（报告出品方/作者：中银证券，武佳雄、李天帅、顾真）
氢燃料电池用途广泛，燃料电池汽车是氢能应用的重要场景
氢燃料电池汽车是氢能的重要应用场景，具备减碳、里程长等优势
氢燃料电池车是氢能应用的重要场景
全球绿色低碳转型有望推动氢能需求提升：氢能是用能终端实现绿色低碳转型的重要载体，全球多国制定绿色转型计划，并制定中长期碳排放目标，联合国表示到年全球碳减排50%已成各国共识。根据Statista数据，主要国际能源组织针对年氢能在全球能源总需求中的占比进行了预测，数据显示主要能源组织预测到年氢能在总能源中的占比将达22%，其余几家机构的预测值在12%-18%间不等。以国际可再生能源机构12%的占比预测为例，绿氢产量将提升到年的6.14亿吨。
交通领域将成为氢能应用的重要场景，氢燃料电池汽车需求有望快速增长：根据中国氢能联盟数据，-年通过使用绿氢有望实现超过亿吨的碳减排量，其中交通行业累计减排量最大，约为亿吨，减排占比70%以上，可再生氢将在交通、钢铁、化工等领域成为主要的零碳原料。根据我们的测算，全球绿氢需求有望从年的3.76万吨增长到年的.44万吨，CAGR有望达到.49%。根据Statista和国际可再生能源机构预测，绿氢在交通业总能源消耗中的占比预计由年低于0.1%的较低水平提升至年12%。-年，随着氢燃料电池车销量提升，燃料电池在交通领域装机量逐步提升。根据E4tech数据，-年交通领域氢燃料电池装机逐渐由.7MW提升至1,.80MW，复合增长率达46%。-年交通领域氢燃料电池装机占全球燃料电池总装机比例逐步由66%提升至85%。在碳达峰、碳中和的目标指引下，氢燃料汽车需求有望快速增长。根据中国氢能联盟预测，年我国燃料电池汽车保有量有望超过万辆，加氢站数量有望达到1万座，氢能消耗占比将达到10%。
氢燃料电池是燃料电池汽车的核心零部件，具有转化效率高、无碳排放等特点：燃料电池汽车主要结构包括电驱系统、燃料电池、车载储氢系统、电池系统等。根据国富氢能招股说明书（申报稿），氢燃料电池成本约占燃料电池汽车总成本的50%，且燃料电池性能对整车功率输出、运行寿命等参数具有重要影响，因此氢燃料电池是燃料电池汽车的核心零部件。氢燃料电池是由电极、电解质、外部电路三部分构成的电化学装置，可通过电化学反应将氢气的化学能转变为电能。主流技术——PEM燃料电池的发电原理为：燃料（氢气）进入燃料电池的正极，在阳极上进行还原反应，释放电子形成带正电荷的氢离子，氢离子穿过电解质到达负极，在负极与氧化剂（氧气）上进行氧化反应生成水。在此过程中，电子不能通过电解质，从而只能流入电路，形成电流，产生电能。由于燃料电池工作并不通过燃烧等热机过程，可直接将化学能转化成电能，理论上燃料电池热电转化效率可达85%-90%。
与燃油车相比，氢燃料汽车运行无污染，且能量转化效率较高
燃料可再生，运行过程中无碳排、无污染：氢燃料电池汽车的燃料为氢气，氢电转化的生成物只有水，因此氢燃料电池汽车的运行可实现零排放，即不会生成CO、CO2或硫化物等污染物。根据碳中和专业委员会数据，1升汽油燃烧会释放2.30kgCO2、0.kg碳、1升柴油燃烧会释放2.63kgCO2、0.kg碳，使用氢燃料电池汽车可实现交通减碳。使用可再生能源制氢可进一步降低燃料汽车全生命周期碳排放。燃料汽车全生命周期碳排放包括车辆周期和燃料周期，即车辆生产阶段排放的碳排放和生产/使用燃料过程中的排放。根据余亚东《不同燃料路径氢燃料电池汽车全生命周期环境影响评价》，若使用可再生能源发电制氢、气氢管道运氢，氢燃料电池汽车百公里等效碳排放量约3.7kg；若使用焦炉煤气副产氢或煤制氢、气氢管道运氢，氢燃料电池汽车百公里等效碳排放量分别为20kg、26.1kg。
相比内燃机，氢燃料电池转换效率更高：内燃机需要先将化学能转化成热能，利用气体受热膨胀对外做功后将热能转化为机械能，在实际工况中，燃料燃烧时所放出的热量不能完全被工质吸收，仅有一部分转变为机械能，其余一部分随工质排出，传给低温热源，还有一部分能量因需克服摩擦而损失。由于内燃机的运转涉及热力学，因此需要受到卡诺循环效率限制，即热机在两个不同温度之间工作的最大效率必定小于1的限制。根据太平洋汽车数据，大部分汽车发动机的热效率在28%-33%之间，将汽车发动机的热效率提升至40%较为困难，以年荣获“中国心”十佳发动机的长城汽车3.0TV6发动机为例，其热效率约38.5%。燃料电池作为电化学能量转换装置，并不受到卡诺效率限制，可以直接将化学能转化为电能，最终转化为机械能，因此能量效率转化效率较高。根据衣宝廉等《氢燃料电池》数据，氢燃料电池转化效率最高可达84%。年2月，亿华通发布M氢燃料电池发动机，M氢燃料电池发动机额定点效率达52%，最高效率达64%以上，较传统汽油机具备效率优势。
与电动车相比，氢燃料电池汽车续航里程长、冷启动能力强
氢燃料电池汽车在续航方面具备优势：质量能量密度是一定的质量物质中储存能量的大小，质量能量密度越大则其在单位重量内储存的能量越大。氢气的质量能量密度约MJ/kg，约为柴油、汽油和天然气质量能量密度的3倍。由于氢气能量密度较高，因此其单位重量内储存的能量较高，将氢气通过氢电反应后所得到电能的能量亦较高，从而可实现氢燃料电池在续航方面的优势。根据我们测算，若按照84%的能量转换效率进行测算，1kg氢气最多可发28.21度电，若按照60%的能量转化效率进行测算，1kg氢气可发20.15度电。若燃料电池汽车载氢量5kg，则燃料电池汽车等效单车带电量超过度电，相比于TeslaModelY单车60度电带电量高约67%。由于氢气质量能量密度较高且氢燃料电池能量转换效率较高，氢燃料电池汽车的续航能力较优。
氢燃料电池低温工况下衰减低，冷启动能力强：锂电池在超低温（-20℃）下长时间放置会产生不可逆的损伤，导致电池容量降低。根据电池联盟，随着温度的降低，锂电池充电时间将逐渐延长，并且负极颗粒表面会析出金属锂，负极中可用活性锂离子的减少会导致动力电池容量不可逆的衰减。控制燃料电池内部的含水量是提升其内部性能的关键，氢燃料电池本身电化学性能不受-40℃低温影响，但如果燃料电池内部残留的水在低温下结冰，水-冰相会影响燃料电池材料性能、破坏电极材料与燃料电池内部结构，导致燃料电池不能正常启动。因此通过优化燃料电池的内部排水设计、提升排水性能可提升燃料电池的低温性能，目前国内系统厂商生产的燃料电池系统已经基本具备低温启动能力。亿华通在年研发的石墨双极板YHTG60SS燃料电池系统已经可以实现-30℃低温启动、-40℃低温存储。根据国家能源局《关于开展燃料电池汽车示范应用的通知》，燃料电池汽车城市群示范使用的燃料电池汽车所采用的燃料电池启动温度需不高于-30℃。
与氢内燃机汽车相比，氢燃料电池汽车效率更高、排放更少
氢燃料电池在效率方面具备优势：氢内燃机需要先将氢气的化学能转化成热能，利用气体受热膨胀对外做功后将热能转化为机械能，因此需要满足卡诺循环，且能量损失较高。氢燃料电池可以直接将化学能转化成电能，并由电能转化为机械能，不需要满足卡诺循环，因此氢燃料电池效率更高。根据衣宝廉等《氢燃料电池》，燃料电池实际工作时的能量转换效率在40%-60%范围内，而根据新能源网数据，氢内燃机转化效率基本位于35%-45%。
氢内燃机运行过程中会排放NOx，NOx有*性且会造成大气污染：理想情况下氢内燃机的反应原理为2H2+O2=2H2O，但是由于大气中含有80%氮气，且氢气在燃烧时火焰传播速度快、燃烧温度高，导致氢内燃机在运行时会产生NOx排放，具体反应原理为：H2+O2+N2→H2O+NOX，氢气发动机与空气混合燃烧所生成的NOx排放不可避免。NOx的排放会导致一系列环境污染并对人体健康产生严重的影响。根据智慧环境生态产业研究院，NOx（氮氧化物）的危害包括破坏臭氧层；阻碍植物光合作用；危害人体中枢神经、心、肺多器官健康；形成酸雨等。
PEM燃料电池为主流技术路线
质子交换膜燃料电池（PEM燃料电池/PEMFC）是目前车用燃料电池主流技术方案，具有运行温度低、效率高、启动时间快、技术成熟等特点：根据电解质不同，燃料电池可被分为碱性燃料电池（AFC）、质子交换膜燃料电池（PEMFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）等不同类型燃料电池。PEMFC工作温度通常低于℃，属于低温燃料电池，可适应车用工况。PEMFC电解质为固体质子交换膜，与同样可低温运行的碱性燃料电池相比，PEMFC电解质没有泄露风险。PEMFC启动时间小于5秒、功率密度可达1.0-2.0W/cm2，与其他类型燃料电池相比具备启动时间短、单位功率密度高的特点。PEM燃料电池汽车已经过超过30年研发，技术水平较为成熟。根据E4tech数据，截至年，PEM燃料电池全球装机达1,.3MW，占全球燃料电池总装机比例超过85%。
PEM燃料电池对氢气纯度要求较高：依照国标《GB/T—质子交换膜燃料电池汽车用燃料氢气》对原料氢气的纯度要求，PEM燃料电池需要使用高纯氢气（≥99.97%）作为燃料，否则氢气中微量的CO等杂质会吸附在铂催化剂上，从而占据了氢气发生氧化反应时所需的催化活性位点，导致燃料电池性能显著降低。传统制氢方式如化石能源制氢以煤或天然气为原料，会产生包括烃类、CO、CO2、有机硫等多种杂质，不能直接用作氢燃料电池燃料。根据李佩佩《浅谈氢气提纯方法的选取》，煤制氢产物中氢气体积占比48%-54%，天然气裂解制氢产物中氢气体积占比约75%-80%。若使用低纯度氢气作为原料气，则需要进一步提纯以供氢燃料电池使用。目前，吸附分离法是提纯工业副产氢的有效方式之一，但是原料气中10×10-6级的CO仍会造成燃料电池性能严重下降，需将CO浓度控制在2×10-6以下。目前PEMFC广泛采用抗CO的PtRu/C（铂钌合金）作为电催化剂，但是以纯氢作为原料气时以Pt/C为催化剂性能更优。电解水所制得氢气纯度较高。随着电解槽技术进步，电解水所得氢气纯度可高达99.%，可直接用作氢燃料电池燃料。
延长使用寿命、降本、提升功率密度为PEM燃料电池技术主要发展方向
优化工艺或将改善燃料电池使用寿命
商用车对燃料电池寿命要求较高，国产燃料电池寿命仍有提升空间：燃料电池使用寿命指的是电堆由最大功率下降至额定功率的90%所运行的时间，电堆额定功率下降会对燃料电池正常运行造成影响。根据衣宝廉等《氢燃料电池》数据，轿车用燃料电池系统对寿命一般要求为小时以上；由于商用车、固定电站连续运行时间较长，一般要求燃料电池系统寿命分别在2万、4万小时以上。国产燃料电池寿命已达到较高水平，但距离海外仍有一定差距。根据中国汽车工程学会，年我国石墨双极板电堆寿命已可达到1.5-1.8万小时，但海外部分燃料电池寿命已可达到2.5万小时。质子交换膜降解、催化剂腐蚀是导致燃料电池电堆衰减的常见原因，优化工艺或提升燃料电池寿命：质子交换膜化学降解、热降解、机械降解等方式都会导致质子交换膜快速失效；催化剂载体腐蚀会导致铂颗粒脱落流失，从而导致催化剂电化学活性面积快速衰减。催化剂腐蚀、质子交换膜应力破损会导致燃料电池效率快速衰减；质子交换膜的化学降解、催化剂的溶解沉积老化所导致的效率衰减则较为缓慢。燃料电池寿命已经过多次改进，根据衣宝廉等《氢燃料电池》，截至年，燃料电池通过三次迭代已将寿命由小时提升至小时并以1万小时寿命作为研发目标，该目标已于年阶段性达成。雄韬氢瑞生产的石墨板电堆的寿命已达到1.5万小时，并以2万小时寿命为目标。后续或将通过优化工艺进一步提升燃料电池寿命，具体方案包括提升燃料电池气密性，防止在电极上产生氧气/氢气混合界面、提升燃料电池操作控制，保持阴极、阳极供气速率保持平衡等。
国产替代、规模化生产有望推动氢燃料电池汽车降本
燃料电池降本是其重要发展方向：氢燃料乘用车、商用车均贵于同类型电动车。乘用车方面，根据特斯拉
