1 氫能及燃料電池產業鏈總體情況

1.1 發展動力：雙碳背景下，上下游共同驅動

氫能是一種來源廣泛、清潔無碳、靈活高效、應用場景豐富的二次能源，是推動傳統化石能源清潔高效利用和支 撐可再生能源大規模發展發展的理想互聯媒介，是實現交通運輸、工業和建筑等領域大規模深度脫碳的最佳選擇， 其產業鏈較長，能夠帶動上下游產業共同發展，為經濟增長提供強勁動力。 氫能的發展具有重要意義：①推動能源結構轉型，保障能源安全；②降低碳以及污染物排放；③帶動產業鏈發展， 促進經濟增長。

氫能及燃料電池產業鏈的上游氫能源行業符合能源轉型需求。 根據國際能源署預測，到2070年，全球對氫氣的需求預計將從2019年的7000萬噸增長7倍達5.2億噸。隨著化石 燃料燃料的減少，疊加氫氣低碳化生產因素，全球能源行業和工業加工領域有望在2070年實現碳中和。 我國的能源結構則自2005年起發生較大改變，原油和煤炭消費量占比較高但總體呈下降趨勢；清潔能源占比逐 年穩步提升。伴隨著能源結構逐步轉型，氫能源作為清潔能源將具備良好的發展前景。

1.2 發展歷程：上世紀50年代起步，十三五期間步入快車道

中國的氫能與燃料電池研究始于上世紀50年代。20 世紀80年代以來，相繼啟動了863計劃和973計劃，加速以研 究為基礎的技術商業化項目，氫能和燃料電池均被納入其中。

“十三五”期間，氫能與燃料電池開始步入快車道。2016 年以來相繼發布《能源技術革命創新行動計劃 （2016 ～ 2030年）》、《節能與新能源汽車產業發展規劃（2012 ～ 2020 年）》、《中國制造2025》等頂層 規劃。2019 年兩會期間，氫能首次寫入政府工作報告。2020年4 月，氫能被寫入《中華人民共和國能源法》 （征求意見稿）。2020 年9 月21 日，五部委聯合發布《關于開展燃料電池汽車示范應用的通知》采取“以獎代 補”方式，對入圍示范的城市群，按照其目標完成情況核定并撥付獎勵資金，鼓勵并引導氫能及燃料電池技術研 發。目前政府累計支持氫能與燃料電池的研發投入已超20億元。

1.3 政策規劃：國內持續加碼，全球政策共振

2021年以來，在國家層面上有關氫能和燃料電池相關的政策持續加碼，推進氫能及燃料電池的推廣和應用。與 此同時，各地方政府也陸續發布政策支持氫能產業的發展。截至2020年10月，我國有23個省、市、自治區，40 個城市及地區已發布氫能相關的發展戰略或規劃。

氫能已經成為國際議程的新焦點，已有多個國家制定全面的國家氫能戰略。全球各國陸續推出政策支持氫能的產 業發展，其中，歐洲、美國、中國、日本和韓國等經濟和科技較為領先的國家已規劃了明確的發展目標，發展路 線清晰，政策力度較強。全球各國有關氫能發展戰略的政策同頻共振，有望推動產業鏈快速發展和應用成熟。

2 上游：制氫、儲氫、運氫、加氫

2.1 制氫：化石能源制氫為目前主流，電解水制氫最具潛力

我國是世界第一產氫大國，2019年全國氫氣產量約2000萬噸，但主要用作工業原料而非能源。 氫的制取產業主要有三種較為成熟的技術路線：一是以煤炭、天然氣為代表的化石能源重整制氫；二是以焦爐煤 氣、氯堿尾氣、丙烷脫氫為代表的工業副產氣制氫，三是電解水制氫。化石能源制氫為我國目前主流的制氫方式， 而基于可再生能源的電解水制氫方案的碳排放最低。

2.2 儲氫：高壓氣儲氫為主流，先進儲氫技術待突破

高壓儲氫主要利用氣瓶作為儲存容器，對于儲氣瓶，全球呈現出從I型儲氫瓶到IV型儲氫瓶的技術發展趨勢。 目前最為成熟且成本較低的技術是鋼制氫瓶和鋼制壓力容器，如目前工業中廣泛采用20MPa鋼制氫瓶，并可與 45MPa鋼制氫瓶、98MPa鋼帶纏繞式壓力容器進行組合應用于加氫站，但鋼制氫氣瓶重量大，并不適宜汽車用。 目前車用高壓儲氫瓶的國際主流技術通過以鋁合金/塑料作為內膽，外層則用碳纖維進行包覆（即III型、IV型 瓶），提升氫瓶的結構強度并盡可能減輕整體質量。國外氫燃料電池汽車已經廣泛使用70MPa碳纖維纏繞 IV型 瓶；目前我國車載儲氫方式大多為35MPa碳纖維纏繞III型瓶，70MPa碳纖維纏繞III型瓶也已少量用于國產汽車中。

2.3 運氫：與儲氫方式緊密相關，適宜不同應用場景

運輸方式與儲氫的技術方案緊密相關。目前國際上主要氫氣儲運技術包括氣態儲運（長管拖車、管道）、液氫儲 運、氫載體儲運和固態儲運。在實際應用中，可根據運輸距離和運輸規模，選擇最經濟的儲運氫技術。 氣態儲運氫環節涉及的核心技術裝備主要有長管拖車用高壓管束儲氫瓶與管道。 低溫液態儲運氫涉及的核心技術裝備主要有氫液化裝置與液氫儲罐。 有機液體儲運氫涉及的核心技術裝備主要有供熱脫氫裝置。 現階段，中國普遍采用20MPa氣態高壓儲氫與集束管車運輸的方式。隨著用氫規模擴大、運輸距離增長，提高氣 氫運輸壓力或采用液氫槽車、輸氫管道等方案才能滿足高效經濟的要求。

3 中游：氫燃料電池及系統

3.1 氫燃料電池系統的原理與構成

氫燃料電池是通過氫氣和氧氣的化學能直接轉換成電能的發電裝置。其基本原理是電解水的逆反應，把氫和氧分 別供給陽極和陰極，氫通過陽極向外擴散和電解質發生反應后，放出電子通過外部的負載到達陰極。

只有燃料電池本體還不能工作， 燃料電池必須有一套相應的輔助系統構成燃料電池系統，包括反應劑供給系統、 排熱系統、排水系統、電性能控制系統及安全裝置等。

燃料電池具有發電效率高、環境污染少等優點。 由于燃料電池直接將燃料的化學能轉化為電能，中間不經過燃 燒過程，因而不受卡諾循環的限制，因而能量轉化效率高。燃料電池系統的燃料-電能的轉換效率一般在45%～ 60%，高于汽車發動機的熱效率，也高于火力發電和核電的約30%～40%的效率。（報告來源：未來智庫）

根據電池所采用電解質分類，燃料電池可分為七類：堿性燃料電池（AFC）、質子交換膜燃料電池（PEMFC）、 陰離子交換燃料電池（AEMFC）、直接甲醇燃料電池（DMFC）、磷酸燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽燃料電 池（MCFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）。其中適用于氫燃料電池汽車的主要是質子交換膜燃料電池。

3.2 氫燃料電池系統的關鍵部件

膜電極

膜電極（Membrane Electrode Assembly, MEA）是燃料電池發電的關鍵核心部件。膜電極由質子交換膜 （PEM）、膜兩側的催化層（CL）和氣體擴散層（GDL）組成，燃料電池的電化學反應發生在膜電極中。

MEA的結構設計和制備工藝技術是燃料電池研究的關鍵技術，它決定了燃料電池的工作性能。高性能的膜電極需 要具備以下特征：① 能夠最大限度減小氣體的傳輸阻力，即最大限度發揮單位面積和單位質量的催化劑的反應 活性；② 形成良好的離子通道，降低離子傳輸的阻力；③ 形成良好的電子通道；④ 氣體擴散電極應該保證良好 的機械強度及導熱性；⑤ 膜具有高的質子傳導性，有很好的化學穩定性和熱穩定性及抗水解性。

雙極板

雙極板（Bipolar plate，以下簡稱BPP）是燃料電池的一種核心零部件，主要作用為支撐MEA、提供氫氣、氧氣 和冷卻液流體通道并分隔氫氣和氧氣、收集電子、傳導熱量。目前常見的BPP材料有石墨、復合材料和金屬。豐 田Mirai、本田Clarity和現代NEXO等乘用車均采用金屬雙極板，而商用車一般采用石墨雙極板。 石墨是熱和電的良導體，耐腐蝕，密度較低。人造石墨機加工制造BPP設計靈活、迭代周期短，但柔韌性差。柔 性石墨基材可以模壓成型、柔韌性好，但金屬和非金屬雜原子雜質含量高，需要提純。