中國(guó)氫燃料電池行業(yè)發(fā)展概況及未來市場(chǎng)發(fā)前景分析

中國(guó)氫燃料電池行業(yè)發(fā)展概況及未來市場(chǎng)發(fā)前景分析

1、氫燃料電池技術(shù)概述

氫燃料電池是一種非燃燒過程的能量轉(zhuǎn)換裝置，通過電化學(xué)反應(yīng)將陽(yáng)極的氫氣和陰極的氧氣（空氣）的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。燃料電池結(jié)構(gòu)單元主要由膜電極組件和雙極板構(gòu)成，其中膜電極組件是由質(zhì)子交換膜、催化劑與氣體擴(kuò)散層組合而成的，為反應(yīng)發(fā)生場(chǎng)所；雙極板是帶流道的金屬或石墨薄板，其主要作用是通過流場(chǎng)給膜電極組件輸送反應(yīng)氣體，同時(shí)收集和傳導(dǎo)電流并排出反應(yīng)產(chǎn)生的水和熱。

氫燃料電池工作原理示意

燃料電池工作時(shí)發(fā)生下列過程：1）反應(yīng)氣體在氣體擴(kuò)散層內(nèi)擴(kuò)散；2）反應(yīng)氣體在催化層內(nèi)被催化劑吸附后被離解；3）陽(yáng)極反應(yīng)生成的氫離子穿過質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極與氧氣反應(yīng)生成水，而電子通過外電路到達(dá)陰極產(chǎn)生電。質(zhì)量能量密度高、能量補(bǔ)充速度快、清潔低碳是燃料電池的主要優(yōu)勢(shì)。燃料電池電堆是氫氣和氧氣發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)及產(chǎn)生電能的場(chǎng)所，是燃料電池基本原理得以實(shí)現(xiàn)的核心物質(zhì)載體。鑒于單個(gè)燃料電池單元輸出功率較小，實(shí)踐中通常通過將多個(gè)燃料電池單元以串聯(lián)方式層疊組合構(gòu)成電堆來提高整體輸出功率。因此，電堆是由雙極板與膜電極交替疊合，各單體之間嵌入密封件，經(jīng)前、后端板壓緊后用螺桿拴牢，構(gòu)成的復(fù)合組件。

氫燃料電池電堆示意圖

除電堆以外，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)還需要一系列輔助系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)其功能。其中控制系統(tǒng)通過高精度調(diào)節(jié)反應(yīng)氣體的壓力及流量等使得電堆中的反應(yīng)始終維持在輸出功率、溫度、濕度均合適的水平，保證發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定可靠工作；氫氣和空氣供給系統(tǒng)是為電堆提供合適壓力、溫度、濕度、流量的氫氣與空氣；水熱管理系統(tǒng)用于保持燃料電池內(nèi)部水平衡和熱平衡。此外，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)配備由車載高壓儲(chǔ)氫瓶和配套閥件組成的車載氫系統(tǒng)用于儲(chǔ)存燃料，以及用于實(shí)現(xiàn)燃料電池與整車高壓之間解耦的DC/DC變換器。

所以，最終發(fā)揮發(fā)動(dòng)機(jī)作用的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)主要由燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)、電壓變換器（DC/DC）、車載氫系統(tǒng)等構(gòu)成，其中燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)主要部件包括電堆、發(fā)動(dòng)機(jī)控制器、氫氣供給系統(tǒng)、空氣供給系統(tǒng)等。相較于傳統(tǒng)燃油車或純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。

燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

目前的燃料電池從壽命、性能、資源和成本等方面已經(jīng)達(dá)到產(chǎn)業(yè)化條件，滿足下游交通和備電等領(lǐng)域應(yīng)用：（1）燃料電池車輛壽命和運(yùn)營(yíng)里程達(dá)到傳統(tǒng)汽柴油車水準(zhǔn)，在英國(guó)和美國(guó)均有燃料電池公交車（FCEB）運(yùn)營(yíng)壽命超過2.9萬(wàn)小時(shí)，無需大修或更換燃料電池組；（2）低溫啟動(dòng)溫度可以達(dá)到-30℃；（3）鉑金催化劑用量較小，未來不會(huì)引起鉑金資源短缺，目前國(guó)際先進(jìn)催化劑耗鉑水平可達(dá)到0.125g/kW，未來單車鉑金用量可以低于5g，與傳統(tǒng)柴油車尾氣催化劑鉑用量相當(dāng)，并且催化劑在往低鉑和無鉑方向發(fā)展；（4）成本快速下降，日韓燃料電池汽車預(yù)計(jì)2025年能達(dá)到傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車成本水平；（5）氫耗與油耗成本持平，并且隨著規(guī)模擴(kuò)大，氫氣成本存在較大下行空間。

氫燃料電池具有零排放、零污染的特性，被認(rèn)為是未來清潔環(huán)保的理想技術(shù)，是終極新能源動(dòng)力解決方案。燃料電池本質(zhì)上是發(fā)電機(jī)，下游應(yīng)用場(chǎng)景廣泛，可以應(yīng)用于交通領(lǐng)域和發(fā)電領(lǐng)域等。我們認(rèn)為燃料電池發(fā)展將掀起一輪能源革命，氫將取代一部分石油，成為能源體系中的重要一環(huán)，未來氫燃料電池市場(chǎng)規(guī)模可達(dá)萬(wàn)億級(jí)別。

燃料電池下游應(yīng)用場(chǎng)景廣泛

2、氫能產(chǎn)業(yè)概述

車用氫能產(chǎn)業(yè)鏈

產(chǎn)業(yè)鏈上游主要包括各類途徑的氫能制取。制氫技術(shù)包括燃料制氫、工業(yè)（氯堿）副產(chǎn)氫利用、電解水制氫等。燃料制氫多指從化石能源出發(fā)制取氫氣的技術(shù)，其中煤制氫、天然氣轉(zhuǎn)化制氫是技術(shù)成熟度較高的燃料制氫手段，對(duì)我國(guó)而言煤制氫更具成本優(yōu)勢(shì)與可實(shí)現(xiàn)性，同時(shí)依托熱化學(xué)循環(huán)的一次能源利用效率也較高。但煤制氫本身并未擺脫化石能源依賴，氫中混雜的少量一氧化碳等氣體多導(dǎo)致催化劑中毒，對(duì)后續(xù)燃料電池的壽命有不利影響。

工業(yè)（氯堿）副產(chǎn)氫利用和電解水制氫均采用電解方式制氫，區(qū)別在于前者電解氯化鈉，主要產(chǎn)品是氫氧化鈉與氯氣，氫氣是待利用副產(chǎn)品；而后者主要產(chǎn)品是氫氣，氧氣是待利用副產(chǎn)品。氯堿工業(yè)副產(chǎn)氫利用，氫氣成本較低。電解水方式制氫技術(shù)成熟度也較高，故電的成本就決定了氫氣的成本。富余可再生能源電力（水電、風(fēng)電、光伏等）的平均成本較低，邊際成本更低，制取氫氣理論成本低廉；常規(guī)網(wǎng)電以火電為主，成本較高，一次能源利用效率也不及煤制氫。

產(chǎn)業(yè)鏈中游、下游主要包括氫氣的儲(chǔ)運(yùn)和加注。

儲(chǔ)氫技術(shù)包括高壓存儲(chǔ)氣態(tài)氫、低溫儲(chǔ)液氫、物理吸附儲(chǔ)氫、金屬儲(chǔ)氫、液體化合物儲(chǔ)氫等類型，需求重點(diǎn)是增加儲(chǔ)氫的質(zhì)量百分比、體積百分比，保證氫氣純度，使得存儲(chǔ)與再釋放的環(huán)境盡可能溫和，及儲(chǔ)氫成本低廉、自放率（隨時(shí)間增加的氫氣損失率）低等。得到相對(duì)廣泛運(yùn)用，且規(guī)模擴(kuò)大同時(shí)邊際成本較低的儲(chǔ)氫方式是高壓存儲(chǔ)氣態(tài)氫和低溫儲(chǔ)液氫，且二者的自放率均大幅低于電能在各類電池中的儲(chǔ)存；其余儲(chǔ)氫方式還在研究、成熟過程中。

氫氣運(yùn)輸技術(shù)和儲(chǔ)氫技術(shù)關(guān)注點(diǎn)類似，但長(zhǎng)距離氫氣運(yùn)輸無論采用高壓管束車方式，專用管道方式或者天然氣管道混氫-再分離方式，成本均較高，大幅高于輸電后電解水制氫對(duì)應(yīng)的“氫氣運(yùn)輸（電力/能量運(yùn)輸）”成本。最終，氫氣的加注于加氫站實(shí)現(xiàn)。低壓氫氣加壓至燃料電池乘用車所需的70MPa或商用車所需的35MPa后，對(duì)相應(yīng)車輛進(jìn)行加注。

3、全球氫能-燃料電池產(chǎn)業(yè)進(jìn)展概述

20世紀(jì)60年代，NASA（美國(guó)國(guó)家航空航天局）將燃料電池應(yīng)用于雙子星航天飛船，開啟了燃料電池的現(xiàn)代發(fā)展史。20世紀(jì)70年代，石油危機(jī)引起了能源恐慌，氫能作為一種新興清潔能源開始受到各國(guó)政府的關(guān)注。20世紀(jì)90年代，包括奔馳、福特在內(nèi)的國(guó)際知名車企紛紛推出燃料電池概念車型。進(jìn)入21世紀(jì)后，氫能與燃料電池技術(shù)發(fā)展逐漸成熟。全球范圍內(nèi)的氫能-燃料電池產(chǎn)業(yè)進(jìn)展主要包括整車端的燃料電池整車進(jìn)展和加氫站建設(shè)進(jìn)展等。整車端，豐田Mirai，本田Clarity，奔馳F-cell，現(xiàn)代Nexo等車型驗(yàn)證了燃料電池為高性能乘用車提供動(dòng)力的可實(shí)現(xiàn)性。

部分燃料電池乘用車性能

加氫站端，2018年全球加氫站新增48座，截止到2018年底，全球加氫站數(shù)目達(dá)到369座。其中歐洲152座，亞洲136座，北美78座，其他地區(qū)3座；全球擁有10座加氫站以上的國(guó)家分別是日本（96座）、德國(guó)（60座）、美國(guó)（42座）、中國(guó)（23座）、法國(guó)（19座）、英國(guó)（17座）、韓國(guó)（14座）、丹麥（11座）。

4、我國(guó)氫能-燃料電池產(chǎn)業(yè)概述

我國(guó)氫能來源廣泛，既有大量的工業(yè)副產(chǎn)氫氣，又有大量的棄風(fēng)棄光電、低谷電等可供制氫的存量資源。燃料電池是氫能的重要應(yīng)用方式，車用氫能產(chǎn)業(yè)亦是燃料電池產(chǎn)業(yè)大規(guī)模推廣的基礎(chǔ)。包括制氫、氫氣儲(chǔ)運(yùn)和加氫站在內(nèi)的氫能產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，對(duì)燃料電池汽車的推廣普及具有重要影響。我國(guó)氫能-燃料電池產(chǎn)業(yè)總體處于起步階段。已有多家上市/非上市公司涉及產(chǎn)業(yè)鏈諸多環(huán)節(jié)，但關(guān)鍵環(huán)節(jié)不同程度有待突破。

燃料電池電堆及相應(yīng)組件的代表性公司

燃料電池汽車數(shù)量方面，2016-2018年上牌數(shù)分別為629輛、1275輛和1527輛；2019年1-6月，我國(guó)燃料電池汽車產(chǎn)銷分別完成1170輛和1102輛，同比增長(zhǎng)均在7倍以上。產(chǎn)業(yè)發(fā)展的相對(duì)滯后亟需政策端發(fā)力。國(guó)家、地方對(duì)氫能-燃料電池產(chǎn)業(yè)予以大力扶持。國(guó)家層面的扶持政策多以補(bǔ)貼、雙積分等經(jīng)濟(jì)調(diào)節(jié)和產(chǎn)業(yè)規(guī)劃、技術(shù)進(jìn)展等宏觀指導(dǎo)為主。

國(guó)家層面的氫能-燃料電池扶持政策（部分）

另外，補(bǔ)貼、雙積分等扶持政策對(duì)燃料電池汽車的友好程度最高，體現(xiàn)為補(bǔ)貼額度高、積分?jǐn)?shù)值高；新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021-2035年）的編制工作啟動(dòng)，燃料電池車輛也是發(fā)展重點(diǎn)。地方層面的扶持政策涉及產(chǎn)業(yè)多方面。

地方層面的氫能-燃料電池扶持政策（部分）

5、氫能-燃料電池產(chǎn)業(yè)前瞻

氫能-燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的前景主要包括燃料電池的技術(shù)進(jìn)步、成本下降、規(guī)模增加，氫源供應(yīng)的豐富化，加氫站數(shù)量的增長(zhǎng)等。美國(guó)能源部估計(jì)，燃料電池電堆及發(fā)動(dòng)機(jī)成本隨規(guī)模增加迅速下降。

燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)、電堆成本-規(guī)模關(guān)系

制氫成本至遠(yuǎn)期降至10元/公斤；儲(chǔ)氫密度提升至6.5wt%；電堆比功率提升至6.5kW/L，壽命大幅延長(zhǎng)，成本急劇下降。

氫能及燃料電池產(chǎn)業(yè)技術(shù)路線

氫能源比例至遠(yuǎn)期將達(dá)10%；產(chǎn)值將達(dá)12萬(wàn)億元；加氫站、燃料電池車、固定式電源、燃料電池系統(tǒng)等相關(guān)裝備保有量不同程度增加，其中燃料電池車是裝備的主要組成部分。

氫能及燃料電池產(chǎn)業(yè)總體目標(biāo)

氫能及燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展總體目標(biāo)（路線圖）

6、中國(guó)燃料電池浪潮開啟，遠(yuǎn)期萬(wàn)億規(guī)?？善?/p>

中國(guó)對(duì)于燃料電池發(fā)展支持處于循序漸進(jìn)狀態(tài)，我國(guó)從2001年就確立了“863計(jì)劃電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)”項(xiàng)目，確定三縱三橫戰(zhàn)略，以純電動(dòng)、混合電動(dòng)和燃料電池汽車為三縱，以多能源動(dòng)力總成控制、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和動(dòng)力蓄電池為三橫。近期隨著燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展逐漸成熟，中國(guó)在燃料電池領(lǐng)域的規(guī)劃綱要和戰(zhàn)略定調(diào)已經(jīng)出現(xiàn)苗頭，支持力度逐漸加大，政策從產(chǎn)業(yè)規(guī)劃、發(fā)展路線和補(bǔ)貼扶持全方位支持燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

產(chǎn)業(yè)規(guī)劃：2016年11月29日，《“十三五”國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》提出系統(tǒng)推進(jìn)燃料電池汽車研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。加強(qiáng)燃料電池基礎(chǔ)材料與過程機(jī)理研究，推動(dòng)高性能低成本燃料電池材料和系統(tǒng)關(guān)鍵部件研發(fā)。加快提升燃料電池堆系統(tǒng)可靠性和工程化水平，完善相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。推動(dòng)車載儲(chǔ)氫系統(tǒng)以及氫制備、儲(chǔ)運(yùn)和加注技術(shù)發(fā)展，推進(jìn)加氫站建設(shè)。到2020年，實(shí)現(xiàn)燃料電池汽車批量生產(chǎn)和規(guī)?；痉稇?yīng)用。

發(fā)展路線：2016年10月，汽車工程年會(huì)發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》中指出，到2020年燃料電池汽車在公共服務(wù)領(lǐng)域的示范應(yīng)用要達(dá)到5000輛的規(guī)模；到2025年，實(shí)現(xiàn)氫燃料電池汽車的推廣應(yīng)用，規(guī)模達(dá)到5萬(wàn)輛；到2030年，實(shí)現(xiàn)氫燃料電池汽車的大規(guī)模推廣應(yīng)用，氫燃料電池汽車規(guī)模超過１百萬(wàn)輛。

補(bǔ)貼扶持：2016年12月30日財(cái)政部、科技部、工業(yè)和信息化部和發(fā)改委發(fā)布的《新能源汽車推廣補(bǔ)貼方案及產(chǎn)品技術(shù)要求》中規(guī)定除燃料電池汽車外，各類車型2019-2020年中央及地方補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)和上限，在現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上退坡20%，對(duì)燃料電池汽車補(bǔ)貼延續(xù)至2020年不退坡，對(duì)于燃料電池乘用車，給予20萬(wàn)元/輛補(bǔ)貼；對(duì)于燃料電池小型貨車、客車，給予30萬(wàn)/輛補(bǔ)貼；對(duì)于燃料電池大中型客車，中重型貨車，給予50萬(wàn)/輛補(bǔ)貼。2018年發(fā)布《關(guān)于調(diào)整完善新能源汽車推廣應(yīng)用財(cái)政補(bǔ)貼政策的通知》，燃料電池汽車補(bǔ)貼基本保持不變。

燃料電池頂層規(guī)劃循序漸進(jìn)

地方政府中，富氫優(yōu)勢(shì)、棄電較多或者產(chǎn)業(yè)領(lǐng)先為代表的地區(qū)重視燃料電池發(fā)展。多地市興建氫能產(chǎn)業(yè)園區(qū)，氫能小鎮(zhèn)和產(chǎn)業(yè)集群等，推動(dòng)燃料電池公交、物流車示范運(yùn)營(yíng)，截至目前超過20地市明確推動(dòng)氫燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展。目前僅上海、武漢、山東、蘇州、張家口、佛山、鹽城和大同等地規(guī)劃顯示，到2020年燃料電池汽車數(shù)量將超過1.5萬(wàn)輛。

地方政府積極推動(dòng)

中國(guó)燃料電池產(chǎn)業(yè)目前與2012年鋰電池極為相似，政策自上而下支持，技術(shù)達(dá)到產(chǎn)業(yè)化條件，產(chǎn)業(yè)鏈國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程開啟，企業(yè)加快布局速度，資本市場(chǎng)投融資熱度持續(xù)上升。

中國(guó)燃料電池汽車發(fā)展路徑明確：前期通過商用車發(fā)展，規(guī)?；档腿剂想姵睾蜌錃獬杀?，同時(shí)帶動(dòng)加氫站配套設(shè)施建設(shè)，后續(xù)拓展到私人用車領(lǐng)域。

優(yōu)先發(fā)展商用車的原因在于：一方面公共交通的平均成本低，而且能夠起到良好的社會(huì)推廣效果，形成規(guī)模后帶動(dòng)燃料電池成本和氫氣成本下降；另一方面商用車行駛在固定的線路上且車輛集中，建設(shè)配套的加氫站比較容易。當(dāng)加氫站數(shù)量增加、氫氣和燃料電池成本降低時(shí)，又會(huì)支撐更多燃料電池汽車。

2017年是中國(guó)燃料電池汽車元年，全國(guó)燃料電池汽車產(chǎn)量達(dá)到1272輛。2018年燃料電池汽車商業(yè)化運(yùn)營(yíng)的元年，產(chǎn)量達(dá)到1619輛，目前國(guó)家補(bǔ)貼到2020年不退坡，在國(guó)家和地方補(bǔ)貼的支持下，燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)開啟以補(bǔ)貼為基石的內(nèi)生性增長(zhǎng)時(shí)代。

商用車帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)起步，乘用車奠定未來

中國(guó)燃料電池汽車產(chǎn)量

截止2018年底，全國(guó)投入運(yùn)營(yíng)車輛約694輛，其中公交234輛左右，物流車約300輛，輕客160輛。其中，燃料電池物流車在上海已經(jīng)開展商業(yè)化運(yùn)營(yíng)，目前在運(yùn)營(yíng)數(shù)量達(dá)到300輛左右，運(yùn)營(yíng)里程超過400萬(wàn)km，用戶包括京東、申通快遞、盒馬鮮生、宜家等物流用戶。

燃料電池汽車運(yùn)營(yíng)現(xiàn)狀

我們預(yù)計(jì)隨著成本的持續(xù)下降，產(chǎn)業(yè)規(guī)模將得到迅速擴(kuò)大，行業(yè)將在未來十年迎來百倍增長(zhǎng)，到2030年燃料電池汽車市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到5000億，車用燃料電池市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到1200億，遠(yuǎn)期燃料電池汽車和熱電聯(lián)產(chǎn)等市場(chǎng)規(guī)模可達(dá)萬(wàn)億。

2017-2020，燃料電池產(chǎn)業(yè)處于商業(yè)化運(yùn)營(yíng)的導(dǎo)入期，產(chǎn)業(yè)在政府補(bǔ)貼扶持下實(shí)現(xiàn)盈利。同時(shí)燃料電池成本與氫氣成本隨著規(guī)模擴(kuò)大而穩(wěn)步下降，預(yù)計(jì)到2020年，系統(tǒng)成本