百智库中银证券规模效应推动燃料电池电堆与系统降本产业链的规模效应可快速推动燃料电池汽车成本的下降根据赛瑞研究若年产1千套燃料电池系统的单位成本为1520元kW将产量提升至10万套单位成本则可能降至430元kW成本降幅超过70若年产1千套燃料电池电堆的单位成本为1096元kW将产量提升至10万套单位成本则可能降至218元kW成本降幅亦超过702023年8月22日氢能行业系列报告之三15图表25规模化量产降低燃料电池制造成本资料来源赛瑞研究中银证券政策引导与下游需求推动氢燃料电池系统功率提升政策引导下燃料电池系统功率提升我国车用燃料电池功率提升和补贴标准存在相关性根据氢能源与燃料电池数据2017年氢燃料电池额定功率主要在30kW-40kW之间与当时国补条件燃料电池额定功率不低于30kW相适应国家能源局2020年发布的关于开展燃料电池汽车示范应用的通知明确乘用车轻型货车中型货车中小型客车最大补贴功率上限为80kW重型货车大型客车最大补贴功率上限为110kW推动2022年燃料汽车平均装机功率提升至989kW同比增长78图表262018-2022年氢燃料电池单车平均装机功率资料来源汽车总站中银证券商用车对燃料电池系统功率要求更高大功率燃料电池系统适合长途重载重卡由于目前氢燃料电池还无法满足商用重卡对200-300kW的电堆功率需求因此燃料电池重卡普遍采用110kW左右的燃料电池电堆锂电池的电电混合方式若燃料电池能够实现功率提升则可实现对锂电池的完全替代高功率燃料电池系统已逐步应用于下游市场根据捷氢科技数据2022年国内配套110-150KW燃料电池系统的燃料电池汽车销量达到2607辆占2022年燃料电池汽车销售比例超过50展望后势物流车客车重卡等车型燃料电池系统功率有望提升根据车百智库2025年氢燃料电池重卡系统功率有望提升至150kW并往远期300kW逐步发展我国燃料电池厂商已具备更大功率燃料电池生产能力根据高工氢电亿华通重塑氢蓝时代清能股份国鸿氢能等企业已具备200-300kW燃料电池系统的生产能力2023年8月22日氢能行业系列报告之三16图表27燃料电池额定功率占比图表282020-2050不同车型燃料电池系统功率发展目标资料来源捷氢科技中银证券资料来源车百智库中银证券船舶轨交航空等领域亦加速氢燃料电池的应用国际海事组织计划2050年实现国际航运温室气体净零排放国内外氢燃料电池船舶应用加快推进2023年7月国际海事组织承诺2030年前采用零和接近零排放的温室气体替代性燃料相关技术和燃料至少占国际航运能源使用量的5力争达到10于2050年前后实现国际航运温室气体净零排放为满足国际海事组织减排要求各国加快推进氢燃料电池船舶的应用推广各类氢燃料电池船舶相继投入使用2023年3月世界首艘氢燃料电池渡轮MFHydra在挪威投入运营国际上氢燃料电池船舶技术发展较早已完成轻型轮渡等方面的验证并开展了大型内河集装箱的船上应用探索国内氢燃料电池船舶亦发展迅速2023年3月17日国内首艘500千瓦级氢燃料电池动力船三峡氢舟1号下水并于7月完成首航标志着国内氢燃料电池船舶领域的重要突破图表29国际海事组织减碳政策时间政策2011年7月通过MEPC20362号决议采取提高国际航运能源效率的强制性措施并对船舶能源效率做出要求2016年1月MEPC70批准2025年1月1日后建造的新船舶能效要求较基准提高302016年5月MEPC74批准提高对集装箱船天然气运输船等多种船舶类型的能效要求2018年1月批准了减少温室气体排放初始战略的后续行动计划2018年4月通过MEPC30472号决议确定了减少船舶温室气体排放的初步战略2019年5月通过MEPC32374号决议邀请成员国鼓励港口和航运部门间的合作以减少船舶温室气体排放2020年11月通过MEPC36779号决议鼓励成员国制定并提交自愿行动计划解决船舶温室气体排放问题2021年6月通过MARPOL公约附则VI关于降低国际航运碳强度的修正案要求通过技术和运营措施提高船舶能效2023年7月通过2023年国际海事组织减少船舶温室气体排放战略修订了国际航运温室气体减排目标资料来源国际海事组织IMO中银证券图表30近期国内氢燃料电池船舶应用进展时间政策2023年3月国内首艘氢燃料电池动力船三峡氢舟1号下水试航2023年4月国内首艘商用氢燃料电池动力游览船西海新源1号成功合拢2023年4月国内首艘氢能竞赛原型动力艇下水首航2023年5月国内首艘氢动力海上交通船蠡湖未来主要设计图纸通过审核2023年6月湖南省首艘氢燃料电池动力小型船舶下水试验成功资料来源国际能源网中银证券2023年8月22日氢能行业系列报告之三17氢能列车发展较快我国氢能列车技术水平与世界接轨2022年12月28日全球首列氢能源市域列车于成都下线发布其采用氢燃料电池和超级电容相结合的能源供应方式替代原有接触网供电方案根据四川日报数据由于该氢能列车免掉了传统电气化铁路的接触网变电所等复杂工程问题所以其一次性建设成本和全生命周期运营成本比传统高铁低10-20左右根据成都市发改委数据该列氢能源市域动车每天以时速160km运行500km一年可减少二氧化碳排放约1万吨国内自主研发的氢能源市域动车最高时速160公里可实现600公里续航而东日本铁路公司于2022年发布的云雀Hybari氢能列车最高时速仅100公里续航仅140公里我国氢能列车技术水平已与世界接轨图表31氢燃料列车高铁动车对比指标氢燃料列车高铁动车动力氢燃料电池电容系统电力机车能源氢电安全性储存技术成熟氢气性质稳定安全发展多年技术成熟安全性高环境保护制氢到用氢全产业链低碳电力来源会产生污染应用领域市域动车工程检修车有轨电车等短途运输作高铁干线联网线路等已有线路或长途运输为传统轨道交通重要补充加氢充电基础设施发展初期加氢站较少发展多年设施健全资料来源成都市发改委四川日报人民网交通百科川观新闻中银证券国际民航组织设定2050年净零排放目标氢能在航空领域应用提速2022年10月国际民航组织第41届大会批准通过了航空业于2050年实现净零碳排放的目标同时该组织计划于2023年11月召开国际民航组织第三次航空和替代燃料会议CAAF3重点关注航空清洁能源全球框架希望通过氢燃料等各类清洁能源降低航空业碳排放实现减碳目标据航空运输行动组织ATAG估算53-71的航空脱碳要依靠可持续航空燃料的改用推广可持续航空燃料的开发至关重要2021年3月HyPoint公布了其涡轮风冷氢燃料电池系统原型该燃料电池能量密度高达1500Whkg主要应用场景为航空领域图表32国际民航组织减碳政策时间政策2010年10月签署全球性政府协定达成稳定碳排放目标2011年1月针对二氧化碳进行独立专家审查发布独立专家关于通过技术减少航空燃油燃烧的中长期目标的报告2013年7月通过关于二氧化碳减排活动的国家行动计划2016年10月通过了有关建立国际航空碳抵消及减排机制CORSIA的决议2019年1月发布文件Doc10127发动机和飞机独立专家综合技术目标评估和审查公布最新二氧化碳排放技术目标2022年10月批准到2050年国际航空净零碳排放的长期全球理想目标2023年3月更新一系列国际航空环境标准正式通过相关ISO标准的更新资料来源国际民航组织中银证券氢燃料电池可应用于储能发电等领域国内已有中长期规划氢能发电建设成本较低我国将拓展氢能在分布式发电领域应用氢气发电建设成本较低根据中商产业研究院氢能发电建设成本约580美元kW较天然气发电建设成本低25以上国内通常使用PEM燃料电池和固体氧化物燃料电池SOFC燃料电池作为发电系统根据高工产研2022年国内氢发电系统装机量接近10MW同比增长186国内氢发电单个项目装机功率向兆瓦级发展预计到2025年国内氢发电市场需求量约400MW左右根据国家能源局氢能产业发展中长期规划2021-2035年我国将依托通信基站数据中心铁路通信站点电网变电站等基础设施工程建设推动氢燃料电池在备用电源领域的市场应用将在可再生能源基地探索以燃料电池为基础的发电调峰技术研发与示范同时结合偏远地区海岛等用电需求开展燃料电池分布式发电示范应用2023年8月22日氢能行业系列报告之三18图表33不同能源发电建设成本对比资料来源中商产业研究院中银证券通过热电联产可提升燃料电池效率至90以上氢燃料电池在发电过程中产生热量可通过热电联产将热能进行收集并供生活用水和建筑取暖等场景使用根据中国能源政策研究院数据通过使用燃料电池热电联供系统在发电效率40的基础上废热利用率可再提升40能源综合利用率超过80总效率是传统火力发电的2倍左右市场方面质子交换膜燃料电池PEMFC固体氧化物燃料电池SOFC皆有热电联产案例落地固体氧化物燃料电池SOFC具有发电效率高燃料适应性强高温余热可回收等优点在大型发电分布式发电及热电联供等领域具有广阔的应用前景PEMFC方面2021年5月东方电气自主研制的100kW级商用氢燃料电池冷热电联产系统正式发运交付该系统发电效率大于52热电联产总效率超过90SOFC方面2023年2月潍柴在济南发布全球首款大功率金属支撑商业化SOFC产品热电联产效率高达9255创大功率SOFC热电联产系统效率全球最高纪录根据根据国家能源局氢能产业发展中长期规划2021-2035年我国将因地制宜布局氢燃料电池分布式热电联供设施推动在社区园区矿区港口等区域内开展氢能源综合利用示范图表34韩国大山燃料电池发电站图表35东方电气氢燃料电池冷热电联产设备资料来源中国能源网中银证券资料来源东方电气公司官网中银证券2023年8月22日氢能行业系列报告之三19氢燃料电池可与氢储能形成耦合但效率较低成本较贵规模化发展仍需时间氢储能指以氢能作为媒介实现可再生能源发电-电解水制氢-氢燃料电池发电的能量转换过程将多余的电能通过电解水转化为氢气中的化学能得以储存其中电解水制氢效率达60-85燃料电池发电效率为40-60虽然单过程转换效率相对较高但电-氢-电过程存在两次能量转换整体效率会下降到40左右氢燃料电池与氢储能耦合可应对新能源消纳不足的问题使可再生能源电力在不同时间和空间尺度上实现转移但是整体效率略低成本方面抽水蓄能和压缩空气储能成本约为7000元kW电化学储能成本约为2000元kW而氢储能系统成本约为13000元kW氢储能工艺流程较长目前各环节的产业化程度还比较低实现规模化发展仍需一定时间根据氢能产业发展中长期规划2021-2035年我国将发挥氢能调节周期长储能容量大的优势开展氢储能在可再生能源消纳电网调峰等应用场景的示范探索培育风光发电氢储能一体化应用新模式图表36电池储能与氢储能效率对比资料来源高盛CarbonomicstheCleanHydrogenRevolution中银证券图表37不同方式储能典型参数对比储能形式容量等级能量转换效率能量自耗散率持续放能时间成本氢储能1TWh25-40接近01-24h以上13000元kW电化学储能100MWh80-9001-06秒级-小时级2000元kW大型抽蓄30GWh75-80低1-24h以上7000元kW压缩空气240MWh60-70低1-24h以上7000元kW资料来源车百智库毕马威中银证券2023年8月22日氢能行业系列报告之三20