▌氫能源:綠色零排放，或是能源終極形式
歷史縱向看:能源使用清潔程度不斷提升
環境保護意識的增強推動能源利用向著綠色、清潔化的方向發展。
從最開始的草木發展到如今的風能、太陽能、核能、地熱能等多種形式，能源使用過程的汙染物排放逐漸降低，這代表這人類能源使用的方向。
而目前已知的所有能源中，最為清潔的是氫能，氫氣使用過程產物是水，可以真正做到零排放、無汙染，被看做是最具應用前景的能源之一，或成為能源使用的終極形式。
本文主要是研究氫能源產業鏈情況(主要是研究非工業用途，尤其是在燃料電池上的應用)，望其未來的可行性和機會所在。
橫向對比看:氫能源具有多方面優勢
從不同能源的功率密度和用於發電時的建設成本方面考慮，氫能源都具有優勢。
從物質能量密度角度看，氫能源高於汽油、柴油和天然氣。
美國能源局數據顯示，氫氣功率密度幾乎是其他化石燃料的3倍多。從發電建設成本來講，氫能源發電建設成本最低。
EIA數據顯示，氫氣發電建設成本僅580美元/KW，在風能、天然氣、光伏、石油、生物質能發電等眾多方式中成本最低。
氫能源應用阻礙:分佈式應用場景綜合成本高與加氫難
雖然氫氣在理論層面相較於其他能源具有功率密度優勢，且用於發電時建設成本較低，但是這僅考慮了發電時利用氫能源的
模式。氫能源大範圍推廣使用離不開分佈式使用場景，當應用場景發生變化時，氫能源使用需要考慮的影響因素就變得更為複雜。
分佈式應用場景中與替代產品相比成本較高
氫能源的清潔利用主要是通過燃料電池，燃料電池應用在分佈式應用場景中的時候與其他可替代方式相比，還存在成本高的問題。
以氫能源燃料電池汽車為例，應用氫能源首先要考慮購買產品的成本，燃料電池本就是技術含量高的產品，應用到汽車上時使得汽車的一次性購置成本迅速增長;
其次考慮維護成本，燃料電池汽車比其他汽車更為精密，因此其維護成本更高;
接著考慮消耗燃料的成本，氫氣由於在製備、儲存、運輸等過程中需要更多的技術處理而具有更高的單位成本;最後考慮配套設施設施成本，燃料電池汽車使用需要眾多加氫站支持，加氫站由於需要配置大型壓縮機等大型設備，具有比加油站和充電站更高的建設成本。
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綜合考慮之下，分佈式應用場景中，氫能源應用綜合成本很高。
根據羅蘭貝格提供的燃料電池汽車的數據測算，歐洲市場燃料電池小汽車的綜合使用成本達到0.24歐元/km，高於純電動和柴油汽車的綜合使用成本。
因為氫氣出售時會考慮氫氣製備、運輸以及加氫站建設、運營等成本，所以氫氣價格裡面包含了這些相關配套設施的成本。因此這一成本就是氫能源以燃料電池形式應用到小汽車上的全成本。
氫氣使用便利程度不如可替代產品
氫氣利用另一大難題是加氫難。
因為設備與技術要求，加氫站的建設運營成本遠高於加油站和充電站，目前加氫站的數量還不足以完全滿足商業化應用的需求。
汽油和電力的廣泛使用是以加油站和電網覆蓋為前提的，氫能源大規模使用也要以加氫站覆蓋為基礎。截止2017年底，全球共計加氫站328個，而國內僅有9座。加氫站覆蓋範圍小對於氫能源的利用有不小的阻礙。
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▌產業化現狀:尚處於導入期，需要政策支持
國際汽車製造商協會數據顯示，2017年全球銷售乘用車接近0.71億輛，而勢銀智庫數據顯示2017年全球FCV(燃料電池汽車)銷量3260輛(燃料電池汽車大多使用氫能源作為燃料，極少數使用其他燃料，在此暫且先認為這些FCV都使用了氫氣做燃料)，氫能源在汽車領域滲透率不過0.0046%，在汽車應用領域氫能源產業化尚處於導入期。
因為目前氫能源的利用尚處於導入期，因此需要政策支持引導。世界各國都針對氫能源利用出臺了各自的扶持政策，由於氫能源燃料電池汽車市場有望成為氫能源最大的消費端，支持政策主要集中在燃料電池汽車產業鏈。
▌國外政策支持:消費端補貼與製造端補貼並舉
從補貼形式看，大多國家把補貼放在了消費環節，以購置稅費抵免或者購臵補貼的形式發放，僅德國將補貼放在了開發製造環節。
前者屬於需求端的刺激，後者屬於供給端刺激。供給側(生產製造領域)補貼促進企業研發新車型，有利於在無形中促進企業形成研發能力，就算補貼斷了，多年的技術積累不會隨著補貼停止而消失。因此從這個角度看，德國將研發補貼放在生產領域不無道理。
國內補貼政策也可借鑑此類方法，在補貼政策上實行多途徑刺激，在消費端和研發端同時給予補貼，既保證政策效果也利於產業技術積澱。
從補貼力度看，各國補貼力度波動幅度較大。美國和英國補貼在5000美元/輛上下，日韓則給予消費者22000美元/輛左右的補貼。這也是日韓在燃料電池汽車領域技術領先的原因之一。國內政策支持:補貼力度大
國內方面補貼政策最早是在2009年出現，主要形式是免徵購置稅，同時還會在購買時給予一次性的不同額度的補貼。
從補貼力度看，我國的補貼力度是最大的，按2017年標準，僅乘用車補貼就高達20萬元/輛，高於日韓22000美元/輛的標準，大型客貨則高達50萬元/輛，遠超出國外最高額度。
2018年補貼有所調整，原來對應的20、30、50萬元/輛，分別調整為對應補貼上限。
雖然我國氫能源燃料電池汽車補貼高出國外很多，但是全部都是以購臵補貼形式發放的，沒有在氫能源燃料電池汽車生產製造領域設臵補貼政策。
我們可以考慮在需求側和供給側同時補貼。需求刺激與技術進步刺激並舉，可能是更健康的產業政策，對產業發展更為有利。
同時，我們看到國家從2014年起將加氫站納入了補貼範圍，這是刺激配套產業加速發展，是從整條產業鏈的角度出發看問題，對氫能源燃料電池汽車發展有促進作用。
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國內方面，新能源汽車領域一直是鋰電汽車佔據主導地位。
但是國家在鋰電池汽車上的補貼政策正在逐步退坡，而氫能源燃料電池汽車的補貼政策相對來說較為穩定，就補貼力度上限來說，燃料電池汽車的補貼力度是沒有下降的。
2018年鋰電池汽車的補貼力度降幅較大，傳統工況續航在300km左右的乘用車補貼降幅達20%多，更低續航里程的降幅則更多。
而燃料電池汽車補貼力度較為穩定，且力度比鋰電池補貼力度大，因此氫能源燃料電池汽車處於政策大力支持階段，這也是氫能源產業處於導入階段所決定的。
總的來說，氫能源在眾多能源中具有一定優勢，但實際應用仍有成本和便利性方面的障礙，尤其是在分佈式應用領域更是如此。在國家政策支持和財政補貼下，氫能源的分佈式應用正處於高速發展中，而且處於概念嚮導入期轉化的關鍵時間節點。
我們認為，氫能源燃料電池汽車產業發展有向好趨勢，但產業化和行業健康發展仍需產業鏈逐步成長和完善。
▌氫能源應用方式及場景:主要通過燃料電池，交通運輸需求漸成主流
目前全球範圍內，氫能源分佈式應用主要是通過燃料電池。氫能源利用可以通過熱機(通過利用內能做功的機械)也可以通過燃料電池，通過熱機利用氫氣的原理是:燃料在燃燒室內燃燒，氣體膨脹推動傳動裝臵，實現機械驅動。另一種利用方式就是通過燃料電池的形式，氫氣不直接燃燒，先分解成原子，再分解成質子和電子，電子通過外電路產生電流做功。
熱機利用氫能源的方式還屬於熱循環的過程，存在熱量的浪費，能量利用效率低。
燃料電池利用氫能源的方式不受熱循環原理影響，因而具有更高的能量利用效率，同時還有更低的噪音。
因此燃料電池應用是氫能源利用的主流途徑。
燃料電池原理:氧化還原反應
燃料電池主要由正極、負極、電解質三部分組成，原理是氧化還原反應，反應實質是燃料和氧氣發生反應生水或者其他產物。負極(陽極)是燃料反應端，正極(陰極)是空氣反應端。
負極發生的反應是燃料物質(氫氣/甲醇/煤氣等)在催化劑作用下產生氫質子、電子以及其他副產物，氫質子穿過電解質達到正極，準備與正極上的物質發生反應
正極發生的反應是氧氣在催化劑作用下與通過電解質達到正極的氫質子、通過外電路從負極到達正極的電子結合生成水或者其他產物。
電子從負極出發經過外電路達到正極的過程中會產生電流(電子定向運動產生電流)，從而可以帶動負載工作。
▌氫能源應用需求:三大應用場景，交運需求漸成主流
氫能源主要是通過燃料電池得到應用，而且燃料電池使用的燃料也主要是氫氣，因此我們可以根據氫燃料電池的應用將氫能
源的應用分為三大場景:便攜式應用場景、固定式應用場景、交通運輸應用場景。便攜式應用主要在輔助充電設備(戶外等場景)、軍用等產品，固定式應用主要在家庭熱電聯產、家用燃料電池、通信基站備用電源、不間斷電源等產品，交通運輸應用主要在汽車等產品上。
FuelCellToday和E4tech數據顯示，燃料電池裝機逐年增長，2012年-2017年複合增長率達到32.1%，其中交通運輸領域的應用比例逐年上升，2017年交運領域的裝機佔比已經達到68.05%。交運領域的需求已經成為燃料電池主要需求，也是氫能源的主要需求。
▌氫能源主產業鏈:日益完善，整裝待發
氫能源主產業鏈包括上游氫氣製備、氫氣運輸儲存、中游氫燃料電池、下游氫能源燃料電池應用等多個環節。
上游氫氣製備包括氯鹼工業副產氫、電解水制氫、化工原料制氫(甲醇裂解、乙醇裂解、液氨裂解等)、石化資源制氫(石油裂解、水煤氣法等)和新型制氫方法(生物質、光化學等)等多種途徑;氫氣儲存包括氣態儲氫、液態儲氫、固態合金儲氫三種方式，氫氣運輸包括罐車運輸、管道運輸等方法途徑;
中游氫燃料電池涉及質子交換膜、擴散材料、催化劑等多種零部件和關鍵材料;
下游燃料電池應用包括便攜式應用、固定式應用、交通運輸應用。
氫能源產業鏈的完善需要很多專用裝備支持，而且大多數技術含量高，主要集中在制氫、儲氫領域。
制氫
製取氫氣目前主要的方法有化工原料制氫、石化資源制氫、電解水制氫等多種途徑。
化工原料制氫主要使用的原料是甲醇、乙醇、液氨等，具有製取氫氣純度高、反應要求低等優點;石化資源制氫主要使用石油、水煤氣、天然氣等資源，具有規模效應，且原料易獲取;電解水制氫使用的原材料是水，具有原料可再生、可依賴的特點，如果使用清潔電力可實現全程無汙染，但是過程中耗費大量電能，成本昂貴;
生物質能制氫反應速度較慢，且不能滿足大規模使用要求。
制氫工藝路線選擇上，我們認為不同地區根據資源稟賦適合不同的工藝路線。在煤炭資源豐富的地區如山西等地，因為煤價格低廉，使用煤製取氫氣是較為實際的方式。
同樣，在風電、光伏、水電豐富的地區由於電價低，電解水可能是最經濟環保的制氫方式。沒有特殊資源稟賦的地區，性價比是製取氫氣時的首要考慮因素。
未來在氫氣製取環節，會存在兩種運營形式。
第一種是中央制氫，典型的運營模式是在城市周邊地區建設大規模氫氣生產廠，然後通過運氫車將氫氣運輸到城市中的加氫站，再由加氫站出售給消費者。
第二種是分佈式制氫，城市中的加氫站在站內裝有氫氣發生器，實現氫氣生產、壓縮、儲存、出售一體化，或者在應用端直接安裝氫氣發生器，實現應用端自產自供氫氣。我們認為，未來中央產氫和分佈式產氫兩種形式並存較為合理。
儲氫
儲氫方式有三種，分別是氣態儲氫、液態儲氫、固態儲氫。
氣態儲氫主要是將氫氣直接儲存在高壓罐中，又細分為低壓儲存和高壓儲存，低壓儲存使用巨大的水密封儲槽儲存，高壓儲存是通過對氫氣加壓減小體積儲存在容器中;液態儲氫是將氫氣冷卻到一定低的溫度之下，使氫氣呈現液態，然後再將其儲存到特定容器中;
固態儲氫是利用金屬合金(一般稱為儲氫合金)晶格間隙吸附氫原子，(涉及到氫氣分子轉化為氫原子的過程)，同時表面還可以在表面結合一部分氫分子。
氣態儲氫是目前主流的儲氫方式。
氣態儲氫最大的優點是使用方便，儲存要求條件易滿足，成本低。
液態儲氫需要先提供極低的溫度，之後儲存的容器還必須採用雙層真空隔熱結構，液態氫沸點低，僅為20.38K(-253°C)，氣化潛熱小，僅0.91kj/mol，罐內液氫和外界存在巨大的溫度差，一旦隔熱工作沒做好，液氫將大規模沸騰揮發損失，目前的技術只能保證液氫每天1%-2%的揮發，作為對照，汽油每月只損失1%。
固體合金儲氫可以做到安全、高效、高密度，不僅可以在表面吸附氫分子，還可以在一定溫度和壓力下讓氫分子分解成為氫原子，進入合金的八面體或四面體間隙(金屬原子堆垛時形成的空隙)，形成金屬化合物，可吸收相當於儲氫合金體積1000-3000倍的氫氣，儲氫能力極其強大。
常見的儲氫合金有鈦系合金、鋯系合金、鐵系合金、稀土系合金。
其主要問題在於儲存和釋放氫氣的過程主要是化學反應的過程，需要一定的溫度和壓強環境，使用不方便，同時儲氫合金一般成本較高。
雖然目前大範圍使用的是氣態儲氫，但是固態合金儲氫方式性能卓越，是三種方式中最為理想的儲氫方式，是儲氫科研領域的前沿方向之一。
隨著技術進步，儲氫合金吸收釋放氫氣的條件要求可能降低和改善，非稀土系金屬合金的開發研究可以降低儲氫成本，儲氫合金使用便利性的提升和成本的降低有望使得儲氫合金成為未來主流的儲氫方式。
加氫站
目前，為了支持燃料電池汽車發展，各國積極建設氫能源燃料電池汽車配套設施。
根據規劃，到2020年，中國將建成100座加氫站，到2030年將建成1000座加氫站，日本在2020年前建成160個加氫站，韓國計劃到2020年建成80座加氫站，德國到2020年也預計達到100座加氫站的規模。
世界上幾個建設加氫站的大國都以2020年100座加氫站為目標。而截至2017年底我國加氫站共有9座，北京、上海各2座，深圳、廣州各1座，還有一座移動加氫站，另外2座歸屬新源動力和宇通客車，這距離我國2020年100座加氫站的目標還有很大距離，同時也表明，未來兩年內加氫站建設進度會急劇增加，相關方面需求巨大，也是機會點。
技術路線:看好站內製氫加氫方案發展前景
加氫站的技術路線有:站內製氫技術和外供氫技術。
站內製氫加氫站技術主要是用天然氣或者其他原料在加氫站內自己制氫然後加註到燃料電池汽車中，或者通過電解水製取氫氣然後壓縮，再加註到氫能源燃料電池汽車中。
天然氣通過管道輸送到加氫站，加氫站配備有自己的制氫和壓縮氫氣的設備。
其中，電解水制氫技術在國外已經十分成熟，歐洲大多數加氫站都採用這種技術;外供氫加氫站的氫氣供氫氣來源多樣，包括中央產氫廠產出的氫氣、氯鹼廠副產氫等多種來源，一般使用高壓氫氣瓶集束拖車運輸。
我們看好站內製氫加氫方案的發展前景。站內製氫加氫比外供氫氣少了汽車運輸成本，可以利用原有的天然氣管道或者送水管道，成本相對較低。
而且電解水在現階段仍因為電價因素綜合成本高於天然氣制氫成本，從成本角度和配套設施完備程度來看，使用天然氣的站內製氫加氫站比較符合實際情況。
從便利性角度看，站內製氫加氫可以隨時製取，方便快捷。但是加氫站一般建在城市內或者城市周邊，面積限制決定了其氫氣產能產量不一定夠用，因此中央制氫通過運氫車運到加氫站的模式作為補充形式具有存在的合理性。
考慮到中央制氫廠建設投入大，資金需求高，且運營成本高，因此可能是由政府部門建設運營，形成“市場化的站內製氫加氫站點主導，少數大型中央產氫廠補充”的格局。我們看好站內加氫制氫模式帶來的投資機會。
氫燃料電池
氫能源燃料電池是氫能源清潔高效利用的核心，同樣也是整條氫能源主產業鏈的核心所在。燃料電池主要由膜電極組(MEA)、雙極板、集流板、端板組成，其中膜電極組又是由質子交換膜、催化劑、氣體擴散層組成。
一塊MEA單體正負極之間的理論電壓在0.7V，需要串聯起來使用才能提供高電壓。
而用外接導線串聯則會有較多的電壓降和電量損失，因此採用雙極板在各個MEA之間充當傳輸氣體和連接電路的作用。
最後燃料電池的結構就變成“.雙極板-MEA-雙極板-MEA-雙極板-MEA-雙極板-MEA...”的結構，類似於高分聚合物重複的單體結構。
催化劑在燃料電池的總成本中佔比最高，在年產1000套燃料電池時，催化劑佔總成本25%，當年產電池數量達到10萬套和50萬套時，催化劑成本就會達到40%左右。
因此，從成本角度看，催化劑是整個燃料電池汽車降低成本的關鍵所在，但是燃料電池最為關鍵的技術在質子交換膜上。我們認為氫能源燃料電池環節未來的機會有兩個，一個是有技術壁壘的核心零部件，如質子交換膜和空氣擴散層;另一個是
成本佔比較高的部分，比如催化劑。成本佔比較高的部分在理論上存在較大的降成本空間，會帶動燃料電池整體成本下降，加速推進燃料電池的需求爆發。
▌下游應用
氫能源燃料電池下游主要分三大市場，分別是便攜設備市場、固定式系統應用市場、交通運輸應用市場。
在燃料電池下游市場中，交通運輸領域裝機佔到了近70%。我們將簡要介紹便攜設備和固定應用設備，之後著重分析氫燃料電池汽車。
便攜式設備主要是一些備用電源，因為氫能源燃料電池攜帶電量多、重量輕，因此可以用在戶外和軍用電源設備上。
固定式應用場景則包括氫能源家用燃料電池、電信行業無間斷電源或備用電源等。
汽車市場:國外乘用車技術成熟，國內商用車先行
氫燃料電池汽車市場呈現日韓做乘用車、中國做客車、美國做專用車的格局。日本豐田本田等車企2000年前後就開始做燃料電池汽車，至今已經有近20年的技術積累，且將燃料電池汽車應用於汽車時間較早，產品經過市場多年檢驗，技術成熟。
雖然中國也有燃料電池汽車，但是發佈時間較短，應用於汽車經驗不足。中國的燃料電池汽車主要是客車，2017年中國生產的1000多輛氫能源燃料電池汽車均是商用車(清華大學氫燃料電池實驗室主任王誠曾在接受媒體採訪時表示)。
美國燃料電池技術在卡車上的應用比較成熟。
2016年美國發布全球第一款燃料電池卡車，續航里程接近2000Km，此後日本、中國相繼發佈燃料電池專用車，但性能有較大差距，後來者難以望其項背。
OFweek鋰電網數據顯示，2017年國內生產燃料電池汽車1226輛，幾乎全是商用車，其中物流車佔到了94%，客車佔到6%。
2017年1月至2018年5月國內燃料電池客車產量150輛，上汽和北汽福田共佔據84%的市場份額。
目前階段國內市場物流車是主要需求。但是未來隨著技術進步，乘用車和客車領域出現較大需求，物流車佔比會有所下降，乘用車會成為主要需求。
我們認為在氫能源汽車環節，短期內仍是以商用車為主，在補貼政策激勵下，更多的傳統燃油商用車產能會向氫燃料電池汽車轉換。中長期來看，乘用車仍是未來的主要市場。
商用車(尤其是客車)可以簡單地通過增加儲氫瓶增加續航能力，對儲氫技術的要求不高，同時國家的補貼力度大，因此商用車對成本敏感性低，這些因素決定了中國氫能源汽車市場首先爆發的是商用車市場，之後在技術進步與降成本的帶動下，乘用車市場才會有大範圍應用。
▌總結與展望:看好配套設施市場
我們認為2018年是氫能源產業化應用元年，未來3-5年是導入期，5-10年後開始進入成長期，時間上展望，是2025年前後的事情。
目前國內市場尚處於概念期向真實導入期轉化的時間節點，未來3年左右的導入期產業鏈的場景會是配套設施先行，之後再是商用車生產製造的跟進，可能會伴隨有國外乘用車進入中國市場。
所以整條產業鏈我們要關注的是:
1)氫能源的生產及其設備等附屬產業;
2)加氫站運營服務產業;
3)燃料電池核心技術的突破和氫能源商用車生產製造產業鏈。
技術瓶頸與突破:燃料電池核心技術與產氫設備
目前氫能源應用的主要技術瓶頸在燃料電池和儲氫罐，其他環節的瓶頸在制氫機。燃料電池環節最難的是質子交換膜和催化
劑。質子交換膜決定燃料電池性能，催化劑決定成本。制氫機決定製氫成本、制氫效率、製得的氫氣的純度等多方面指標，儲氫罐決定氫氣儲存能力和安全性。
這幾個方面是氫能源燃料電池汽車比較核心的地方，同時也是國內技術和國外有差距的地方。配套設施及製造裝備和核心技術有壁壘的環節值得持續投資和提前佈局。(信達證券：郭荊璞, 劉強 )獲取本文完整報告請百度搜索“樂晴智庫”。
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