鉅大LARGE | 點擊量：1028次 | 2019年01月25日
對燃料電池行業的深度研究
前言：
燃料電池公認的高效、清潔的綠色能源裝置，是內燃機的理想替代者。
其中，氫能燃料電池被認為是實現車輛使用階段“零排放”、全生命周期“低排放”的重要技術路徑。
我國純電動汽車經過近10年發展已取得初步成果，但仍然存在續駛里程和充電時間的短板，尚不能滿足如遠程公交、雙班出租、城市物流、長途運輸等量大面廣的場景需求。
燃料電池汽車相比純電動汽車具有高功率密度、續航里程長、加氫時間短的優點，未來產業化重點預計將向燃料電池汽車拓展，搶占汽車產業技術競爭的制高點。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
中國氫能來源廣泛，是全球第一產氫大國，具備充分發展氫能燃料電池的能源基礎。
我國已針對氫能汽車開展了大量技術攻關和產業化示范應用研究，上汽、濰柴、福田、長城等骨干企業已經啟動燃料電池商業化。
背靠電動汽車上已取得的三電技術突破，形成自主特色的電電混合技術優勢。
2019年1月的“中國電動車百人會論壇(2019)”上，全國政協副主席萬鋼、中國電動汽車百人會執行副理事長歐陽明高、中國工程院院士衣寶廉等等多位重要人物均表達了對燃料電池產業的看好與倡導。
地方如深圳、佛山等相繼出臺氫能和燃料電池相關政策。預計至2030年，我國有望成為全球最大的燃料電池汽車市場。
目前國內初步掌握了氫燃料電池堆及其關鍵材料、動力系統、整車集成和氫能基礎設施的核心技術，基本建立了具有自主知識產權的氫燃料電池汽車動力系統技術平臺，已經具備商業化基礎，2018年是氫燃料電池汽車元年，在國家產業規劃和地方政策支持的雙重利好下燃料電池產業已步入加速上升通道。
上游方面重點關注燃料電池電堆核心材料膜的國產化突破和氫能產業鏈布局，中游方面重點關注燃料電池系統集成和輔件環節，下游方面重點關注燃料電池率先應用的商用車領域。
▌什么是燃料電池？
燃料電池(FuelCell)是一種非燃燒過程的電化學能轉換裝置。將氫氣(等燃料)和氧氣的化學能連續不斷地轉換為電能。
其工作原理是H2在陽極催化劑作用下被氧化成H+和e-，H+通過質子交換膜達到正極，與O2在陰極反應生成水，e-通過外電路達到陰極，連續不斷的反應就產生了電流。
燃料電池雖然帶有“電池”二字，卻不是傳統意義上的儲能設備，而是一種發電設備，這是燃料電池與傳統電池最大的區別。
燃料電池是理想的“內燃機替代者”。氫氣是燃料電池主要燃料，從燃料安全性上看，氫氣無毒無害，反應物為水，無毒無害，綠色清潔。
氫氣密度小，高壓氫氣泄漏燃燒時形成向上火炬，不向周圍擴散。因此氫氣安全性是高于天然氣和石油等化石燃料。
從性能上看，燃料電池能量轉化效率為50-70%，功率密度約3kW/L，柴油機功率密度約1.3kW/L，是理想的“內燃機替代者”。
燃料電池的能量密度可達500Wh/kg，循環壽命4000次以上，性能優于鋰電池。
燃料電池類型多樣，質子交換膜氫燃料電池成未來車用主流
燃料電池根據運行機理不同可分為酸性燃料電池和堿性燃料電池。具體來說，根據電解質的不同分為堿性燃料電池、磷酸燃料電池、固體氧化物燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池和質子交換膜燃料電池等五大類。
其中堿性燃料電池最早成功開發，穩定應用于航天領域；磷酸燃料電池屬于第一代燃料電池，其技術最成熟、商業化程度最高，在美日廣泛應用于大型電站；熔融鹽和固體氧化物燃料電池分別是第二、三代技術，多用于發電廠；質子交換膜燃料電池應用前景最廣闊，未來預計將成為汽車領域主流燃料電池技術。
▌氫氣如何生產、運輸、加注？
氫氣的生產
現階段氯堿工業副產氫是成本最低的氫氣來源，未來電解水制氫是主流。
氫氣是一種常見的工業氣體，主流的制氫技術主要有三種：
(1)重整化石能源(如天然氣、甲醇等)；(2)電解水；(3)氯堿工業副產品。
在現階段，選擇成本較低、氫氣產物純度高的氯堿工業副路線，已經可以滿足下游燃料電池車運營的氫氣需求；天然氣重整是歐美普遍采用的制氫方法，國內也廣泛應用于化工行業；
在未來，核電及可再生能源發電成本大幅降低的情況下，電解水制氫將成為終極決方案。
以國家能源集團為例，煤炭資源是公司的優勢，同時積極發展氫能等業務，旨在從煤炭經銷商轉變為世界一流的清潔能源供應商。
神華制氫的三路徑：風電制氫；煤層氣及煤化工副產氣；及煤制氫+二氧化碳封存技術。
當前，神華已具備充足的制氫能力，足夠提供4000萬輛燃料電池乘用車的使用。
同時配合公司的風電制氫，及已經成功的三十萬噸二氧化碳封存技術，為低成本低碳制氫奠定了基礎。
氫氣的運輸
氣氫拖車運輸是目前性價比最高的選擇，未來液氫罐車是主流。運氫的方式主要分為：氣氫拖車運輸、氣氫管道運輸和液氫罐車運輸。
拖車運輸適用于將制氫廠的氫氣送到距離不太遠而同時需求量不大的用戶，前期投資不高；而管道運輸入前期投入高，適用于大規模的輸送；液氫罐車的運輸能力強但仍存在技術難點。
從現階段加氫站對運輸距離(<500km，200km為宜)和運輸規模(10噸/天)的需求來看，氫氣最佳的運輸方式仍是氣氫拖車。
當前氫的存儲和運輸(包括壓縮)費用占氫氣售價的占比超過一半，我們認為，通過分布式制氫將有效降低運輸成本，例如將大型的外供式加氫站建在大型的集中制氫基地附近，通過減少運輸距離降低成本。
氫氣的加注：撬裝式加氫站是目前發展的重點。
按照加氫站的不同形式分類，加氫站可以分為：固定式和移動式，其中移動式加氫站又可以分為移動撬裝式和加氫車兩種，移動加氫站具有機動靈活、加注能力高、性能可靠、使用簡單方便的優點。
這幾種形式可以和站內制氫以及站外供氫的模式進行有機混合。例如，豐田在澳洲推出Mirai時，也建設了移動式氫氣加氫站，相當于半自動拖車，生產及壓縮氫氣，并輸送至冷卻的儲氫罐中。
撬裝式加氫站是目前發展的重點，其安全性要求的復雜性相較于固定式的加氫站較低，較易滿足。
撬裝式加氫站設備是指將儲氫罐內的氫燃料經管路、低溫泵、計量系統等元件注入到汽車燃料電池車用瓶中的專用裝置。主要設備包括：氫燃料儲存系統、管路系統、潛液泵、流量計量系統、站控系統等設備，并將各系統安裝在撬體內。
▌目前燃料電池商業化進程幾何？
歐美日燃料電池商業化走在前列。
日本：分布式發電和汽車領域應用同步發展
日本燃料電池出貨量和裝機規模占全球60%以上。從2009年開始，日本政府便通過購置補貼、免費加氫、放寬行業標準、制定長期規劃等手段，鼓勵燃料電池產業的發展。
根據日本2014年公布的《氫燃料電池戰略發展路線圖》，在2025年前的第一階段，將快速擴大氫能的使用范圍，以促進燃料電池的裝置數量在2020年和2030年分別達到140萬臺和530萬臺；
在2020-2030年的第二階段，日本將全面引入氫發電和建立大規模氫能供應系統，將購氫價格降至30日元/m3；在2040年的第三階段，將通過收集和儲存二氧化碳，全面實現零排放的制氫、運氫、儲氫。
目前日本的燃料電池主要應用于家用熱電聯供和汽車兩大領域。
日本通過家用燃料電池熱電聯供(ENE-FARM)計劃，在2005-2009年建設家用燃料電池示范項目3300臺套，并在2009年進行大規模商業化推廣。
2009年后，在日本政府補貼政策和松下、東芝等廠商大力推廣下，家用燃料電池系統順利開啟商業化應用階段；截至2017年，日本共安裝使用家用燃料電池系統約25萬套，規模效應明顯，成本迅速降至120萬-150萬日元/套(約8萬元/套)，12年成本下降80%以上，逐步減少補貼依賴。
ENE-FARM計劃2020年、2030年分別實現家用燃料電池累計裝機量達140萬套和530萬套，對應成本有望進一步下降到50萬日元/套(約3萬元/臺套)左右。
日本豐田在2015年率先推出Mirai燃料電池汽車，其能量密度達350Wh/kg，功率密度達3.1kW/L，加氫時間僅3分鐘，容量約5-6L，對應續航里程達500-600km。
該車不含補貼售價僅約39萬人民幣，含日本政府30%補貼售價約27萬人民幣，價格已逼近與純電動汽車售價。
2015年，豐田已交付燃料電池汽車約500輛，據豐田預測，到2025-2030年，燃料電池汽車銷量將達20萬-80萬輛。
根據日本對燃料電池加氫站的規劃，將首先在東京、大阪、名古屋、福岡等人口密集的主要地區建立100座，并對加氫站建設進行50%的補貼。
目前日本已建成加氫站數量約80座，大型氫氣生產設施2個以上。
按照規劃方案，日本將大規模鋪開加氫站建設，到2025年預計建設加氫站800座。
截至2017年底，日本已經建成了91座公用加氫站。
美國：制定零排放目標，燃料電池汽車增速高
燃料電池助力美國8州實現零排放。
美國政府對燃料電池在內的新能源公司提供資金支持和稅收減免，其中，對于燃料電池和任何氫能基礎設施建設實施30%-50%的稅收抵免。
2012年，美國聯邦政府向能源部撥款63億美元用于清潔能源的研究開發示范，到2012年已進入第三階段，即按照3000美元/kWh補貼燃料電池系統，只要達到30%效率便可享受30%的稅收抵免。
2014年7月，包括加州在內的8個州簽署了“零排放車輛合作協議”，力爭到2020年區域內330萬輛機動車尾氣排放目標為0，零排放機動車占比汽車總銷量達22%。
歐洲：重視燃料電池汽車，著力完善加氫站布局
歐洲出臺政策支持加氫站建設。歐盟2008年出臺了燃料電池與氫聯合行動計劃項目(FCH-JU)，2008-2013年共投入9.4億元歐元用于燃料電池和氫能的研究和發展；2011年又啟動“H2movesScandinavi”和歐洲城市清潔氫能項目(CHIC)，出臺CPT項目，投入1.23億歐元建設77個加氫站，并針對15個已有加氫站的國家，實現國與國之間的互通互聯。
2017新增加氫站數量居首，德國成為歐洲燃料電池發展標桿。德國是歐盟中加氫站建設最多的國家，2017年已建設56座以上，其中45座為公用加氫站，預計到2018年將達100座，2020年將達400座，2025年將1000座。此外，英國等國家也將加快加氫站建設。
奔馳推出性能優異的新款燃料電池車。奔馳2014年推出的B級F-Cell是歐洲燃料電池汽車的代表車型，采用其研制的第三代燃料電池電堆，燃料電池系統體積和形狀與傳統發動機相當，可直接在現有燃油汽車車型上替代發動機，為燃料電池汽車的設計提供便利。
2017年奔馳又推出了GLC級F-CELL，氫燃料儲量4.4kg，最大續航里程達到437公里。
▌燃料電池汽車：從技術驗證步入商業化推廣
相較純電動車，氫燃料電池車(FCV)續航能力更強、行駛成本降低空間大。
相比燃油車，氫燃料電池車和鋰電池車兩種路線都具有轉化率高、環保無污染等優點，而氫燃料車在續航里程及能量補充時間上具明顯優勢。
續航里程上，鋰電動車中表現較優的BYDe6及特斯拉可達400km；而豐田Mirai續航里程可達650km。
能量補充上，電動車重新補充能量的過程是一次將電能轉化為化學能儲蓄的過程需要耗費大量的時間，但是對于燃料電池車而言，重新獲得能量的過程則是一次氫燃料加注的物理過程。
純電動車直流快充時長在2-3小時，氫燃料車一次加氫只需3-5分鐘。
行駛成本方面，純電動車百公里能耗在15至20度電左右，以目前北京地區運營的充電站為例，充一度電充電費用以及服務費用總價在1.5元/度電，行駛成本約0.3-0.4元/公里；氫燃料電池車方面，豐田Mirai的5kg氫氣行駛650km，根據氫成本和售價得知行駛成本0.2-0.8元/公里，下降空間大。
出貨規模快速增長，亞洲北美為主要力量。
按照出貨規模統計，2017年全球燃料電池出貨7.3萬套(+12%)，共670MW(+40%)，功率增速比系統數量增速高，說明單體容量提升；2012-2017年累計出貨量約37.3萬套，累計規模2511MW，CAGR為32%。
從地區分布來看，2016年亞洲、北美的燃料電池出貨量分別占世界的83%、11%，相較2011年的燃料電池出貨量分別增長了217%、121%，其增長勢頭迅猛。目前全球燃料電池主要集中在亞洲、北美和歐洲。
2016年，亞洲、北美、歐洲及其他地區燃料電池系統出貨量分別為53.9、7.3、3.5和0.5千件，裝機規模分別為245.9、209.1、22.0和1.6MW，可以看出亞洲與北美是燃料電池市場的絕對主力。其中由于應用領域的差異，亞洲地區在出貨量上遙遙領先，而出貨規模與北美地區相差不大。
日本三款燃料電池車型已投入市場量產，豐田Mirai、本田Clarity銷量向好。現已投入市場量產的燃料電池車有豐田Mirai、本田Clarity、現代ix35FCV，截至2018年其銷量分別為7518、1277、255臺，占比83%、14%、3%。其中2018年銷量分別為2300、1277、225臺。
歐洲/美國車企采取與日本合作，三大聯盟漸形成。
雖然在燃料電池核心技術研發進展上與日本齊頭并進，但在規模化量產的決策上，歐美的確落后了一步。
但由于擁有龐大的潛在市場，豐田的Mirai燃料電池車、現代途勝的燃料電池車，以及本田的Clarity燃料電池車都不約而同將美國尤其是加州作為車型推廣的前沿陣地。
歐美各大汽車廠商也不甘落后，紛紛采取和日車廠合作的模式，盼后來居上。
在燃料電池汽車的研發推廣過程中，市場上逐漸形成三大汽車集團聯盟：戴姆勒/福特/雷諾-日產聯盟、寶馬/豐田聯盟、通用/本田聯盟。
燃料電池產業的發展可以分為三個階段。
1)對燃料電池在汽車上的應用展開基礎理論研究；
2)主要針對燃料電池能量密度、功率、可靠性及耐久性的研究；
3)降低鉑催化劑、制氫成本，同時加快配套基礎設施的建設。從目前國際上主流車企的研發和車型推出速度來看，我們認為其基本處于第三階段：關于燃料電池的主要技術限制已被解決，正著手降低各項成本以正式商業化。
▌未來燃料電池的成本在哪些方面能下降？
燃料電池成本下降主要來自規模效應和技術水平的提升。
具體到各個環節來看，氣體擴散層、空壓機儲氫瓶電控系統和其他常用零部件(管路、連接等)降本主要由規模化效應驅動；而質子交換膜、催化劑雙極板和其他較為關鍵的零部件(氫氣電池閥等)降本則需技術和材料工藝的進步加以推動。
燃料電池系統及儲氫系統占到整車制造成本近70%
燃料電池系統及儲氫系統占到整車制造成本近70%，其中僅燃料電堆就占到整車成本的30%，儲氫系統占到整車成本的14%。
燃料電堆是燃料電池系統的核心，燃料電堆中的核心材料又分為膜電極(MEA)、雙極板及其他部件；
膜電極是電化學反應的核心部件，由催化劑、質子交換膜、氣體擴散層組成。催化劑(36%)、質子交換膜(12%)和雙極板(23%)合計占到燃料電堆成本的近70%，是成本降低的主要突破點。
過去十年來技術突破帶來燃料電池成本顯著降低
鉑催化劑價格高昂、非鉑基催化劑短期難以走出實驗室，降低鉑用量是重點攻克方向。
在電堆成本中，催化劑的成本占比高達36%，主要原因是當前常用的鉑催化劑價格高昂。
據美國能源部統計，2015年每輛80kW的燃料電池汽車平均鉑用量約為100克，遠高于傳統燃油車的鉑用量。
鉑金目前全球探明的儲量只有1.4萬噸，而中國的鉑金儲量不到90噸，每年開采量僅兩噸左右。由于鉑金儲量的稀缺性，市場需大于求的狀況難以改變，其價格勢必長期維持在高位，因此改善催化劑性能和開發新型非鉑催化劑成為當前燃料電池領域急需攻克的難題。美國能源部規劃到2020年單車鉑用量將降至50克左右，而最終目標將降至每車20克，直接帶動成本下降30%左右。
規模效應在產業化初期帶來的成本下降效果最為顯著
規模效應提升加速成本下降。燃料電池的價格下降與生產規模效應的提升密切相關。
據美國能源部報告，以功率為80kW的質子交換膜燃料電池乘用車為例，在燃料電池年產量分別為1000輛、1萬輛、3萬輛、8萬輛、10萬輛和50萬輛時，其生產成本分別為2.2萬美元、8500美元、6500美元、5500美元、5200美元和4400美元，對應的單瓦成本分別為273美元、106美元、82美元、69美元、66美元和55美元。
在燃料電池系統量產初期，價格下降幅度最大，年產量從1000系統/年增加至10000系統/年，可帶動燃料電池系統成本下降幅度高達60%以上，主要依靠儲氫瓶、空壓機、質子交換膜等零部件的成本降低實現；當產量超過1萬臺/年之后，成本下降幅度隨著產量增大放緩。
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