1 氢能及燃料电池产业链总体情况

1.1 发展动力：双碳背景下，上下游共同驱动

氢能是一种来源广泛、清洁无碳、灵活高效、应用场景丰富的二次能源，是推动传统化石能源清洁高效利用和支 撑可再生能源大规模发展发展的理想互联媒介，是实现交通运输、工业和建筑等领域大规模深度脱碳的最佳选择， 其产业链较长，能够带动上下游产业共同发展，为经济增长提供强劲动力。 氢能的发展具有重要意义：①推动能源结构转型，保障能源安全；②降低碳以及污染物排放；③带动产业链发展， 促进经济增长。

氢能及燃料电池产业链的上游氢能源行业符合能源转型需求。 根据国际能源署预测，到2070年，全球对氢气的需求预计将从2019年的7000万吨增长7倍达5.2亿吨。随着化石 燃料燃料的减少，叠加氢气低碳化生产因素，全球能源行业和工业加工领域有望在2070年实现碳中和。 我国的能源结构则自2005年起发生较大改变，原油和煤炭消费量占比较高但总体呈下降趋势；清洁能源占比逐 年稳步提升。伴随着能源结构逐步转型，氢能源作为清洁能源将具备良好的发展前景。

1.2 发展历程：上世纪50年代起步，十三五期间步入快车道

中国的氢能与燃料电池研究始于上世纪50年代。20 世纪80年代以来，相继启动了863计划和973计划，加速以研 究为基础的技术商业化项目，氢能和燃料电池均被纳入其中。

“十三五”期间，氢能与燃料电池开始步入快车道。2016 年以来相继发布《能源技术革命创新行动计划 （2016 ～ 2030年）》、《节能与新能源汽车产业发展规划（2012 ～ 2020 年）》、《中国制造2025》等顶层 规划。2019 年两会期间，氢能首次写入政府工作报告。2020年4 月，氢能被写入《中华人民共和国能源法》 （征求意见稿）。2020 年9 月21 日，五部委联合发布《关于开展燃料电池汽车示范应用的通知》采取“以奖代 补”方式，对入围示范的城市群，按照其目标完成情况核定并拨付奖励资金，鼓励并引导氢能及燃料电池技术研 发。目前政府累计支持氢能与燃料电池的研发投入已超20亿元。

1.3 政策规划：国内持续加码，全球政策共振

2021年以来，在国家层面上有关氢能和燃料电池相关的政策持续加码，推进氢能及燃料电池的推广和应用。与 此同时，各地方政府也陆续发布政策支持氢能产业的发展。截至2020年10月，我国有23个省、市、自治区，40 个城市及地区已发布氢能相关的发展战略或规划。

氢能已经成为国际议程的新焦点，已有多个国家制定全面的国家氢能战略。全球各国陆续推出政策支持氢能的产 业发展，其中，欧洲、美国、中国、日本和韩国等经济和科技较为领先的国家已规划了明确的发展目标，发展路 线清晰，政策力度较强。全球各国有关氢能发展战略的政策同频共振，有望推动产业链快速发展和应用成熟。

2 上游：制氢、储氢、运氢、加氢

2.1 制氢：化石能源制氢为目前主流，电解水制氢最具潜力

我国是世界第一产氢大国，2019年全国氢气产量约2000万吨，但主要用作工业原料而非能源。 氢的制取产业主要有三种较为成熟的技术路线：一是以煤炭、天然气为代表的化石能源重整制氢；二是以焦炉煤 气、氯碱尾气、丙烷脱氢为代表的工业副产气制氢，三是电解水制氢。化石能源制氢为我国目前主流的制氢方式， 而基于可再生能源的电解水制氢方案的碳排放最低。

2.2 储氢：高压气储氢为主流，先进储氢技术待突破

高压储氢主要利用气瓶作为储存容器，对于储气瓶，全球呈现出从I型储氢瓶到IV型储氢瓶的技术发展趋势。 目前最为成熟且成本较低的技术是钢制氢瓶和钢制压力容器，如目前工业中广泛采用20MPa钢制氢瓶，并可与 45MPa钢制氢瓶、98MPa钢带缠绕式压力容器进行组合应用于加氢站，但钢制氢气瓶重量大，并不适宜汽车用。 目前车用高压储氢瓶的国际主流技术通过以铝合金/塑料作为内胆，外层则用碳纤维进行包覆（即III型、IV型 瓶），提升氢瓶的结构强度并尽可能减轻整体质量。国外氢燃料电池汽车已经广泛使用70MPa碳纤维缠绕 IV型 瓶；目前我国车载储氢方式大多为35MPa碳纤维缠绕III型瓶，70MPa碳纤维缠绕III型瓶也已少量用于国产汽车中。

2.3 运氢：与储氢方式紧密相关，适宜不同应用场景

运输方式与储氢的技术方案紧密相关。目前国际上主要氢气储运技术包括气态储运（长管拖车、管道）、液氢储 运、氢载体储运和固态储运。在实际应用中，可根据运输距离和运输规模，选择最经济的储运氢技术。 气态储运氢环节涉及的核心技术装备主要有长管拖车用高压管束储氢瓶与管道。 低温液态储运氢涉及的核心技术装备主要有氢液化装置与液氢储罐。 有机液体储运氢涉及的核心技术装备主要有供热脱氢装置。 现阶段，中国普遍采用20MPa气态高压储氢与集束管车运输的方式。随着用氢规模扩大、运输距离增长，提高气 氢运输压力或采用液氢槽车、输氢管道等方案才能满足高效经济的要求。

3 中游：氢燃料电池及系统

3.1 氢燃料电池系统的原理与构成

氢燃料电池是通过氢气和氧气的化学能直接转换成电能的发电装置。其基本原理是电解水的逆反应，把氢和氧分 别供给阳极和阴极，氢通过阳极向外扩散和电解质发生反应后，放出电子通过外部的负载到达阴极。

只有燃料电池本体还不能工作， 燃料电池必须有一套相应的辅助系统构成燃料电池系统，包括反应剂供给系统、 排热系统、排水系统、电性能控制系统及安全装置等。

燃料电池具有发电效率高、环境污染少等优点。 由于燃料电池直接将燃料的化学能转化为电能，中间不经过燃 烧过程，因而不受卡诺循环的限制，因而能量转化效率高。燃料电池系统的燃料-电能的转换效率一般在45%～ 60%，高于汽车发动机的热效率，也高于火力发电和核电的约30%～40%的效率。（报告来源：未来智库）

根据电池所采用电解质分类，燃料电池可分为七类：碱性燃料电池（AFC）、质子交换膜燃料电池（PEMFC）、 阴离子交换燃料电池（AEMFC）、直接甲醇燃料电池（DMFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电 池（MCFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）。其中适用于氢燃料电池汽车的主要是质子交换膜燃料电池。

3.2 氢燃料电池系统的关键部件

膜电极

膜电极（Membrane Electrode Assembly, MEA）是燃料电池发电的关键核心部件。膜电极由质子交换膜 （PEM）、膜两侧的催化层（CL）和气体扩散层（GDL）组成，燃料电池的电化学反应发生在膜电极中。

MEA的结构设计和制备工艺技术是燃料电池研究的关键技术，它决定了燃料电池的工作性能。高性能的膜电极需 要具备以下特征：① 能够最大限度减小气体的传输阻力，即最大限度发挥单位面积和单位质量的催化剂的反应 活性；② 形成良好的离子通道，降低离子传输的阻力；③ 形成良好的电子通道；④ 气体扩散电极应该保证良好 的机械强度及导热性；⑤ 膜具有高的质子传导性，有很好的化学稳定性和热稳定性及抗水解性。

双极板

双极板（Bipolar plate，以下简称BPP）是燃料电池的一种核心零部件，主要作用为支撑MEA、提供氢气、氧气 和冷却液流体通道并分隔氢气和氧气、收集电子、传导热量。目前常见的BPP材料有石墨、复合材料和金属。丰 田Mirai、本田Clarity和现代NEXO等乘用车均采用金属双极板，而商用车一般采用石墨双极板。 石墨是热和电的良导体，耐腐蚀，密度较低。人造石墨机加工制造BPP设计灵活、迭代周期短，但柔韧性差。柔 性石墨基材可以模压成型、柔韧性好，但金属和非金属杂原子杂质含量高，需要提纯。