氫能是終極的清潔能源。
20世紀(jì)60年代以來，世界上許多國家和地區(qū)已廣泛開展了氫能源研究，但時至今日產(chǎn)業(yè)化尚未走出起步階段。當(dāng)前氫能概念再次火熱，三大氫燃料電池汽車示范城市群落地，多省市發(fā)布?xì)淠墚a(chǎn)業(yè)建設(shè)目標(biāo)，行業(yè)投融資持續(xù)攀升。2015年融資事件僅有5起，2020年增長至31起，2021年繼續(xù)升溫，捷氫科技、未勢能源、愛德曼氫能等頭部企業(yè)紛紛獲得大額融資，預(yù)計全年融資總額達(dá)百億級別。企業(yè)、高校研究機(jī)構(gòu)、政府等主體從不同層面推動產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展，各路資本加快入局。
然而市場上仍存在很多不同的觀點和盲點，本報告將深入闡述我們對氫能產(chǎn)業(yè)的看法。
從投資角度看氫能，需要回答三個關(guān)鍵問題。通過展開三個問題的分析，建立分析氫能產(chǎn)業(yè)的邏輯。
一、氫能需求確定性如何？
只有對氫能存在確定性需求，政府和市場才有動力持續(xù)投入資源，推動氫能成熟產(chǎn)業(yè)化。
1.發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)是能源結(jié)構(gòu)變革的必然趨勢
當(dāng)今世界構(gòu)建在化石能源基礎(chǔ)之上。根據(jù)《bp世界能源統(tǒng)計年鑒2021》統(tǒng)計，2020年全球一次能源消費中石油、煤炭、天然氣合計占比超過83.1%?；茉磳俨豢稍偕Y源，地球上存量有限，而且導(dǎo)致了日益突出的溫室效應(yīng)和污染問題。
為實現(xiàn)人類社會可持續(xù)發(fā)展，必須控制碳排放。全球主要國家相繼制定碳達(dá)峰、碳中和計劃，中國實現(xiàn)碳中和的壓力最大，時間更緊迫。中國自2005年超過美國后，連續(xù)多年成為全球最大碳排放國?！禸p世界能源統(tǒng)計年鑒2021》數(shù)據(jù)顯示，2020年全球碳排放總量達(dá)322.84億噸，中國獨占全球30.66%份額，美國、印度、俄羅斯、日本占比分別為13.81%、7.13%、4.59%、3.18%。
化石能源燃燒是最主要的溫室氣體排放源，用可再生能源替代化石能源成為必選項。根據(jù)清華氣候研究院數(shù)據(jù)，中國碳排放供給端煤炭、石油、天然氣占比分別為76.6%、17%、6.4%，其中80％的煤炭用于發(fā)電和供熱；需求端（不計間接排放）電力、工業(yè)、建筑、交通占比分別為40.5%、37.6%、10.0%、9.9%。
可再生能源（風(fēng)能、水能、太陽能、生物質(zhì)能、地?zé)崮?、海洋能等），需要通過電能這種二次能源媒介連接消費終端。據(jù)國網(wǎng)能源研究院預(yù)測，到2050年電力在我國終端能源消費的比重將增長至47%，超出全球平均水平。電力具有供需實時平衡的特點，而可再生能源存在固有的間隙性、隨機(jī)與波動性特點，發(fā)電并網(wǎng)時給電網(wǎng)穩(wěn)定性帶來巨大壓力，導(dǎo)致了嚴(yán)重的棄風(fēng)、棄光、棄水等現(xiàn)象。中國氫能聯(lián)盟《中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書》統(tǒng)計顯示，可再生能源年棄電量約1000億千瓦時，隨著可再生能源發(fā)電裝機(jī)量增加，棄電問題更加凸顯，阻礙了進(jìn)一步規(guī)?；_發(fā)利用。
可再生能源發(fā)電產(chǎn)生的波動性問題需要依靠儲能來解決。據(jù)《中國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告2020》測算，隨著可再生能源發(fā)電裝機(jī)規(guī)模的擴(kuò)大，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)調(diào)峰儲能方式將遭遇天花板，儲能需求將應(yīng)運(yùn)提高，到2030年可再生能源功率調(diào)節(jié)缺口將達(dá)到1,200GW，到2050年將擴(kuò)大至2,600GW。
氫能是實現(xiàn)可再生能源大規(guī)模、跨季節(jié)存儲及運(yùn)輸?shù)淖罴逊桨?。不同儲能方式在時間尺度與容量方面各有特點，氫能可以在保證經(jīng)濟(jì)性的條件下實現(xiàn)大規(guī)模長周期儲能，存儲規(guī)模從百千瓦到吉瓦，存儲時間從小時到季節(jié)。氫能與電能同屬二次能源，容易與電能耦合，促進(jìn)電力與建筑、交通運(yùn)輸和工業(yè)之間的互連，建立互聯(lián)互通的現(xiàn)代能源網(wǎng)絡(luò)。而且氫能可作為大規(guī)模儲能介質(zhì)實現(xiàn)不連續(xù)生產(chǎn)，可顯著增加電力網(wǎng)絡(luò)的靈活性。
2.國家能源安全需要擺脫對外資源依賴
交通運(yùn)輸對石油的消耗引發(fā)能源安全問題?！?019年國內(nèi)外油氣行業(yè)發(fā)展報告》顯示，2019年，我國石油和原油對外依存度雙雙超過70%，不僅遠(yuǎn)超50%的安全線，而且呈現(xiàn)增長態(tài)勢。其中汽車在內(nèi)的交通部門石油消耗占比超過50%。減少汽車產(chǎn)業(yè)油品消耗事關(guān)國家能源安全。
單純依靠電動化容易造成新的金屬原料依賴。鋰、鈷、鎳是動力電池的關(guān)鍵材料。全球鋰、鈷、鎳資源的分布集中度較高且呈現(xiàn)寡頭壟斷特征，中國鋰資源雖然豐富但稟賦不佳，而鎳、鈷資源匱乏，鋰、鈷、鎳資源大量依賴進(jìn)口，對外依存度較高。美國地質(zhì)調(diào)查局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，中國鋰礦儲量全球占比7%，鈷礦占比1%，鎳礦占比3%。
氫能作為高熱值能源載體可替代燃油，而且氫能及氫燃料電池原材料不受地域性資源分布限制，可改變我國受制于人的局面。氫能能量密度（140 MJ/kg）是石油的3倍、煤炭的4.5倍，反應(yīng)過程可實現(xiàn)零碳排放。根據(jù)中國氫能聯(lián)盟發(fā)布的《中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書》，到2050年，氫能將在中國終端能源體系中占比達(dá)到10%，其中可再生能源制氫超過80%。中國具有廣闊的西部荒漠和良好的光照條件，每年可開發(fā)的“綠氫”資源超過3億噸，完全能夠滿足我國自給自足的氫能需求，甚至能在2050年實現(xiàn)千萬噸級綠氫出口，這將從根本上改變我國能源戰(zhàn)略安全。氫燃料電池原材料均為常規(guī)材料，只有催化劑中用到貴金屬鉑，而且技術(shù)方面正在向超低鉑、無鉑化發(fā)展，亦不存在材料對外依賴。
3.氫能需求規(guī)模
（1）氫能下游需求分布
氫能主要應(yīng)用于以下場景：
①交通運(yùn)輸：作為氫燃料電池燃料，應(yīng)用在汽車、船舶、有軌電車、無人機(jī)等；
②儲能：作為儲能介質(zhì)支持大規(guī)模可再生能源的整合和發(fā)電；
③建筑：通過分布式發(fā)電、熱電聯(lián)產(chǎn)為住宅和商業(yè)提供電和熱；
④工業(yè)：提供高品質(zhì)燃料和原料。
（2）氫能產(chǎn)業(yè)整體規(guī)模
根據(jù)中國氫能聯(lián)盟的預(yù)計，到2030年，中國氫氣需求將達(dá)到3500萬噸，在終端能源體系中占比5%。到2050年氫能將在中國終端能源體系中占比至少達(dá)到10%，氫氣需求接近6000萬噸，產(chǎn)業(yè)鏈年產(chǎn)值約12萬億元。
（3）氫燃料電池汽車行業(yè)規(guī)模
我國氫燃料電池汽車的發(fā)展采取先商用車后乘用車路線。根據(jù)工信部及汽車工程學(xué)會發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》，氫燃料電池汽車保有量實現(xiàn)2025年10萬輛，2035年100萬輛。以客車和城市物流車為切入領(lǐng)域，重點在可再生能源制氫和工業(yè)副產(chǎn)氫豐富的區(qū)域推廣中大型客車、物流車，逐步推廣至載重量大、長距離的中重卡、牽引車、港口拖車及乘用車等，實現(xiàn)氫燃料電池車更大范圍的應(yīng)用。
商用車優(yōu)先得到發(fā)展主要基于減少碳排放以及技術(shù)特性原因。商用車碳排放占比高，是交通運(yùn)輸領(lǐng)域首要減排對象。由于發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)與燃燒方式的不同，商用車（絕大多數(shù)搭載柴油機(jī)）的溫室氣體排放水平明顯高于乘用車，合計占比達(dá)到77.3%。從技術(shù)特性劃分，基于續(xù)航、加氫速度、能量密度優(yōu)勢，氫燃料電池汽車適合固定路線、中長途干線（400公里~800公里左右）、高載重場景。純電動汽車可滿足城市內(nèi)的公交、物流車、環(huán)衛(wèi)等短途行駛、電站豐富場景。
乘用車的發(fā)展可從用戶需求偏好和地理條件劃分。純電動汽車能滿足市內(nèi)及中短途駕駛場景，氫燃料電池汽車是長途駕駛及電站資源匱乏場景下的更好選項。
根據(jù)《中國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告2020》的測算，隨著氫燃料電池汽車滲透率逐步提升（如下表所示），市場最終達(dá)到萬億級規(guī)模。具體來看，2025年市場處于百億規(guī)模，2030年達(dá)到千億規(guī)模，2050年增加至萬億規(guī)模。
4.當(dāng)下氫能需求面臨快速增長的原因
（1）關(guān)鍵技術(shù)取得產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展
燃料電池電堆功率密度、壽命、冷啟動等關(guān)鍵技術(shù)取得突破。2020年全球燃料電池裝機(jī)量達(dá)1319.4MW，2015-2020年復(fù)合增長率達(dá)35%；其中交通運(yùn)輸領(lǐng)域的需求上升尤為顯著，年復(fù)合增長率達(dá)54%，2020年裝機(jī)量994MW，占總裝機(jī)量的75%，初步實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。
（2）成本瓶頸逐步被打破
根據(jù)《氫能源燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書》，車用燃料電池系統(tǒng)發(fā)動機(jī)成本相比于21世紀(jì)初已下降80%-95%,價格在49美元/KW（按年產(chǎn)50萬臺計算），接近內(nèi)燃機(jī)的30美元/KW。
（3）碳中和國策下，“以獎代補(bǔ)”新政引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)進(jìn)入規(guī)模化-降本-技術(shù)提升良性循環(huán)
2020年9月，政府發(fā)布“以獎代補(bǔ)”新政，對入圍示范的城市群按照其目標(biāo)完成情況給予獎勵。區(qū)別于早期購置補(bǔ)貼政策，新政將獎勵資金統(tǒng)籌用于上游技術(shù)突破、驅(qū)動下游應(yīng)用及基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展，真正惠及產(chǎn)業(yè)鏈上下游玩家，盡量避免騙補(bǔ)等弊端。2021年9月國家示范城市群政策落地，地方開始密集推出配套政策。為期4年補(bǔ)貼政策將推動產(chǎn)業(yè)規(guī)?；鸩剑M(jìn)入降本放量的良性循環(huán)。
二、氫能技術(shù)可行性如何？
氫能上下游鏈條長，橫跨能源、交通、工業(yè)等領(lǐng)域，關(guān)鍵環(huán)節(jié)的技術(shù)可行性是貫通產(chǎn)業(yè)鏈的前提。一項技術(shù)是否可行，不僅要看實驗室數(shù)據(jù)，更要看是否能轉(zhuǎn)化為實際應(yīng)用。站在投資的角度，判斷技術(shù)可行性最直接的角度是分析其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展。
在關(guān)鍵環(huán)節(jié)上，氫能相關(guān)技術(shù)均已實現(xiàn)突破，產(chǎn)業(yè)化的基礎(chǔ)奠定，未來進(jìn)入逐步調(diào)優(yōu)的階段。氫燃料電池汽車應(yīng)用是氫能產(chǎn)業(yè)的突破口，目前處在示范導(dǎo)入期，氫燃料電池是其中關(guān)鍵因素；氫能供給的成熟是大規(guī)模市場化的前提，尚處早期但發(fā)展路徑明確。
1.氫燃料電池已跨過從0到1的階段
氫燃料電池效率極高，目前可達(dá)到50%，若實現(xiàn)熱電聯(lián)供理論效率可達(dá)90%。對比之下，內(nèi)燃機(jī)熱效率最高的豐田發(fā)動機(jī)能達(dá)到41%（理想條件下），過去60年頂級內(nèi)燃機(jī)效率僅增加了10%。
質(zhì)子交換膜燃料電池是當(dāng)前技術(shù)成熟度最高的技術(shù)路線，具有啟動快、工作溫度低、功率密度高等優(yōu)勢，尤其適合交通和固定式電源場景。根據(jù)E4Tech統(tǒng)計，質(zhì)子交換膜燃料電池裝機(jī)量全球占比近幾年保持在75%左右水平。本節(jié)主要圍繞質(zhì)子交換膜燃料電池分析。
氫燃料電池及其零部件均已量產(chǎn)應(yīng)用，但部分關(guān)鍵零部件技術(shù)路線尚未成熟，國內(nèi)外產(chǎn)業(yè)化情況存在較大差距。氫燃料電池由電堆和系統(tǒng)輔助部件組成，此外系統(tǒng)控制策略對其壽命和可靠性有著重要影響。氫燃料電池八大關(guān)鍵零部件為催化劑、氣體擴(kuò)散層、質(zhì)子交換膜、膜電極、雙極板、電堆、空氣壓縮機(jī)、氫循環(huán)泵。
（1）電堆
電堆是整個電池系統(tǒng)的核心，包括由膜電極、雙極板構(gòu)成的各電池單元以及集流板、端板、密封圈等。國內(nèi)電堆功率與國外產(chǎn)品大致相當(dāng)，但系統(tǒng)可靠性、綜合壽命方面還需工況驗證。
①膜電極（MEA）
膜電極是電堆的核心，提供發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的場所，直接影響電池輸出性能和反應(yīng)效率。CCM（catalyst coated-membrane，催化劑/質(zhì)子交換膜組件）是第二代膜電極裝配工藝，目前被廣泛使用，具有高鉑利用率和耐久性強(qiáng)的優(yōu)點。
質(zhì)子交換膜、催化劑、氣體擴(kuò)散層是膜電極的關(guān)鍵材料，直接決定了氫燃料電池的功率密度和使用壽命。
A.質(zhì)子交換膜（PEM）
全氟磺酸膜是常用的商業(yè)化PEM，屬于固體聚合物電解質(zhì)，具有質(zhì)子傳導(dǎo)率高、耐強(qiáng)酸強(qiáng)堿等優(yōu)異特性。目前質(zhì)子交換膜市場被國外壟斷，戈爾公司的增強(qiáng)復(fù)合膜占據(jù)了90%以上的份額，8微米產(chǎn)品成熟。國內(nèi)技術(shù)尚處于產(chǎn)業(yè)化初期，產(chǎn)品性能、可靠性尚有差距，處于送樣測試、小規(guī)模驗證階段，但價格低30%-40%。
B.催化劑
催化劑是影響氫燃料電池活化極化的主要因素，是氫燃料電池的關(guān)鍵材料。催化劑選用需要考慮工作條件下的耐高溫和抗腐蝕問題，常用的是擔(dān)載型催化劑Pt/C（Pt納米顆粒分散到碳粉載體上）。Pt是貴金屬，業(yè)內(nèi)一般采取小粒徑的Pt納米化分散制備技術(shù)，而且正在向低Pt載量、無Pt化方向研究。日本田中貴金屬、英國莊信萬豐是催化劑的老牌廠商，根據(jù)GGII統(tǒng)計，占據(jù)了國內(nèi)80%份額。國內(nèi)催化劑廠商處于送樣測試、小批量生產(chǎn)階段。
C.氣體擴(kuò)散層
空氣與氫氣通入到陰、陽極上的催化劑層，需要穿越氣體擴(kuò)散層（GDL），其性能對催化劑的電催化活性、電堆能量轉(zhuǎn)換至關(guān)重要。氣體擴(kuò)散層還是燃料電池的“水管理中心”，通過對水的有效管理，可提高燃料電池的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性。研制親疏水性合理、表面平整、孔隙率均勻且高強(qiáng)度的氣體擴(kuò)散層材料，是氫燃料電池關(guān)鍵技術(shù)之一。
氣體擴(kuò)散層技術(shù)狀態(tài)成熟，但面臨挑戰(zhàn)是大電流密度下水氣通暢傳質(zhì)的技術(shù)問題和大批量生產(chǎn)問題，生產(chǎn)成本依然居高不下。具備穩(wěn)定供應(yīng)能力的企業(yè)主要有日本東麗、德國SGL集團(tuán)、加拿大巴拉德和美國E-TEK。國內(nèi)氣體擴(kuò)散層產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展較慢，處于送樣測試階段。
②雙極板（BPs）
雙極板又稱流場板，起到分隔反應(yīng)氣體、除熱、排出化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物（水）的作用，需滿足電導(dǎo)率高、導(dǎo)熱性和氣體致密性好、機(jī)械和耐腐蝕性能優(yōu)良等要求。根據(jù)基體材料種類的不同，雙極板可分為石墨板、金屬板。此外還有采用復(fù)合材料的復(fù)合板，目前市場應(yīng)用較少。
金屬板相比石墨板各有優(yōu)劣。從應(yīng)用場景來看，石墨板更適合對體積質(zhì)量要求低、工況友好的場景；金屬板則適用場景更加多元化，尤其適合交通運(yùn)輸場景。相對而言，金屬板的工藝提升和降成本空間更大。兩條技術(shù)路線很可能會演繹出三元鋰和磷酸鐵鋰的格局。
石墨板生產(chǎn)已較為成熟，金屬板以豐田為代表最早實現(xiàn)突破，國內(nèi)以愛德曼氫能為代表的廠商近年來實現(xiàn)量產(chǎn)，后來出現(xiàn)的廠商大多采用金屬板技術(shù)路線。
（2）系統(tǒng)輔助部件
電堆運(yùn)行需要氫氣供應(yīng)系統(tǒng)、空氣系統(tǒng)、水管理系統(tǒng)等外部輔助子系統(tǒng)（BOP）的配合，對應(yīng)的關(guān)鍵零部件有氫循環(huán)泵、空氣壓縮機(jī)等。
①氫循環(huán)泵
水的平衡對PEMFC的電堆壽命具有重要意義，解決途徑是在電堆中引入氫氣循環(huán)設(shè)備來實現(xiàn)氣體吹掃、氫氣重復(fù)利用、加濕氫氣等功能。
氫循環(huán)泵制備難度較大，制造成本昂貴，為此發(fā)展出的單引射器、雙隱射器及其他方案則優(yōu)缺點鮮明，實現(xiàn)效果不完美。當(dāng)前市場氫循環(huán)泵是主流，引射器使用量逐漸增長，據(jù)GGII統(tǒng)計，2020年國內(nèi)引射器出貨量占比為11%。2020年之前國內(nèi)氫循環(huán)泵市場被德國普旭占據(jù)90%以上份額，近年來逐步開始國產(chǎn)化替代，但適配大功率電堆的氫循環(huán)泵尚不成熟。
②空氣壓縮機(jī)
空氣壓縮機(jī)可提供與電堆功率密度相匹配的氧化劑（空氣）。空壓機(jī)的寄生功耗很大，約占燃料電池輔助功耗的80%，其性能直接影響燃料電池系統(tǒng)的效率、緊湊性和水平衡特性。離心式車載燃料電池空壓機(jī)因密閉性好、結(jié)構(gòu)緊湊、振動小、能量轉(zhuǎn)換效率高等特點，更具應(yīng)用前景，成為主流技術(shù)路線。其中軸承、電機(jī)是瓶頸技術(shù)，低成本、耐摩擦的涂層材料也是開發(fā)重點。根據(jù)GGII調(diào)研數(shù)據(jù)，國內(nèi)離心式空壓機(jī)份額由2018年的29%增長到2020年的95%，占比增長超3倍?？諌簷C(jī)已經(jīng)較早的實現(xiàn)了全功率段國產(chǎn)化。
2.氫能供給有著明確的發(fā)展路徑
國內(nèi)氫氣大部分來源于工業(yè)，90%以上氫氣亦用作工業(yè)原料。想實現(xiàn)氫能在交通運(yùn)輸、儲能、建筑等新領(lǐng)域的應(yīng)用，必須打破現(xiàn)有的氫氣供需結(jié)構(gòu)，增加供給量，打通輸送至消費終端的渠道。
根據(jù)中國氫能聯(lián)盟發(fā)布的《中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書》，氫能從制氫、儲運(yùn)到加注各環(huán)節(jié)的發(fā)展路徑清晰。
（1）制氫
發(fā)展路徑：短期優(yōu)先選用工業(yè)副產(chǎn)氫，長期采用可再生能源電解水制氫。
制氫技術(shù)路線按原料來源主要分為化石能源重整制氫、工業(yè)副產(chǎn)提純制氫和電解水制氫。生物質(zhì)直接制氫和太陽能光催化分解水制氫等技術(shù)路線仍處于實驗和開發(fā)階段，產(chǎn)收率有待進(jìn)一步提升，尚未達(dá)到工業(yè)規(guī)模制氫要求。
①工業(yè)副產(chǎn)提純制氫
在工業(yè)生產(chǎn)的過程中，利用富含氫氣的終端廢棄物或副產(chǎn)物作為原料回收提純制氫。工業(yè)副產(chǎn)氫大部分有下游應(yīng)用，仍有30%以上被放空排放?！吨袊鴼淠墚a(chǎn)業(yè)發(fā)展報告2020》統(tǒng)計顯示，從工業(yè)副產(chǎn)氫的放空量現(xiàn)狀看，氫氣供應(yīng)潛力可達(dá)450萬噸/年，能支持超97萬輛公交客車的全年運(yùn)營，適合短期內(nèi)作為氫氣的供給來源。
工業(yè)副產(chǎn)氫按不同來源存在地域性分布差異，適合在短距離內(nèi)提供低成本、分布式氫源。長期來看，鋼鐵、化工等工業(yè)領(lǐng)域深度脫碳，將從氫氣供給方轉(zhuǎn)變?yōu)樾枨蠓剑I(yè)副產(chǎn)制氫無法實現(xiàn)長期穩(wěn)定供應(yīng)。
②化石能源重整制氫
通過煤炭、天然氣等能源通過重整生成氫氣，技術(shù)路線十分成熟，單位制氫成本最低，是全球主要的制氫方式。中國由于“富煤、缺油、少氣”的資源稟賦特點，主要使用煤制氫技術(shù)路線，占全國制氫量的60%以上；全球范圍則主要使用天然氣制氫。
煤制氫需要使用大型氣化設(shè)備，設(shè)備投入成本較高，只有規(guī)模化生產(chǎn)才能降低成本，因此適合中央工廠集中制氫，不適合分布式制氫。
短期看化石能源制氫仍是最大的氫氣來源，但其存在碳排放問題，中期利用需結(jié)合碳捕捉技術(shù)，當(dāng)前應(yīng)用少，成本高，導(dǎo)致價格優(yōu)勢逐漸降低?；茉粗茪湓斐刹豢稍偕茉吹南模痪邆溟L期大規(guī)模應(yīng)用基礎(chǔ)。
③電解水制氫
將正負(fù)電極插入水中并通直流電制取氧氣。技術(shù)路線方面，堿性電解槽技術(shù)最為成熟，生產(chǎn)成本較低，基本實現(xiàn)國產(chǎn)化；質(zhì)子交換膜電解槽流程簡單，能效較高，但因使用貴金屬電催化劑等材料，成本偏高，關(guān)鍵材料和技術(shù)依賴進(jìn)口；固體氧化物水電解槽尚處于實驗室研發(fā)階段。
當(dāng)前電解水制氫占制氫量比例極低，不足1%，主要原因是成本不經(jīng)濟(jì)，而且火電為主的電力結(jié)構(gòu)仍會產(chǎn)生污染。電價占總成本達(dá)70％以上，當(dāng)電價低于0.3元／千瓦時，電解水制氫成本接近化石能源制氫?；痣娭茪鋾斐筛叩奶寂欧?，是化石能源制氫的3-4倍。
長期來看，可再生能源發(fā)電制氫的潛力最大。據(jù)中國氫能聯(lián)盟預(yù)測，2050年無污染綠氫的供應(yīng)比例達(dá)到70%。一方面，成本問題隨著可再生能源發(fā)電成本降低得到解決。據(jù)中國氫能促進(jìn)會預(yù)測，考慮到各地資源稟賦和政策因素，2030年前部分可再生資源優(yōu)勢區(qū)域綠氫成本將率先實現(xiàn)與灰氫平價，這是氫能取代柴油的重要轉(zhuǎn)折點。另一方面，當(dāng)波動性可再生能源在電源結(jié)構(gòu)中占到較高比重時，必須依靠氫能實現(xiàn)長周期儲能，以保持電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。
（2）儲運(yùn)
發(fā)展路徑：按照“低壓到高壓”、“氣態(tài)到多相態(tài)”的技術(shù)發(fā)展方向，逐步提升氫氣的儲存和運(yùn)輸能力。
當(dāng)前，我國氫能示范應(yīng)用主要圍繞工業(yè)副產(chǎn)氫和可再生能源制氫地附近（小于200公里）布局，氫能儲運(yùn)以高壓氣態(tài)方式為主。前期（2030年以前），儲存將以70MPa氣態(tài)方式為主，輔以低溫液氫和固態(tài)儲氫，運(yùn)輸將以45MPa長管拖車、低溫液氫、管道輸運(yùn)（示范）等方式，因地制宜發(fā)展。中期（2030年~2050年），儲存將以氣態(tài)、低溫液態(tài)為主，多種儲氫技術(shù)相互協(xié)同，運(yùn)輸將以高壓、液態(tài)氫罐和管道輸運(yùn)相結(jié)合。遠(yuǎn)期（2050年以后），儲存將采用更高儲氫密度、更高安全性的技術(shù)，氫氣管網(wǎng)將廣泛分布用于運(yùn)輸。
①儲存
技術(shù)路線方面，氫氣的儲存主要有氣態(tài)儲氫、液態(tài)儲氫和固態(tài)儲氫三種方式。高壓氣態(tài)儲氫已得到廣泛應(yīng)用，低溫液態(tài)儲氫在航天等領(lǐng)域已得到應(yīng)用，有機(jī)液態(tài)儲氫和固態(tài)儲氫尚處于示范階段。此外，氨作為一種富氫無碳化合物，可作為有效、安全的儲運(yùn)氫能載體，目前日本、阿聯(lián)酋、澳大利亞等國已將“氨”納入其政府能源戰(zhàn)略之中，但氨氫儲運(yùn)仍存在腐蝕性、轉(zhuǎn)換效率等技術(shù)難題有待突破。
氣態(tài)儲氫具有充放氫氣速度快、容器結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。碳纖維纏繞高壓氫瓶的開發(fā)應(yīng)用，實現(xiàn)了高壓氣態(tài)儲氫瓶由固定式應(yīng)用向車載儲氫應(yīng)用的轉(zhuǎn)變。國外IV型瓶已成為主流技術(shù)，國內(nèi)正從III型35MPa向IV型70MPa技術(shù)過渡。
②運(yùn)輸
與儲存相似，氫氣運(yùn)輸分為氣態(tài)運(yùn)輸、液態(tài)輸運(yùn)和固態(tài)輸運(yùn)三種方式。氣態(tài)運(yùn)輸是主流方式，國外液態(tài)運(yùn)輸也成為一種重要方式，固態(tài)運(yùn)輸尚未成熟。
高壓氣態(tài)長管拖車是氫氣近距離輸運(yùn)的主要方式，技術(shù)較為成熟，國內(nèi)常以20MPa長管拖車運(yùn)氫，單車運(yùn)氫約300公斤，國外則采用45MPa纖維纏繞高壓氫瓶長管拖車運(yùn)氫，單車運(yùn)氫可提至700公斤。管道氣態(tài)運(yùn)輸是實現(xiàn)氫氣大規(guī)模、長距離運(yùn)輸?shù)挠行Х绞?，但一次性投資較大，僅有少量應(yīng)用。
液態(tài)運(yùn)輸適用于距離較遠(yuǎn)、運(yùn)輸量較大的場景。日本、美國已將液氫罐車作為加氫站運(yùn)氫的重要方式之一，我國僅在航空航天運(yùn)用液氫技術(shù)。
（3）加注
發(fā)展路徑：政府補(bǔ)貼驅(qū)動提高分布密度，關(guān)鍵技術(shù)國產(chǎn)化降低投資成本。
不同來源的氫氣經(jīng)氫氣壓縮機(jī)增壓后，儲存在高壓儲罐內(nèi)，再通過氫氣加注機(jī)為氫燃料電池汽車加注氫氣。加氫站的技術(shù)路線分為站內(nèi)制氫技術(shù)和外部供氫技術(shù)。國內(nèi)加氫站主要是外部供氫，因氫氣按照?；饭芾?，制氫站只能放在化工園區(qū)內(nèi)。
加氫站分布密度左右了氫燃料電池汽車的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。前期加氫站建設(shè)離不開政府補(bǔ)貼的支持，長遠(yuǎn)來看需依靠加氫站盈利能力提升。加氫站是否能盈利，取決于投資成本、運(yùn)營成本和運(yùn)行負(fù)荷（加氫量）。目前關(guān)鍵設(shè)備（壓縮機(jī)、儲氫罐、加注設(shè)備、冷卻設(shè)備）依賴進(jìn)口導(dǎo)致投資成本過高，但國產(chǎn)化已經(jīng)起步。由于下游尚未大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，運(yùn)行負(fù)荷不足，投資成本、運(yùn)營成本難以攤薄，加氫站較難實現(xiàn)盈利。
全球加氫站數(shù)量持續(xù)增長，中國已躍居首位。H2stations統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，截至2020年底，全球共有560個加氫站投入運(yùn)營，自2014年以來連續(xù)增長。截至2021年11月，我國已經(jīng)累計建成各類加氫站超過190座，在營加氫站超過157座，超過日本位居世界首位。根據(jù)官方規(guī)劃，2025年將建成1000座，2035年建成5000座，最終建成12000座，覆蓋全國范圍的加氫需求。
三、氫能應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性如何？
在技術(shù)可行的前提下，大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化還需跨越應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性門檻。
從消費者角度分析，當(dāng)全生命周期成本（TCO，Total Cost of Ownership，衡量產(chǎn)品生命周期內(nèi)各個階段累計成本）達(dá)到與競品的平衡點時，市場滲透率將迎來轉(zhuǎn)折點。當(dāng)前由于氫燃料電池技術(shù)成熟度不夠、關(guān)鍵零部件及材料依賴進(jìn)口、氫能供給不充足等原因，氫燃料電池汽車TCO高于燃油車，應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢尚未顯現(xiàn)。
氫燃料電池汽車TCO主要包括購置成本、使用成本、維護(hù)成本。通過拆解某35噸級氫燃料電池重卡分析，購置成本、使用成本分別占TCO的28%、71%。
1.購置成本降低的核心在于電堆降本
氫燃料電池是整車的主要成本項，當(dāng)前占比達(dá)62%，而且不像車身系統(tǒng)的成本剛性，其價格水平?jīng)Q定了購置成本的經(jīng)濟(jì)性。穿透來看，電堆中的催化劑、雙極板、質(zhì)子交換膜、氣體擴(kuò)散層合計占整車成本達(dá)49%，而且其生產(chǎn)成本優(yōu)化空間大，決定了未來降本空間。
（1）降本步入快車道
近三年燃料電池系統(tǒng)售價降低了60-70%，預(yù)計到2025年仍有60%的下降空間。根據(jù)《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》，商用車電堆價格在2025年、2035年分別下降至1,200元/kW和400元/kW，氫燃料電池系統(tǒng)價格在2035年降至1,000元/kW以內(nèi)。
（2）降本驅(qū)動因素
①第一階段：2025年之前，產(chǎn)銷量處于低水平，降本依靠技術(shù)進(jìn)步。
A.材料替換
通過持續(xù)研發(fā)實現(xiàn)技術(shù)路線的迭代，在保證性能的前提下，替換部分價格高的原材料。比如催化劑的低Pt、無Pt化，雙極板的材質(zhì)選用不銹鋼、涂層靶材選擇非貴金屬材料。
B.工藝改進(jìn)
通過優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)流程、生產(chǎn)工藝等方面，減少原材料用量或消耗。比如同樣功率的電堆，通過優(yōu)化設(shè)計減少電池節(jié)數(shù)。
C.國產(chǎn)化
氫燃料電池成本高企，一大原因是國產(chǎn)技術(shù)尚未成熟，關(guān)鍵零部件或原材料依賴進(jìn)口，價格高昂。這種現(xiàn)狀正在改善，如氫循環(huán)泵，價格已由2019年純進(jìn)口時期的3萬元/臺，降至2020年國產(chǎn)化起量時期的1-2萬元/臺，降幅明顯，未來仍有下降空間。
氫燃料電池系統(tǒng)的國產(chǎn)化程度已從2017年的30%提高到2020年的60%-70%。電堆、膜電極、雙極板、氫循環(huán)泵、空壓機(jī)等核心部件均已自主生產(chǎn)，質(zhì)子交換膜、催化層、氣體擴(kuò)散層等核心材料也在加速研發(fā)中，處于送樣測試驗證階段，業(yè)內(nèi)預(yù)計未來2-3年全面實現(xiàn)國產(chǎn)化。
②第二階段：2025年之后，產(chǎn)銷量增加至數(shù)萬臺水平，規(guī)模效應(yīng)顯現(xiàn)。
隨著技術(shù)成熟度提升，技術(shù)進(jìn)步帶來的降本效應(yīng)減弱。產(chǎn)銷量增加導(dǎo)致單位生產(chǎn)成本攤薄，規(guī)模效應(yīng)增強(qiáng)。按照美國能源部預(yù)測，假定按照2017年靜態(tài)技術(shù)水平下，隨著產(chǎn)量增加氫燃料電池系統(tǒng)成本下降明顯。從行業(yè)1千臺產(chǎn)量增加至50萬臺產(chǎn)量，系統(tǒng)成本將從216美元/kW降至53美元/kW，降幅達(dá)75%；電堆成本將從154美元/kW降至26美元/kW，降幅達(dá)83%。
2020年全國氫燃料汽車銷量為1,177輛，行業(yè)尚處在千臺規(guī)模。預(yù)計到2025年，在官方規(guī)劃的10萬臺保有量目標(biāo)，以及為期4年“以獎代補(bǔ)”補(bǔ)貼新政驅(qū)動下，國內(nèi)電堆生產(chǎn)規(guī)模將突破萬臺水平，規(guī)模效應(yīng)下電堆及系統(tǒng)的價格將下降50%以上。隨著滲透率提升，購置成本將進(jìn)一步下降。
2.使用成本降低取決于氫耗水平以及終端氫氣銷售價格
隨著氫燃料電池技術(shù)進(jìn)步與整車性能優(yōu)化，車輛的綜合氫耗水平逐步下降。氫氣終端加注價格取決于制取、儲運(yùn)、加注三大供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)的成本。當(dāng)前氫能上游基礎(chǔ)設(shè)施與下游市場相互制約，市場規(guī)模小導(dǎo)致產(chǎn)業(yè)鏈固定成本分?jǐn)偛蛔?，氫氣制儲運(yùn)加各環(huán)節(jié)尚未有效打通，各種技術(shù)路線尚處于發(fā)展階段，導(dǎo)致氫氣終端銷售價格偏高。根據(jù)《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》，預(yù)計到2025年、2030年，我國氫氣終端銷售價格將分別降低至40元/kg、25元/kg，降幅明顯。
3.在全補(bǔ)貼情景下，重卡從2023年開始逐步實現(xiàn)TCO平價
重卡作為最適合氫能應(yīng)用的車型，其TCO平價時間是氫能滲透率提升的重要節(jié)點。國際清潔交通委員會全面分析了中國三個典型城市（北京、上海、深圳），分別代表不同緯度和地理特征。在政府實施一攬子補(bǔ)貼政策的情景下，2023-2026年將逐步實現(xiàn)載貨汽車、自卸汽車、半掛牽引車三種主流重卡車型的TCO平價。
四、總結(jié)
氫能是實現(xiàn)碳中和不可或缺的一環(huán)，未來將催生十萬億級別的市場，各產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)都將從中受益。當(dāng)前氫能產(chǎn)業(yè)已跨過從0到1的技術(shù)階段，正步入降本應(yīng)用的良性循環(huán)。從中央到地方的扶持政策正形成一個完整的體系。本輪氫能發(fā)展熱潮不再是概念的炒作，背后是堅實的邏輯支撐，受益于此，創(chuàng)業(yè)和投融資環(huán)境也在快速變熱。
