氢能下游各领领域应用情况如何？

氢能下游有交通、电力、化工、冶金四大应用场景，主要设备包括氢燃料电池和氢燃 气轮机。

1.从应用场景看，氢能在交通及电力领域具备潜力

1.1 交通领域：燃料电池商用车已初具经济性

交通应用中，氢燃料电池商用车率先发展。目前，我国燃料电池汽车商业化运营主要 集中在公交和物流领域，于现阶段燃料电池汽车的中长途、中重载、固定路线运载定位相 符。一方面，在 400-800km 的中长途里程中燃料电池汽车的续航优势较纯电动汽车更为 明显；另一方面，燃料电池及储氢系统质量能量密度远高于纯电动汽车动力电池，大幅提 升了中重型货车载货能力。国内有限推广商用车辆发展，在固定路线运营带动加氢站等配 套设施的布局，从而进一步拉动乘用车领域市场需求。

当氢价达到 25 元/kg 时，氢燃料电池重卡 TCO 可与传统燃油车打平。根据嘉兴市长 三角氢能产业促进会数据，当前购置一台氢能重卡、锂电重卡与燃油重卡的费用分别约为 150 万元、100 万元与 30 万元，2023 年“以奖代补”政策给予燃料电池重卡补贴 37.80 万元，假设地方政府按照与国补 1:1 配套补贴（如上海市《关于支持本市燃料电池汽车产 业发展若干政策》），初始购车成本将低于纯电动重卡。此外，假设车辆日行里程 400km， 其中高速路段 300km，高速收费按 2 元/吨公里计算，当能源价格分别为 25 元/kg、1.3 元/kwh、7.5 元/L 时，分别计算可知氢能重卡、锂电重卡与燃油重卡的年运维成本分别为 52.50 万元、43.75 万元、60.90 万元，此时从全生命周期成本看，氢燃料电池重卡基本与 传统燃油车持平。2024 年 2 月，山东省三部门发布通知，自 2024 年 3 月 1 日起，对本省 高速公路安装 ETC 套装设备的氢能车辆免收高速公路通行费，试行两年，在此基础上氢能 重卡将每年节省 21 万元高速通行费，占当年运行成本的 31.5%。此时氢能重卡 TCO 将下 降至 228.18 万元，低于锂电重卡。

1.2 电力领域：氢能发电、储能与热电联产具备前景

氢发电解决火电低碳转型问题。火力发电是目前世界上主要的电力来源之一，但其煤 炭和天然气的使用导致大量二氧化碳排放。以氢为基础的绿氢、绿氨，是解决火电低碳转 型问题的有效途径之一，通过煤电掺氨燃烧至纯氨燃烧和气电掺氢燃烧至纯氢燃烧，实现 火电向低碳调节电厂的转变。根据中科院工程热物理研究所先进燃气轮机实验室张宏武主 任在第十届燃气轮机聚焦大会上的主题分享，预测 2030 年，我国总发电装机容量 38 亿千 瓦时，其中气电装机容量 1.8 亿千瓦时，假设全年平均发电时间 2400 小时，按全部气电掺 氢 30%计算，气电行业需消耗 320 万吨绿氢，实现 2300 万吨碳减排。

氢储能是解决风光发电消纳问题的重要途径。新能源发电具有随机性、波动性、季节 不均衡性等特性，这给电力系统的稳定运行带来了挑战，因此需要发展相应的储能技术以 实现不同时间尺度上功率与能量平衡。氢储能技术基于“氢-电”转化，通过储氢、储氨、 储醇等方式，实现能量的长时储存和调节，再借助燃料电池或燃气轮机等发电设备重新转 化为电。与其他储能技术如抽水蓄能、压缩空气储能、电化学储能、飞轮储能以及熔岩储 能相比，氢储能技术能够完全实现跨季节性的长时储能，为能源存储领域带来新的解决方案。当前，我国多省份积极推进光（风）储氢电一体化项目，并开展了相关示范项目。根 据水电水利规划设计总院，2022 年 10 月 26 日“氢动吉林”行动暨大安风光制绿氢合成 氨一体化示范项目启动，该项目将建设风电项目 700MW，光伏项目 100MW，并配有一 套 40MW/80MWh 储能装置。

热电联产为建筑提供电能和热能，是一种极具潜力、低碳高效的联合生产方式。燃料 电池热电联产主要使用质子交换膜燃料电池（PEMFC）和固体氧化物燃料电池（SOFC） 作为发电系统，发电效率可达 40%，废热利用率达 40%，能源综合利用率超过 80%，与 传统的活力发电输电相比，总效率提升 2 倍左右。根据人民网数据，2021 年 11 月，全国 首座氢能进万家智慧能源示范社区项目在佛山市南海区丹灶镇正式投运，该项目专注燃料 电池分布式热电联产装备产业化，包括家用和商用燃料电池分布式热电联产装备。社区一 期项目将依托现有城市气网开展混氢天然气示范，家庭部分将安装 394 套家用燃料电池热 电联产设备，商业部分将安装 4 套（440kw/套）商用燃料电池热电联产设备，总装机容量 约 2MW，投资 19.1 亿元。

2. 从相关设备看，燃料电池与氢燃气轮机空间广阔

2.1 燃料电池：运输+固定式，产业链玩家众多

氢燃料电池的应用主要包括运输应用和固定式应用。如上文所述，氢燃料电池既可用 于燃料电池汽车、有轨电车、船舶等交通运输领域，也可用于固定电站、储能项目等固定 式应用场景。目前，在氢燃料电池汽车推广的政策背景下，运输应用几乎占据氢燃料电池 市场的全部份额。据弗若斯特沙利文预测，至 2030 年，中国氢燃料电池系统的运输应用和 固定式应用按销售量计算的市场规模将分别达到 70.02GW 和 13.35GW，占整体市场规模 的 84%和 16%，对应总市场规模达到 1167 亿元。

氢燃料电池系统结构复杂，电堆为核心部件。相较于传统燃油车或纯电动汽车动力系 统，燃料电池系统结构较为复杂，主要由电堆及 BOP 辅助系统构成，其中电堆是发动机系 统的核心部件，主要部件包括膜电极和双极板。从成本结构来看，一辆 49 吨燃料电池重卡 中燃料电池系统约占整车成本的 52%，而电堆约占整个电池系统成本的 65-70%。

国内厂商积极布局燃料电池电堆，部分性能达到国际领先水平。燃料电池电堆的技术 水平决定了燃料电池系统性能、可靠性和寿命，是燃料电池企业技术先进性的体现。当前 主流厂商主要从材料体系、结构设计、电堆集成、量产工艺和质量控制等多维度进行优化 和迭代，以实现现功率密度、输出功率和使用寿命的提升。国内目前已基本掌握其开发、 生产及应用等技术，在单堆功率、体积功率密度及冷启动温度等方面突破较快，部分达到 国际（巴拉德、丰田）领先水平。

燃料电池市场火热，车用 CR5 达到 62%。根据势银（TrendBank）统计数据，2023 年上牌车辆电堆装机量为 931.2MW，同比增长 51.2%，装机平均单堆功率达到 121.7kW， 与 2022 年基本持平。其中，神力科技以 18%的市占率位列第一，TOP5 企业市场集中度 高达 62%。从电堆出货情况来看，2023 年出货 TOP10 企业出货量累计超过 7000 台套， 功率数突破 1000MW，市占率达到 56%。

燃料电池 BOP 是维持电堆持续稳定安全运行的关键。包括空气供应系统、氢气循环系 统、水热管理系统、控制系统等，核心产品分别为空压机、循环泵、增湿器和电子水泵等。

1）空压机方面：目前两级压缩离心式空压机优势明显，是空压机领域的应用主流，但 其大功率化带来的高功耗促使系统厂家及空压机供应商将目光放在了采用透平能量回收技 术路线的空压机产品，即膨胀机（带能量回收的）空压机上。金士顿、海德韦尔、华涧新 能源、毅合捷、蜂巢蔚领、东德实业等空压机企业正在大力推进采用透平能量回收技术路 线的空压机研发，其中部分已取得阶段性进展。空压机领域市场集中度高，从 2023H1 的 市占率来看，TOP5 企业占据超过 90%的市场份额。 2）氢循环部件方面：主要有氢循环泵、引射器两类，在大功率发展趋势下，目前多数 研发大功率系统的厂家在氢循环系统方面选择的技术路线是氢气循环泵+引射器。2023H1 的 TOP5 企业已均为国产品牌，并占据超过九成的市场份额，其中东德实业市占率接近 60%。 3）增湿器方面：用于使质子交换膜含水率保持在最佳状态，国内外增湿器市场此前长 期被韩国科隆、德国科德宝旗下的恩福、美国博纯等几家国际公司占据，国产替代正呈现 加速趋势。据氢气未来网，2023 年国产增湿器产品市场占比已经接近一半，主要厂家包括 伊腾迪新能源、魔方氢能源、沃瑞氢能等。 4）电子水泵方面：是燃料电池冷却系统的核心部件，通过改变冷却液流量以控制电堆 温度，技术难度相较其它部件难度较小，在适配大功率系统方面基本不存在问题，2023H1 合肥新沪与艾尔航空合计占据 85%的市场份额。

2.2 氢燃气轮机：国内外技术接连突破

燃气轮机掺氢为实现碳中和的重要技术路径。根据水电水利规划设计研究院，1）在发 电领域，火电掺氨主要有燃气轮机掺氨和锅炉掺氨两种形式，目前只有日本开发出了低 NOx 燃烧器，中国燃气轮机掺氨的技术路线仍然探索中。而气电掺氢与燃气轮机的发展具备强 耦合关系，当前重型燃气轮机的燃料掺混氢气比例可达 30％~50％，工业燃气轮机的燃料 掺混氢气比例可达 50％~70％，未来技术上可实现 100%燃氢的燃气轮机。从能源转换效 率来看，当前“电-氢（氨）-电”的综合效率为 20%左右，未来可进一步提升至 25%；而 当掺氢比例为 20%左右时，绿电-绿氢-燃机发电效率约 42%。2）在储能领域，氢燃气轮机可以克服可再生能源的间歇性，将储氢、储氨、储醇再次转化为电力，虽然与燃料电池 存在技术路线之争，但存在对氢气纯度要求不高、同时实现供热供电等优势。

国内外公司在燃气轮机掺氢领域持续取得突破。目前 GE 在全球已有超过 100 台采用 低热值含氢燃料机组在运行，累计运行小时数超过 800 万小时，其中部分机组的燃料含氢 量超过 50%，积累大量实践经验。GE 公司将零碳排放的燃气技术分为五步，目标在 2030 年前 GE HA 燃气机具备 100%的烧氢能力，最终实现零碳排放。国内开展氢燃气轮机相关 项目的公司包括上海电气、杭汽轮集团、国家电投等。