氢能源产业：燃料电池引领氢能开发利用.pdf

敬请参阅报告结尾处的免责声明 东方财智 兴盛之源 D ON GX IN G S E C U R IT IES行业研究 东兴证券股份有限公司证券研究报告 氢能源 产业： 燃料电池引领氢能开发利用 2019年 05月 27日 看好 /维持 基础化工 深 度 报告 研究员 张明烨 电话： 0755-82832017 邮箱 zhang_mydxzq 执业证书编号： S1480517120002 研究员 刘宇卓 电话： 010-66554030 邮箱 liuyuzhuodxzq 执业证书编号： S1480516110002 研究助理 罗四维 电话： 010-66554047 邮箱 luoswdxzq 研究助理 洪 翀 电话： 010-66554012 邮箱 hongchongdxzq 研究助理 徐昆仑 电话： 010-66554050 邮箱 xukldxzq 投资摘要 ： 能源清洁 化 大势所趋， 燃料电池 作为核心载体 引领氢能 开发利用 ，低成本 是保障制氢产业发展 的关键 能源利用形式从氢碳比为 1:310 的木柴、 1:1 的煤炭、 2:1 的 石油 再到 4:1 的天然气，验证能源持续朝低碳、多氢的清洁利用方式演进； 可以预见未来能源利用形式中，氢能 作为应用场景广泛的新能源，其 占比将会继续提高。 燃料电池车为氢能利用核心载体，其商业化大幕逐步拉开 。降低氢能车运行的燃料成本的重要性不亚于降低车辆购置成本，而制氢在终端氢气价格构成（制氢、运氢、储氢、加注）中占据重要地位、成本下降空间也较大，因此 低成本的氢气制备是氢燃料电池大规模商用化的基础 ，在考虑经济性的同时兼顾能源转换效率和全生命周期排放，不违背节能减排的初衷。 制氢路线比较与产业 发展 探析： 低成本工业副产氢为 中 短期优选，水电解制氢路线将贯穿氢能发展全过程 燃料电池车的用氢需求中短期可优先通过 成本较低 、减排效益好 的工业尾气制氢供应 满足 ， 尤其以纯度高、投资低的氯碱副产氢为优，轻烃裂解副产氢新增规模较大， 2030 年之前工业副产氢若妥善加以利用、完全可以满足需求，并为可再生能源电解制氢的技术攻关留出时间余量 。产业发展 中期预计为工业副产氢、可再生能源电解制氢协同发展阶段 ， 电解水制氢是能源利用结构变化的最重要力量，将贯穿于氢能发展的全过程： 水电解制氢 是当前唯一 的直接原材料不依赖含碳化石资源，一次产物中不直接产生碳 的技术路线 。随着 技术的发展和成本的 降低，电解水制氢未来 有望 能逐渐满足商业化的要求， 充分利用可再生能源 、 使用弃风弃水 弃光所产生电能进行电解水 制氢是目前来看最有希望降低其成本的 方式 之一 。 从 海外经验看燃料电池车用制氢产业发展趋势 ：氯碱副产氢已获成熟应用，可再生能源制氢是长期方向 日本的氢燃料电池车产业链发展进度全球居首， 电解水制氢在日本氢工业中占有特殊的地位，其盐水电解制氢的产能占该国所有人工制氢总产能的 63%，从其实质的技术工艺原理上说与氯碱工业 副产氢是一致 的 ，其国外已有多个氯碱氢燃料电站项目验证经济性 ； 日本 远期 也以可再生能源水电解制氢作为最主要发展方向 “ 福岛氢能源研究站 ” 预计于 2019 年 10 月前完成建设，系统装置 采用太阳能电解水制氢路线、将 具备世界最大规模的 1 万 kW 制氢能力 ，用于 制造、储藏和供应最大 900 吨的氢。 风险提示： 行业补贴政策；加氢站 建设和 设备国产化不达预期；燃料电池车成本下降及推广不急预期等。 代码 公司名称 细分产业 产业位置 市值（亿人民币） PE（ 2019E） 002648 卫星石化 丙烯酸、 PDH、乙烷裂解 上游 158 11.7 002002 鸿达兴业 氯碱 上游 146 19.5 601678 滨化股份 氯碱、环氧丙烷 上游 101 12.3 600273 嘉化能源 氯碱、园区公用工程 上游 164 12.4 002221 东华能源 PDH 上游 145 10.2 002274 华昌化工 化肥、纯碱、 氢燃料电池及检测设备 上游 76 - 资料来源：东兴证券研究所、 wind；注： 2019 年 对应 PE 来自 Wind 一致预期 P2 东兴证券深度报告 氢能源产业：燃料电池引领氢能开发利用 敬请参阅报告结尾处的免责声明 东方财智 兴盛之源 DON GX IN G SECURIT IES目 录 1. 产业链下游燃料电池车引领氢能的开发利用 . 4 1.1 氢能开发利用是能源清洁化的大势所趋 . 4 1.2 氢能源产业链介绍及发展历程 . 4 1.3 制氢产业发展主要依赖产业链下游燃料电池车对需求的拉动 . 5 1.3.1 燃料电池的基本概念、原理和分类 . 5 1.3.2 燃料补充及续航里程是氢能车核心优势，政策为其保驾护航 . 7 1.3.3 燃料电池车为未来氢能利用核心载体，将拉动氢工业市场规模快速增长 . 9 1.4 产业竞争：低成本的氢气制备是氢燃料电池大规模商用化的基础 .10 2. 制氢产 业：不同技术工艺路线的氢燃料电池车适用性分析 .10 2.1 工业副产氢：成本优势显著，燃料电池用氢的短期最佳来源 .10 2.1.1 氯碱副产氢工艺及制氢潜力测算 .10 2.1.2 焦炉气副产氢工艺及制氢潜力测算 . 11 2.1.3 轻烃裂解制氢工艺及制 氢潜力测算 .12 2.2 化石资源制氢：适合可耦合耗碳的一体化炼厂用氢或液氨 /尿素等装置 .14 2.3 水电解制氢：耦合可再生能源发电将有望真正实现能源清洁利用 .16 2.3.1 水电解制氢的原理、分类与比较 .16 2.3.2 水电解制氢技术未来发展展望 .17 2.4 多维度比较不同制氢工艺适用性 及未来发展路线探析 .18 2.4.1 基于成本、规模、稳定性和碳排放综合比较各种制氢路线 .18 2.4.2 预测展望：我国氢能发展路径可由从传统能源制氢过渡至绿色能源制氢： .19 3. 从海外经验看燃料电池车用制氢产业发展趋势 .20 3.1 氯碱副产氢用于氢燃料 电池已获成熟应用 .20 3.2 可再生能源电解制氢仍是长期方向，日本大力发展 .21 4. 制氢产业链公司介绍 .22 4.1 卫星石化（ 002648.SZ） .22 4.2 鸿达兴业（ 002002.SZ） .22 4.3 滨化股份（ 601678.SH） .23 4.4 嘉化能源（ 601678.SH） .23 4.5 东华能源（ 002221.SZ） .23 4.6 华昌化工（ 002274.SZ） .24 5. 风险提示 .24 表格目录 表 1：燃料电池主要分类、优缺点及适合应用范围 . 6 表 2：四种车用新能源电池技术路线比较 . 7 表 3：国外燃料电池汽车产业发展战略规划 . 8 东兴证券深度报告 氢能源产业：燃料电池引领氢能开发利用 P3 敬请参阅报告结尾处的免责声明 东方财智 兴盛之源 DON GX IN G SECURIT IES表 4：我国持续出台政策鼓励燃料电池行业不断发展 . 8 表 5：各类车购车、运营成本对比 .10 表 6：焦炉气成分表 . 11 表 7：焦炉煤气价格仅体现其燃料价值 .12 表 8：国内 PDH项目列表 .13 表 9：国内乙烷裂解项目列表 .14 表 10：天然气制氢和煤制氢成本测算对比 .15 表 11： 3种水电解技术比较 .17 表 12：不同用电价格下的电解制氢成本比较 .17 表 13：不同制氢工艺综合比较 .19 表 14：日本将采用基于可再生能源的电解制氢技术作为第三阶段战略重点 .22 插图目录 图 1：全球能源体系转型 . 4 图 2：氢能源产业链示意图 . 4 图 3：燃料电池及燃料电池汽车技术发展历程 . 5 图 4：燃料电池工作原理 . 6 图 5：燃料电池内部结构 . 6 图 6：氢燃料电池产业链示意图 . 6 图 7：燃料电池成本下降趋势预测 . 8 图 8：全球氢工业 市场规模 2017年增至 2515亿美元 . 9 图 9：中国工业氢气的产量与需求量变化图 . 9 图 10：氢气在氯碱产业链中的位置 . 11 图 11： PDH流程示意图 .12 图 12：煤气化制氢工艺流程简图 .14 图 13：水蒸气重整天然气制氢工艺流程图 .15 图 14： PEM 电解槽具有最高的电流密度和操作范围 .16 图 15：未来制氢来源占比预测 .18 图 16：制氢技术发展路线 .20 图 17：日本制氢工业不同工艺路线占比 .20 P4 东兴证券深度报告 氢能源产业：燃料电池引领氢能开发利用 敬请参阅报告结尾处的免责声明 东方财智 兴盛之源 DON GX IN G SECURIT IES1. 产业链下游 燃料电池 车 引领 氢能 的 开发利用 1.1 氢能 开发 利用是能源清洁化 的大势所趋 纵观能源的发展历史，从最初使用固态的木柴、煤炭，到液态的石油，直至气态的天然气，不难看出其 H/C 比提高的趋势和固 -液 -气形式 的渐变过程。木柴的氢碳比在到1:3 10 之间，煤为 1:1，石油为 2:1，天然气为 4:1。在 18 世纪中叶至今，氢碳比上升超过 6 倍。每一次能源的 “ 脱碳 ” 都会推动人类社会的进步和文明程度的提高，可以预见未来能源利用形式中，氢能的占比将会继续提高。 图 1： 全球能源体系转型 资料来源： CNKI、 东兴证券研究所 氢虽然主要用作化工基础原料，但在能源转型过程中，其更重要的是作为一种清洁能源和良好的能源载体，具有清洁高效、可储能、可运输、应用场景丰富等特点。 氢能能够帮助工业、建筑、交通等主要终端应用领域实现低碳化，包括作为燃料电池汽车应用于交通运输领域，作为储能介质支持大规模可再生能源的整合和发电，应用于分布式发电或热电联产为建筑提供电和热，为工业领域直接提供清洁的能源或原料等。 1.2 氢能 源 产业链 介绍及发展历程 在氢 能源 产业链中，上游是氢气的制取、运输和储藏，在加氢站对氢燃料电池系统进行氢气的加注；中游是电堆等关键零部件的生产，将电堆和配件两大部分进行集成，形成氢燃料电池系统；在下游应用层面，主要有交通运输、便携式电源和固定式电源三个方向。 图 2： 氢能源产业链示意图 东兴证券深度报告 氢能源产业：燃料电池引领氢能开发利用 P5 敬请参阅报告结尾处的免责声明 东方财智 兴盛之源 DON GX IN G SECURIT IES资料来源： 亿华通 、 东兴证券研究所 19 世纪 30 年代，人们提出了燃料电池 的初步构想。此后，随着技术的发展，不同级别的燃料电池问世，并逐步由军用推广至民用领域。自 20 世纪后半段开始，各大汽车厂商纷纷开展了 燃料电池汽车的研究，其中尤其以日本最为领先。目前全世界已有多种高性能燃料电池汽车产品，初步进入了商业化应用阶段。 图 3： 燃料电池及燃料电池汽车技术发展历程 资料来源： CNKI、 东兴证券研究所 1.3 制氢 产业发展主要依赖产业链下游燃料电池车 对需求的 拉动 1.3.1 燃料电池的基本概念、原理和 分类 燃料电池 是一种以电化学反应方式 将燃料与氧化剂的化学能转变为电能的能量转换装置 。 燃料电池发电原理与原电池类似 ， 实质是燃料气体和氧化剂发生电化学反应，可 看作是另一种“燃烧反应”； 但与原电池和 二次电池比较，需要具备相对复杂的系统，通常包括燃料供应、氧化剂供应、水热管理及电控等子系统，工作方式与内燃机类似。 理论上只要外部 不断供给燃料与氧化剂，燃料电池就可以持续发电。 P6 东兴证券深度报告 氢能源产业：燃料电池引领氢能开发利用 敬请参阅报告结尾处的免责声明 东方财智 兴盛之源 DON GX IN G SECURIT IES图 4： 燃料电池工作原理 图 5： 燃料电池 内部结构 资料来源： CNKI，东兴证券研究所 资料来源： CNKI，东兴证券研究所 根据电解质的不同，燃料电池可分为碱性燃料电池（ AFC）、质子交换膜燃 料电池（ PEMFC）、 磷酸燃料电池（ PAFC）、熔融 碳酸盐燃料电池（ MCFC）、固 体氧化物燃料电池（ SOFC）等多种 类型，其使用的燃料和适应的应用场景各有不同，其中质子交换膜燃料电池具有高比功率、可快速启动、无腐蚀性、反应温度低、氧化剂需求低等优势，是当前燃料电池汽车的首选。 表 1： 燃料电池主要分类、优缺点及适合应用范围 种类 AFC PEMFC PAFC MCFC SOFC 电解质 KOH 溶液 聚合物 磷酸 K-/LiCO3 Y2O3/ZrO2 温度 60 80-100 190 650 800 燃料 H2+O2（无 CO2） H2 H2 H2，水煤气 H2，水煤气 使用范围 航空航天 航空航天，汽车，发电厂，小规模使用 发电厂 发电厂 发电厂，涡轮机 资料来源： CNKI， 东兴证券研究所 在氢燃料电池产业链中，上游是氢气的制取、运输和储藏，在加氢站对氢燃料电池系统进行氢气的加注；中游是电堆等关键零部件的生产，将电堆和配件两大部分进行集成，形成氢燃料电池系统；在下游应用层面，主要有交通运输、便携式电源和固定式电源三个方向。 图 6： 氢燃料电池产业链示意图 东兴证券深度报告 氢能源产业：燃料电池引领氢能开发利用 P7 敬请参阅报告结尾处的免责声明 东方财智 兴盛之源 DON GX IN G SECURIT IES资料来源： 亿华通、 东兴证券研究所 1.3.2 燃料补充 及续航里程是 氢能车 核心 优势 ， 政策为其保驾护航 目前在交通运输用动力源方面，主要有四种技术路线：锂离子电池、氢燃料电池、超级电容和铝空气电池。其中锂 离子电池、超级电容和氢燃料电池得到广泛的应用，铝空气电池尚处于实验室研究阶段。 氢燃料电池由于其 燃料电池功率和储能单元彼此独立 、 增加能量单元对车辆成本和车重影响相对较小 的性质，在长续航里程和能源补给速度上优势很明显。 表 2： 四种车用新能源电池技术路线比较 氢燃料电池 锂电池 超级电容 铝空气电池 优势 比能量高 功率密度高 环保无污染 比能量高 循环性能 无记忆效应 环保无污染 功率密度高 充电时间短 使用寿命长 价格便宜 能量密度高 质量轻 、 体积小 使用寿命长 劣势 系统复杂 氢基础设施建设滞后 初期购置成本高 充电时间长 能量密度太低 空气电极极化和氢氧化铝沉降问题 、 功率密度低 应用领域 适合于客车和重载卡车等商用车，行驶里程长 用于 200km以内的短途纯电动汽车 续航里程太短 ，不能作为电动 车主电源，用于快速启动装置和制动能量回收装置 目前尚处于实验室阶段 资料来源： CNKI， 东兴证券研究所 现阶段 燃料电池技术仍不够完善，技术及实践层面面临的问题还较多： 如 氢的制备、储运、加注以及电池铂催化剂的昂贵、易中毒制约寿命和稳定性 等 问题，导致 燃料电池目前的经济性还不能得以保证， 其 成本是 制约燃料电池车商业化的最大因素 。 长期来看，未来燃料电池汽车成本有望比动力电池汽车更低，和燃油车的成本相当。燃料电池成本下降速率将明显高于锂离子电池，其原因主要在于