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氢能源产业链各环节主要公司梳理
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2023.04.08 上海

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产业链:

从氢能源产业链上下游来看,上游为制氢,包含氢气制取、氢气纯化、氢气液化等环节,中游是储运环节,包括气态储运、业态储运、固态储运以及有机液态储运等环节。氢能源产业链下游为加氢及氢气的应用,涉及到加氢设备以及氢燃料电池等领域应用。

制氢:
氢气目前主要由三种主流制取路径:1)以煤炭、天然气为代表的化石能源重整制氢;2)

以焦炉煤气、氯碱尾气、丙烷脱氢为代表的工业副产气制氢;3)电解水制氢。

制氢环节主要公司:

煤制氢:产能主要来自于国家能源集团;

天然气制氢:产能来自于掌握天然气资源的中石化;

工业副产氢:参与者较多,根据副产方式主要有:焦炉气副产氢(美锦能源、宝丰能源等)、丙烷脱氢(卫星化学等)、氯碱工业(滨化股份等);

电解水制氢:处于刚起步阶段,目前有所布局的企业是宝丰能源、隆基股份、阳光电源、中国能建等。

电解水制氢上游:质子交换膜

目前水电解制氢所用质子交换膜多为全氟磺酸膜,制备工艺复杂,长期被美国和日本企业

垄断,其中杜邦Nafion™系列膜具有低电子阻抗、高质子传导性、良好的化学稳定性、机械稳定性、防气体渗透性等优点,是目前电解制氢选用最多的质子交换膜(主要使用Nafion 117、Nafion 115、Nafion 212和Nafion 211系列)。

国内目前成功实现质子交换膜量产的企业为东岳集团

质子交换膜原材料公司:

储氢:

由于氢气密度较小(0.089g/L)、液态温度较低(-253°C)、稳定性差等特性,使得储运氢难度较大。氢气储存主要分为气、液、固三种形态,目前国内高压气态储氢技术相对成熟,在成本方面具备优势,是现阶段主要的氢气储运方式。受技术和成本端的制约,低温液态、固态等其他储氢技术仅有少量应用,总占比不到0.1%。

储氢瓶:

根据材质的不同,高压储氢瓶分为纯钢制金属瓶(I 型)、钢制内胆纤维缠绕瓶(II 型)、金属内胆纤维缠绕瓶(III 型)和塑料内胆纤维缠绕瓶(IV 型)4 种。

根据《氢燃料电池汽车车载高压储氢瓶报告(2021)》,目前国内储氢瓶主要公司为科泰克、国富氢能、中材科技和天海工业,其他厂家的出货较小。

储氢瓶原材料:碳纤维

目前,国内外车载储氢气瓶(III/IV 型)由内至外包括内衬材料、过渡层、纤维缠绕层、外壳保护层。国内内衬材料多选用 铝合金,国外则多选用特种塑料;内层之外又称为复合材料层,一般分为两层,内层为碳纤维缠绕层,一般是由碳纤维和环氧树脂构成;外层为玻璃纤维保护层,一般是由玻璃纤维和环氧树脂构成。两层均是由缠绕工艺制作而成,通过对环氧树脂加热固化,以保证气瓶强度。

目前我国碳纤维企业主要以中复神鹰、恒神股份、光威复材,中简科技等企业为主。

液态储氢:

(1)有机液态储氢:

利用某些不饱和有机物与氢气进行可逆加氢和脱氢反应,实现氢的储存,加氢后形成的液体有机氢化物性能稳定,安全性高,储存方式与石油产品相似。但存在着反应温度较高、脱氢效率较低、催化剂易被中间产物毒化等问题。国内已有燃料电池客车车载储氢示范应用案例。

技术应用:氢阳新能源控股有限公司就宜都10000t/a储油项目与中国五环工程有限公司签约了EPC总承包合同,该项目采用的专利技术为氢阳能源开发的常温常压有机液态储氢材料生产技术(LOHC)。

(2)液氨储氢:

将氢气与氮气反应生成液氨,作为氢能的载体进行利用。液氨在常压、400℃的条件下即可得到H2,常用的催化剂包括钌系、铁系、钴系与镍系,其中钌系的活性最高。

2021年12月10日,福州大学与紫金矿业、三聚环保举行了绿色能源重大产业项目战略合作签约仪式,根据协议,三方将合力打造一支国家级“氨-氢”能源产业创新团队,合资成立高新企业,发展集绿氨产业、氢能产业及可再生能源产业于一体的万亿级产业链。

(3)甲醇储氢:

甲醇储氢技术是指将一氧化碳与氢气在一定条件下反应生成液体甲醇,作为氢能的载体进行利用。在一定条件下,甲醇可分解得到氢气用于燃料电池,甲醇还可直接用作燃料。

中集安瑞科与大化所合作建造的冬奥会的站内制氢项目就是甲醇制氢。

固态储氢:

固态储氢是以金属氢化物、化学氢化物或纳米材料等作为储氢载体,通过化学吸附和物理吸附的方式实现氢的存储。固态储氢具有储氢密度高、储氢压力低、安全性好、放氢纯度高等优势,其体积储氢密度高于液氢。但主流金属储氢材料重量储氢率仍低于3.8wt%,重量储氢率大于7wt%的轻质储氢材料还需解决吸放氢温度偏高、循环性能较差等问题。

氢储科技:2019年11月氢储科技开始承担上海市科委关于500kg/天的镁基固态储氢装置的研发任务。目前,涵盖材料、机械结构、热系统管理、远程控制系统以及容器等的研发均已完成,并进行了大量的理论模拟和实验测试。2020年第四季度,首座镁基固态储氢示范站将在山东省济宁市落成,加氢能力为550公斤/天,供两条公交线使用。

储氢环节总结:

从储氢成本、技术、安全性等方面来看,高压气态储氢仍是当下储氢方式的最优选择,短中期高压气态储氢仍是主流。

加氢站:

加氢站是给氢动力车提供氢气的燃气站。加氢站分为外供氢加氢站和站内制氢加氢站两种,我国现有加氢站均为外供氢加氢站。外供氢加氢站又可进一步分为高压气氢站和液氢站两大类。外供氢加氢站中的高压气氢站建设成本最低,是全球应用最广泛的加氢站模式,目前中国的加氢站均为高压气氢站。

加氢站主要公司:

当前中国加氢站投资主体多样化,能源公司、化工企业、独立气体公司、装备公司、燃料电池企业、车企和车辆运营企业纷纷加入投资阵营。加氢站的核心竞争力是位置和区域氢燃料电池保有量,两桶油正在凭借其制氢—储运体系以及现有的加油站资源布局加氢站,预计将成为最大的玩家。

氢燃料电池:

燃料电池按导电离子类别可分为酸性燃料电池、碱性燃料电池(AFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)和烙融碳酸盐燃料电池(MCFC),其中酸性燃料电池可分为 PEMFC(质子交换膜)、直接醇类燃料电池(DMFC)和磷酸燃料电池(PAFC)。PEMFC(质子交换膜) 具有功率密度大、重量轻、体积小、寿命长、工艺成熟、可低温下快速启动和工作等突出优点,被认为是将来车用燃料电池最理想技术方案。

2020年,国内氢燃料电池装机量前五为爱德曼(20.1%)、亿华通(15.4%)、国鸿重塑(11.9%)、探索汽车(11.6%)、潍柴动力(10.0%),行业CR5从87.3%下降至69.0%,市场参与者增多,市场竞争加剧。

氢燃料电池原材料构成:

氢燃料电池原材料:气体循环系统

主要作用是过滤空气,保证反应过程中压强稳定,控制氢气与空气流量、流速以延长电堆的使用寿命,主要包含空压机、氢气循环泵、储氢瓶等。

空压机目前国产化率接近100%。近两年国内市场空压机供应商主要有势加透博、金士顿科技、烟台东德实业、德燃动力、福建雪人股份等企业。

气体循环系统上游:氢气循环泵

涉足氢气循环泵的本土企业有未势能源、东德实业、苏州瑞驱、浙江宏昇等,但是受制于氢气密封和水汽腐蚀和冲击等,适配大功率电堆的氢循环泵都不成熟。

氢燃料电池原材料:电堆

电堆是燃料电池系统最为核心的部件,也是价值量最高的环节。电堆是燃料电池系统发生化学反应的场所,由多个单体电池以串联方式层叠组合而成。氢气与氧气通过一定比例分别通入电堆的阳极与阴极,化学反应生成水与电能。电堆的质量决定了燃料电池系统整体的功率密度。

2019年至2021年期间燃料电池电堆的TOP3集中度从84%降低到58%,市场集中度持续下降。2016-2021年6月末累计配套车辆上牌的TOP5分别是上海重塑、亿华通、大洋电机、国鸿氢能(鸿力氢动)、百应能源,TOP3和TOP5市占率分别为51%和66%,集中度较高。新进入企业在示范期间激烈的竞争中能否存活下来,存在较大不确定性。

电堆原材料:气体扩散层

气体扩散层由基底层和微孔层组成。基底层材料使用碳纤维纸、碳纤维织布及碳黑纸,起到支撑催化剂层作用。微孔层是改善基底层孔隙结构的一层碳粉,作用是降低催化层和基底层之间的接触电阻。碳纸产品由几个国际大厂垄断,例如日本东丽、德国SGL等,国产产品处于中试阶段。2020年4月,上海华谊与VIBRANT EPOCH LTD正式签署合作框架协议,在中国建立“气体扩散层用碳纸/碳布”生产基地。通用氢能、江苏天鸟等的气体扩散层进行客户产品送样测试。

电堆原材料:双极板

燃料电池双极板是电池系统组件的主要组成部分之一,直接影响制约着电池寿命、性能、体积、成本、质量等方面。其作用主要是传导电子、分配反应气并带走生成水,燃料电池双极板要求具备较好的导电性、 导热性、一定的强度、气体致密性,具备耐酸耐碱耐腐蚀性、与电解质相容无污染,同时易于加工、成本 低廉,以满足燃料电池的发展。

石墨双极板:在反应过程中不易被腐蚀,使用寿命较长。我国的石墨双极板企业已逐步实现量产化,以亿华通为例,已通过神力科技完全实现双极板自主供应。同时,上海弘枫、嘉裕碳素等自主企业已逐步进入量产阶段。

金属双极板:导电性能优异,大幅提升电堆整体的体积功率密度。不少电堆厂商逐渐转向采用金属板,但其使用寿命尚待考察。国内的金属板厂商尚处于小规模生产阶段,以上海治臻、上海佑戈等为主。根据氢能观察的数据,上海治臻在2020年6月投建1000万片/年的产线,2021年3月340万片/年的产能投产,有望迎来较大规模的金属双极板国产替代。

下游:氢能源汽车

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