钜大LARGE | 点击量：2038次 | 2019年05月27日
燃料电池汽车概述与市场空间
1.1.燃料电池发电:环保高效，优势明显
燃料电池是一种不经过燃烧过程的高效电化学能转换装臵。利用水的电解的逆反应，将氢气(等燃料)和氧化剂中的化学能连续不断地转化为电能。燃料电池的工作原理:H2到达气体扩散层后，在催化剂作用下氧化成H+和e-，H+通过电解质膜与在阴极的O2反应生成水，在阳极产生的e-则通过外电路从阳极流向阴极，从而形成电流。在燃料电池的反应中，氢气作为燃料被消耗，而电能的产生取代了热能的释放。
效率高，更环保，燃料电池发电优势明显。对比传统石化燃料的发电方式，燃料电池主要具有八点优势:
1)发电效率高。不受卡诺循环限制，理论发电效率能达到85%-90%，目前燃料电池的能量转化效率能达到40-60%，若实现热电连供则能实现80%以上。
2)环境污染小。若以天然气做燃料，CO2排放比热机减少40%;避免高温燃烧过程几乎不会排放NOx和SOx。
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%
3)比能量高。液氢燃料电池比能量是镍镉电池的800倍，目前燃料电池实际比能量只有理论值的1/10，但是仍高于一般电池。
4)噪音低。燃料电池结构简单，运动部件少，即使在11MW级别燃料电池发电厂附近，所测得噪音也低于55dB。
5)燃料范围广。只要含有氢原子的物质都可以作为燃料，例如:天然气、石油、酒精、甲醇等。
6)可靠性高。当负载变动时，燃料电池响应快，无论出于过载或低载运行，都能较好承受且保证效率。
燃料电池的缺点主要在成本较高，对燃料的要求较高。燃料电池的价格是其他发电机组(内燃机、燃气轮机)的2~10倍，燃料氢气等的制备也相对较为复杂。
1.2.燃料电池分类:质子交换膜燃料电池最适合用于汽车
燃料电池通常按电解质种类分类，质子交换膜燃料电池前景广阔，最适用于汽车等移动交通工具。主要有以下六种:
碱性燃料电池(AFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)、直接甲醇燃料电池
(DMFC)、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(SPFC)六种，主要特点如表1所示。
直接甲醇燃料电池(DMFC)不直接使用氢气作为燃料，而是使用了液态甲醇，这种电池的功率很低，但作为可移动电子设备的电源仍有很大潜力，可应用于需长时间工作但耗电少而平稳的设备中。
磷酸燃料电池(PAFC)是世界上广泛应用和最早投入商业化生产的燃料电池，由国际燃料电池公司(现为UTC燃料电池公司)和一些日本公司生产的200kW的燃料电池已在美国和欧洲安装。氢燃料的问题通过重整天然气来解决，但这也增加了设备的成本与复杂性，且这类燃料电池的电解质对电堆的腐蚀性较强。
碱性燃料电池(AFC)的重要性相对降低，也缺少巨大的研究热情，但这类燃料电池的电压损失较小，且其电解质氢氧化钾的成本比任何一种类型的电解质成本都低很多，但同时也存在CO2与碱性电解质反应的问题。
固态氧化物燃料电池(SOFC)在500至1000°C之间工作，这意味着无需昂贵的催化剂就能达到相当高的反应速率，且像天然气这样的气体可以直接应用，或者在电池内部重组，无需一个独立的制氢系统，但由陶瓷材料构成的电池很难加工制造，生产成本很高，还需大量额外设备。
同样作为中高温燃料电池，熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)可以利用余温增加效率，适用于大型电站，但高温运作会同时带来安全隐患。
质子交换膜燃料电池(PEMFC)是目前应用前景最为广阔的燃料电池类型，适用于汽车、移动电源、小型发布式发电、特种推动等领域，具有低温快速启动的特点，且不适用有腐蚀性的液态电解质，但这类燃料电池直接使用氢气作为燃料，成本与技术要求较高。
1.3.蓝海市场高增速，交通领域应用前景最广阔
燃料电池历史悠久，当前已经逐步具备产业化条件。
早在1839年，英国科学家WilliamGrove就发明氢氧气体燃料电池。采用铂片电极、稀硫酸做电解液。但由于质量不高，燃料电池的输出功率和电压均较低而没有得到应用。
1900年，W.Nernst制作出第一个固体氧化物燃料电池(SOFC)。
1958年，美国通用电气的科学家LeonardNiedrach和WillardThomasGrubb研制出世界第一个质子交换膜燃料电池。
1983年加拿大巴拉德公司在固体电解质材料上取得重大进展，将电解水的Nafion膜用于燃料电池，使燃料电池功率提升千倍。
如今，燃料电池行业正处于快速导入期，自2009-2018年实现九年九倍的行业增长。根据E4Tech的报告，2009-2018年，全球燃料电池出货量从最初的86.5MW增长至当前(估计)的803.1MW，实现9年9.3倍的增长，年均复合增速约28%。2018年全球燃料电池的出货量为7.43万套，同比增长5.4%，对应规模803.1MW，同比增长21.9%，2015至2017年的年增长率均在25%以上，至今仍保持快速增长。
在各类燃料电池中，质子交换膜燃料电池(PEMFC)的应用最多，2018年的占比达到73.4%。根据E4Tech数据，2009-2018年PEMFC出货量从60MW增加至589.1MW，九年十倍，复合增速29%。2018年全球PEMFC出货量589.1MW，占比73.4%，大幅领先第二名PAFC(97.3MW)和第三名SOFC(91MW)。出货台数方面，PEMFC出货台数从2013年略有下滑，但是单台容量提升推动了增长。
交通运输已逐渐成为燃料电池的主要应用领域。燃料电池主要在固定电站、便携电源和交通运输领域应用，根据E4Tech提供的数据，交通运输用途的燃料电池的全球出货量近年来持续走高，且增幅明显，在2018年用于交通运输的燃料电池按规模达到562.6MW，同比增长29.1%，占2018全年的全球燃料电池出货量的70.1%，已经成为燃料电池最广泛的应用市场。
2.1.商业化落地加速，清洁+加氢快是FCV的比较优势
燃料电池汽车是通过燃料电池发电驱动电机运转的汽车，也是电动车的一种。燃料电池汽车的工作原理为:作为燃料的氢在汽车搭载的燃料电池中，与大气中的氧气发生氧化还原化学反应，产生出电能来带动电动机工作，由电动机带动汽车中的机械传动结构，进而带动汽车的前桥(或后桥)等行走机械结构工作，从而驱动电动汽车前进。
燃料电池汽车相比纯电动汽车有燃料清洁环保、能量密度高、补充能量快的显著优势。目前氢燃料的主要来源是工业副产氢(焦炉气中提取)、化石燃料(天然气)制氢等，但未来可以利用水电、太阳能、风能、地热能等再生能源制取氢燃料，且燃料电池汽车的加氢时间仅需3分钟，相比纯电动车动辄1小时的充能时间有着明显的优势，燃料电池汽车的能量密度也更高，一辆汽车行驶500km，大约需要37L燃油、6kg氢气或者100kWh的电能，不同储能介质和设备的体积重量差别很大，锂电池的能量密度最小，燃料电池则介于锂电池和燃油之间。燃料电池汽车具备多方面性能优势，未来有潜力取代纯电动汽车成为未来交通工具的最佳解决方案。
目前丰田、本田、现代等车企在燃料电池汽车取得的成果来看，燃料电池汽车的技术已经初步成熟，也具备了和纯电动车竞争的能力，未来加氢站的建立与布局将与燃料电池汽车商业化发展紧密相关。
燃料电池汽车已经发展了八十余年，在2014年随着丰田Marai推出，实现了在乘用车领域的商业化。燃料电池汽车并不是新概念，早在1933年第一辆质子交换膜燃料电池汽车(EnergyPartnerConsulier)问世，标志着质子交换膜燃料电池正式登上燃料电池汽车的历史舞台，并一直延用至今。在1966年美国通用汽车就开发了世界上第一辆燃料电池车(ChevroletElectrovan)，行使里程约120公里，最高速度可达70公里/小时，但成本昂贵，只生产了这一辆。2008年戴姆勒、福特、通用、本田、现代-起亚、日产-雷诺、丰田等七大全球汽车制造商签署谅解备忘录，将2015年作为大举推进燃料电池汽车量产的时间节点。在2014年，丰田推出售价约为37万人民币的燃料电池汽车Mirai，600公里的续航历程、3分钟加氢时间，宣布氢燃料电池车实现商业化，进入了商业推广阶段。
2.2.政策持续加码助推，车企发布FCV战略规划
2.2.1.美、日、欧:三个国家和地区均出台燃料电池中长期规划
美国非常重视新能源的建设，是最早进行燃料电池乘用车研发的国家之一，政策也大力推动了美国燃料电池汽车的发展。目前美国能源部(DOE)和特种部(DOD)成为发展涉及氢能和燃料电池发展的两大核心部门。早在2005年美国出台《能源政策法》，将发展氢能和燃料电池技术的有关项目及其财政经费授权额度明确写入法中，今后10年间将投入123亿美元支持氢能和燃料电池技术研发。2012年美国能源部(DOE)宣布将投资240万美元用于收集和分析加氢站氢气加注部件的数据，同年颁布新能源投资税抵免政策，任何氢能基础设施的运行均可享受30%-50%的税收抵免。根据美国能源部燃料电池技术办公室(U.S.DOEFCTO)2018年发布的报告，2017年底美国在氢能和燃料电池技术领域已累计获得超过650项美国专利，其中大约30项技术已被工业界商业化，例如电解槽和氢能燃料电池系零部件，另外大约75项技术在未来几年内很可能商业化。
根据AutoAlliance/HISMarkit的数据，2018年全美燃料电池汽车累计销量4819辆。同时美国在城市中心进行了许多燃料电池客车项目，通过政府提供燃料费用和补贴来鼓励交通公司使用燃料电池客车，通过评估这些巴士的试运营情况，评估燃料电池的系统运行情况，并将其中的经验用于下一代燃料电池系统，根据美国可再生能源实验室(NREL)提供的数据，截止2018年12月11号，这项计划共有40个燃料电池巴士项目，其中在运营12个，规划中9个，已完成9个，正在运营的大巴数量达到了35辆，另外有39辆大巴正在制造。此外，美国在加州大力建设加氢站，截止2018年2月美国共有39座加氢站处于运营中，保有量世界第三，其中31座属于零售站，加利福尼亚州有35座。根据外媒报道，丰田将与壳牌合作，在美国加州建造7座加氢站，两家公司将为该项目出资1140万美元，而加州能源委员会也将出资1640万美元，旨在实现在2024年前拥有100座加氢站的目标。
日本政府受制于能源压力，大力推广燃料电池汽车产业。日本的能源结构问题严峻，能源资源严重依赖于海外供给，存在严重安全风险，根据2018年日本经济产业省公布的《第五期能源计划》，由于核电发展停滞等情况恶化，日本能源自给率从2010年度的20%降至2016年度的8%左右，且政府面临巨大减排压力，日本一直致力于清洁可持续能源的开发利用。日本人口密度大、地域面积小，对氢能的运输和加氢站的建设都比较有利，因此日本从2009年起，就通过购臵补贴等手段推广燃料电池汽车的发展。
2014年日本氢能和燃料电池战略委员会制定了《氢和燃料电池战略路线图》，2015年NEDO发布《氢能源白皮书》，将氢能源列为第三大支柱，随后在2017年12月发布《基本氢战略》，2018年7月提出《战略能源计划》，并于2018年10月发布《东京声明》，根据日本产经省METI的计划，日本将在2020年底之前产能达到4万辆燃料电池电动汽车，到2025年将达到20万辆，2030年达到80万辆，丰田等车企也在推动燃料电池堆和高压氢罐的大规模生产，日本政府长期、明确的发展战略推进了氢燃料电池产业在日本的发展，目前日本在氢燃料电池领域的技术在世界领先。
日本经济产业省发布的《氢能基本战略》也明确制定了加氢站的建设目标:2020年要达到160个，2025年要达到320个，2030年要增加到900个，以推动日本迈入氢能社会。
欧盟于2008年出台了燃料电池与氢联合行动计划项目(FCH-JU)，至2013年至少斥资9.4亿欧元用于燃料电池和氢能的研究和发展。2014年至2020年，欧盟启动Horizon2020计划，在该计划中氢和燃料电池的投入预算可能达到220亿欧元。而根据2019年2月下旬欧洲燃料电池和氢能联合组织(FCH-JU)发布的《欧洲氢能路线图:欧洲能源转型的可持续发展路径》，欧盟提出面向2030、2050年的氢能发展路线图，为欧洲大规模部署氢能和燃料电池指明方向，阐明了发展氢能的社会经济效益:到2030年氢能产业将为欧盟创造约1300亿欧元产值，到2050年达到8200亿欧元，届时氢气可以提供高达24%的总能源需求，或者达到欧盟2251TWH的能源需求。
加氢站方面，根据H2stations.org发布2019年发布的第11期全球加氢站统计报告，截止2018年底，全球共有369座加氢站。其中欧洲152座，德国拥有的60座加氢站已经可以像传统加油站一样使用。此外，德国已经计划在特定地点增加38座加油站，其中34个地点由H2MobilityGermany运营，这种规划令德国有望保持“全球第二大加氢基础设施国家”的地位，持续领先于美国。而根据2019年2月发布的《欧洲氢能路线图》，至2025年欧洲将预计建设超750座加氢站，到2030年氢能产业将为欧盟创造约1300亿欧元产值，到2050年达到8200亿欧元。
2.2.2.中国政策大力支持燃料电池汽车发展
我国也对燃料电池汽车推广发展给予了诸多政策和补贴支持。早在2009年，国家首次开始在试点城市对燃料电池乘用车和客车分别给予25万/辆和60万/辆的财政补贴。2011年提出对纯电动汽车、燃料电池汽车和插电式混合动力汽车免征车船税。2016年10月，中国标准化研究院资源与环境分院和中国电器工业协会发布的《中国氢能产业基础设施发展蓝皮书(2016)》首次提出了我国氢能产业的发展路线图，对我国中长期加氢站和燃料电池车辆发展目标进行了规划:到2020年，加氢站数量达到100座;燃料电池车辆达到10000辆;氢能轨道交通车辆达到50列;到2030年，加氢站数量达到1000座，燃料电池车辆保有量达到200万辆;到2050年，加氢站网络构建完成，燃料电池车辆保有量达到1000万辆。2019年3月26日，四部委联合印发了《关于于进一步完善新能源汽车推广应用财政补贴政策的通知》，对2019年及过渡期间的新能源汽车补贴方法给出了最终指示。新能源汽车补贴的整体退坡较大，在60%以上，燃料电池汽车的补贴政策还未正式公布，在过渡期期间销售上牌的燃料电池汽车将按2018年对应标准的0.8倍补贴，相对的燃料电池汽车补贴更优渥一些，暂时没有出现大幅下滑。
我国地方政府也在推出地方性政策大力推动燃料电池汽车发展。2018年广东、上海、武汉、佛山、苏州等10个省市出台了燃料电池相关政策。在10个省市出台的燃料电池政策中，广东明确将大力推进燃料电池汽车产业化，而且明确了将省级补贴资金的30%用于支持燃料电池。广东佛山的补贴力度最大，最高补贴可达800万元。武汉按中央1:1补贴;上海、海南、青海按中央1:0.5补贴;重庆按中央1:0.4补贴;河南按中央1:0.3补贴。苏州规划到2020年，氢能产业链年产值突破100亿元，建成加氢站10座，氢燃料电池汽车运行规模力争达到800辆。武汉明确了加氢站的项目选址、报建、施工、经营全过程的审批及管理流程和相关监管职能部门，是全国首个加氢站审批及监管地方管理办法。除了这10个省市出台燃料电池规划或补贴外，上海、大同、抚顺、济南、南通、镇江、台州、六安、武汉、新乡等10多个城市正规划建设氢能产业园。
2.2.3.国内外车企纷纷加快燃料电池汽车发展规划
国内外各车企对燃料电池汽车加紧规划布局。丰田计划到2020年前后全球FCEV年销量达到3万辆以上，为提升核心零部件的产能，丰田在日本新建厂房用于增加氢燃料电池堆的产能，并新建高压储氢罐专用生产线。本田则与通用合资在美国成立子公司，合作生产新一代氢动力燃料电池系统，并力争2020年左右开始投入量产。现代汽车集团于2018年发布“FCEV2030规划”，计划在2030年前实现年产50万辆燃料电池电动汽车的目标，决定投资7.6万亿韩元并新增雇佣5.1万名员工，将燃料电池电动汽车的生产能力从现在年产3000辆扩大到2022年的年产4万辆。而国内汽车企业上汽、长城、东风等也纷纷加紧布局燃料电池汽车。
2.3.燃料电池汽车处于快速引入期，海外技术和产业化领先于国内
2.3.1.燃料电池汽车空间广阔，增速迅猛
全球燃料电池汽车销量仍处于极低水平，主要集中在北美和亚洲市场，且市场竞争集中。根据InformationTrends公布的数据，2013至2017年全球燃料电池乘用车累计销量仅6475辆，仍处于极低水平，其中2017年销量为3260辆，同比增长41%;市场仅有三类车型，丰田Mirai、本田Clarity和现代ix35分别占燃料电池乘用车总销量的76%、13%和11%;其中从地区分布看，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%。
燃料电池汽车市场前景广阔，MIT估计全球燃料电池销售量在2035年超过1600万辆。据GlobalMarketInsight的预测，全球燃料电池汽车销量预计将在2024年前后突破30万台;麻省理工的研究预测全球燃料汽车市场销售量将在2035年增至1602万辆;InformationTrends预测燃料电池汽车将在2020年后高速增长，在2032年销售额将达到2552亿美元。
而根据GlobalMarketInsights，Inc2018年的一项调查，各大主机厂不断增加的研究投入为燃料电池汽车的发展铺平了道路，并通过规模效应令其成本一路走低，与此同时，对于氢燃料电池汽车的市场需求也正持续提升，预计到2024年全球氢燃料电池汽车的市场规模将超过90亿美元(约合人民币567亿元)，燃料电池汽车的盈利能力将在7年内提升42%。
燃料电池系统成本将随技术提升和规模化生产不断下降。根据美国能源局DOE的2020燃料电池行业发展规划，在产量不断提升和技术升级的影响下，燃料电池成本将不断下降，以目前的技术水平和10万套年产量的生产规模，燃料电池系统的成本为$46.16/kW，当年生产规模达到50万套，燃料电池系统成本将在2025年降至$38.34/kW，技术提升后成本最终降为$30/kW。
2.3.2.燃料电池汽车海外车企技术布局领先，国内处于追赶者行列
日系车企和韩系车企在燃料电池乘用车布局领先。目前世界上实现商业化量产的燃料电池汽车商家主要有丰田，本田和现代等，根据InformationTrends提供的数据，丰田Mirai、本田Clarity和现代ix35分别占2017年燃料电池乘用车总销量的76%、13%和11%，现代于2019年推出新一代燃料电池汽车Nexo，将续航里程提升至612km。
丰田Mirai作为第一辆实现商业化生产的燃料电池汽车，在不影响车内空间和实用性的前提下实现了良好性能和长距离的续航里程，其3.1kW/L功率密度的燃料电池堆重量仅56kg，体积仅37L，输出功率却达到了114kW，是目前世界的最高水准，同时采用70MPa的高压储氢瓶，5kg的储氢量实现更长的续航历程。
本田也是最早涉足氢燃料电池汽车的车企之一，2016年发布了旗下首款氢动力车型ClarityFuelCell，采用和Mirai相同功率密度的燃料电池和70MPa高压储氢瓶，首次实现将燃料电池动力总成集成在发动机舱内，相比丰田Mirai的4座位空间，本田Clarity实现了五座大空间，实用性进一步增强，同时电机功率和续航里程也占有优势。Clarity还实现了平台化，本田希望打造一个兼容燃料电池、纯电、插电混动的多车型平台，满足多种需求的同时降低研发成本。
2013年现代就推出ix35燃油电池汽车，是世界上第一辆实现量产的燃料电池汽车，但因成本过高、加氢不便等原因未真正使燃料电池汽车实现商业化，现代于2019年推出了新一代Nexo，该车具备三个总储存量为156.6L的氢气储罐，满载氢气时续航里程达到612km，这一数据与先前的两款车型拉开差距，且总加注时间仅5分钟，该车型还配备了多项主动安全配臵以及与自动驾驶相关的便利性配臵。
此外奔驰于2018年推出了GLCPHEV氢燃料电池车,以插电式电动技术与氢燃料系统做结合,进而达成零碳排放的目标，续航里程为481公里。此外通用和日产也推出了燃料电池汽车车型。
燃料电池汽车基础研究：概述与市场空间
燃料电池在国内发展缓慢，处于半停滞状态。我国的燃料电池汽车目前仍属于商业化发展初期，经过近20年的研发，产业集群逐步形成，主要集中在辽宁、河北、山东、上海等省市。2016年我国共销售燃料电池汽车629台，2017年1247台，2018年1527辆，相比海外2016年共销售2270台燃料电池汽车，2017年3200多台，2018年前11个月3000多台。从数量上看，海外优于国内。从结构上看，海外燃料电池主要用于乘用车，国内主要以客车和物流车为主，乘用车难度更高，总体来看，我国燃料电池汽车行业在材料、工艺与海外差距较大，目前仍处于试验阶段，离批量化生产距离较远，且在燃料电池车设计层面国内和海外也有较大差距。
我国的燃料电池汽车以客车和物流车为主。截止到2018年底，全国超过13个城市陆续开展了燃料电池汽车示范推广工作，2017年6月，全国首条商业化载客运营的氢能源公交示范线分别在佛山、云浮两地运行，共计28辆车。2018年，由重塑科技等公司在上海市示范推广运营500台燃料电池物流车;2018年9月，上海首条燃料电池公交线路正式上线
从加氢站筹建部署情况来看，国际上加氢站的扩张正处于持续、迅猛地向上势头。加氢站是为燃料电池汽车提供燃料的基础设施，根据H2Station发布的全球加氢站建设评估报告，截止2018年底，全球已建设加氢站369家，同比增长12.5%，从全球分地区加氢站的建设情况来看，以欧洲、美洲和亚洲为代表地区加氢站的建设数量不断增加，其中前期以欧洲和美洲的建设数量较多，随着亚洲对氢能源汽车的研发推广，2016年后以日本和中国为代表的亚洲加氢站的建设数量不断增加，截止2018年，欧洲、亚洲和以加州为代表的北美地区共建设加氢站153、136、78家。
我国目前的氢能基础设施建设不发达，国家原规划2020年建成100多家加氢站，2025年建成300家，但2018年才建成17座加氢站，其中14座在运营中。
3.1.燃料电池汽车产业链较长，燃料电池系统占单车成本50%
燃料电池汽车产业链条较长，燃料电池系统为新增的市场。我们这里暂不考察氢气供应环节的产业链，燃料电池汽车本身的电驱动系统主要由燃料电池系统与驱动电机及其附件组成。
燃料电池汽车的主要成本来自于燃料电池系统和储氢系统，占总成本的50%和14%，其中燃料电池电堆是燃料电池系统的主要成本支出。根据美国能源局披露的燃料电池成本情况，2018年燃料电池的成本为$46.16/kW，不同整车部件的成本构成占比分别为:燃料电池系统(50%，绝大部分)、储氢系统(14%)、电驱动系统(7%)、车身(23%)。其中，电堆成本占燃料电池成本的60%。
燃料电池系统成本将随技术提升和规模化生产不断下降。根据美国能源局DOE的2020燃料电池行业发展规划，在产量不断提升和技术升级的影响下，燃料电池成本将不断下降，以目前的技术水平和10万套年产量的生产规模，燃料电池系统的成本为$46.16/kW，当年生产规模达到50万套，燃料电池系统成本将在2025年降至$38.34/kW，技术提升后成本最终降为$30/kW。
燃料电池系统市场空间广阔。根据E4Tech的报告，至2020年全球燃料电池汽车的产量将达到50万辆，当80kW的质子交换膜燃料电池汽车年产量达到50万辆，DOE估计2020年燃料电池成本目标为$40，对应的燃料电池系统市场空间为16亿美元，燃料电池电堆市场空间为9.6亿美元，其中核心材料市场空间分别为催化剂3.68亿美元、双极板2.56亿美元、质子交换膜1.28亿美元、气体扩散层0.80亿美元、膜电极垫片0.48亿美元。
燃
3.2.燃料电池汽车产业链子领域竞争概况
3.2.1.电堆:海外车企布局领先，国内产品批量较少
电堆是发生电化学反应的场所，也是燃料电池动力系统的核心，由多个单体电池以串联方式层叠组合构成。将双极板与膜电极交替叠合，各单体之间嵌入密封件，经前、后端板压紧后用螺杆紧固拴牢，即构成燃料电池电堆。电堆工作时，氢气和氧气分别由进口引入，经电堆气体主通道分配至各单电池的双极板，经双极板导流均匀分配至电极，通过电极支撑体与催化剂接触进行电化学反应。
乘用车因为空间限制，目前只能采用高压金属板电堆的技术方案。国外乘用车厂大多自行开发电堆，并不对外开放，例如丰田、本田、现代等。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(采用加拿大巴拉德定制开发的电堆)和奔驰(采用奔驰与福田的合资公司AFCC的电堆)。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，已经经过了数千万公里、数百万小时的实车运营考验，这两家加拿大电堆企业都已经具备了一定产能，Ballard还与广东国鸿设立了合资企业生产9SSL电堆。此外还有一些规模较小的电堆开发企业，例如英国的Erlingklinger、瑞典的PowerCell、荷兰的Nedstack等，在个别项目有过应用，目前产能比较有限。
国内能够独立自主开发电堆并经过多年实际应用考验的只有大连新源动力和上海神力两家企业。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。
根据E4Tech的报告，至2020年全球燃料电池汽车的产量将达到50万辆，此产能下美国能源局DOE2020年燃料电池成本目标为$40，对应的燃料电池系统市场空间为16亿美元，而燃料电池电堆的成本支出占总电池系统的60%，则至2020年燃料电池电堆市场空间将达到9.6亿美元。
3.2.2.催化剂:降低铂含量是研发重点，海外企业领先国内
质子交换膜燃料电池商业化进程中的主要阻碍之一是价格高昂的贵金属催化剂，铂载量如今已大幅下降，减少铂的使用量是降低催化剂成本的有效途径，未来研究重点是催化剂超低铂或无铂。由于铂资源具有稀缺、昂贵的属性，大量的研究工作仍集中于降低铂载量、增强催化剂的耐久性、或是开发新的催化剂来替代铂的使用。
减少铂的使用量是降低催化剂成本的有效途径。根据DOE统计，如果以现有技术进行燃料电池汽车商业化，燃料电池对Pt资源的需求将远超过世界年产量，针对燃料电池催化剂的研究目前主要集中在以下几个方面:一是提高催化剂活性和稳定性通过对铂的结构进行改进，减小催化剂的粒子直径、使其均一分散来扩大催化面积，还可以通过减小催化剂厚度的方法提高反应性;二是改进铂材料的利用率，可以通过铂与其它金属形成合金来制造催化剂，目前大多采用铂与钌的合金来解决，或者将铂的活性组分担载在载体上，主要以碳载体为主;三是研究铂以外的新材料，例如氧化钼、钴、石墨烯-碘等物质，但是技术尚未成熟，工业化应用前景较低。
在燃料电池催化剂领域，海外企业处于领先地位，已经能够实现批量化生产，而且性能稳定。其中英国JohnsonMatthey和日本Tanaka(本田燃料电池车Clarity催化剂供应商)是全球铂催化剂的巨头。
我国催化剂核心材料长期依赖高成本进口，严重制约了我国氢能源产业的自主发展。唯一的上市标的公司贵研铂业用催化剂开发进展进入实验室放大阶段，暂时还没有产品应用，2018年清华大学氢燃料电池实验室与武汉喜玛拉雅光电科技股份有限公司合作成立了联合研发团队，攻克了氢燃料电池催化剂生产难题，未来可实现催化剂的量产。
随着Pt用量的减少，催化剂成本将不断下降，DOE对降低Pt用量的目标是到2020年，燃料电池电堆的Pt用量降至0.108g/kW;至2025年催化剂用量达到降至0.065g/kW。而催化剂的规模效应也很显著，E4Tech预测至2020年全球燃料电池汽车的产量将达到50万辆，而根据DOE在2018年的报道，年产量为1万套时，催化剂的成本为$756.6/套。当年产量升至50万套，催化剂成本支出将降至$492.3/套，届时Pt的市场空间将达到$3.68亿。
燃料电池汽车基础研究：概述与市场空间
燃料电池汽车基础研究：概述与市场空间
3.2.3.双极板:石墨双极板已经国产化，金属双极板仍存差距
双极板的基体材料的选择直接影响燃料电池的电性能和使用寿命，是燃料电池的关键组件之一。其主要起到起输送和分配燃料、在电堆中隔离阳极阴极气体的作用。双极板占整个燃料电池重量的60%，成本的13%。根据基体材料的不同，双极板可以分为石墨双极板、金属双极板和复合材料双极板。
石墨双极板已实现商业化大规模应用，目前已实现国产化。目前主流供应商有美国POCO、SHF、Graftech、日本FujikuraRubberLTD、KyushuRefractories、英国Bac2等。国产厂商主要有杭州鑫能石墨、江阴沪江科技、淄博联强碳素材料、上海喜丽碳素、南通黑匣、上海弘枫等。
金属双极板易于批量化生产降低成本，是替代石墨双极板的最佳选择，目前国内外有一定技术差距。丰田Mirai、本田Clarity和现代NEXO等乘用车均采用金属双极板，目前金属双极板主要供应商有瑞典Cellimpact、德国Dana、Grabener、美国treadstone等，国内氢璞创能在各种性能指标上已超越巴拉德，且拥有全国现在第一条、也是目前为止唯一一条全自动化产线，大部分研究机构还处于研发试制阶段，包括新源动力、大连化物所等。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，实际应用情况还未见报导。
3.2.4.质子交换膜:海外公司技术领先已经产业化，国内仍处研发阶段
目前常用的商业化质子交换膜有全氟磺酸膜和复合膜。质子交换膜是燃料电池关键材料，其作用是在反应时，只让阳极失去电子的氢离子透过到达阴极，但阻止电子和其他分子通过，主流的质子交换膜在高温时易发生化学降解，传导性变低，因此各机构也在研究其他类型的膜，包括高温膜、碱性膜等。
全氟磺酸膜已实现产业化，其供应商集中于日本和欧美国家，其中应用最广泛的是美国科慕公司的Nafion系列膜，国内能够批量化供应只有山东东岳，其产品已进入奔驰的供应链体系。此外国内的武汉理工新能源公司、上海神力科技、大连新源动力和三爱富都有均质膜的生产能力，武汉理工的产品还出口国外。
在复合膜方面，戈尔占据的全球市场份额最高，其Select复合膜广泛应用于燃料电池，丰田Mirai、本田Clarity和现代ix35均采用戈尔Select系列膜，国内武汉理工已向国内外数家研究单位提供测试样品;大连化物所、上海交大也在质子交换膜的研究领域有所突破。
随着燃料电池批量化生产，质子交换膜生产成本降幅明显。根据E4Tech的报告，至2020年全球燃料电池汽车的产量将达到50万辆，而美国能源局DOE在2018年预测在实现能产量50万套燃料电池系统时，质子交换膜支出成本将达到$16/m2，市场空间将扩大为$1.28亿。
3.2.5.膜电极:已经逐步国产化，但仍落后于外资
膜电极是电化学反应的核心部件。由电催化剂、质子交换膜、气体扩散层组成。
国产膜电极性能与国际水平接近，但专业特性上(例如铂载量、启停、冷启动、抗
反极等)与国际水平还有一定差距。批量化生产工艺和装备差距较大，国外已实现
连续化生产。随着国内市场的快速增长，国内工程化和质量控制的差距有望进一步
缩小。
膜电极国内外存在一定技术差距。国外膜电极的供应商主要3M、JohnsonMatthey、Gore、Ballard等。丰田、本田等乘用车企业自主开发了膜电极，但不对外销售。国内专业的膜电极供应商主要是武汉理工新能源，其产品大部分出口到美国的PlugPower公司，大连新源实现自主生产，主要是自用为上汽的发动机配套。此外昆山桑莱特、南京东焱氢能、苏州擎动等企业都开发了膜电极的样品，但未形成量产。
膜电极生产成本规模化效应明显。根据E4Tech的报告，至2020年全球燃料电池汽车的产量将达到50万辆，在这一产能规模下美国能源局预测膜电极的成本支出将降至$100/m2，膜电极垫片的市场空间将达到0.48亿美元。
3.2.6.气体扩散层:海外垄断，国内处于研发阶段
气体扩散层是加工费用主导成本的部件，气体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，并支撑催化剂，因此，扩散层基底材料的性能将直接影响燃料电池的电池性能。气体扩散层主要利用炭纸、炭纤维布、无纺布和炭黑纸等，有的利用泡沫金属、金属网等来制备。根据StrategicAnalysis2014年发布的数据，当生产规模从1000套提升到50万套时，成本会从$2,661/套降到$102/套。
目前气体扩散层的生产主要由国际大厂垄断，如日本东丽、加拿大Ballard、德国SGL等。东丽目前占据较大的市场份额，生产的炭纸具有高导电性、高强度、高气体通过率、表面平滑等优点，但由于其脆性大而不能连续生产的特点导致其难以实现规模化生产，极大地限制了供应量的增长。我国对炭纸的研发主要集中于中南大学、武汉理工大学以及北京化工大学等高校，国内江苏天鸟具备优秀的碳纤维织物的生产能力，但由于燃料电池市场太小，尚无量产计划。
3.2.7.储氢装臵:低温液态是发展方向，国产化进程较高
车载储氢技术是氢燃料电池车发展的关键，直接影响氢燃料电池汽车的续航里程和成本等。氢燃料电池车载储氢技术主要包括高压气态储氢、低温液态储氢、固体储氢和有机液体储氢等。其中，高压气态储氢技术成熟，应用广泛、成本低，是目前储氢应用的主要方式。而仅从质量和体积储氢密度分析，低温液态储氢是比较理想的储氢技术，是未来重要的发展方向，它的运输能力是高压气态氢气运输的十倍以上，可配合大规模风电、水电、光电电解水制氢储运。
当前高压气态储氢技术比较成熟，是目前最常用的储氢技术。该技术是采用高压将氢气压缩到一个耐高压的容器里。目前，高压气态储氢容器主要分为纯钢制金属瓶(I型)、钢制内胆纤维缠绕瓶(II型)、铝内胆纤维缠绕瓶(III型)及塑料内胆纤维缠绕瓶(IV型)4个类型。由于高压气态储氢容器I型、II型储氢密度低、氢脆问题严重，车载储氢瓶大多使用III型、IV型两种容器。
III型为金属内胆碳纤维全缠绕气瓶，是目前我的国发展重点，已开发35MPa和70MPa，技术和产品成熟，其中35MPa已被广泛应用于氢燃料电池车，70MPa刚开始推广，国外的技术已经成熟，但车用以IV型为主。IV型则为塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶，相比III型有明显的成本低、轻量化优势，国内目前仍处于研发阶段，国外的乘用车以该类型为主，美国的技术已经全球领先，已成功研制多种不同规格型号的纤维全缠绕高压储氢气瓶。
下一篇：浅析空气电池
