钜大LARGE | 点击量：1063次 | 2020年11月16日
燃料电池汽车处于什么时期？
1、氢能源：下一代基础性能源材料
国际能源转型一直沿着从高碳到低碳、从低密度到高密度的路径进行，而氢气是目前公认的最为理想的能量载体和清洁能源提供者。氢气无毒无害，反应物为水，绿色清洁，热值高，相当于汽油的三倍，被誉为"21世纪的能源"。
短期：降低汽车尾气排放，城市环境保护。以北京市为例，机动车排放了全市58％的氮氧化物、40％的挥发性有机物和22％的细颗粒物。氢能源自柴油发动机应用的车辆市场具有推广价值，而柴油发动机车辆在港口/码头、城市公交、跨城货运等领域带来显著的污染。
中长期：降低石化能源对外依赖。中国石油集团经济技术研究院发布《2018年国内外气行业发展报告》中提到，2018年中国的石油进口量为4.4亿吨，石油对外依存度升至69.8％；天然气进口量1254亿立方米，对外依存度升至45.3%。
2、我国具有全球最大规模的氢资源
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
工业氢气提纯具备充足的氢资源，我国氢气产能规模全球最大。从氢气生产来源来看，化石资源制氢居主导地位，全球主要人工制氢原料的96%以上都来源于传统化石资源的热化学重整，仅有4%左右来源于电解水。从地域分布上看，亚太地区的氢气产能最大，而我国是目前氢气产能最大的国家，也是氢气生产分布最广的国家。目前国际制氢年产量6300万吨左右，我国每年产氢约2200万吨，占世界氢产量的三分之一，是世界第一产氢大国。
我国的煤炭和天然气资源储备丰富，以上两者也是我国人工制氢的主要原料，占比分别为62%和19%。随着煤制合成气、煤制油产业的发展，煤制氢产量逐年增多，其规模较大、成本较低，制氢成本约20元/kg，煤气化制氢具有较大发展潜力。电解水制氢在我国氢气占比中仅占约4%，但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日本所有人工制氢总产能的63%。
我国氢能资源在全球范围具有一定性价比优势。目前我国加氢气成本大约在70元/kg，较美国和日本在成本上仍较高，然而我国的汽油成本显著高于美国，从氢油比（氢气成本/汽油成本）角度考虑有一定性价比优势。
我国氢能源的使用仍有极大待开发潜力。当前我国大部分氢气应用于工业领域，主要被合称氨、合成甲醇、石油炼化、回炉助燃灯消耗，属于自产自消的模式。每年仅有不到500吨的氢气对外部市场供应和销售，氢资源利用潜力巨大。
各类氢气来源存在一定的技术和成本差别，电解制氢与煤炭、天然气制氢成本仍有较大差距。氢气的制备主要可分为制取氢气和提纯氢气两大类，煤炭制氢成本最低，为0.8～1.1元/立方米，天然气制氢成本为0.9～1.5元/立方米，我国的电解制氢发展仍处早期，成本在3元/立方米左右，未来还有较大下降空间。
地方政府和能源企业对于工业氢气的利用有切实的发展意愿。我国每年弃光、弃风、弃水等大约有1000亿度电，工业副产氢也有1000万吨以上，对于这两个"1000"的利用，全国多地政府和能源企业都已积极开展相应布局。
我国氢能利用已具备一定技术基础，从航天、逐渐向民用推广，在华北、华东和华南等地区形成了氢能源区域产业集群。
航天领域：航天科技集团六院北京11所研制的YF-75氢氧发动机。迄今为止，YF-75发动机已参加97次飞行任务。2004年探月工程正式开展后，YF-75发动机是嫦娥系列任务中主力装备。2019年嫦娥四号探测器首次在月球背面预选区域着陆，也由来自装备YF-75氢氧发动机的长三甲系列火箭完成。
领域：中国船舶重工集团开发的燃料电池特种，从斯特林发动机替换为氢燃料电池，基于质子交换膜燃料电池和金属储氢技术。
先进技术的民用化推广。航天科技集团六院长期致力于氢能在火箭发动机领域的研究和应用，在燃料电池技术领域，拥有质子交换膜燃料电池系统动力应用、可再生能源储能应用及泵阀关键部件技术，具备了百千瓦级氢氧/氢空及再生燃料电池系统研制能力。特种七一二所研发的首台58千瓦燃料电池发动机，2019年5月顺利通过中汽中心天汽车检测中心的强制性检验，这款型号为CSIC712-FCE58A的发动机，采用氢空质子交换膜燃料电池电堆，是七一二所面向城市客车开发的燃料电池发动机。
二、燃料电池是氢能源的重要应用
1、氢能源的重要应用-燃料电池
氢能源为电力能源的重要载体。电能替代是社会能源消费的长期趋势，氢能源最终通过电力能源实现。合理利用氢能，一方面能提高能源利用效率，减少能源浪费，另一方面可以控制环境污染，降低大气污染和温室气体排放。从中长期来看，加大氢能的发展利用将进一步保障我国能源安全。氢能源的单位热值远高于汽油、柴油、焦炭等，将满足电力能源的供给需求错配。
氢能源的热值较高，通过大型移动的运输设备，未来将会使能源消耗错配做到极致。氢能既可作为化学能源形式的长周期储备，又可于交通领域应用在长途运输、大卡车、海洋运输等环节，还可以应用在高温加热的工艺产业上。清华大学教授毛宗强在氢能行业会议上表示，氢能的应用是多方面的，也是未来有望代替石油和天然气的清洁能源。
燃料电池汽车是氢能源利用极具成长性的下游的行业。虽然氢燃料电池汽车（FCEVs）在我国目前处于起步阶段，但燃料电池汽车性能的优秀不可否认，目前国外大规模销售的FCEVs各方面性能与内燃机汽车不相上下，有些远优于电动汽车（BEVs）。燃料电池具有环境友好、发电效率高、噪音低、可用燃料范围广等优点，当前我国燃料电池产业的主要发展瓶颈在于生产成本高（铂催化剂价格高昂）、技术水平较国际落后以及氢产业链配套设施不够成熟，远期的发展空间巨大。
燃料电池汽车具有能源补给的时间优势和经济性劣势，运营市场将会是起步阶段重点发展领域。燃料电池汽车的续航里程普遍在500公里以上，和目前中高端纯电动汽车续航相当，而从能源补给时间角度，燃料电池汽车加氢仅需不到3分钟，远低于插电混动或纯电动汽车。由于目前燃料电池汽车产业发展仍处于初期阶段，加氢站等基础设施投入以及整车制造成本都较高，短期来看燃料电池汽车比较适合的应用场景预计会是运营市场。
质子交换膜燃料电池对我国氢能产业发展更具有现实意义。氢燃料电池按不同电解质可分为碱性燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池和质子交换膜燃料电池(PEMFC)。其中，质子交换膜燃料电池的工作温度最低，还具有响应速度快和体积小等特点，目前最契合新能源汽车的使用，被认为是未来燃料电池汽车最重要的发展方向之一。
锂电池在乘用车领域更具优势。锂电池产品较燃料电池有更简单的产品结构，更清晰的发展路径和更成熟的产业化分工，当前产品系列性能也区域丰富。锂电池性能的不断提升，正逐渐蚕食众多原本燃料电池具有领先优势的应用领域。在2019年燃料电池行业会议中，上海捷氢科技有限公司系统开发部总监表示，他们对比了纯电动车型和氢燃料电池汽车型在未来的竞争优势，从成本上来说，乘用车续航里程400公里以下，燃料电池相对纯电动是没有优势的。
燃料电池的产业化应用，尚处于中长期能源战略布局的地位。
商用车领域燃料电池驱动定位为辅助能源：潍柴动力董事长谭旭光表示：发展新能源车并不是要完全取代柴油车，而是应用在适合采用新能源车辆的工况中。比如城市公交、港口牵引车等，推广新能源车辆，使其与柴油车搭配工作，能够兼顾经济效益与社会环保。他甚至预言，未来20-30年，氢将成为能源结构的重要组成部分，但市占率不会超过10%。
当前船舶动力95%是柴油体系，尚未实现天然气化，燃料电池中长期或存增长空间。受成本、安全、寿命等多种因素影响，燃料电池在民用船舶领域目前尚不具备大规模商业化应用的条件，但是随着国际公约法规对船舶排放要求的日益严格，燃料电池系统卓越的排放性能有可能将其推向船舶动力市场的新风口，尤其是豪华游轮在船舶行业逐渐崛起的今天，燃料电池系统噪音低的优势完美满足了豪华游轮对舒适度的要求。
2、氢能源利用涉及到的关键技术
氢能源制取-混合气体的变压吸附技术（PSA）。
基本原理：变压吸附的基本原理是：利用吸附剂对气体的吸附有选择性，即不同的气体（吸附质）在吸附剂上的吸附量有差异和一种特定的气体在吸附剂上的吸附量随压力变化而变化的特性，实现气体混合物的分离和吸附剂的再生。
当前应用：变压吸附技术在石油化工、医药、食品饮料等行业具有广泛应用，四川天一科技、上海化工研究所和北大先锋公司是国内领先的变压吸附系统设计建设机构。在石化领域，PSA法得到的氢气纯度可达到99.9%以上水平（燃料电池需求纯度为99.99%）。上市公司：天科股份（西化院下属）。
氢能源运输-从拖车输送到管道输送。目前钢企副产氢气是加氢站氢气的主要来源，其被使用高压氢气瓶集束拖车运输。举例来说，若1辆拖车装有18个高压氢气瓶，每次可以以20MPa的压力运送4000Nm3的氢气。平时站区里停泊2辆拖车，另有1辆拖车往返加氢站和氢源之间，运送氢气，并替换站内空车。基于200km左右运输距离和每天10吨的运输规模来测算，气氢拖车的成本可以达到2.02元/kg。
氢能源运输-从高压气罐到管道输送。
高压气罐：依托LNG产业基础，一般长管储氢压为15～20MPa，一般单管储氢量为17～20k，将CNG储气管进行产品升级可实现。
液氢储罐：依托航天工业技术基础，单次送氢量为气罐10倍以上。额外增加氢气液化和液氢罐成本，目前测算单日加氢量达到1000kg以上具有比较经济性。
管道运输：依托天然气产业基础，瓶颈在成本。在美国，现有的氢气管道系统约为2400公里，而在欧洲已有近1600公里，中国的管道运氢量在400公里。中石油管道局2014年完成国内最大氢气管道建设施工：投资1.54亿，长度25km，设计压力4Mpa，年输氢量10.04万吨。单位投资为天然气管道2倍左右。
氢能源储存加注：加氢站内的储氢罐通常采用低压(20～30MPa)、中压(30～40MPa)、高压(40～75MPa)三级压力进行储存。有时氢气长管拖车也作为一级储气(10～20MPa)设施，构成4级储气的方式。国外市场大多采用的70MPa氢气，国内大部分采用了35MPa氢气压力标准。目前中国的加氢站加氢能力最高的为1000-2000kg/d，最低的为100kg/d。
站内制氢：原材料为天然气，重整制氢气。单个站投资规模会在300~500万美元的水平。
外供加氢：中国主要的加氢站方式。单个站投资规模在<200万美元的水平。
根据中国电池联盟网报道，加氢量在500kg/天时，高压储氢加氢站比液氢储氢加氢站设备投资方面更有优势；加氢量规模超1000kg/天时，液氢储氢加氢站比高压储氢加氢站设备投资要低20%左右。
氢能源储存加注-高压储氢罐：国内高压储氢最大压力为75MPa，海外部分加氢站可达到100MPa以上。全球高压储氢罐主要生产企业有美国AP公司、CPI公司，国内75Mpa加氢站依赖进口。国内企业包括巨化装备（45MPa和98MPa产品已经应用）、安瑞科（中集集团下属，45MPa已开始应用，85MPa产品刚刚通过技术认证）等。
氢脆：长期在高压和常温氢气环境中工作，储氢容器材料可能会产生高压氢环境氢脆，导致塑性损减、疲劳裂纹扩展速率加快和耐久性下降。
金属低周期疲劳：由于储氢管压力波动较大（设计压力的20%~80%），容易使得储氢罐使用寿命缩短。
储氢特殊材料：目前加氢站储氢罐用的主要材料有为Cr-Mo钢、6061铝合金、316L等。对于Cr-Mo钢，我国常用材料为ASTMA5194130X（相当于我国材料30CrMo)、日本为SCM435和SNCM439、美国为SA372Gr.J。
氢能源储存加注-隔膜压缩机：隔膜压缩机是气体压缩领域最高级别压缩方式，海外生产隔膜压缩机企业包括美国PDC，PPI等。PPI隔膜式压缩机是两个系统的结合--液压油系统和气体压缩系统，通过金属膜片将两个体系的完全隔离开。北京天高自主生产隔膜压缩机已应用于国内近10个加氢站项目，最近产品已达到100MPa水平。国内与海外设备性能差别主要包括隔膜（金属膜）使用寿命，以及设备故障率等，但国产设备具有良好的性价比和售后服务能力，国产化替代可将压缩机设备成本降低超过50%。
氢能源储存加注-加注设备：氢气加注机加注原理与天然气加注类似，只是加注压力有所区别：天然气加注压力25MPa，国内加注压力35MPa，海外70MPa。所以对密封性、安全性等有更高要求。为了降低压缩机功耗，加氢站一般通过分级加氢方式，从低压罐加氢到高压罐加氢，最后到压缩机加氢，所以加氢机可看作是对各级加氢设备的加氢功率分配。加氢机上装有压力传感器、温度传感器、计量装置、取气优先控制装置、安全装置等。全球氢气加注机生产企业有德国林德(Linde)、美国AP等。国内企业中，富瑞氢能可实现45MPa环境下的的加氢功能，设备已应用于数个加氢站；上海舜华新能源75MPa加氢机应用于大连加氢站；其他还有厚普股份等公司。
氢能的使用-催化剂。燃料电池催化剂价格较高是影响电堆成本的一个重要因素，但铂的单位用量将持续降低。目前电堆成本120美金/kw，美国能源局预测，当达到50万台规模时将降至19美金/kw的水平。从铂的需求来看，短期资源不稀缺，铂合金在尾气处理装置中扮演气体反应催化剂角色，每年汽车用量铂量约110吨。燃料电池汽车用铂量将逐步降至0.2g/kW，10年下降75%-80%，单车用量未来将降至20g左右，和燃油车相当。
氢能的使用-车载储氢。由于"氢气很轻"，其质量能量密度很大,但反过来说，如果从单位体积燃气释放的能量来看，氢气的热值是常见燃料里最低的，仅为12.74MJ/Nm^3，是甲烷的1/3，汽油的1/10。这就意味着，如果要释放同样的能量，汽车需要消耗巨量体积的氢气，因而氢燃料电池车上都有高压储氢罐来压缩储存氢气。车载高压储氢罐一般可以储存6kg左右高压氢气，总体积在150L-200L上下，有些大的储氢罐甚至会挤压车内空间。目前对于70Mpa的车载储氢罐,只有丰田和挪威Hexagon具备商业化生产能力。
三、国内外政策不断释放，燃料电池汽车处于爆发前夕
1、主要发达国家和我国都对燃料电池汽车提出了积极的发展规划
世界主要发达国家积极推进氢能和燃料电池产业发展。日本、美国、韩国、欧洲等国家氢燃料电池汽车的研发与商业化应用发展迅速，各国均制定了燃料电池行业中长期发展规划并投入巨额补贴，日本由于其自身的资源匮乏，甚至将发展氢能和燃料电池技术提升到了国家战略层面。
国内政策对燃料电池汽车持续加强战略支持。我国自2002年起即确立了以混合动力汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车为"三纵"，以多能源动力总成控制系统、驱动电机和动力电池为"三横"的电动汽车"三纵三横"研发布局。从2012年的节能与新能源汽车产业发展规划起，持续加强对于燃料电池汽车的战略支持与产业引导。各项科技发展规划或纲要明确提出加强燃料电池电堆、发动机及其关键材料核心技术研究，提出重点围绕燃料电池动力系统等6大创新链进行任务部署，支持燃料电池全产业链技术攻关。在财政补贴方面，2016-2020年持续实施燃料电池汽车推广应用补助政策，根据2020年发布的后续通知，将对燃料电池汽车的购置补贴调整为选择有基础、有积极性、有特色的城市或区域，重点围绕关键零部件的技术攻关和产业化应用开展示范，中央财政将采取"以奖代补"方式对示范城市给予奖励。
多个氢能示范城市在相关发展规划中明确了未来燃料电池汽车推广的阶段性目标。自上海市发布第一个氢燃料电池汽车发展规划以来，各地政府密集出台氢能与燃料电池产业规划。包括张家口、成都、苏州等地均积极发展氢燃料产业并推广燃料电池汽车运营。根据部分省市的燃料电池规划，2025年燃料电池汽车有望达到10万辆以上。
2020年9月，财政部等五部委发布关于开展燃料电池汽车示范应用的通知，有望推动国内燃料电池汽车产业快速发展。燃料电池汽车支持政策，将对符合条件的城市群开展燃料电池汽车关键核心技术产业化攻关和示范应用给予奖励。今年新政策对适合燃料电池汽车示范的应用场景提高要求，已推广燃料电池汽车从此前的50辆提高到100辆，已建成并投入运营加氢站数从此前1座提高到至少2座，且单站日加氢能力不低于500公斤。
我国规划到2030年燃料电池汽车保有量达到100万辆。根据中国《节能与新能源汽车产业技术路线图》，到2025年氢燃料电池汽车保有量推广规模将达到5万辆，其中商用车1万辆、乘用车4万辆，加氢站超过300座。2030年，将实现大规模商业化推广累计100万辆，燃料电池系统产能超过10万套/企业，整机性能达到与传统内燃机相当。
2、燃料电池产业发展依赖于产品成熟和成本降低
燃料电池使用寿命难以满足运营车辆全生命周期使用，膜电极翻新延长电堆使用寿命。燃料电池通常具有5-10年的使用寿命，巴拉德领先的膜电极和双极板技术，为老化的燃料电堆更换新的膜电极（在整个电堆成本中占比27.5%左右），并循环使用原双极板和硬件。翻新后的燃料电堆将具备最新的膜电极和一套新的密封组件，并送还原始用户。翻新后的燃料电堆符合与新电堆相同的规格要求，但建造成本却低很多。
燃料电池成本是限制燃料电池汽车行业发展速度的主要因素，当前燃料电池汽车产业链各个环节成本构成如下：
氢气制备：1）当前氢气制备成本在20-30元/kg水平。2）氢气运输成本平均在2元+/kg（200公里以内）。
氢气加注：1）当前1个加氢站建设成本为1000-1500万/个（500kg/d水平）。2）国内氢气销售价格为70元左右/kg。
燃料电池：当前燃料电池售价为800~1000元/kw。
燃料电池汽车整车：1）当前在售燃料电池乘用车为45-50万元/辆。2）当前在售燃料电池商用车为上百万/辆。
氢能源成本降低将带动燃料电池汽车使用成本下降。目前的几种主流制氢路线中，采用弃风弃光的电力回收电解制氢成本最低，其次为发电侧直接用于电解制氢，用电侧采用谷电价制氢成本仍较高。我们预计随着化工制备的规模化效应、以及电力成本持续降低，将驱动氢能源制取的成本不断降低。
氢燃料电池汽车能源使用成本略高于传统燃油车，随着制氢成本下降有极大下降空间。以目前氢燃料约70元/kg的售价、百公里消耗0.8kg计算，氢燃料电池的能源使用成本为56元/100km，按6.7元/L的汽油价格、8L/百公里测算，燃油车能源使用成本为53.6元/100km，氢燃料电池能源使用成本略高于燃油车，有较大下降空间。预计几年后氢燃料电池的使用成本就将低于燃油车，全生命周期成本的比较主要将取决于购置成本。
规模效应将带来燃料氢能源利用综合成本降低。目前电堆成本120美金/kw，美国能源局预测，当达到1万台规模时，电堆成本将降至50美金/kw以下。当达到50万台规模时，燃料电池电堆及发动机成本可分别下降至19美元/千瓦及45美元/千瓦。
3、燃料电池汽车处于爆发前夜，有望复制纯电动汽车发展路径
全球燃料电池的应用场景正由以清洁电站、辅助电源向车用电源转变。燃料电池根据其应用场景不同可大体分为交通运输用、固定式、便携式燃料电池，近年来需求量均呈现爆发式增长。2019年全球燃料电池出货量达1129.6MW，2015年-2019年复合增长率达到39.52%。其中，交通运输领域需求上升尤为显著，年复合增长率达68.13%，2019年占比80%以上。
2015-2019年我国燃料电池汽车产量在政策扶持下迎来快速增长。2015年，我国燃料电池汽车上牌数仅10辆，在燃料电池汽车补贴政策的带动下，过去四年行业产销量迎来高速增长，2019年我国燃料电池汽车上牌数达到2737辆，同比增长79%。我国燃料电池汽车产业已经由过去政府主导的技术探索、示范运营阶段，逐步过渡到商业化初期阶段，预计今年及"十四五"期间燃料电池汽车仍将延续快速增长态势。
我国纯电动汽车2009年开始导入，2013-2015年迎来爆发增长，燃料电池汽车有望复制纯电动汽车发展。2009年，"十城千辆"计划发布，标志着我国纯电动新能源汽车产业化的开端。在经历了初始导入阶段后，2013年-2015年纯电动汽车进入爆发阶段。2013年纯电动汽车销量仅1.46万辆，2014、2015年分别实现了200%和400%以上的增长，2015年销量达到24.75万辆。目前燃料电池汽车也处于爆发前的导入阶段，未来五年有望迎来爆发临界点。
商用车是短期燃料电池汽车发展重点。由于目前我国加氢站建设数量仍较少、燃料电池汽车的购置成本较高，商用车尤其城市公交将会是短期最重要的燃料电池汽车应用场景。一方面，城市公交车、重卡等运营车辆的行驶路径较为固定，对加氢站数量的依赖较低；另一方面，我国商用车有较大的保有量基数，在燃料电池汽车发展初期，通过政府补贴、奖励示范等应用等方式先实现燃料电池汽车的规模化生产，有望复制此前纯电动汽车领域"以公带私"的模式，推动氢燃料电池产业链的成本下降。目前我国商用车头部企业如宇通、福田、中国重汽等车企均已在燃料电池领域积极布局。
燃料电池乘用车领域目前以日韩车企为主。在乘用车领域，全球燃料电池汽车销量主要由丰田、本田和现代3家日韩企业贡献。目前燃料电池乘用车售价远高于传统车或纯电动汽车，丰田的全新第二代Mirai已在德国正式开售，售价6.39万欧元（约合人民币50.5万元）。国内目前生产的燃料汽车几乎全部是客车以及专用车的重型车，乘用车还没有规模化的量产。短期我国燃料电池乘用车的产销量增长速度，一是受限于车辆购置成本，二是乘用车适用的加氢站数量。
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