钜大LARGE | 点击量：729次 | 2019年03月21日
燃料电池汽车商业化进程
前言：
近年来，能源安全问题和环保压力愈发凸显，全球各国都在大力推动新能源汽车发展。纯电动汽车和插电混动汽车因技术相对简单而获得了快速发展，燃料电池汽车相较于纯电动汽车，具有续驶里程更高、加氢速度快等特点，但技术难度高，已经成为各国和龙头车企接下来产业化发展的重点方向之一。
▌燃料电池商业化进程持续推进
日本、美国、欧洲、韩国和中国是燃料电池汽车发展的推动者，纷纷推出燃料电池汽车支持政策，各国根据自身能源发展情况，针对各个阶段提出了燃料电池产量、燃料电池汽车规划、加氢站建设数量等具体目标。
各国的燃料电池商业化进程已有突破，龙头车企已推出多款燃料电池汽车，产品性能有所提升，2013~2017年全球燃料电池乘用车累计销量6475辆，其中2017年销量为3260辆，同比增长41%；
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%
从地区分布看，燃料电池乘用车销售主要集中于北美和亚洲，销量占比分别为53%和38%。
▌中国：尚处于发展初期，燃料电池商用车成为突破口
中国政府大力支持新能源发展。我国对于燃料电池的政策扶持和财政补贴起源已久，早在2001年9月，启动的“863电动汽车重大科技专项计划”就提出，国家拨款8.8亿，确定了以“三纵三横”为核心的电动汽车专项矩阵式研发体系，其中包含了对燃料电池汽车和燃料电池系统的研发。
近年来，随着氢燃料电池技术的突破、新能源汽车的快速发展，以及国家对清洁能源的日益重视。
我国开始加大对氢燃料电池领域的规划和支持力度，政策出台也越来越集中。
尤其是《中国制造2025》提出实现燃料电池汽车的运行规模进一步扩大，达到1000辆的运行规模，到2025年，制氢、加氢等配套基础设施基本完善，燃料电池汽车实现区域小规模运行。更是将发展氢燃料电池的发展提升到了战略高度。
中国燃料电池乘用车尚处于试验验证阶段，商用车成为突破口。
中国出台了新能源汽车补贴政策，且在电动汽车补贴退坡的情况下，燃料电池汽车补贴不退坡，表明对燃料电池汽车的大力支持，但中国的燃料电池汽车发展速度仍较慢。
目前中国燃料电池乘用车仅有概念车，上汽集团曾于2015年4月推出首款国产燃料电池乘用车荣威750FCV，于2017年推出荣威950FCV，但都未量产。
中国燃料电池商用车经过多年研发已进入商业化阶段，多家车企推出了燃料电池商用车产品，2017年《新能源汽车推广应用推荐车型目录》中仅有3款专用车、19款客车入榜，而2018年增至26款专用车、60款客车，专用车、客车车型数分别
是2017年的8.67、3.16倍，其中东风汽车、宇通客车、申龙客车分别凭借19、14、12辆的入榜量成为前三车企。2018年中国燃料电池汽车产销均完成1527辆，包括1418辆燃料电池客车以及109辆燃料电池货车。
燃料电池汽车研发取得一定突破，基础设施建设尚待完善。
国内氢燃料电池汽车研发经过多年发展已有一定突破，一方面是续航里程有所提高；另一方面，则是整车制造成本有所下降。
在基础设施建设方面，截至2018年，中国共有25座建成的加氢站(其中3座已拆除)，另有多座在建，但多数仅供示范车辆加注使用，暂未实现全商业化运营。
燃料电池汽车推动力度加强。
2016年工信部组织制定的《节能与新能源汽车技术路线图》明确提出：
2020年实现5000辆级规模在特定地区公共服务用车领域的示范应用，建成100座加氢站；2025年实现5万辆规模的应用，建成300座加氢站；2030年实现百万辆氢燃料电池汽车的商业化应用，建成1000座加氢站。
2017年，上海市在国内率先发布了《上海市燃料电池汽车发展规划》，明确提出：2020年建设加氢站5~10座，示范运行规模达到3000辆；2025年建成加氢站50座，乘用车推广不少于2万辆、其它特种车辆推广不少于1万辆。
龙头车企加大燃料电池汽车布局
龙头车企已推出多款燃料电池汽车，产品性能有所提升。
自现代ix35FCV上市开启燃料电池汽车的商业化进程以来，已有5款燃料电池乘用车实现量产上市，在此期间也有多家车企推出了燃料电池概念车，包括奥迪和上汽。
对比这些车型的性能，在续航里程、百公里加速、电机功率等方面都有不同程度的提升，例如对比现代旗下的两款车型ix35FCV和NEXOBlue，NEXOBlue的续航里程、百公里加速、电机功率分别提升了44%、22%、22%，百公里氢耗下降了33%。
龙头车企加大燃料电池汽车布局
目前已有多家国际汽车巨头公布产品布局和销量规划，其中丰田提出到2020年燃料电池车年销量扩大至3万辆以上，到2050年燃料电池汽车和纯电动汽车占总销量的三成；
现代提出在2020年之前推出2款氢燃料电池车型(已实现)，计划在2030年新建两座工厂，生产50万辆燃料电池电动汽车和70万套燃料电池系统。
部分国内车企将燃料电池汽车纳入发展规划。据相关资料显示，目前国内具备燃料电池汽车生产资质的企业有13家：
宇通客车、福田汽车、上汽集团、上汽大通、申龙客车、中植汽车、金龙客车、东风、飞驰客车、奥新、南京金龙、青年汽车、蜀都客车。目前仅7家车企发布了发展规划，尚属少数，不过上汽大通、五洲龙等车企的燃料电池商用车已进入示范运营阶段，后续量产可期。
车企采用合作方式推进燃料电池汽车研发和商业化。车企的合作对象主要有两种：其一是其他龙头车企，宝马和丰田、通用和本田、现代和奥迪等先后展开了合作，共同开发燃料电池系统、储氢技术、燃料电池关键组件等，加速推进燃料电池汽车商业化进程。
其二是产业链上下游公司，如奥迪与巴拉德在燃料电池系统上展开合作，并于2018年6月宣布就目前的科技解决方案合同延长3.5年的合同期限；长城汽车收购上燃料动力51%股权，布局燃料电池驱动技术；福田汽车与亿华通联合研制燃料电池客车，并拟间接认购亿华通部分股权。
▌燃料电池汽车行业空间广阔
根据中、日、韩政府相继提出的截至2030年燃料电池汽车的规划，同时我们预计欧洲、美国2030年燃料电池汽车数量分别达到360万辆和300万辆，测算出到2030年全球燃料电池汽车累计销量为1030万辆，市场规模超过36000亿元，其中中国市场规模约为3500亿元。
▌产业链梳理
国内外技术差距逐步缩小，长期发展仍需统筹兼顾
燃料电池汽车产业链涉及氢能供应和燃料电池汽车两方面内容：氢能供应包括氢气从生产、储存、运输到加注、使用的全过程；燃料电池汽车包括车载储氢系统、燃料电池系统、电驱动系统、整车控制系统和辅助储能装置等新元素。
从整个产业链条看，燃料电池汽车的推广和应用涉及面广，无论对车辆本身还是对氢的制备、储运、应用等，都有较高要求。
统筹发展制氢加氢产业是燃料电池汽车推广的基础类似于燃油汽车的采油-炼油-运油-加油站产业链和电动汽车的发电-电力输配-充电桩产业链，燃料电池汽车有制氢-储氢-运氢-加氢站产业链。
制氢：
制氢是将存在于天然或合成的化合物中的氢元素，通过化学的过程转化为氢气，主要包括煤气化制氢、水电解制氢、天然气重整气制氢、甲醇裂解制氢等工艺。
全球来看，目前主要的制氢原料96%以上来源于传统能源的化学重整(48%来自天然气重整、30%来自醇类重整，18%来自焦炉煤气)，4%左右来源于电解水。
对比几种主要制氢技术的成本，煤气化制氢的成本最低为1.67美元/千克，而电解水制氢成本最高约为5.2美元/千克。
技术进步和规模效应推动电解水制氢。虽然目前水电解制氢成本远高于石化燃料，但用化石燃料制取氢气不可持续，不能解决能源和环境的根本矛盾。
并且碳排放量高，煤气化制氢二氧化碳排放量高达193kg/GJ，天然气重整制氢也有69kg/GJ，对环境不友好。
而电解水制氢是可持续和低污染的，这种方法的二氧化碳排放最高不超过30kg/GJ，远低于煤气化制氢和天然气重整制氢。
电解水制氢成本主要来源于电价、固定资产投资、生产运维，其中电价是造成电解水成本高的主要原因，因而电价的下降必将带来氢气成本的大幅下降。
同时技术发展、规模化效应，都会使氢气成本下降。我国可再生能源丰富，每年弃水弃风的电量都可以用于电解水。我国拥有水电资源3.78亿千瓦，年发电量达到2800亿千瓦时。
我国风力资源也非常丰富，可利用风能约2.53亿千瓦时。但风电由于其不稳定的特性，较难上网，因此每年弃风限电的电量规模庞大。如果将这部分能源充分利用起来，有利于电解水制氢的发展。
目前，国内制氢产业有待进一步发展，专门的氢气制造企业数量不多。
从地区分布来看，国内氢气制造业在东部沿海地区发展较快，内陆地区缓慢。制氢企业的分布同样有明显的地域特征。
目前，国内制氢企业东部沿海多内陆少，其中以北京市、山东省、江苏省、上海市、广东省最为集中，占全国制氢总量超60%。
储氢
氢气具有极高的质量能量密度，但体积能量密度却很低，使用过程中必须通过压缩的形式进行储存，因此其储存装置必须满足耐高压、高强度和气密性要求。
氢的存储主要包括高压气态储存、固态氢化物储存、低温液氢储存等方式，相应的，其运输方式主要包括车船运输和管道运输等。
车载储氢方面，目前日本和欧美等国家燃料电池汽车上装载的储氢罐，承受压力均为70MPa。
基于此储氢技术，燃料电池汽车的续驶里程已达到传统汽车水平，且加氢时间在5分钟之内。
加氢站
在氢能应用层面，加氢站及其他基础设施的建设是未来发展的重点。截至2018年底，全球共有369座加氢站。
其中欧洲152座，亚洲136座，北美78座。但在全部369座加氢站中，仅273座为公共加氢站，可供所有人使用。其余加油站则保留给封闭用户群，并供应公共汽车或车队车辆。
目前一个新的加氢站的建设成本在200-500万美元左右。
日本建设一座中型加氢站的投资在500~550万美元；在美国需要280~350万美元。
与国外相比，在国内建立一座加氢站具有成本方面的优势，国内建设一座加氢站(35Mpa)的投资在200~250万美元之间。
随着加氢站建设数量的增多，势必出现规模效应，加氢站的建设成本将有效下降。
截至2018年12月，中国共有25座建成的加氢站(其中3座已拆除)，主要分布在经济比较发达、有汽车产业基础的地区，以及地方政府有意愿实施新旧动能转换的地区。目前80%的加氢站集中在广东、上海、江苏、湖北、辽宁五个省份地区。
统筹发展制氢加氢产业是燃料电池汽车推广的基础。
欧美日韩发达国家均是把制氢、加氢站建设放在了战略发展、区位优先发展、集中优势发展位置。
集中国家力量发展氢能产业并做示范推广，从而确保氢能燃料电池产业应用推广的基础建设得以配套。
目前我国加氢站建设主体众多，缺乏国家统筹和政策配套措施。
加氢站是公共事业范畴，目前项目选址、规划管理、安全运营缺乏监督与管理。
另外加氢站投资巨大，同时也要集中规模化科学管理，以降低建设运营成本和安全运行。
▌国内燃料电池产业链趋于完善，国内外技术差距逐步缩小
燃料电池：降低成本、提高寿命是发展方向
燃料电池是燃料电池汽车的心脏，其重要性等同于燃油汽车的发动机、电动汽车的动力电池。
燃料电池是把燃料中的化学能通过电化学反应直接转换为电能的发电装置，其发电原理与原电池或二次电池相似，电解质隔膜两侧分别发生氢氧化反应与氧还原反应，电子通过外电路作功，反应产物为水。
燃料电池单电池包括膜电极组件(MEA)、双极板及密封元件等。
膜电极组件是电化学反应的核心部件，由阴阳极、多孔气体扩散电极和电解质隔膜组成。
额定工作条件下，一节单电池工作电压仅为0.7V左右，实际应用时为满足一定的功率需求，通常由数百节单电池组成燃料电池电堆或模块。
因此，与其他化学电源一样，燃料电池电堆单电池间的均一性非常重要。
质子交换膜燃料电池应用最多，出货量占比达73.35%。按电解质分类，燃料电池一般包括质子交换膜燃料电池(PEMFC)、碱性燃料电池(AFC)、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。
其中，质子交换膜燃料电池因具有工作温度较低、启动时间快、操作条件温和等特点，成为应用最广的燃料电池，E4tech基于2018年1月~10月的数据，预计2018年质子交换膜燃料电池出货量为589.1MW，占比高达73.35%。
燃料电池充氢速度快、氢气热值高且安全性高，但动力系统复杂、寿命较短且技术尚不成熟。
对比发动机、三元动力电池和燃料电池这三种动力装置，从燃料工作方式看，燃料电池与发动机类似，其燃料是在电池外携带的，而动力电池的活性物质则封装在电池内部，燃料电池所用的氢气可以像燃油汽车的汽油一样充装，仅需要几分钟时间；
从动力系统组成看，三元电池较简单，而发动机和燃料电池的动力系统较为复杂，需要多个系统配合共同发挥作用，其中燃料电池发电系统除燃料电池电堆外，还包括燃料供应子系统、氧化剂供应子系统、水热管理子系统及电管理与控制子系统等；
从热值看，氢气的热值很高，是汽油的3倍多，能量密度也远高于三元电池；从安全性看，发动机和燃料电池的安全性都高于三元电池；但燃料电池的使用寿命相对较短，同时现在技术尚不成熟，离商业化还有较长的路要走。
全球燃料电池出货量保持增长，交通运输用途成为燃料电池增长主力。
全球燃料电池出货量基本保持增长趋势(2014年同比下降或由于数据源不同)，E4tech基于2018年1月~10月的数据，预计2018年燃料电池总出货量为7.43万个，对应功率规模为803.1MW，其中用于交通运输用途的出货量为562.6MW，同比增长29.13%，占比达到70.1%；
而按系统数量看，用于交通运输用途的燃料电池出货量占比也逐步提高，交通运输用途已成为燃料电池增长的主力。
成本仍是燃料电池商业化的主要挑战。根据美国能源部(DOE)数据，近十年燃料电池成本下降了60%，燃料电池系统年产量水平为50万个/年、10万个/年和1千个/年的单位成本在2017年分别为45美元/kW、50美元/kW和180美元/kW，而用于燃料电池汽车的燃料电池系统单位成本则达到230美元/kW(年产量水平为1千个/年)，目前大部分燃料电池生产企业的年产量尚未能达到10万个/年，因此成本仍然处于高水平。
美国能源部制定的目标是到2025年燃料电池系统的单位成本下降至40美元/kW(年产量水平为50万个/年)，最终下降至30美元/kW；而我国的目标则是到2030年系统成本低于200元/kW。
质子交换膜：燃料电池的核心元件
质子交换膜是质子交换膜燃料电池(PEMFC)的核心元件，以全氟磺酸膜为主，目前国产化进程提速。
质子交换膜目前主流趋势是全氟磺酸增强型复合膜，质子交换膜逐渐趋于薄型化，由几十微米降低到十几微米，降低质子传递的欧姆极化，以达到更高的性能。
开发低铂、高反应效率的CCM型薄催化层膜电极是目前质子交换膜燃料电池开发的重要技术方向。
国外企业有美国的Gore、科慕、3M、日本的旭化成等，国内能够批量化供应只有山东东岳，山东东岳的产品已经进入了奔驰的供应链体系。
催化剂
研发低铂或非铂催化剂是降低成本的有效途径降低催化剂中铂的含量或开发非铂催化剂是未来发展方向。
催化剂是燃料电池的关键材料之一，在质子交换膜燃料电池系统的成本中，电堆成本占比最高，达60%左右，其是燃料电池的电能来源；而在电堆的成本构成中，催化剂的成本占比最高，在50万个/年的年产量水平下高达41%。
因此，降低催化剂的成本是降低燃料电池成本的关键，而目前常用的商用催化剂是Pt/C，尽管Pt用量已从10年前0.8~1.0gPt·kW-1降至现在的0.3~0.5gPt·kW-1，但含量仍较高；Pt催化剂除了受成本与资源制约外，也存在稳定性问题，燃料电池在车辆运行工况下，Pt催化剂会发生衰减。
因此，降低催化剂中Pt的含量或研究新型高稳定、高活性的低Pt或非Pt催化剂，以降低催化剂的成本并提高燃料电池的寿命是燃料电池的未来发展方向。
燃料电池催化剂的国外生产商主要有英国JohnsonMatthery、德国BASF、日本Tanaka、日本日清纺、比利时Umicore等；国内有贵研铂业、武汉喜马拉雅、中科中创、苏州擎动动力、昆山桑莱特等。
扩散层：国内生产依旧受制于技术瓶颈
扩散层主要作用是为参与反应的气体和生成的水提供传输通道、支撑催化剂。
扩散层由基底层和微孔层组成，其中基底层材料大多是多孔碳纸或碳布，微孔层通常由导电炭黑和憎水剂构成。扩散层规模化生产将会带来大幅的成本削减。
DOE数据显示，2017年每生产10万套质子交换膜燃料电池系统成本50美元/kW，其中扩散层占比9%；每生产50万套质子交换膜燃料电池系统成本45美元/kW，其中扩散层占比6%。
目前全球碳纸/碳布生产厂家较少，供应商主要为日本东丽、德国西格里(SGL)集团、日本JSR、加拿大Ballard、台湾碳能等。
东丽占据较大的市场份额，我国对碳纸的研发主要集中于中南大学、武汉理工大学等高校。
中国大陆气体扩散层量产技术还是空白，主要原因是气体扩散层的石墨化工序需要2000°C以上的高温，但高温炉技术尚未掌握。
膜电极：降低成本、增加使用寿命是技术方向
燃料电池单体内部最重要的部件就是膜电极，它是燃料电池发电的关键核心部件，决定了电堆性能、寿命和成本的上限。
膜电极由质子交换膜、催化剂和扩散层组成，其与其两侧的双极板组成了燃料电池的基本单元。
在实际应用中将多个单电池组合成为燃料电池电堆以满足不同大小功率输出的需要。
膜电极在成本和寿命方面有严格的要求，降低铂的使用量可以大幅降低成本，但燃料电池的反应效率也会大大减少。
催化层不均匀涂布到膜上，超过几千小时后会发生漏气的情况，减少燃料电池的寿命。
膜电极的主要制造商是3M，杜邦(Chemours)，GORE，庄信万丰，Ballard，Greenerity等。3M是市场占有率最高20%的公司，其次是杜邦(Chemours)占有16%的市场份额。
国内膜电极供应商主要是武汉理工新能源，其产品主要供应美国PlugPower公司。
大连新源的膜电极产品主要是为上汽的发动机配套。国产膜电极性能与国际水平接近，但专业特性上如铂载量等性能与国际水平还有一定差距。
双极板：石墨、金属各有所需
双极板是质子交换膜燃料电池除了质子交换膜以外的另一个核心组成部分，占整个燃料电池60%的重量和20%的成本，起到收集传导电流、分隔氧化剂和还原剂以及支撑电池等作用，其性能优劣直接影响电池的输出功率和使用寿命。
双极板材料目前主要是石墨双极板和金属双极板，丰田Mirai、本田Clarity和现代NEXO等乘用车均采用金属双极板，而商用车一般采用石墨双极板。
由于燃料电池特殊的工作环境，要求双极板除具有高导电性，强耐蚀性和疏水性，同时还要具有高的机械强度、高的阻气能力和低成本、易加工等特性。
石墨基双极板的主流供应商有美国POCO、美国SHF、美国Graftech等。
石墨双极板已实现国产化，国产厂商主要有上海神力、上海弘枫等公司。
国外金属双极板主要供应商有瑞典Cellimpact、德国Dana、德国Grabener、美国treadstone等。
国内还处于研发试制阶段，上海佑戈、上海治臻新能源、新源动力等企业研制出车用燃料电池金属双极板，并尝试在电堆和整车中实际应用。
复合双极板的研发目前还比较少，国内仅有大连新源动力和武汉喜玛拉雅等企业有所涉及。
电堆：国内尚处于技术验证阶段
燃料电池产业链中游是将上游的材料和部件进行组装，集成到燃料电池系统。
国外乘用车厂大多自行开发电堆，也有少数采用合作伙伴的电堆来开发发动机的乘用车企业，例如奥迪和奔驰。
目前国外可以单独供应车用燃料电池电堆的知名企业主要有加拿大的Ballard和Hydrogenics，欧洲和美国正在运营的燃料电池公交车绝大多数采用这两家公司的石墨板电堆产品。
国内生产电堆的企业主要有大连新源动力和上海神力，大连新源动力采用的是金属板和复合板的技术路线，与上汽合作，开发了荣威950乘用车和上汽V80客车。
上海神力成立于1998年，是中国第一家专业的燃料电池电堆研发生产企业，目前两家都建成了燃料电池电堆中试线，正处于从小批量到产业化转化的关键阶段。
另外有一些新兴的燃料电池电堆企业，例如弗尔塞、北京氢璞、武汉众宇等，也开发出燃料电池电堆样机和生产线，正处于验证阶段。
▌燃料电池汽车：续航里程长、充能时间短，但仍存劣势
燃料电池产业链下游主要是燃料电池汽车。
燃料电池汽车的主流技术为燃料电池与二次电池“电-电”混合模式，平稳运行时依靠燃料电池提供动力；需要高功率输出时，燃料电池与二次电池共同供电；在低载或怠速工况燃料电池在提供驱动动力的同时，给二次电池充电。
这种“电-电”混合模式，可使燃料电池输出功率相对稳定，有利于燃料电池寿命的提升。另外，燃料电池输出电压要通过DC-DC变换器使之与电机匹配。
相较于纯电动汽车，燃料电池汽车具有续航里程长、充能时间短等优势。
对比分析三种汽车的性能，相较于纯电动汽车，燃料电池汽车的续航里程更长、充能时间明显减少(仅需几分钟)；相较于燃油汽车，燃料电池汽车和纯电动汽车的能量转换效率更高，同时在不考虑制氢运氢和发电的情况下零排放无污染，且使用成本较低。
但是燃料电池汽车的劣势也很明显，目前燃料电池汽车的使用寿命难以与纯电动汽车和燃油汽车相较，同时由于目前技术尚不成熟，其制造成本高(尤其是燃料电池系统成本)，实际能量转换效率也不及纯电动汽车；此外氢能源链尚不完善，使氢气的成本和售价偏高，造成燃料电池汽车的使用成本高于纯电动汽车，但下降空间也较大。
燃料电池汽车商业化仍存痛点。
中国和其他领先国家都出台了支持政策推动燃料电池汽车发展，但中国的燃料电池乘用车尚未商业化，还存在一些痛点：
关键技术不成熟、未实现国产化。
中国的燃料电池汽车核心部件的技术尚不成熟，落后国外厂商至少3~4年的时间，国内燃料电池电堆、进风系统的风机、升压DC-DC等关键材料的生产厂家还不多且多处于研发、少量试运行阶段，仍需要进口，造成系统成本提高；
技术壁垒较低的燃料电池动力系统集成的国产化程度也不高；空压机、加湿器、氢循环装置等附件系统仍需要进口；
在续航能力、电池寿命等性能方面，与国外存在较大差异。燃料电池汽车关键部件和关键材料要实现国产化尚有很长一段路。
大洋电机、潍柴动力分别于2016年、2018年收购燃料电池领导者巴拉德9.9%、19.9%的股份，有利于引进先进技术。
制氢、储氢、运氢、加氢站产业链发展和基础设施配套尚不完善。
目前氢产业链发展尚不完备，例如虽然有燃料制氢、氯碱工业副产品、电解水等制氢技术，但是燃料制氢不环保且仍需依赖化石能源，后两者需用电解方式、成本受制于电的成本。
氢产业链的不完备以及现阶段氢的使用较少而难以形成规模效应，造成制氢成本较高。
同时，制氢设备、运氢设备、加氢站等基础设施的不完善也加剧了燃料电池汽车推广和商业化的难度。
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