鉅大LARGE | 點擊量：2053次 | 2019年05月27日
燃料電池汽車概述與市場空間
1.1.燃料電池發(fā)電:環(huán)保高效，優(yōu)勢明顯
燃料電池是一種不經過燃燒過程的高效電化學能轉換裝臵。利用水的電解的逆反應，將氫氣(等燃料)和氧化劑中的化學能連續(xù)不斷地轉化為電能。燃料電池的工作原理:H2到達氣體擴散層后，在催化劑作用下氧化成H+和e-，H+通過電解質膜與在陰極的O2反應生成水，在陽極產生的e-則通過外電路從陽極流向陰極，從而形成電流。在燃料電池的反應中，氫氣作為燃料被消耗，而電能的產生取代了熱能的釋放。
效率高，更環(huán)保，燃料電池發(fā)電優(yōu)勢明顯。對比傳統(tǒng)石化燃料的發(fā)電方式，燃料電池主要具有八點優(yōu)勢:
1)發(fā)電效率高。不受卡諾循環(huán)限制，理論發(fā)電效率能達到85%-90%，目前燃料電池的能量轉化效率能達到40-60%，若實現熱電連供則能實現80%以上。
2)環(huán)境污染小。若以天然氣做燃料，CO2排放比熱機減少40%;避免高溫燃燒過程幾乎不會排放NOx和SOx。
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%
3)比能量高。液氫燃料電池比能量是鎳鎘電池的800倍，目前燃料電池實際比能量只有理論值的1/10，但是仍高于一般電池。
4)噪音低。燃料電池結構簡單，運動部件少，即使在11MW級別燃料電池發(fā)電廠附近，所測得噪音也低于55dB。
5)燃料范圍廣。只要含有氫原子的物質都可以作為燃料，例如:天然氣、石油、酒精、甲醇等。
6)可靠性高。當負載變動時，燃料電池響應快，無論出于過載或低載運行，都能較好承受且保證效率。
燃料電池的缺點主要在成本較高，對燃料的要求較高。燃料電池的價格是其他發(fā)電機組(內燃機、燃氣輪機)的2~10倍，燃料氫氣等的制備也相對較為復雜。
1.2.燃料電池分類:質子交換膜燃料電池最適合用于汽車
燃料電池通常按電解質種類分類，質子交換膜燃料電池前景廣闊，最適用于汽車等移動交通工具。主要有以下六種:
堿性燃料電池(AFC)、質子交換膜燃料電池(PEMFC)、直接甲醇燃料電池
(DMFC)、磷酸燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、固體氧化物燃料電池(SPFC)六種，主要特點如表1所示。
直接甲醇燃料電池(DMFC)不直接使用氫氣作為燃料，而是使用了液態(tài)甲醇，這種電池的功率很低，但作為可移動電子設備的電源仍有很大潛力，可應用于需長時間工作但耗電少而平穩(wěn)的設備中。
磷酸燃料電池(PAFC)是世界上廣泛應用和最早投入商業(yè)化生產的燃料電池，由國際燃料電池公司(現為UTC燃料電池公司)和一些日本公司生產的200kW的燃料電池已在美國和歐洲安裝。氫燃料的問題通過重整天然氣來解決，但這也增加了設備的成本與復雜性，且這類燃料電池的電解質對電堆的腐蝕性較強。
堿性燃料電池(AFC)的重要性相對降低，也缺少巨大的研究熱情，但這類燃料電池的電壓損失較小，且其電解質氫氧化鉀的成本比任何一種類型的電解質成本都低很多，但同時也存在CO2與堿性電解質反應的問題。
固態(tài)氧化物燃料電池(SOFC)在500至1000°C之間工作，這意味著無需昂貴的催化劑就能達到相當高的反應速率，且像天然氣這樣的氣體可以直接應用，或者在電池內部重組，無需一個獨立的制氫系統(tǒng)，但由陶瓷材料構成的電池很難加工制造，生產成本很高，還需大量額外設備。
同樣作為中高溫燃料電池，熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)可以利用余溫增加效率，適用于大型電站，但高溫運作會同時帶來安全隱患。
質子交換膜燃料電池(PEMFC)是目前應用前景最為廣闊的燃料電池類型，適用于汽車、移動電源、小型發(fā)布式發(fā)電、特種推動等領域，具有低溫快速啟動的特點，且不適用有腐蝕性的液態(tài)電解質，但這類燃料電池直接使用氫氣作為燃料，成本與技術要求較高。
1.3.藍海市場高增速，交通領域應用前景最廣闊
燃料電池歷史悠久，當前已經逐步具備產業(yè)化條件。
早在1839年，英國科學家WilliamGrove就發(fā)明氫氧氣體燃料電池。采用鉑片電極、稀硫酸做電解液。但由于質量不高，燃料電池的輸出功率和電壓均較低而沒有得到應用。
1900年，W.Nernst制作出第一個固體氧化物燃料電池(SOFC)。
1958年，美國通用電氣的科學家LeonardNiedrach和WillardThomasGrubb研制出世界第一個質子交換膜燃料電池。
1983年加拿大巴拉德公司在固體電解質材料上取得重大進展，將電解水的Nafion膜用于燃料電池，使燃料電池功率提升千倍。
如今，燃料電池行業(yè)正處于快速導入期，自2009-2018年實現九年九倍的行業(yè)增長。根據E4Tech的報告，2009-2018年，全球燃料電池出貨量從最初的86.5MW增長至當前(估計)的803.1MW，實現9年9.3倍的增長，年均復合增速約28%。2018年全球燃料電池的出貨量為7.43萬套，同比增長5.4%，對應規(guī)模803.1MW，同比增長21.9%，2015至2017年的年增長率均在25%以上，至今仍保持快速增長。
在各類燃料電池中，質子交換膜燃料電池(PEMFC)的應用最多，2018年的占比達到73.4%。根據E4Tech數據，2009-2018年PEMFC出貨量從60MW增加至589.1MW，九年十倍，復合增速29%。2018年全球PEMFC出貨量589.1MW，占比73.4%，大幅領先第二名PAFC(97.3MW)和第三名SOFC(91MW)。出貨臺數方面，PEMFC出貨臺數從2013年略有下滑，但是單臺容量提升推動了增長。
交通運輸已逐漸成為燃料電池的主要應用領域。燃料電池主要在固定電站、便攜電源和交通運輸領域應用，根據E4Tech提供的數據，交通運輸用途的燃料電池的全球出貨量近年來持續(xù)走高，且增幅明顯，在2018年用于交通運輸的燃料電池按規(guī)模達到562.6MW，同比增長29.1%，占2018全年的全球燃料電池出貨量的70.1%，已經成為燃料電池最廣泛的應用市場。
2.1.商業(yè)化落地加速，清潔+加氫快是FCV的比較優(yōu)勢
燃料電池汽車是通過燃料電池發(fā)電驅動電機運轉的汽車，也是電動車的一種。燃料電池汽車的工作原理為:作為燃料的氫在汽車搭載的燃料電池中，與大氣中的氧氣發(fā)生氧化還原化學反應，產生出電能來帶動電動機工作，由電動機帶動汽車中的機械傳動結構，進而帶動汽車的前橋(或后橋)等行走機械結構工作，從而驅動電動汽車前進。
燃料電池汽車相比純電動汽車有燃料清潔環(huán)保、能量密度高、補充能量快的顯著優(yōu)勢。目前氫燃料的主要來源是工業(yè)副產氫(焦爐氣中提取)、化石燃料(天然氣)制氫等，但未來可以利用水電、太陽能、風能、地熱能等再生能源制取氫燃料，且燃料電池汽車的加氫時間僅需3分鐘，相比純電動車動輒1小時的充能時間有著明顯的優(yōu)勢，燃料電池汽車的能量密度也更高，一輛汽車行駛500km，大約需要37L燃油、6kg氫氣或者100kWh的電能，不同儲能介質和設備的體積重量差別很大，鋰電池的能量密度最小，燃料電池則介于鋰電池和燃油之間。燃料電池汽車具備多方面性能優(yōu)勢，未來有潛力取代純電動汽車成為未來交通工具的最佳解決方案。
目前豐田、本田、現代等車企在燃料電池汽車取得的成果來看，燃料電池汽車的技術已經初步成熟，也具備了和純電動車競爭的能力，未來加氫站的建立與布局將與燃料電池汽車商業(yè)化發(fā)展緊密相關。
燃料電池汽車已經發(fā)展了八十余年，在2014年隨著豐田Marai推出，實現了在乘用車領域的商業(yè)化。燃料電池汽車并不是新概念，早在1933年第一輛質子交換膜燃料電池汽車(EnergyPartnerConsulier)問世，標志著質子交換膜燃料電池正式登上燃料電池汽車的歷史舞臺，并一直延用至今。在1966年美國通用汽車就開發(fā)了世界上第一輛燃料電池車(ChevroletElectrovan)，行使里程約120公里，最高速度可達70公里/小時，但成本昂貴，只生產了這一輛。2008年戴姆勒、福特、通用、本田、現代-起亞、日產-雷諾、豐田等七大全球汽車制造商簽署諒解備忘錄，將2015年作為大舉推進燃料電池汽車量產的時間節(jié)點。在2014年，豐田推出售價約為37萬人民幣的燃料電池汽車Mirai，600公里的續(xù)航歷程、3分鐘加氫時間，宣布氫燃料電池車實現商業(yè)化，進入了商業(yè)推廣階段。
2.2.政策持續(xù)加碼助推，車企發(fā)布FCV戰(zhàn)略規(guī)劃
2.2.1.美、日、歐:三個國家和地區(qū)均出臺燃料電池中長期規(guī)劃
美國非常重視新能源的建設，是最早進行燃料電池乘用車研發(fā)的國家之一，政策也大力推動了美國燃料電池汽車的發(fā)展。目前美國能源部(DOE)和特種部(DOD)成為發(fā)展涉及氫能和燃料電池發(fā)展的兩大核心部門。早在2005年美國出臺《能源政策法》，將發(fā)展氫能和燃料電池技術的有關項目及其財政經費授權額度明確寫入法中，今后10年間將投入123億美元支持氫能和燃料電池技術研發(fā)。2012年美國能源部(DOE)宣布將投資240萬美元用于收集和分析加氫站氫氣加注部件的數據，同年頒布新能源投資稅抵免政策，任何氫能基礎設施的運行均可享受30%-50%的稅收抵免。根據美國能源部燃料電池技術辦公室(U.S.DOEFCTO)2018年發(fā)布的報告，2017年底美國在氫能和燃料電池技術領域已累計獲得超過650項美國專利，其中大約30項技術已被工業(yè)界商業(yè)化，例如電解槽和氫能燃料電池系零部件，另外大約75項技術在未來幾年內很可能商業(yè)化。
根據AutoAlliance/HISMarkit的數據，2018年全美燃料電池汽車累計銷量4819輛。同時美國在城市中心進行了許多燃料電池客車項目，通過政府提供燃料費用和補貼來鼓勵交通公司使用燃料電池客車，通過評估這些巴士的試運營情況，評估燃料電池的系統(tǒng)運行情況，并將其中的經驗用于下一代燃料電池系統(tǒng)，根據美國可再生能源實驗室(NREL)提供的數據，截止2018年12月11號，這項計劃共有40個燃料電池巴士項目，其中在運營12個，規(guī)劃中9個，已完成9個，正在運營的大巴數量達到了35輛，另外有39輛大巴正在制造。此外，美國在加州大力建設加氫站，截止2018年2月美國共有39座加氫站處于運營中，保有量世界第三，其中31座屬于零售站，加利福尼亞州有35座。根據外媒報道，豐田將與殼牌合作，在美國加州建造7座加氫站，兩家公司將為該項目出資1140萬美元，而加州能源委員會也將出資1640萬美元，旨在實現在2024年前擁有100座加氫站的目標。
日本政府受制于能源壓力，大力推廣燃料電池汽車產業(yè)。日本的能源結構問題嚴峻，能源資源嚴重依賴于海外供給，存在嚴重安全風險，根據2018年日本經濟產業(yè)省公布的《第五期能源計劃》，由于核電發(fā)展停滯等情況惡化，日本能源自給率從2010年度的20%降至2016年度的8%左右，且政府面臨巨大減排壓力，日本一直致力于清潔可持續(xù)能源的開發(fā)利用。日本人口密度大、地域面積小，對氫能的運輸和加氫站的建設都比較有利，因此日本從2009年起，就通過購臵補貼等手段推廣燃料電池汽車的發(fā)展。
2014年日本氫能和燃料電池戰(zhàn)略委員會制定了《氫和燃料電池戰(zhàn)略路線圖》，2015年NEDO發(fā)布《氫能源白皮書》，將氫能源列為第三大支柱，隨后在2017年12月發(fā)布《基本氫戰(zhàn)略》，2018年7月提出《戰(zhàn)略能源計劃》，并于2018年10月發(fā)布《東京聲明》，根據日本產經省METI的計劃，日本將在2020年底之前產能達到4萬輛燃料電池電動汽車，到2025年將達到20萬輛，2030年達到80萬輛，豐田等車企也在推動燃料電池堆和高壓氫罐的大規(guī)模生產，日本政府長期、明確的發(fā)展戰(zhàn)略推進了氫燃料電池產業(yè)在日本的發(fā)展，目前日本在氫燃料電池領域的技術在世界領先。
日本經濟產業(yè)省發(fā)布的《氫能基本戰(zhàn)略》也明確制定了加氫站的建設目標:2020年要達到160個，2025年要達到320個，2030年要增加到900個，以推動日本邁入氫能社會。
歐盟于2008年出臺了燃料電池與氫聯合行動計劃項目(FCH-JU)，至2013年至少斥資9.4億歐元用于燃料電池和氫能的研究和發(fā)展。2014年至2020年，歐盟啟動Horizon2020計劃，在該計劃中氫和燃料電池的投入預算可能達到220億歐元。而根據2019年2月下旬歐洲燃料電池和氫能聯合組織(FCH-JU)發(fā)布的《歐洲氫能路線圖:歐洲能源轉型的可持續(xù)發(fā)展路徑》，歐盟提出面向2030、2050年的氫能發(fā)展路線圖，為歐洲大規(guī)模部署氫能和燃料電池指明方向，闡明了發(fā)展氫能的社會經濟效益:到2030年氫能產業(yè)將為歐盟創(chuàng)造約1300億歐元產值，到2050年達到8200億歐元，屆時氫氣可以提供高達24%的總能源需求，或者達到歐盟2251TWH的能源需求。
加氫站方面，根據H2stations.org發(fā)布2019年發(fā)布的第11期全球加氫站統(tǒng)計報告，截止2018年底，全球共有369座加氫站。其中歐洲152座，德國擁有的60座加氫站已經可以像傳統(tǒng)加油站一樣使用。此外，德國已經計劃在特定地點增加38座加油站，其中34個地點由H2MobilityGermany運營，這種規(guī)劃令德國有望保持“全球第二大加氫基礎設施國家”的地位，持續(xù)領先于美國。而根據2019年2月發(fā)布的《歐洲氫能路線圖》，至2025年歐洲將預計建設超750座加氫站，到2030年氫能產業(yè)將為歐盟創(chuàng)造約1300億歐元產值，到2050年達到8200億歐元。
2.2.2.中國政策大力支持燃料電池汽車發(fā)展
我國也對燃料電池汽車推廣發(fā)展給予了諸多政策和補貼支持。早在2009年，國家首次開始在試點城市對燃料電池乘用車和客車分別給予25萬/輛和60萬/輛的財政補貼。2011年提出對純電動汽車、燃料電池汽車和插電式混合動力汽車免征車船稅。2016年10月，中國標準化研究院資源與環(huán)境分院和中國電器工業(yè)協會發(fā)布的《中國氫能產業(yè)基礎設施發(fā)展藍皮書(2016)》首次提出了我國氫能產業(yè)的發(fā)展路線圖，對我國中長期加氫站和燃料電池車輛發(fā)展目標進行了規(guī)劃:到2020年，加氫站數量達到100座;燃料電池車輛達到10000輛;氫能軌道交通車輛達到50列;到2030年，加氫站數量達到1000座，燃料電池車輛保有量達到200萬輛;到2050年，加氫站網絡構建完成，燃料電池車輛保有量達到1000萬輛。2019年3月26日，四部委聯合印發(fā)了《關于于進一步完善新能源汽車推廣應用財政補貼政策的通知》，對2019年及過渡期間的新能源汽車補貼方法給出了最終指示。新能源汽車補貼的整體退坡較大，在60%以上，燃料電池汽車的補貼政策還未正式公布，在過渡期期間銷售上牌的燃料電池汽車將按2018年對應標準的0.8倍補貼，相對的燃料電池汽車補貼更優(yōu)渥一些，暫時沒有出現大幅下滑。
我國地方政府也在推出地方性政策大力推動燃料電池汽車發(fā)展。2018年廣東、上海、武漢、佛山、蘇州等10個省市出臺了燃料電池相關政策。在10個省市出臺的燃料電池政策中，廣東明確將大力推進燃料電池汽車產業(yè)化，而且明確了將省級補貼資金的30%用于支持燃料電池。廣東佛山的補貼力度最大，最高補貼可達800萬元。武漢按中央1:1補貼;上海、海南、青海按中央1:0.5補貼;重慶按中央1:0.4補貼;河南按中央1:0.3補貼。蘇州規(guī)劃到2020年，氫能產業(yè)鏈年產值突破100億元，建成加氫站10座，氫燃料電池汽車運行規(guī)模力爭達到800輛。武漢明確了加氫站的項目選址、報建、施工、經營全過程的審批及管理流程和相關監(jiān)管職能部門，是全國首個加氫站審批及監(jiān)管地方管理辦法。除了這10個省市出臺燃料電池規(guī)劃或補貼外，上海、大同、撫順、濟南、南通、鎮(zhèn)江、臺州、六安、武漢、新鄉(xiāng)等10多個城市正規(guī)劃建設氫能產業(yè)園。
2.2.3.國內外車企紛紛加快燃料電池汽車發(fā)展規(guī)劃
國內外各車企對燃料電池汽車加緊規(guī)劃布局。豐田計劃到2020年前后全球FCEV年銷量達到3萬輛以上，為提升核心零部件的產能，豐田在日本新建廠房用于增加氫燃料電池堆的產能，并新建高壓儲氫罐專用生產線。本田則與通用合資在美國成立子公司，合作生產新一代氫動力燃料電池系統(tǒng)，并力爭2020年左右開始投入量產?，F代汽車集團于2018年發(fā)布“FCEV2030規(guī)劃”，計劃在2030年前實現年產50萬輛燃料電池電動汽車的目標，決定投資7.6萬億韓元并新增雇傭5.1萬名員工，將燃料電池電動汽車的生產能力從現在年產3000輛擴大到2022年的年產4萬輛。而國內汽車企業(yè)上汽、長城、東風等也紛紛加緊布局燃料電池汽車。
2.3.燃料電池汽車處于快速引入期，海外技術和產業(yè)化領先于國內
2.3.1.燃料電池汽車空間廣闊，增速迅猛
全球燃料電池汽車銷量仍處于極低水平，主要集中在北美和亞洲市場，且市場競爭集中。根據InformationTrends公布的數據，2013至2017年全球燃料電池乘用車累計銷量僅6475輛，仍處于極低水平，其中2017年銷量為3260輛，同比增長41%;市場僅有三類車型，豐田Mirai、本田Clarity和現代ix35分別占燃料電池乘用車總銷量的76%、13%和11%;其中從地區(qū)分布看，燃料電池乘用車銷售主要集中于北美和亞洲，銷量占比分別為53%和38%。
燃料電池汽車市場前景廣闊，MIT估計全球燃料電池銷售量在2035年超過1600萬輛。據GlobalMarketInsight的預測，全球燃料電池汽車銷量預計將在2024年前后突破30萬臺;麻省理工的研究預測全球燃料汽車市場銷售量將在2035年增至1602萬輛;InformationTrends預測燃料電池汽車將在2020年后高速增長，在2032年銷售額將達到2552億美元。
而根據GlobalMarketInsights，Inc2018年的一項調查，各大主機廠不斷增加的研究投入為燃料電池汽車的發(fā)展鋪平了道路，并通過規(guī)模效應令其成本一路走低，與此同時，對于氫燃料電池汽車的市場需求也正持續(xù)提升，預計到2024年全球氫燃料電池汽車的市場規(guī)模將超過90億美元(約合人民幣567億元)，燃料電池汽車的盈利能力將在7年內提升42%。
燃料電池系統(tǒng)成本將隨技術提升和規(guī)?；a不斷下降。根據美國能源局DOE的2020燃料電池行業(yè)發(fā)展規(guī)劃，在產量不斷提升和技術升級的影響下，燃料電池成本將不斷下降，以目前的技術水平和10萬套年產量的生產規(guī)模，燃料電池系統(tǒng)的成本為$46.16/kW，當年生產規(guī)模達到50萬套，燃料電池系統(tǒng)成本將在2025年降至$38.34/kW，技術提升后成本最終降為$30/kW。
2.3.2.燃料電池汽車海外車企技術布局領先，國內處于追趕者行列
日系車企和韓系車企在燃料電池乘用車布局領先。目前世界上實現商業(yè)化量產的燃料電池汽車商家主要有豐田，本田和現代等，根據InformationTrends提供的數據，豐田Mirai、本田Clarity和現代ix35分別占2017年燃料電池乘用車總銷量的76%、13%和11%，現代于2019年推出新一代燃料電池汽車Nexo，將續(xù)航里程提升至612km。
豐田Mirai作為第一輛實現商業(yè)化生產的燃料電池汽車，在不影響車內空間和實用性的前提下實現了良好性能和長距離的續(xù)航里程，其3.1kW/L功率密度的燃料電池堆重量僅56kg，體積僅37L，輸出功率卻達到了114kW，是目前世界的最高水準，同時采用70MPa的高壓儲氫瓶，5kg的儲氫量實現更長的續(xù)航歷程。
本田也是最早涉足氫燃料電池汽車的車企之一，2016年發(fā)布了旗下首款氫動力車型ClarityFuelCell，采用和Mirai相同功率密度的燃料電池和70MPa高壓儲氫瓶，首次實現將燃料電池動力總成集成在發(fā)動機艙內，相比豐田Mirai的4座位空間，本田Clarity實現了五座大空間，實用性進一步增強，同時電機功率和續(xù)航里程也占有優(yōu)勢。Clarity還實現了平臺化，本田希望打造一個兼容燃料電池、純電、插電混動的多車型平臺，滿足多種需求的同時降低研發(fā)成本。
2013年現代就推出ix35燃油電池汽車，是世界上第一輛實現量產的燃料電池汽車，但因成本過高、加氫不便等原因未真正使燃料電池汽車實現商業(yè)化，現代于2019年推出了新一代Nexo，該車具備三個總儲存量為156.6L的氫氣儲罐，滿載氫氣時續(xù)航里程達到612km，這一數據與先前的兩款車型拉開差距，且總加注時間僅5分鐘，該車型還配備了多項主動安全配臵以及與自動駕駛相關的便利性配臵。
此外奔馳于2018年推出了GLCPHEV氫燃料電池車,以插電式電動技術與氫燃料系統(tǒng)做結合,進而達成零碳排放的目標，續(xù)航里程為481公里。此外通用和日產也推出了燃料電池汽車車型。
燃料電池汽車基礎研究：概述與市場空間
燃料電池在國內發(fā)展緩慢，處于半停滯狀態(tài)。我國的燃料電池汽車目前仍屬于商業(yè)化發(fā)展初期，經過近20年的研發(fā)，產業(yè)集群逐步形成，主要集中在遼寧、河北、山東、上海等省市。2016年我國共銷售燃料電池汽車629臺，2017年1247臺，2018年1527輛，相比海外2016年共銷售2270臺燃料電池汽車，2017年3200多臺，2018年前11個月3000多臺。從數量上看，海外優(yōu)于國內。從結構上看，海外燃料電池主要用于乘用車，國內主要以客車和物流車為主，乘用車難度更高，總體來看，我國燃料電池汽車行業(yè)在材料、工藝與海外差距較大，目前仍處于試驗階段，離批量化生產距離較遠，且在燃料電池車設計層面國內和海外也有較大差距。
我國的燃料電池汽車以客車和物流車為主。截止到2018年底，全國超過13個城市陸續(xù)開展了燃料電池汽車示范推廣工作，2017年6月，全國首條商業(yè)化載客運營的氫能源公交示范線分別在佛山、云浮兩地運行，共計28輛車。2018年，由重塑科技等公司在上海市示范推廣運營500臺燃料電池物流車;2018年9月，上海首條燃料電池公交線路正式上線
從加氫站籌建部署情況來看，國際上加氫站的擴張正處于持續(xù)、迅猛地向上勢頭。加氫站是為燃料電池汽車提供燃料的基礎設施，根據H2Station發(fā)布的全球加氫站建設評估報告，截止2018年底，全球已建設加氫站369家，同比增長12.5%，從全球分地區(qū)加氫站的建設情況來看，以歐洲、美洲和亞洲為代表地區(qū)加氫站的建設數量不斷增加，其中前期以歐洲和美洲的建設數量較多，隨著亞洲對氫能源汽車的研發(fā)推廣，2016年后以日本和中國為代表的亞洲加氫站的建設數量不斷增加，截止2018年，歐洲、亞洲和以加州為代表的北美地區(qū)共建設加氫站153、136、78家。
我國目前的氫能基礎設施建設不發(fā)達，國家原規(guī)劃2020年建成100多家加氫站，2025年建成300家，但2018年才建成17座加氫站，其中14座在運營中。
3.1.燃料電池汽車產業(yè)鏈較長，燃料電池系統(tǒng)占單車成本50%
燃料電池汽車產業(yè)鏈條較長，燃料電池系統(tǒng)為新增的市場。我們這里暫不考察氫氣供應環(huán)節(jié)的產業(yè)鏈，燃料電池汽車本身的電驅動系統(tǒng)主要由燃料電池系統(tǒng)與驅動電機及其附件組成。
燃料電池汽車的主要成本來自于燃料電池系統(tǒng)和儲氫系統(tǒng)，占總成本的50%和14%，其中燃料電池電堆是燃料電池系統(tǒng)的主要成本支出。根據美國能源局披露的燃料電池成本情況，2018年燃料電池的成本為$46.16/kW，不同整車部件的成本構成占比分別為:燃料電池系統(tǒng)(50%，絕大部分)、儲氫系統(tǒng)(14%)、電驅動系統(tǒng)(7%)、車身(23%)。其中，電堆成本占燃料電池成本的60%。
燃料電池系統(tǒng)成本將隨技術提升和規(guī)?；a不斷下降。根據美國能源局DOE的2020燃料電池行業(yè)發(fā)展規(guī)劃，在產量不斷提升和技術升級的影響下，燃料電池成本將不斷下降，以目前的技術水平和10萬套年產量的生產規(guī)模，燃料電池系統(tǒng)的成本為$46.16/kW，當年生產規(guī)模達到50萬套，燃料電池系統(tǒng)成本將在2025年降至$38.34/kW，技術提升后成本最終降為$30/kW。
燃料電池系統(tǒng)市場空間廣闊。根據E4Tech的報告，至2020年全球燃料電池汽車的產量將達到50萬輛，當80kW的質子交換膜燃料電池汽車年產量達到50萬輛，DOE估計2020年燃料電池成本目標為$40，對應的燃料電池系統(tǒng)市場空間為16億美元，燃料電池電堆市場空間為9.6億美元，其中核心材料市場空間分別為催化劑3.68億美元、雙極板2.56億美元、質子交換膜1.28億美元、氣體擴散層0.80億美元、膜電極墊片0.48億美元。
燃
3.2.燃料電池汽車產業(yè)鏈子領域競爭概況
3.2.1.電堆:海外車企布局領先，國內產品批量較少
電堆是發(fā)生電化學反應的場所，也是燃料電池動力系統(tǒng)的核心，由多個單體電池以串聯方式層疊組合構成。將雙極板與膜電極交替疊合，各單體之間嵌入密封件，經前、后端板壓緊后用螺桿緊固拴牢，即構成燃料電池電堆。電堆工作時，氫氣和氧氣分別由進口引入，經電堆氣體主通道分配至各單電池的雙極板，經雙極板導流均勻分配至電極，通過電極支撐體與催化劑接觸進行電化學反應。
乘用車因為空間限制，目前只能采用高壓金屬板電堆的技術方案。國外乘用車廠大多自行開發(fā)電堆，并不對外開放，例如豐田、本田、現代等。也有少數采用合作伙伴的電堆來開發(fā)發(fā)動機的乘用車企業(yè)，例如奧迪(采用加拿大巴拉德定制開發(fā)的電堆)和奔馳(采用奔馳與福田的合資公司AFCC的電堆)。目前國外可以單獨供應車用燃料電池電堆的知名企業(yè)主要有加拿大的Ballard和Hydrogenics，歐洲和美國正在運營的燃料電池公交車絕大多數采用這兩家公司的石墨板電堆產品，已經經過了數千萬公里、數百萬小時的實車運營考驗，這兩家加拿大電堆企業(yè)都已經具備了一定產能，Ballard還與廣東國鴻設立了合資企業(yè)生產9SSL電堆。此外還有一些規(guī)模較小的電堆開發(fā)企業(yè)，例如英國的Erlingklinger、瑞典的PowerCell、荷蘭的Nedstack等，在個別項目有過應用，目前產能比較有限。
國內能夠獨立自主開發(fā)電堆并經過多年實際應用考驗的只有大連新源動力和上海神力兩家企業(yè)。大連新源動力采用的是金屬板和復合板的技術路線，與上汽合作，開發(fā)了榮威950乘用車和上汽V80客車。上海神力成立于1998年，是中國第一家專業(yè)的燃料電池電堆研發(fā)生產企業(yè)，目前兩家都建成了燃料電池電堆中試線，正處于從小批量到產業(yè)化轉化的關鍵階段。另外有一些新興的燃料電池電堆企業(yè)，例如弗爾塞、北京氫璞、武漢眾宇等，也開發(fā)出燃料電池電堆樣機和生產線，正處于驗證階段。
根據E4Tech的報告，至2020年全球燃料電池汽車的產量將達到50萬輛，此產能下美國能源局DOE2020年燃料電池成本目標為$40，對應的燃料電池系統(tǒng)市場空間為16億美元，而燃料電池電堆的成本支出占總電池系統(tǒng)的60%，則至2020年燃料電池電堆市場空間將達到9.6億美元。
3.2.2.催化劑:降低鉑含量是研發(fā)重點，海外企業(yè)領先國內
質子交換膜燃料電池商業(yè)化進程中的主要阻礙之一是價格高昂的貴金屬催化劑，鉑載量如今已大幅下降，減少鉑的使用量是降低催化劑成本的有效途徑，未來研究重點是催化劑超低鉑或無鉑。由于鉑資源具有稀缺、昂貴的屬性，大量的研究工作仍集中于降低鉑載量、增強催化劑的耐久性、或是開發(fā)新的催化劑來替代鉑的使用。
減少鉑的使用量是降低催化劑成本的有效途徑。根據DOE統(tǒng)計，如果以現有技術進行燃料電池汽車商業(yè)化，燃料電池對Pt資源的需求將遠超過世界年產量，針對燃料電池催化劑的研究目前主要集中在以下幾個方面:一是提高催化劑活性和穩(wěn)定性通過對鉑的結構進行改進，減小催化劑的粒子直徑、使其均一分散來擴大催化面積，還可以通過減小催化劑厚度的方法提高反應性;二是改進鉑材料的利用率，可以通過鉑與其它金屬形成合金來制造催化劑，目前大多采用鉑與釕的合金來解決，或者將鉑的活性組分擔載在載體上，主要以碳載體為主;三是研究鉑以外的新材料，例如氧化鉬、鈷、石墨烯-碘等物質，但是技術尚未成熟，工業(yè)化應用前景較低。
在燃料電池催化劑領域，海外企業(yè)處于領先地位，已經能夠實現批量化生產，而且性能穩(wěn)定。其中英國JohnsonMatthey和日本Tanaka(本田燃料電池車Clarity催化劑供應商)是全球鉑催化劑的巨頭。
我國催化劑核心材料長期依賴高成本進口，嚴重制約了我國氫能源產業(yè)的自主發(fā)展。唯一的上市標的公司貴研鉑業(yè)用催化劑開發(fā)進展進入實驗室放大階段，暫時還沒有產品應用，2018年清華大學氫燃料電池實驗室與武漢喜瑪拉雅光電科技股份有限公司合作成立了聯合研發(fā)團隊，攻克了氫燃料電池催化劑生產難題，未來可實現催化劑的量產。
隨著Pt用量的減少，催化劑成本將不斷下降，DOE對降低Pt用量的目標是到2020年，燃料電池電堆的Pt用量降至0.108g/kW;至2025年催化劑用量達到降至0.065g/kW。而催化劑的規(guī)模效應也很顯著，E4Tech預測至2020年全球燃料電池汽車的產量將達到50萬輛，而根據DOE在2018年的報道，年產量為1萬套時，催化劑的成本為$756.6/套。當年產量升至50萬套，催化劑成本支出將降至$492.3/套，屆時Pt的市場空間將達到$3.68億。
燃料電池汽車基礎研究：概述與市場空間
燃料電池汽車基礎研究：概述與市場空間
3.2.3.雙極板:石墨雙極板已經國產化，金屬雙極板仍存差距
雙極板的基體材料的選擇直接影響燃料電池的電性能和使用壽命，是燃料電池的關鍵組件之一。其主要起到起輸送和分配燃料、在電堆中隔離陽極陰極氣體的作用。雙極板占整個燃料電池重量的60%，成本的13%。根據基體材料的不同，雙極板可以分為石墨雙極板、金屬雙極板和復合材料雙極板。
石墨雙極板已實現商業(yè)化大規(guī)模應用，目前已實現國產化。目前主流供應商有美國POCO、SHF、Graftech、日本FujikuraRubberLTD、KyushuRefractories、英國Bac2等。國產廠商主要有杭州鑫能石墨、江陰滬江科技、淄博聯強碳素材料、上海喜麗碳素、南通黑匣、上海弘楓等。
金屬雙極板易于批量化生產降低成本，是替代石墨雙極板的最佳選擇，目前國內外有一定技術差距。豐田Mirai、本田Clarity和現代NEXO等乘用車均采用金屬雙極板，目前金屬雙極板主要供應商有瑞典Cellimpact、德國Dana、Grabener、美國treadstone等，國內氫璞創(chuàng)能在各種性能指標上已超越巴拉德，且擁有全國現在第一條、也是目前為止唯一一條全自動化產線，大部分研究機構還處于研發(fā)試制階段，包括新源動力、大連化物所等。復合雙極板的研發(fā)目前還比較少，國內僅有大連新源動力和武漢喜瑪拉雅等企業(yè)有所涉及，實際應用情況還未見報導。
3.2.4.質子交換膜:海外公司技術領先已經產業(yè)化，國內仍處研發(fā)階段
目前常用的商業(yè)化質子交換膜有全氟磺酸膜和復合膜。質子交換膜是燃料電池關鍵材料，其作用是在反應時，只讓陽極失去電子的氫離子透過到達陰極，但阻止電子和其他分子通過，主流的質子交換膜在高溫時易發(fā)生化學降解，傳導性變低，因此各機構也在研究其他類型的膜，包括高溫膜、堿性膜等。
全氟磺酸膜已實現產業(yè)化，其供應商集中于日本和歐美國家，其中應用最廣泛的是美國科慕公司的Nafion系列膜，國內能夠批量化供應只有山東東岳，其產品已進入奔馳的供應鏈體系。此外國內的武漢理工新能源公司、上海神力科技、大連新源動力和三愛富都有均質膜的生產能力，武漢理工的產品還出口國外。
在復合膜方面，戈爾占據的全球市場份額最高，其Select復合膜廣泛應用于燃料電池，豐田Mirai、本田Clarity和現代ix35均采用戈爾Select系列膜，國內武漢理工已向國內外數家研究單位提供測試樣品;大連化物所、上海交大也在質子交換膜的研究領域有所突破。
隨著燃料電池批量化生產，質子交換膜生產成本降幅明顯。根據E4Tech的報告，至2020年全球燃料電池汽車的產量將達到50萬輛，而美國能源局DOE在2018年預測在實現能產量50萬套燃料電池系統(tǒng)時，質子交換膜支出成本將達到$16/m2，市場空間將擴大為$1.28億。
3.2.5.膜電極:已經逐步國產化，但仍落后于外資
膜電極是電化學反應的核心部件。由電催化劑、質子交換膜、氣體擴散層組成。
國產膜電極性能與國際水平接近，但專業(yè)特性上(例如鉑載量、啟停、冷啟動、抗
反極等)與國際水平還有一定差距。批量化生產工藝和裝備差距較大，國外已實現
連續(xù)化生產。隨著國內市場的快速增長，國內工程化和質量控制的差距有望進一步
縮小。
膜電極國內外存在一定技術差距。國外膜電極的供應商主要3M、JohnsonMatthey、Gore、Ballard等。豐田、本田等乘用車企業(yè)自主開發(fā)了膜電極，但不對外銷售。國內專業(yè)的膜電極供應商主要是武漢理工新能源，其產品大部分出口到美國的PlugPower公司，大連新源實現自主生產，主要是自用為上汽的發(fā)動機配套。此外昆山桑萊特、南京東焱氫能、蘇州擎動等企業(yè)都開發(fā)了膜電極的樣品，但未形成量產。
膜電極生產成本規(guī)模化效應明顯。根據E4Tech的報告，至2020年全球燃料電池汽車的產量將達到50萬輛，在這一產能規(guī)模下美國能源局預測膜電極的成本支出將降至$100/m2，膜電極墊片的市場空間將達到0.48億美元。
3.2.6.氣體擴散層:海外壟斷，國內處于研發(fā)階段
氣體擴散層是加工費用主導成本的部件，氣體擴散層主要作用是為參與反應的氣體和生成的水提供傳輸通道，并支撐催化劑，因此，擴散層基底材料的性能將直接影響燃料電池的電池性能。氣體擴散層主要利用炭紙、炭纖維布、無紡布和炭黑紙等，有的利用泡沫金屬、金屬網等來制備。根據StrategicAnalysis2014年發(fā)布的數據，當生產規(guī)模從1000套提升到50萬套時，成本會從$2,661/套降到$102/套。
目前氣體擴散層的生產主要由國際大廠壟斷，如日本東麗、加拿大Ballard、德國SGL等。東麗目前占據較大的市場份額，生產的炭紙具有高導電性、高強度、高氣體通過率、表面平滑等優(yōu)點，但由于其脆性大而不能連續(xù)生產的特點導致其難以實現規(guī)模化生產，極大地限制了供應量的增長。我國對炭紙的研發(fā)主要集中于中南大學、武漢理工大學以及北京化工大學等高校，國內江蘇天鳥具備優(yōu)秀的碳纖維織物的生產能力，但由于燃料電池市場太小，尚無量產計劃。
3.2.7.儲氫裝臵:低溫液態(tài)是發(fā)展方向，國產化進程較高
車載儲氫技術是氫燃料電池車發(fā)展的關鍵，直接影響氫燃料電池汽車的續(xù)航里程和成本等。氫燃料電池車載儲氫技術主要包括高壓氣態(tài)儲氫、低溫液態(tài)儲氫、固體儲氫和有機液體儲氫等。其中，高壓氣態(tài)儲氫技術成熟，應用廣泛、成本低，是目前儲氫應用的主要方式。而僅從質量和體積儲氫密度分析，低溫液態(tài)儲氫是比較理想的儲氫技術，是未來重要的發(fā)展方向，它的運輸能力是高壓氣態(tài)氫氣運輸的十倍以上，可配合大規(guī)模風電、水電、光電電解水制氫儲運。
當前高壓氣態(tài)儲氫技術比較成熟，是目前最常用的儲氫技術。該技術是采用高壓將氫氣壓縮到一個耐高壓的容器里。目前，高壓氣態(tài)儲氫容器主要分為純鋼制金屬瓶(I型)、鋼制內膽纖維纏繞瓶(II型)、鋁內膽纖維纏繞瓶(III型)及塑料內膽纖維纏繞瓶(IV型)4個類型。由于高壓氣態(tài)儲氫容器I型、II型儲氫密度低、氫脆問題嚴重，車載儲氫瓶大多使用III型、IV型兩種容器。
III型為金屬內膽碳纖維全纏繞氣瓶，是目前我的國發(fā)展重點，已開發(fā)35MPa和70MPa，技術和產品成熟，其中35MPa已被廣泛應用于氫燃料電池車，70MPa剛開始推廣，國外的技術已經成熟，但車用以IV型為主。IV型則為塑料內膽碳纖維全纏繞氣瓶，相比III型有明顯的成本低、輕量化優(yōu)勢，國內目前仍處于研發(fā)階段，國外的乘用車以該類型為主，美國的技術已經全球領先，已成功研制多種不同規(guī)格型號的纖維全纏繞高壓儲氫氣瓶。
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