2023中国氢能产业：氢应用环节深度研究报告

2023Research Report on China Hydrogen Energy Industry-Application ©2023.8 Sixsigma Research 氢能源|用氢 发展与挑战并存，长期目标实现自主可控 一、加氢站行业概况 一、氢能应用预览 （一）加氢站的组成和市场规模（二）产业链图谱 二、储氢瓶用碳纤维缠绕材料 一、燃料电池的发展 （一）氢瓶市场现状（二）氢瓶生产工艺（三）氢瓶成本构成及降本路径 （一）燃料电池在产业链中的定位（二）燃料电池的国内市场空间（三）政策引领发展 三、氢瓶市场竞争格局 二、燃料电池的国产化进程 （一）国内储氢瓶主流厂家（二）氢瓶用碳纤维市场规模 （一）燃料电池的进入壁垒（二）燃料电池的核心组件 氢能源|用氢 发展与挑战并存，长期目标实现自主可控 一、氢内燃机 一、燃气轮机概述 （一）氢内燃机的技术架构（二）国内外开发史（三）氢内燃机和燃料电池对比（四）氢内燃机的应用领域（五）氢内燃机的商业化 （一）原理（二）结构（三）国产化进程（四）国外技术发展 二、燃氢燃气轮机的优点 三、氢能电厂的产业基础 一、灰氢 （一）制氢（二）氢储运（三）目前短板 （一）国内氢气的主要来源 二、绿氢（一）绿氢绿电与工业耦合（二）制约绿氢进入工业领域的瓶颈（三）绿氢脱碳的主要结论 氢能源|用氢 发展与挑战并存，长期目标实现自主可控 三、发电机纽性能比较 四、氢气燃烧面临的挑战 （一）性能参数（二）余热特性（三）燃气进气压力 （一）前沿技术（二）氢气燃烧面临的挑战 五、针对现有燃气轮机的改造 四、分布系统的经济性 六、国际上燃氢燃气轮机的技术进展 （一）通用电气（二）华天航空动力（三）国电投（四）日本氢燃气轮机项目 一、燃气分布式能源概述二、分布系统的配置 用氢概述—应用场景广泛，中长期将为各行业脱碳提供重要路径氢能应用预览—目前工业和交通为主要应用领域，发电领域潜力巨大 《氢能产业发展中长期规划(2021-2035)》指出，“2035年形成氢能产业体系，构建涵盖交通、储能、工业等领域的多元氢能应用生态”。氢能源将为各行业实现脱碳提供重要路径。目前氢能的成本较高，使用范围较窄，氢能应用处于起步阶段。氢能源主要应用在工业领域和交通领域中，在建筑、发电和发热等领域仍然处于探索阶段。根据中国氢能联盟预测，到2060年工业领域和交通领域氢气使用量分别占比60%和31%，电力领域和建筑领域占比分别为5%和4% 中国2060年氢气需求结构预测 交通领域31% 电力领域5% 纯氢气、氢气与天然气的混合可以为燃气轮机提供动力，从而实现发电行业的脱碳。氢能发电有两种方式。一种是将氢能用于燃气轮机，经过吸气、压缩、燃烧、排气过程，带动电机产生电流输出，即“氢能发电机”；一种是利用电解水的逆反应，氢气与氧气(或空气)发生电化学反应生成水并释放出电能，即“燃料电池技术” 交通领域是目前氢能应用相对比较成熟的领域。从专利申请看，2021年交通领域的氢能技术应用专利申请15639件，占氢能下游技术应用的71%。交通领域的应用包括汽车、航空和海运等，目前氢燃料电池汽车是交通领域的主要应用场景，往后氢内燃机有望在重卡、船舶、航空等领域取得独特优势 工业领域60% 建筑领域4% 早期氢气在建筑中的使用将主要是混合形式。氢气与天然气混合，按体积计算的比例可以达到20%，而无需改造现有设备或管道，随着氢气成本的下降，北美、欧洲和中国等拥有天然气基础设施和有机会获得低成本氢气的地区，有望逐渐在建筑的供热、供暖中使用氢气 工业是当前脱碳难度较大的应用部门，化石能源不仅是工业燃料，还是重要的工业原料。工业燃料通过电气化可实现部分脱碳，但是工业原料直接电气化的空间有限。在氢冶金、合成燃料、工业燃料等的带动下，2060年工业部门氢需求量将到7794万吨，接近交通领域的两倍 用氢概述—应用场景广泛，中长期将为各行业脱碳提供重要路径氢能应用预览—加氢站作为服务氢能交通商业化应用的中枢环节，为重要的基础设施 我国高度重视加氢站的建设并积极发布相关政策规划助推加氢站的建设与布局，2014年国家首次发布针对加氢站的补贴政策，2019年推动加氢设施建设正式写入政府工作报告，2020年财政部出台有关开展燃料电池汽车示范应用的政策，将“运营至少2座加氢站且单站日加氢能力不低于500公斤”作为示范城市群申报的基础条件。截至2022年末我国已建成加氢站共310座，居全球第一，并呈现出区域集中性的特点 加氢站是指将不同来源的氢气通过压缩机增压储存在站内的高压罐中，再通过加气机为氢燃料电池汽车加注氢气，主要由储氢系统、压缩系统和加注系统组成 目前设备制造的发展方向主要是加速压缩机的国产化进程，材料端则重点关注III&IV型储氢瓶的生产技术及碳纤维制备工艺 •具备长期发展潜力的储氢瓶为III型和IV型，适合应用与氢燃料车等移动场景；IV型瓶瓶壁厚度略薄于III型瓶，储气压力则与其一致，主要包括35MPa和70MPa两种规格型号 •氢瓶成本构成中碳纤维复合材料占比超60%，国内储氢瓶所用原材料主要为T700以上小丝束碳纤维；25年我国氢燃料车保有量将达到11.2万辆，对应22-25年碳纤维用量将超过5万吨 燃料电池—位于氢能产业链中游，是现阶段氢能利用的主流技术之一双碳战略催生燃料电池行业的持续性机会，2023-2025年进入产业规模化发展时期 氢燃料电池通过电化学反应将燃料和氧气的化学能转化为电能，氢燃料电池能量转化效率高（通常在40%-60%范围内），热电联供应用情景下可达80%。同时反应产物仅为水，根本上消除了温室气体的排放。技术的成熟带动以燃料电池为核心的氢燃料电池汽车、叉车、船舶、轨道交通，热电联供、分布式发电、辅助电源的应用 燃料电池—位于氢能产业链中游，是现阶段氢能利用的主流技术之一双碳战略催生燃料电池行业的持续性机会，2023-2025年进入产业规模化发展时期 应用场景集中在交通运输领域 远距离、极端环境下适合替代柴油车，中重卡领域呈现装机大功率化 •我国乘、商用车电气化处于不同的发展阶段，5%的商用车碳排放占比超过50%，燃料电池可以补足纯电动商用车使用痛点，是解决长途、中重载车辆电动化进程卡滞的更优解 •燃料电池已经初步撬动新能源中重卡市场，2022年新能源重卡中燃料电池车辆占比9.8%，为适应中重卡动力系统的匹配需求燃料电池系统装机呈现大功率的发展趋势 根据国家发改委、国家能源局联合引发的《氢能产业发展中长期规划(2021-2035年)》的发展目标 •到2025年基本掌握核心技术和制造工艺，燃料电池车辆保有量约5万辆，部署建设一批加氢站，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 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）》 燃料电池—位于氢能产业链中游，是现阶段氢能利用的主流技术之一国家政策持续引领，地方政策跟进，燃料电池的发展动能充分释放 2023年以来国家层面陆续发布了多项与氢能相关的政策文件，用来引导、鼓励和支持各地的氢能产业发展；其中国家层面相关部门共计发布了11个文件（国家能源局、商务部、国家标准管理委员会、工信部、发改委等） •京津冀、上海、广东和河南、河北“3+2”城市群燃料电池汽车示范推广，以及山东省“氢进万家”科技示范，2021年11月四川省和重庆市启动成渝氢能走廊，到2025年五大城市群、山东省、成渝地区推广数量叠加2021年底保有量，燃料电池车及加氢站数量至少为53246辆、726座，有望超额完成“十四五”任务 燃料电池—以电堆为核心的部件国产化进程推进，企业加速入局燃料电池汽车产业链长、参与方众多，燃料电池系统位于产业链的中游 燃料电池系统位于产业链的中游，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的影响 电堆为燃料电池系统核心部件 •燃料电池系统主要包括电堆、氢气供给系统、空气供给系统、水热管理系统、控制系统等。电堆是燃料电池系统的核心部件，由双极板与膜电极交替叠合后以单电池串联方式层叠组合，各单体之间嵌入密封件，经前、后端板压紧后用螺杆拴牢，构成的复合组件，其研发和生产具备较高的技术壁垒 •双极板和膜电极(MEA)是单电池核心组件，主要由催化剂、质子交换膜、气体扩散层组成 燃料电池—以电堆为核心的部件国产化进程推进，企业加速入局100kW级别燃料电池系统实现装机应用，零部件级别100%国产化 燃料电池系统的国产化进程自19年以来步入快车道，现阶段我国在MEA制备、双极板、电堆组装、辅助系统等领域已实现了100%自主化，是近两年燃料电池系统降本的关键推动力；目前100kW级别燃料电池系统实现装机应用，200kW级别产品公告指标与国际水平接轨，2023年开始我国将逐步启动从催化剂、PEM到气体扩散层的国产化渗透，打破MEA核心材料高度进口依赖导致的电堆高成本现状 燃料电池—以电堆为核心的部件国产化进程推进，企业加速入局膜电极作为燃料电池发电的关键核心部件，是近两年系统降本的关键推动力 膜电极是燃料电池的关键核心部件;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 •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•形成良好的离子通道，降低离子传输的阻力•形成良好的电子通道•气体扩散电极应该保证良好的机械强度及导热性•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 2020年我国膜电极出货量已由2018年的0.76万平方米上升至3.68万平方米，2020年中国膜电极新增市场需求为1.8亿元，预计2021-2025年我国氢燃料电池车用膜电极的年新增市场需求的CAGR为83%，我国膜电极新增市场2025年和2030年将分别达到37、173亿元；我国膜电极起步晚但发展迅速，21年后国内多家企业纷纷布局膜电极产业，双面直接涂布技术和膜电极一体成型技术为当前主流，国内企业生产的膜电极的技术参数已经接近国际先进水平，部分指标已经优于国际领先水平 燃料电池—以电堆为核心的部件国产化进程推进，企业加速入局质子交换膜是电堆的重要组成部分，全氟磺酸膜为氟化工产业链的技术难度巅峰 质子交换膜电堆重要组成部分之一，为电池工作提供氢离子通道并隔离两极反应气体，按照含氟情况分为全氟磺酸膜、部分氟化聚合物质子交换膜、复合质子交换膜以及非氟化物质子交换膜；目前常用的交换膜为全氟磺酸膜，原理为利用碳氟主链的疏水性以及侧链的亲水性来达到高效工作的目的，具有质子传导率高、耐强酸以及耐强碱等优良特性 质子交换膜制备：目前以熔液成膜法为主流，重点关注PSVE单体的制备、四氟乙烯的获取、树脂的聚合和成膜等环节的制备工艺的掌握和生产设备研发 •熔融成膜法：将树脂熔融后通过挤出流延或压延成膜，经过转型处理得到最终产品。该方法适合批量生产、生产效率较高，但仍无法有效解决成本问题 •熔液成膜法：目前科研领域以及商业化领域采取的主流制备方法。根据后段工艺的不同，溶液成膜法可进一步分为溶液浇铸法、溶液流延法以及溶胶-凝胶法等几种方法 •目前国内现有质子交换膜产能达140万平米/年，东岳、科润新材料持续扩能，东材科技、泛亚微透、万润股份等新进入者也积极布局产能 拥有16项全氟离子膜方面的技术专利（其中一项PCT国际专利），是中国第一家钢带流延法批量生产全氟离子膜的企业 国内质子交换膜领军企业。目前DF260膜厚度最低可达10um，通过AFCC6000小时测试，在O