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引子

能源问题是人类生存的根本问题。从茹毛饮血的原始社会起，学会对火的使用，使人类第一次支配了一种自然力，从而使人类和动物界彻底分开。在漫长的进化中，我们逐渐用煤炭取代木材，用石油代替煤炭......每一次能源革命都引发了社会的巨变。

实际上，如果用前苏联天文学家卡尔达舍夫提出的宇宙文明等级设想“卡尔达舍夫指数”——用一个智慧生物族群对于所在行星的能量利用程度来划分文明等级程度的话，人类现阶段对于能源的利用效率还十分初级。

过去两个世纪以来，随着地球人口的膨胀和发展中国家的工业化，人类对能源的需求却达到了前所未有的水平。我们一半以上的能源来自从地壳深处提取的化石燃料，而它们可能在30年内就会完全耗尽。改变能源的获取来源，毫无疑问是我们目前面临的巨大挑战之一。

零污染、能量高、储量丰富的氢能，被视为下一代能源体系的重要组成部分。从1869年俄国人将氢元素放在周期表的首位开始，人们就从未停止过对氢的钻研。

这一期的华映Tech Club，我们聚焦对于氢燃料电池行业的研究分析，氢能目前所处的时间点，是否真如2010年锂电爆发的前夜？氢能产业链发展的契机与痛点是什么？氢燃料电池究竟又走到了哪一步？这些问题将在文章中一一解答。

1.什么是氢能？

我们大多数人第一次接触氢气都是从童年的氢气球开始，如果不紧紧抓着细细的线，气球便会缓缓但不会停止地向天空飞去。氢气球之所以会向空中飞去而不是落在地上是因为氢气的密度比空气要低得多，曾经也有人利用氢气这个物理特性制作飞艇，但由于氢气易燃易爆炸，出于安全的考虑飞艇也逐渐消失在人们的视野中了，取而代之的是更加方便、安全和经济的飞机。现在飞艇只能在少数旅游项目中看到了。

氢气之所以易燃易爆炸是因为氢的燃烧热值居所有化工燃料榜首，燃烧1kg氢可放出142MJ的热量，约为汽油的三倍，如果氢气中掺杂了氧气就会短时间内产生大量携带热能的水蒸气，这些水蒸气分子热运动强度极大，会在局部形成高压，最终形成爆炸。

尽管人类早期科技史中对氢的应用比较笨拙，但从未停止对氢进行开发和利用。一开始我们想要利用氢的物理特性（如密度低），后来逐渐演变成了对氢的化学特性的开发，即氢能。氢能就是通过氢气和氧气反应所产生的能量，是氢的化学能。氢能之所以逐渐受到我们重视直至现在成为一种主流能源，是由于氢除了燃烧热值高的优点，还有许多其他的优点，比如：

储量高。氢是宇宙中分布最广泛的物质，它构成了宇宙质量的75%，而按原子百分数计算，氢元素占地球总原子数的17%。

环保。氢的主要供能方式是和氧反应产生水释放化学能，其产物除了水无其他中间产物，整个过程无碳排放、0污染。鉴于氢能的这些优点，人们不断地在工程中优化方案，解决氢能利用的安全问题，正在逐渐把氢能变为一种越来越稳定、高效、环保的能源。

「绿氢可帮助国家实现“碳达峰、碳中和”目标」
因为氢能是一种二次能源，它的主要利用方式是氢气的燃烧，氢气是通过一定的方法利用其它能源制取的，而不像煤、石油、天然气可以直接开采，氢能有一条完整的制氢、储氢、运氢、加氢、用氢的产业链。

而根据氢气制备方法的不同，氢气可分为绿氢（可再生能源所发电用于电解水制备，制氢过程完全没有碳排放）、蓝氢（石化燃料制氢，同时使用碳捕集和碳封存）、灰氢（石油、天然气、煤炭等石化燃料制备，有碳排放）。

从上面的分析中我们可以看出，绿氢在制备和使用过程中均无碳排放，是一种100%清洁、环保的能源。因为这个特点，业内人士普遍认为绿氢能够帮助国家实现“碳达峰、碳中和”的目标。

碳达峰即在某个节点内二氧化碳的排放量达到顶峰，并呈现出下降的一个趋势。碳中和即每年的二氧化碳排放量等于或少于回收利用二氧化碳的量。2020年9月，中国在联合国大会上提出“2030碳达峰、2060 碳中和”的目标。

根据IEA数据，2020年国内CO₂排放量约为99亿吨。其中以火力发电占主导的电力行业、燃煤取暖的热力行业、高炉冶炼钢铁的工业与制造行业是碳排放量最大的三个行业。

在上述三个领域内，绿氢均可以有效降低碳排放：

电力领域，绿氢可以解决储能问题，协助可再生能源发电发展（如减少弃电，调峰）

工业领域，绿氢可以在炼钢等行业做还原剂降低碳排放

交通领域，绿氢作为燃料电池汽车、轮船的能源减少交通领域的碳排放。

既然绿氢这么有用，那制备方面是什么现状呢？根据中国氢能联盟数据，我国2020年氢气产量约为3300吨（产能为4100吨），这其中绿氢只占不到1.5%，这里边有巨大的供需缺口，即使只将我国每年再生能源年弃电量利用起来（约1000亿千瓦时），也可以低成本制备折合200万吨绿氢，所以绿氢制储运也是我们判断一个主要的未来投资机会。

2.什么是氢燃料电池？

讲完了氢能是什么，下面我们来分析氢能的利用形式。目前主流的氢能利用形式就是氢燃料电池，这是氢气最高效的利用途径，理论效率可以达到90%，而内燃机的理论效率只有20-46%，涡轮机的平均效率为30-60%。

那么，什么是氢燃料电池呢？就是通过氧化还原反应将燃料（H2）的化学能转换成电能的装置，需要连续不断地向电池中输入燃料和氧化剂来保障电能提供，是一个开放的发电系统。

下图是氢燃料电池的原理示意图，具体反应步骤如下：（1）阳极氢气H2发生氧化反应失电子变成氢离子H+和电子e（H2→2H++2e）→（2）电子通过外置电路（这部分电就是电池向外接电路供电）→（3）电子通过外置电路到达阴极，氢离子H+通过质子交换膜到达阴极→（4）阴极O2得电子发生还原反应形成氧离子O2-（ ½O2 +2e → O2-），再和氢离子形成水（2H+ +O2- → H2O）→（5）H2O排出。

氢燃料电池系统由电堆和辅助系统BOP组成，其中电堆系统是燃料电池系统成本最高的部分，是燃料电池的核心，而膜电极是电堆系统中成本最高的部分。BOP主要负责供氢、进气和冷却。燃料电池系统具体结构可以参见下图。

3.氢燃料电池到底有没有前景？

实际上，氢燃料电池其实并不是一个十分新鲜的技术，早在1842年，英国的威廉格罗夫就发明了第一款氢气和氧气的燃料电池。上世纪60年代，氢燃料电池因为耐久度和面对极端环境较好的特点被应用在航天领域，阿波罗登月飞船上就使用氢燃料电池作为辅助电源，提供动力的同时，氢燃料电池还能为宇航员提供所需的生活饮水与舱内空气加湿。

也是在此时，大连化物所接到了研制航天氢氧燃料电池的科研任务，我国也开启了氢燃料电池的研发。此后的30多年里技术逐步成熟，2010年之后氢燃料电池在汽车等行业进入商业化推广阶段，2014年丰田发布首款氢燃料电池汽车Mirai，2018年德国试运行了由法国阿尔斯通公司制造的世界上第一列氢燃料火车。

尽管已经有了很多的示范性成果，但似乎氢燃料电池的商业化之路并没有想象中繁荣。隔壁锂电池龙头宁德时代早已大几千亿市值，这边氢燃料电池龙头亿华通连续两年亏损，市值只剩70亿。那到底是氢燃料电池上限不高，还是时候未到，氢燃料电池到底有没有前景呢？接下来我们从政府政策、推广成本和市场规模三个方面对这个问题进行分析。

1、政府政策倾斜政府政策往往蕴含着国家对一个行业的整体判断，这个判断不仅仅包含远期笼统的概念，也包含对试点、推广、完全市场化运营每个阶段的具体规划。

①宏观规划层面，在2020年左右，各部委及其下属机构发过一些白皮书类型报告，对氢燃料电池产业做了一些预测和展望。2021年，《国家“十四五”规划和2035年远景目标纲要》、《国务院关于印发 2030 年前碳达峰行动方案的通知》先后对氢能的重要性进行了阐述，2022年3月23日，国家发展改革委、国家能源局联合印发《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》。该《规划》是国家“十四五”和“碳达峰”国策的具体落地，不仅定性描述了氢能和氢能产业的定位和重要性，还定量规划了截至2025年绿氢和氢燃料电池汽车的市场规模。

②微观补贴层面，2020年9月，财政部、工业和信息化部、科技部、国家发展改革委、国家能源局五部门联合发布《关于开展燃料电池汽车示范应用的通知》（财建〔2020〕394号），2021年9月，五部委再次发布《关于启动燃料电池汽车示范应用工作的通知》（财建〔2020〕394号），现行国补2020年9月落地，围绕五大示范城市群（首批：上海/北京 /广东；第二批：河南 /河北），涉及60+地市，补贴期4年（2020-2023），公布了氢燃料电池汽车的具体补贴政策。

综上，国家对整个氢能，尤其是氢燃料电池行业给予了一定的政策倾斜。

2、推广成本尚需下降与锂电池一样，如果要大规模推广，就要从整个行业进行配套设施的建设和优化，更要考量与所替代行业之间的成本比较：

首先是加氢站方面，一个加油站改造成氢+油混用的站点大约500万元，2020年中国加油站11.9万个，中石油、中石化、中海油占50%，只需5000亿就可以改造半数的加油站（3桶油2021年净利约2300亿元）。

其次是燃料成本方面，9t柴油物流车满载百公里油耗15升，每升柴油7块，百公里燃料成本105元，9t燃料电池物流车满载百公里氢气消耗量假设为2.5kg，如果氢成本降为40元以下则氢燃料电池车有经济成本。目前国内制氢成本大概在10-45元/kg，运氢成本大概在2-20元，目前国内氢气终端售价为60元，预计2027年左右氢燃料成本可能会有经济优势。

燃料电池方面，9t氢燃料电池物流车光60kw燃料电池价格就有18万到24万，电池价格就可能超过部分9t柴油物流车整车价格，预计每kw售价2000元以下时动力系统（含电池）才可能有价格优势。

综上，从推广成本角度考量，氢燃料电池要达到经济性和性能的最优解，还有一段路程要走。

3、市场规模可期假设只考虑氢燃料电池在汽车行业的应用，暂不考虑其在船舶、火车、储能发电方面的应用，根据各地方政府网站信息推测，12省市2025年前燃料电池车预计累计推广11.56万辆，燃料电池市场空间173.45亿，平均一年市场规模30亿元左右。

如果通过渗透率对远期的市场规模进行测算，预计2035年氢燃料电池市场规模可达800多亿元。

综上可以看出，氢燃料电池的市场规模上限绝对不低，主要的问题还是行业发展阶段相对早期，市场和技术都没有完全成熟的缘故。对于氢燃料电池行业的未来，我们持乐观态度。

4.氢燃料电池产业链是什么样子？

提到氢燃料电池的市场情况，就需要简单提一下氢燃料电池的产业链，氢燃料电池产业链上游是原材料和基础部件，中游是燃料电池系统，下游是商用车/乘用车/热电联产等的应用领域。产业链上占主导地位的是燃料电池系统厂商，常见的应用场景是燃料电池商用车（包括公交车/物流车/重卡车），模式是与运营公司或者整车厂合作向地方政府要订单，目前行业缺乏市场化的运营模式。这导致了各电池系统厂多少有地域限制，也解释了为什么上文说市场没有完全成熟。

讲完市场，接下来讲讲技术，我们沿着产业链对氢燃料电池系统进行逐项的拆解，从外往里大概涉及到燃料电池系统、电堆、膜电极、质子交换膜、催化剂、气体扩散层几个核心的部件。

1、电池系统&电堆技术相对成熟电池系统行业头部的企业基本自研自产电堆，即使目前没有自产也在准备自产的路上，所以我们把电池系统和电堆一起介绍。
燃料电池系统是产品的最终形态，按照双极板的材质一般又分为石墨电堆和金属电堆，两者各有优劣势。尽管石墨电堆体积较大，但此部分体积差异对商用车以及船舶影响不大，加上目前金属电堆技术专利基本都在日韩，所以尽管行业内比较推崇金属电堆，仍旧金属石墨电堆二分天下。

国内做电池系统/电堆且有一定规模的公司不下25家，技术来源主要来自于大连化物所、清华大学和加拿大的巴拉德公司。目前亿华通是第一家科创板上市公司，截止本文撰写时，市值为70亿元。

由于行业处于早期阶段，具有很强的政策导向感，市场化程度相对较低，下游靠政府订单为主，所以系统和电堆每年的前5都有比较大的变化。

2、膜电极国内外差距不大膜电极是电堆的基本组成单元，膜电极两边加上双极板就组成了单片的电池，很多单片电池拼到一起就组成了电堆，膜电极占整个电堆成本的近50%。膜电极的原理简单解释起来就是：

氢气从阳极双极板进入，在气体扩散层上与催化剂反应，失去电子形成H+，电子从双极板流出。

H+经过质子交换膜到达阴极，和O2-（O2通过阴极双极板在气体扩散层上与催化剂反应生成）在阴极反应生产H2O排出。

膜电极再往下拆分就是基础的质子交换膜、催化剂和气体扩散层，这3个零部件将在下几小节介绍。

膜电极关键性能指标主要包括高功率密度、低铂载量（低成本）和长寿命，国内膜电极关键性能与国外差距并不大，且受补贴政策影响进口膜电极市场份额逐渐走低：

功率密度是单位面积膜电极产生的电功率，随着装机电堆功率递增，要求膜电极不断提升功率密度。

铂载量是单位功率（或单位面积）对铂的使用量，直接关系到膜电极成本。

寿命是由关键原材料（催化剂、质子交换膜和气体扩散层）和工艺过程共同决定。

目前膜电极的制备工艺共有三代，国内基本上在第二代质子交换膜涂覆法（CCM），第二代质子交换膜涂覆法（CCM）又分超声喷涂、热压转印、双面直涂三种。

由于上游材料依赖进口，加之膜电极制备工艺壁垒有限，上下游联合压价使得膜电极企业毛利率普遍小于20%。独立的膜电极企业为了获得下游订单，也会被下游电池系统/电堆厂入股，如雄韬就入股了擎动和武汉理工氢电，这也是行业的一个趋势，即以电池系统厂为核心形成了一个个的封闭系统（系统/电堆厂或自研上游、或收购上游、或与上游公司合研）。按照这个趋势走下去，膜电极公司存在被下游收购或被挤压死的可能性。

3、质子交换膜总体弱于国外质子交换膜是膜电极最中央的材料，主要功能是传导H+，同时阻止电子、气体等通过。质子交换膜主要成分是全氟磺酸树脂。基础材料是PTFE，即机聚四氟乙烯（乙烯CH2=CH2的H换成F变成CF2=CF2，其实就是不粘锅的材料），全氟磺酸树脂其实就是PTFE聚合成膜，并在主链上加上磺酸支链的结构（磺酸根亲水，是主要运力）。原理简单解释就是，阳极这里H++H2O→H3O+（形成水合质子），水合质子和磺酸根结合，从阳极被接力转导到阴极了。

质子交换膜主要技术指标包括厚度、当量质量和质子传导率。其中当量质量主要是磺酸根的含量，越多传导氢离子能力越强（即质子传导率越高）。

目前国外主要公司为戈尔[2]（市场90%份额）、科慕、3M，国内为东岳和江苏科润，国内的技术能力还是要弱于戈尔的水平，但也能上车。

4、催化剂指标仍待加强催化剂就是铂碳的聚合物，碳为载体提供结构支撑，铂与H2或是O2反应生成H+或O2-，整体上的催化剂就像一个个费列罗巧克力组成的薄层。国内企业大部分都是实心碳颗粒，铂在碳的表面，这样首先反应面积受限，其次铂容易被离聚物包裹从而无法与H2或是O2反应（催化剂中毒），田中（日本公司）采用了介孔碳作为载体，这样铂就可以在介孔内部，既可以增加表面积，又可以免于被离聚物包裹失活。

催化剂除了铂碳，还有铂钴合金、铂镍合金催化剂，这些技术主要是为了降低含铂量，最终是追求成本与稳定性的平衡，非铂催化剂性能与稳定性还有待提升，国内目前还没进展到采购合金催化剂的时候。
铂的技术指标主要是载体结构、铂载量（铂载量主要还是取决于膜电极公司水平）和批次产量，国外的田中采用介孔碳技术，单批次产量在10kg以上，是行业的龙头企业。国内公司包括中科科创、济平、锋源等，在单批次产量等方面客观上有提升的空间。
5、气体扩散层任重道远气体扩散层是碳布做的结构，主要是为了提供支撑层，稳定电极结构，并担负质/热/电的传递功能。气体扩散层分为原纸→碳纸→气体扩散层三步，原纸是多孔碳纤维，在此基础上涂树脂热处理碳化变成碳纸（大孔），之后做疏水处理变成微孔层（这样防止催化剂被冲刷掉并降低接触电阻）。气体扩散层技术指标主要是电阻率、透气率和抗拉强度，国外东丽是龙头，国内好多公司都是买东丽的碳纸。

从上述介绍，我们可以发现国内氢燃料电池各部分的技术成熟度情况，整体而言，从电池系统开始逐步向上游材料拆分，技术成熟度是逐步下降的。

5.对氢燃料电池行业未来趋势的一些判断

相信通过上面的氢燃料电池市场和技术的介绍，我们已经可以看出行业的部分特点和趋势。

实际上，这些特点和趋势，在行业龙头亿华通身上有着比较明显的反映。亿华通成立于2012年，是氢燃料电池系统厂商，技术来源于清华大学，2020年科创板上市（688339），是国内氢燃料电池上市第一股。2021年亿华通营收6.27亿元，净利-1.62亿元（连续两年亏损），截止4月30日总市值76亿。
对比起宁德时代，亿华通无论营收还是市值仅是对方的一个零头，净利也不尽理想，由此可以看出行业还处于比较初期的阶段。但亿华通近几年的营收增速较快，2022年一季度营收同比增长856%，未来几年营收有放量的预期，这似乎又印证了整个行业的不断向好。

亿华通作为行业龙头，发展思路十分清晰，即剥洋葱战略，从电池系统→电堆→膜电极→质子交换膜→催化剂→气体扩散层一层层形成国产替代。目前已自产电池系统和电堆（自产的150kw电堆可用于物流车），2022年膜电极即将自产，在质子交换膜、催化剂、气体扩散层或将采用与上市公司合作研发的方式搞定。

这种剥洋葱战略，也客观反映了从燃料电池系统到膜电极再到质子交换膜等原材料的技术情况。我们可以看到，电池系统/电堆和膜电极技术的不断成熟，也可以看到催化剂和气体扩散层的提升空间。从中更能感受到行业技术的全国产化趋势，只要国内厂商稳步前行，不走骗补涸泽而渔的邪路，行业的前景应该十分光明。

投资机会上，综合考虑未来氢能和氢燃料电池的发展趋势，我们目前会比较关注制备绿氢的设备（碱式电解槽、PEM电解槽等）、储运氢气的设备（如70MPa氢瓶或者固体储氢设备等）、质子交换膜（用于PEM电解和膜电极的全氟磺酸树脂）和催化剂（铂碳、铱等）等细分赛道的龙头企业，欢迎行业内的创业者和投资同行与我们多多交流，共同推动新能源产业的发展与进步。