20230822_中银国际证券_氢能行业研究报告：氢车未来可期氢燃料电池蓄势待发_47页.pdf

电力设备|证券研究报告 行业深度 2023 年 8 月 22 日 强 于 大 市 相 关 研 究报 告 氢能行业 动态点 评20230731 氢能行业 动态点 评20230724 氢能行业 系列报 告之一 20230326 中 银 国 际证 券 股份 有 限公 司 具 备 证 券投 资 咨询 业 务资 格 电力设备 证 券 分 析师：武佳 雄 证券投资咨询业务证书编 号：S1300523070001 联 系 人：李 天 帅 一般证券业务证书编号：S1300122080057 联 系 人：顾 真 一般证券业务证书编号：S1300123020009 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 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。2023 年 8 月 22 日 氢 能行业 系列报 告之三 2 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.44 0YCXzQsPpMqRtNnOnQpQoP6M9RaQpNmMnPpMfQrRvMfQpOrQ9PnMrONZoOwOxNmNwO2023 年 8 月 22 日 氢 能行业 系列报 告之三 3 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 1.5目标 情境 下的全 球氢 能预测.6 图表 4.2020-2060 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 14.3 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 18.PEMFC 关 键材 料的 失效模 式及 解决方 案.12 图表 19.丰田 Mirai 2 特 斯拉 model3 对比.12 图表 20.燃料电 池系统组 成部 分.13 图表 21.2022 年 燃料 电池 系统 成本结 构.13 图表 22.2022 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 26.2018-2022 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 28.2020-2050 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.20 2023 年 8 月 22 日 氢 能行业 系列报 告之三 4 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 42.2015-2022 国内 氢燃 料汽车 产销 量（中 汽协）.24 图表 43.2022 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 45.2018-2022 日本 氢燃 料电池 车数 量及增 速.25 图表 46.2022 年 末全 球燃 料电 池汽车 保有 量分布.25 图表 47.2018-2022 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 49.2018-2022 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 52.2020-2030 年全 球燃 料电池 汽车 保有量 预测.29 图表 53.2018-2022 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 55.2022 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 57.2022 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 67.2023-2026 年燃 料电 池商用 车保 有量及 销售 量预测.35 图表 68.2022 年 末不 同类 型氢 燃料电 池汽 车保有 量.36 图表 69.2022 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 73.2022 年 全球 主要 国家 加氢站 分布.38 图表 74.2022 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.39 2023 年 8 月 22 日 氢 能行业 系列报 告之三 5 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.45 2023 年 8 月 22 日 氢 能行业 系列报 告之三 6 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 6.14亿 吨。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 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 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 3.76 万吨增 长到 2030 年的 3320.44 万 吨，CAGR 有望达到 112.49%。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 0.1%的较 低水平 提升至 2050 年 12%。2017-2021 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 435.7MW 提升 至 1,964.80MW，复合 增长率 达 46%。2017-2021 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 目 标 情 境下的 全 球 氢能 预 测 核 心指标 2020 2030 2050 绿氢产量（亿吨/年）0 1.54 6.14 绿氢在总能源消耗中的占比(%)0.1 3.0 12 绿氢在交通业总能源消耗中的占比(%)0.1 0.7 12 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 7 图表 4.2020-2060 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 CO、CO2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 2.30kg CO2、0.627kg 碳、1 升 柴油燃 烧会释 放 2.63kg CO2、0.717kg 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 3.7kg；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 20kg、26.1kg。2023 年 8 月 22 日 氢 能行业 系列报 告之三 8 图表 8.汽 油 柴油 碳 排放 系数 CO2排 放 系数 Kg CO2/升 CO2排 放 系数 Kg CO2/kg 碳 排放系数 Kg C/升 碳 排放系数 Kg C/kg 汽油 2.30 3.15 0.627 0.86 柴油 2.63 3.06 0.717 0.834 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 3.7 混合电制氢+气氢管道 43.7 焦炉煤气副产氢+气氢管道 20 煤制氢+气氢管道 26.1 天然气制氢+气氢管道 13.7 可再生能源发电+输电+现场制氢 2.7 混合发电+输电+现场制氢 42.7 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3.0T V6 发动 机为例，其热效 率约 38.5%。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 84%。2023 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 120MJ/kg，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 28.21 度电，若按照 60%的 能量转 化效 率进行 测算，1kg 氢 气可发 20.15 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 Tesla Model Y 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 9 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（-）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-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-低温 启动、-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-。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 10 氢 内 燃 机运 行 过程 中 会排放 NOx，NOx 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 2H2+O2=2H2O，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：H2+O2+N2 2O+NOX，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 14.3 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 CO2 CO2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，不产生显著的 NOx 排放物 零排放 零排放 动力总资本支出 氢气发动机的资本支出与柴油发动机相当，但需增加制氢罐 燃料电池和动力电池的资本支出高，但比纯电动车辆更具有扩展性 如需要大尺寸电池，则资本支出高（较小/较 轻 细 分 市 场 采 用 中 等 尺寸电池）限制条件（空间/有效载荷）发动机尺寸与当前的内燃机相当，但需要增加 H2储罐 与内燃机相比需要更多的空间放置燃料电池和 H2储罐 比内燃机重，有效载荷限制取决于用例 充能时间 1530 min,取决于燃料箱尺寸 1530 min,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，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 1.0-2.0W/cm2，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 1,998.3MW，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 Y2O3/ZrO2 磷酸 熔融碳酸盐 比功率（W/kg）300-750 35-105 15-20 100-200 30-40 功率密度（W/cm2）1.0-2.0 0.5 0.3 0.1 0.2 催化剂 铂 镍为主 非贵金属 铂 非贵金属 工作温度 50-100 80-230 600-1000 160-220 600-700 发电效率/%50-60 45-60 50-70 35-50 50-60 启动时间 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 典型应用领域 交通、固定式电源、移动式电源 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 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 11 PEM 燃 料 电 池对 氢 气纯 度要 求 较 高：依照国 标GB/T 37244 2018 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（）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、CO、CO2、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 10 10-6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 2 10-6以下。目 前 PEMFC 广泛 采用抗 CO 的 PtRu/C（铂 钌合 金）作 为电催 化剂，但是 以纯氢 作为原 料气时 以 Pt/C 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 99.999%，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%-54%CO2、CO、CH4 天然气制氢 75%-80%CO2、CO、CH4 甲醇制氢 73%-75%CO、CO2 电解水制氢 99.5%-99.999%O2、H2O 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 1.5-1.8 万小时，但海外 部分燃 料电池 寿命已 可达到 2.5 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 1.5 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 5000h 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；载体电化学氧化 水淹-阳极欠气；载体电化学氧化 动态工况；膜物理化学降解 动态负载，Pt 的电化