睿择投研 |氢燃料电池处于爆发前期，迎来万亿级产业风口
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本期目录
1、前言
2、什么是氢燃料电池
3、双碳战略带来燃料电池行业的发展机会
4、国家与地方政策提速加码
5、氢燃料电池产业链梳理
6、氢燃料电池的关键技术现状
7、氢燃料电池行业蓄势待发
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前言
近年来，以可再生能源为核心的能源革命加速演进，开发利用可再生能源已成为世界各国保障能源安全、应对气候变化、促进可持续发展的共同选择。2022年3月，国家发改委发布《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》，明确了氢能是未来国家能源体系的重要组成部分，燃料电池汽车是氢能在交通领域的主要应用场景。氢能作为实现碳中和目标最具潜力的清洁能源之一，将迎来重大的机遇和空间，其中氢燃料电池行业位于氢能产业链的中游，是氢能利用的主流应用行业之一，也是氢能产业的主要发展方向。因此本期睿择将首先向大家介绍氢能产业链中氢燃料电池行业的相关发展情况，并将视角主要聚焦在市场、技术及未来发展三个方向。
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什么是氢燃料电池
定义及分类
氢燃料电池是通过氢气和氧气的化学反应直接转换成电能的发电装置，能够实现氢能的移动化、轻量化和普及化，可广泛应用于交通、工业、建筑、军事等领域。但是只有燃料电池本体还不能工作，必须有一套相应的辅助系统构成燃料电池系统，从而推动氢燃料电池高效运行。其中氢燃料电池系统为各核心零部件的集成，主要由电堆和系统配件组成。
（资料来源：睿择根据公开资料整理）
根据电池所采用的不同电解质进行分类，可将燃料电池分为五类，分别为碱性燃料电池（AFC）、质子交换膜燃料电池（PEMFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）以及固体氧化物燃料电池（SOFC）。其中质子交换膜燃料电池除了具有一般燃料电池的优点外，还具备自身特有的优点：①效率高，其能量转化效率高达60%~80%，实际使用效率是普通内燃机的2~3倍；②无污染，反应产物主要是水；③噪声低，因无大型旋转部件，因此工作噪声极小；④寿命长，燃料具有多样性，甲醇、乙醇、甲烷、天然气、含氢废气、纯氢、轻油和柴油等均可；⑤可室温下工作，工作温度在60~80℃范围区间；⑥启动迅速；⑦功率大等。所以PEMFC在固定电站、交通运输、军用特种电源、可移动电源等方面都有广阔的应用前景，尤其是交通运输领域。
（资料来源：衣宝廉等《氢燃料电池》）
与锂电池的对比
图3 氢燃料电池与锂电池对比
（资料来源：睿择根据公开资料整理）
由于两种电池的构造和工作原理不同，使得它们在性能、安全、续航、补能等方面都各有优劣。受电池材料体系的限制，三元锂电池理论能量密度300-350Wh／kg，相对比而言氢燃料电池作为一种发电装置，能量密度远高于锂离子电池，目前能达到600Wh／kg，理论上限是1到2万Wh／kg，提升空间巨大。从能量密度和续航里程来看，锂电池纯更适合短途的乘用车，相应的产业链配套也已发展的较为成熟。对比而言，氢燃料电池高能量密度（高续航）、低温性能好、加氢速度快，在长途、低温等应用场景中具有优势。我国《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）规划》中提出，“要重点推进氢燃料电池中重型车辆应用，有序拓展氢燃料电池等新能源客、货汽车市场应用空间。”值得注意的是，《规划》中提到要逐步建立燃料电池电动汽车与锂电池纯电动汽车的互补发展模式，氢能与锂电并非替代关系，而是互补的关系。
我国氢燃料电池发展历程
当前来看，我国氢燃料电池行业其实还处于商业化早期，距离完全实现市场化还面临一定的挑战，例如：配套的氢能基础设施不完善，关键技术不成熟，燃料电池总体成本较高等。
我国氢燃料电池的研发于上世纪50年代开始，由中科院大连化学物理研究所开始研究相关技术；20世纪80年代以来，我国相继启动了“863计划”和“973计划”，以研究所和大学合作为主体，加速以氢燃料电池研究为基础的技术商业化项目；十二五规划期间，氢燃料电池开始示范运营于氢燃料电池电动汽车中；十三五规划期间，国家更加重视氢燃料电池的发展，频繁发布相关研讨会，推动技术的提升。十四五规划中，我国提出要实现燃料电池核心关键技术的国产化，实现其规模化应用。
（资料来源：国家政府网）
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双碳战略带来燃料电池行业的发展机会
在碳达峰、碳中和的背景下，毋庸置疑的是，氢燃料电池具有零排放、加氢时间更短等优势。近几年来，中国氢能和燃料电池汽车在国家示范政策的拉动扶持下，燃料电池产业迅速发展，2021年我国氢燃料电池系统市场规模为19.70亿元，同比增长12.6%；2022年上半年，我国氢燃料电池汽车销量为1,379辆，同比增长194%；截至2021年底我国燃料电池汽车保有量达到8,939辆，位居全球第三；截至2022年6月，我国加氢站数量超过270座，位居全球第一。未来随着下游燃料电池汽车应用的持续提升，我国燃料电池行业需求将不断增加，同时燃料电池的关键技术的进步与突破也会带来平均装机功率的提高和应用成本的下降，从而推动我国燃料电池系统的持续增长，亿渡数据预计到2026年我国氢燃料电池系统市场规模达60亿元。
（资料来源：亿渡数据）
氢燃料电池是通过氢气和氧气的化学反应直接转换成电能的发电装置，目前国内在燃料电池汽车领域从车端到燃料电池端上下游已经具备了良好的发展基础，但其中上游制氢端特别是绿氢的制氢端和车端的高效能、低成本的燃料电池，是产业链中挑战最大的两个端。从氢能生产供应来看，2016-2021年国内氢气产量稳定增长，2021年氢气产量达到3,300.00万吨，基本满足国内市场需求；预计2060年国内氢气需求及产量将增加至13,300.00万吨以上，成为未来中国能源消费市场中的主流能源之一。其中，交通领域是氢气需求的主要增量来源，也是实现氢气向其他领域大规模拓展的突破口，中国氢能联盟预计2050年我国氢能在交通运输领域的应用为2,458.00万吨，占比41.00%。
总体而言，在双碳的大背景下，上游氢能源行业符合能源转型需求，下游氢燃料电池汽车是现阶段实现氢能在交通领域推广和应用的切入点和关键点，产业链上下游均为有良好前景的蓝海市场，从而有望共同驱动燃料电池行业向好发展。
（资料来源：头豹研究院）
（资料来源：头豹研究院）
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国家与地方政策提速加码
国家与地方的补贴与奖励政策是我国氢能与氢燃料电池汽车产业发展的重要支撑，虽然氢能与燃料电池产业链较长，但在政策推动下我国现已基本建成氢能与氢燃料电池产业链。
近几年来，我国国家层面发布的氢能与燃料电池相关政策持续加码，2019年氢能首次被写入《政府工作报告》，随后发改委、商务部、国家能源局等部委出台各项氢能支持政策，提高氢能与燃料电池产业的对外开放程度；到了2022年，氢能产业已经上升至国家能源战略的高度并且相关国家部门也在“十四五”期间为氢能产业的发展明确方向。
（资料来源：公开政策文件）
我国高度重视燃料电池汽车产业发展，近年来出台了一系列支持政策，已经初步形成涵盖宏观综合政策、财税优惠政策、地方专项政策的政策体系，下文将从财税优惠政策及地方专项政策两个方向进一步阐述。分析了资金补贴以及不同城市政策支持的情况，有助于在当前行业政策密集落地的情况下对行业未来发展节奏做出判断。
（资料来源：公开政策文件）
政策补贴
在2030年实现“碳达峰”和2060年实现“碳中和”的目标指导下，我国十分重视推动氢能产业发展，于2019年首次将氢能列入《政府工作报告中》，并于2020年将氢能列入能源范畴。近期的政策中影响较为重大的主要是2020年出台的以奖代补政策、2021年出台的示范城市群政策以及2022年出台的氢能行业中长期发展规划，明确了氢能发展的方向以及政策上和资金上的支持。
（资料来源：公开政策文件、中泰证券研究所）
新补贴政策下地方政府对燃料电池产业推进的自主权加强。2020年9月，财政部、工业和信息化部、科技部、发展改革委、国家能源局五部委联合发布《关于开展燃料电池汽车示范应用的通知》。此次通知的示范期暂定为四年，针对产业发展现状，将燃料电池汽车的购置补贴政策调整为燃料电池汽车示范应用支持政策，奖励资金由中央下发至地方，地方政府对产业刺激政策的自主权加强，用于燃料电池汽车关键核心技术产业化，人才引进及团队建设，以及新车型、新技术的示范应用等，不得用于支持燃料电池汽车整车生产投资项目和加氢基础设施建设。示范期内燃料电池汽车推广应用补贴上限为15,000分，氢能供应补贴上限为2,000分，原则上1积分奖励约10.00万，即此次推广涉及的总补贴金额上限在17.00亿元。
示范城市群政策
2021年8月，财政部、工信部、科技部、发改委、能源局联合发布《关于开展燃料电池汽车示范应用的通知》（下称《通知》），燃料电池示范城市群政策正式落地，首批京津冀城市群、上海城市群、广东城市群获批。2022年初，第二批示范城市群—河南城市群、河北城市群获批。《通知》中明确了示范城市群考核内容和积分核定规则等，在每个示范年度、第二个示范年度和第四个示范年度结束后分别开展年度考核、阶段性总结和总体评估，积分由五部门组织第三方机构和专家委员会进行核算，需要对示范车辆类型和技术指标等进行审核。依靠示范城市群的推广作用，燃料电池汽车的市场规模及需求将显著增长。
（资料来源：各地政府官网）
总体来看，各省市区多有配套示范城市群以奖代补政策的相应奖励，涵盖了整车、零部件、加氢站建设以及整车和加氢站的运营。整车奖励多为配套比例的奖励，力度最大的是上海市和郑州市；零部件环节多为配套比例的奖励，北京市和张家口市奖励力度最大；加氢站建设多为与加氢能力和建设成本相关的定额奖励，运营多为限定售价后的定额奖励，上海市在加氢环节资金支持力度最大；整车运营环节多为满足运营历程要求后的定额奖励，佛山市单车单年奖励最多。
此外，未进入示范城市群内的多个城市也纷纷出台氢能相关规划，到2025年，合计整车推广规模达到4.20万辆，建设加氢站超过431座，规模同样非常大，是氢燃料电池行业规模化发展的重要力量。
中长期规划
2022年3月23日，国家发改委、能源局联合发布《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》，对我国氢能产业做出规划和方向性指导。在以下几个方面具有重要的意义：
第一，首次明确氢能在国家能源体系中的重要地位。规划中明确指出，氢能是未来国家能源体系的重要组成部分，是用能终端实现绿色低碳转型的重要载体，是战略性新兴产业和未来产业重点发展方向，要充分发挥氢能作为可再生能源规模化高效利用的重要载体作用及其大规模、长周期储能优势。我国要实现双碳目标，必须推动可再生能源规模化发展，而可再生能源的主要载体就是电和氢，在动力、储能方面两者具有互补性，作为无碳工业原料，氢具有不可替代性。
第二，提出了量化目标。规划提出到2025年行业发展的量化目标，如燃料电池车辆保有量约5万辆，可再生能源制氢量达到10-20万吨/年，实现二氧化碳减排100-200万吨/年等，而各地已出台的规划远超这个规模。
第三，强调核心技术研发。规划中明确指出要加快推进质子交换膜燃料电池技术创新，开发关键材料，提高主要性能指标和批量化生产能力，着力推进核心零部件以及关键装备研发制造。加快提高可再生能源制氢转化效率和单台装臵制氢规模，突破氢能基础设施环节关键核心技术。持续推进绿色低碳氢能制取、储存、运输和应用等各环节关键核心技术研发。示范城市中也对核心零部件和材料的研发提出了明确的支持，各环节中具备核心技术研发能力和国产化能力的企业将获得政策支持，充分受益行业高增长。
第四，强调与锂电池纯电动汽车的互补发展。规划为行业明确了在交通领域的定位，氢燃料电池车的发展与锂电池纯电动汽车不是竞争关系，而是各自适应不同的领域，燃料电池车将在中重型的客车、货车中发挥优势，与锂电形成互补。
第五，政策支持力度大。规划中明确提出要发挥好中央预算内投资引导作用，支持氢能相关产业发展，鼓励产业投资基金、创业投资基金等按照市场化原则支持氢能创新型企业，促进科技成果转移转化，支持符合条件的氢能企业在科创板、创业板等注册上市融资。
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氢燃料电池产业链梳理
燃料电池产业链长、参与方众多，其发展需要产业链上下游参与者协同，共同突破。行业上游燃料电池发动机主要包括电堆及其核心部件、辅助系统等，上游参与者主要为核心材料及关键部件生产商，电堆作为燃料电池系统的核心组成部分，对燃料电池发动机的关键性能和成本具有较大影响；行业中游主要是氢燃料电池系统，参与者市场集中度较高；行业下游燃料电池最主要的应用场景是燃料电池汽车，下游参与者主要为整车厂。
（资料来源：睿择根据公开资料整理）
上游
氢燃料电池电堆是燃料电池中氢燃料发生化学反应的场所，是燃料电池的核心。燃料电池电堆包括催化剂、质子交换膜、气体扩散层、双极板，以及其他结构件如集流板、密封件、端板等各种部件。据弗洛斯沙利文数据统计，2021年电堆成本约占燃料电池系统成本65.00%。
（资料来源：沙利文研究院）
从出货量情况来看，据华经情报网数据统计，2021年我国燃料电池电堆出货量为757.00MW，同比增长128.00%，行业增速快，新增市场规模约为6.20亿元，预计2021-2025年燃料电池电堆新增市场需求的CAGR为87%，到2025年和2030年，燃料电池电堆新增市场分别为75.00、238.00亿元。
（资料来源：华经情报网）
（资料来源：华经情报网）
中游
我国氢燃料电池系统总体呈增长态势，2017-2019年，我国燃料电池系统装机量从17.90MW增长至128.10MW。2020年由于疫情因素导致下游燃料电池汽车推广政策延迟落地而下降至79.20MW，2021年燃料电池汽车推广政策出台并落实，燃料电池系统回归高速发展轨道。2022年上半年，装机量保持增长态势达到101.55MW，同比增长89.81%。
（资料来源：亿渡数据）
下游
我国氢燃料电池下游应用主要包括交通运输应用市场、便携设备市场、固定式系统应用市场三个市场。
交通动力应用是目前关注度最高的燃料电池应用领域。交通运输市场包括为乘用车、巴士、客车、叉车及其他以燃料电池作为动力的车辆提供的燃料电池，例如特种车辆、物料搬运设备和越野车辆的辅助供电装置等。
便携式电源包括笔记本电脑、手机、收音机及其他需要电源的移动设备。燃料电池的能量密度通常是可充电电池的5-10倍，已有直接甲醇燃料电池（DMFC）和质子交换膜燃料电池（PEMFC）被应用于军用单兵电源和移动充电装置上。成本、稳定性和寿命将会是未来燃料电池应用于便巧式移动电源所需要解决的主要技术问题。
固定电源应用是目前最大的市场。固定电源市场包括所有的在固定位置运行的作为主电源、备用电源或者热电联产的燃料电池，比如分布式发电及余热供热等。固定燃料电池主要运用于商业、工业及住宅主要和备份能发电。
图17 下游应用场景图片
（资料来源：睿择根据公开资料整理）
交通领域为主要突破口
交通运输领域将成为氢能和燃料电池下游应用市场发展的突破口，并逐渐向储能、工业、建筑领域拓展。根据《中国氢能产业发展报告2020》，预计到2025年燃料电池汽车保有量为10万辆，到2050年，汽车保有数量预计增长300倍。
（资料来源：中国氢能联盟）
我国氢燃料电池汽车产销量增长迅速
我国燃料电池汽车行业正处在商业化初期阶段，2019年我国氢燃料电池汽车产销量增长最为迅速，分别增长75.00%、79.20%，2020年受疫情影响产销量有所下滑，2021年产销量已分别上涨至1,777辆、1,586辆。
（资料来源：中国汽车工业协会）
重型商用车应用趋势明显
2021年燃料电池车中的客车、专用车、乘用车占比分别为55.00%、44.00%、1.00%，客车占比同比-37.21%，专用车占比大幅扩加，同增长254.71%，乘用车出现数十台批量级的示范应用。受益于补贴政策在重卡车型上的大幅倾斜以及燃料电池性能差异化优势，2021年燃料电池重卡（交强险统计口径）销量777辆，在专用车中占比提升至94.00%，燃料电池在中重型专用车上应用趋势明显。
（资料来源：中国汽车工业协会）
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氢燃料电池的关键技术现状
通过政策与行业的双重加持，我国燃料电池的研究开发取得了长足的进展，特别在质子交换膜燃料电池方面，达到或接近了世界水平；在熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池技术等方面也取得了一些进展。
（资料来源：中国氢能联盟）
但是我国多地布局氢燃料电池产业主要以整车组装（目前主要以商用车为主）、示范运营为主，产业中非常重要的储氢及燃料电池等核心技术，我国企业布局较少，国内与国外在氢燃料电池产业方面总体来说具有一定差距。
（资料来源：睿择根据公开资料整理）
从参与主体来看，我国多家央企依托其自身的技术及资源优势，积极布局氢能产业，已形成一定的技术积累及产业规模，为我国氢能产业注入“强心剂”。例如：国家电投已形成五个产业基地、六个研发实验室、数十个试验间；中石化“十四五”期间将加快发展以氢能为核心的新能源业务，拟规划布局1000座加氢站或油氢合建站；东方电气于2010年正式立项启动燃料电池技术，目前开发出适用于客车、城际车、物流车、环卫车及热电联供等多个应用场景的燃料电池产品；宝武集团已成功运营10辆氢燃料电池半挂牵引车，正大力推进50辆燃料电池重卡投运业务。
随着我国对氢能与燃料动力行业自主创新的要求越来越高，只有掌握了核心自主技术的公司才能在日趋国际化的市场竞争中保有一席之地。此外，充分利用已有技术基础，推动燃料电池与船舶、航空、发电等领域的进一步融合，不仅能够实现多领域脱碳，同时燃料电池在下游行业的加速渗透必将反哺技术和成本，加速氢能产业规模化发展。
除了持续深耕技术研发领域之外，燃料动力公司要不断跟踪并掌握国家政策的变化，及时调整公司发展战略与目标，同时应该保持敏锐的市场洞察力和核心竞争力，避免“闭门造车”。
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氢燃料电池行业蓄势待发
在实现碳中和的目标背景下，发展氢能成为我国实现能源战略转型的重要道路。由于燃料电池技术在车用端应用较为成熟，汽车产业的规模效应能够有效实现燃料电池的快速降本，因此，车辆成为燃料电池产业开局的重要突破口，在下游应用中走在最前端。未来随着燃料电池相关技术不断突破，市场保有量空间进一步扩大，我国氢燃料电池市场潜能巨大。
规模化发展成本降低
目前，氢燃料电池产业尚处于发展早期，商业化应用规模还不是很大，影响燃料电池商业化的重要原因之一是燃料电池整体的成本较高。但随着燃料电池需求量逐步扩大以及相应的技术进步而导致的成本下降将使得氢燃料电池更具竞争力。另外，我国不断出台政策对氢能产业进行大力扶持也将进一步提升氢燃料电池产业的发展动力。此外，燃料电池产业规模扩大带来的氢燃料电池系统的多个部件成本下降都将带来氢燃料电池整体成本下降。
2021年，燃料电池电堆成本约占燃料电池系统总成本的65.00%，其中，催化剂成本占电堆总成本的36.00%，双极板占电堆总成本的23.00%，质子交换膜占电堆总成本的16.00%，因此，这几个关键部件的成本下降将扩大燃料电池的竞争力。据美国能源部预估，由于目前主流燃料电池所用的催化剂几乎都需要使用金属铂，而铂属于典型的贵金属，因此，燃料电池用催化剂的成本降幅将受到一定限制。突破这种限制的主要方法是降低燃料电池催化剂中铂的用量，或开发新型的无铂催化剂。
（资料来源：沙利文数据）
我国催化剂的铂负载量有望进一步下降。根据中国氢能联盟发布数据指出，我国目前燃料电池车催化剂负载量为0.40g/kW，国际燃料电池车催化剂负载量为0.20g/kW，而随着技术进步，电极催化剂铂用量还将持续下降，目前铂载量最低的燃料电池车为本田Clarity，仅为0.125g/kW，单车铂耗量可低至10.00g左右，基本可达到产业化水平；至2030年，我国燃料电池车铂负载量也有望0.125g/kW。
除了燃料电池零部件成本随技术进步或生产规模增大而降低，以及金属铂负载量进一步下降带来较大的产业驱动之外，氢燃料电池整体的成本也显示出很强的规模效应。由于目前燃料电池生产规模较小，其制造目前主要处于手工生产阶段，因此燃料电池系统整体成本高达10,000.00元/kW。如果规模扩大，除了核心零部件的成本降低外，更大的产能将使公司更好地利用其设备。据中国氢能产业发展报告，如果燃料电池汽车，即燃料电池系统的主要使用终端，达到年产量20万辆的规模，氢燃料电池的整体成本将降低45.00%左右，如果年产量达到60万辆，燃料电池系统成本将下降70.00%。
（资料来源：中国氢能产业发展报告2020）
未来市场保有量空间大
“碳中和”发展背景之下，国家层面将持续提出扶植燃料电池产业发展，从早期补贴到当期的以奖代补，燃料电池有望逐步进入产业化加速阶段。2020年9月16日，财政部等五部委联合发布《关于开展燃料电池汽车示范应用的通知》，示范期暂定为四年，示范期间，五部门将采取“以奖代补”方式，对入围示范的城市群按照其目标完成情况给予奖励。根据2020年10月27日发布的《节能与新能源汽车技术路线图2.0》，燃料电池汽车方面将发展氢燃料电池商用车作为整个氢能燃料电池产业的突破口，以客车和城市物流车为切入领域，重点在可再生能源制氢和工业副产氢丰富的区域推广中大型客车、物流车等。
（资料来源：中国汽车工程学会）
此外根据《中国氢能源及燃料电池产业白皮书（2019）》预测，到2050年氢能在中国能源体系中的占比约为10%，氢气需求量接近6,000万吨，年经济产值12万亿元，全国加氢站达到10,000座以上，交通运输、工业等领域将实现氢能普及使用，燃料电池车产量达到500万辆/年，固定式发电装置2万台套/年，燃料电池系统产能550万台套/年。未来2030-2035年将实现氢能及燃料电池汽车的大规模的应用，燃料电池汽车保有量可达到100万辆左右。
氢能是自循环的清洁能源终极解决方案，燃料电池产物是水，水能制氢，真正实现零碳排放。随着技术升级，氢能应用成本将不断下降，氢燃料电池市场持续扩容，最终实现氢能产业的蓬勃发展。
