氫能時(shí)代來(lái)臨，中國(guó)氫燃料電池前景廣闊，競(jìng)爭(zhēng)格局及產(chǎn)業(yè)鏈設(shè)備發(fā)展趨勢(shì)分析[圖]

    在氫燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈中，上游是氫氣的制取、運(yùn)輸和儲(chǔ)藏，在加氫站對(duì)氫燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行氫氣的加注；中游是電堆等關(guān)鍵零部件的生產(chǎn)，將電堆和配件兩大部分進(jìn)行集成，形成氫燃料電池系統(tǒng)；在下游應(yīng)用層面，主要有交通運(yùn)輸、便攜式電源和固定式電源三個(gè)方向。

    氫能和燃料電池的關(guān)鍵技術(shù)主要是氫能的生產(chǎn)工藝、燃料電池技術(shù)、氫燃料的運(yùn)輸與配送等。

    燃料電池的發(fā)電原理與電池大致相同，實(shí)質(zhì)是燃料氣體和氧化劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。燃料電池主要有三個(gè)組成部分：陰極、陽(yáng)極和電解質(zhì)。（1）電解質(zhì)：電解質(zhì)材料決定了燃料電池的類(lèi)型；（2）陽(yáng)極：將燃料分解成電子和離子，通常由鉑制成；（3）陰極：將離子轉(zhuǎn)化為水，通常由鎳或納米材料制成。

    不同類(lèi)型的燃料電池取決于使用的電解質(zhì)不同。其中，質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）應(yīng)用范圍較廣，也是交通領(lǐng)域燃料電池的首選。

    一、燃料電池系統(tǒng)

    燃料電池車(chē)用動(dòng)力系統(tǒng)主要包括燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)、動(dòng)力電池、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、DCDC直流變換器。我國(guó)攻克了車(chē)用燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)集成、控制和適配等關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)，形成了燃料電池系統(tǒng)、動(dòng)力電池系統(tǒng)、DC/DC（直流/直流）轉(zhuǎn)換器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、儲(chǔ)氫與供氫系統(tǒng)等關(guān)鍵零部件部件配套研發(fā)體系，總體技術(shù)接近國(guó)際先進(jìn)水平。

    1）乘用車(chē)方面：國(guó)外乘用車(chē)廠發(fā)動(dòng)機(jī)均采用全功率模式，再加上乘用車(chē)內(nèi)空間有限，因此均使用高壓金屬板電堆，體積功率密度高（>3kW/L），均實(shí)現(xiàn)-25℃以下低溫啟動(dòng)，壽命5000小時(shí)以上，已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化銷(xiāo)售。但是，國(guó)內(nèi)燃料電池乘用車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)僅有上汽一家自主開(kāi)發(fā)的榮威950轎車(chē)（30kW）完成公告認(rèn)證，其他乘用車(chē)企業(yè)均采用合作的方式，還處于樣車(chē)開(kāi)發(fā)階段，例如北汽、廣汽、長(zhǎng)安、漢騰等。

    2）商用車(chē)方面：國(guó)外商用車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)供應(yīng)商主要有巴拉德、Hydrogenics和USHybrid，這三家企業(yè)目前都與國(guó)內(nèi)的企業(yè)有合作，發(fā)動(dòng)機(jī)均采用石墨板和中低壓技術(shù)路線，壽命超過(guò)10000小時(shí)。

    國(guó)內(nèi)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)模式與國(guó)外不同，國(guó)外采用全功率型發(fā)動(dòng)機(jī)，國(guó)內(nèi)則采用氫-電混合燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)。國(guó)內(nèi)有北京億華通、新源動(dòng)力、上海重塑、廣東國(guó)鴻重塑等企業(yè)開(kāi)發(fā)出30kW以上燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)。目前裝載北京億華通燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的客車(chē)租賃車(chē)隊(duì)（北京60輛燃料電池團(tuán)體客車(chē)）和燃料電池公交車(chē)車(chē)隊(duì)（張家口74臺(tái)燃料電池公交車(chē)）已正式投入商業(yè)化運(yùn)營(yíng)；裝載上汽集團(tuán)自主研發(fā)的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的FCV80實(shí)現(xiàn)了百臺(tái)級(jí)的銷(xiāo)售和日常運(yùn)營(yíng)；上海重塑的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)裝載了500臺(tái)物流車(chē)投入商業(yè)化運(yùn)營(yíng)。

    二、電池堆

    電堆是燃料電池的主要成本，年產(chǎn)1,000套系統(tǒng)與年產(chǎn)50萬(wàn)套系統(tǒng)，電堆占燃料電池成本分別為66%、42%。根據(jù)DOE的估算，車(chē)用80kW燃料電池系統(tǒng)成本平均為45美元/kW（年產(chǎn)50萬(wàn)套的規(guī)模），其中燃料電池堆成本為19美元/kW。從成本敏感性因素分析來(lái)看，膜電極的比功率、貴金屬鉑的用量及膜成本是決定成本的關(guān)鍵因素。另外，輔助系統(tǒng)關(guān)鍵部件的成本為26美元/kW，空氣壓縮機(jī)、氫氣循環(huán)系統(tǒng)、增濕器的成本是關(guān)鍵因素。

電堆是氫燃料電池的主要成本

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    電堆是發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的場(chǎng)所，也是燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)核心部分，由多個(gè)單體電池以串聯(lián)方式層疊組合構(gòu)成。將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緊固拴牢，即構(gòu)成燃料電池電堆。電堆工作時(shí)，氫氣和氧氣分別由進(jìn)口引入，經(jīng)電堆氣體主通道分配至各單電池的雙極板，經(jīng)雙極板導(dǎo)流均勻分配至電極，通過(guò)電極支撐體與催化劑接觸進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)。

    國(guó)外乘用車(chē)廠大多自行開(kāi)發(fā)電堆，并不對(duì)外開(kāi)放，例如豐田、本田、現(xiàn)代等。也有少數(shù)采用合作伙伴的電堆來(lái)開(kāi)發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)的乘用車(chē)企業(yè)，例如奧迪（采用加拿大巴拉德定制開(kāi)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(guó)外可以單獨(dú)供應(yīng)車(chē)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(guó)正在運(yùn)營(yíng)的燃料電池公交車(chē)絕大多數(shù)采用這兩家公司的石墨板電堆產(chǎn)品，已經(jīng)經(jīng)過(guò)了數(shù)千萬(wàn)公里、數(shù)百萬(wàn)小時(shí)的實(shí)車(chē)運(yùn)營(yíng)考驗(yàn)，這兩家加拿大電堆企業(yè)都已經(jīng)具備了一定產(chǎn)能，Ballard還與廣東國(guó)鴻設(shè)立了合資企業(yè)生產(chǎn)9SSL電堆。此外還有一些規(guī)模較小的電堆開(kāi)發(fā)企業(yè)，例如英國(guó)的Erlingklinger，荷蘭的Nedstack等，在個(gè)別項(xiàng)目有過(guò)應(yīng)用，目前產(chǎn)能比較有限。

    三、空壓機(jī)

    空壓機(jī)則是空氣壓縮機(jī)，是車(chē)用燃料電池氫氧供應(yīng)系統(tǒng)的重要部件，它將常壓的空氣壓縮到燃料電池期望的壓力，由于燃料電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)對(duì)環(huán)境“苛刻”的要求，參與反應(yīng)的空氣（其中的氧氣）的溫度、濕度、壓力和流量需要空壓機(jī)進(jìn)行控制與調(diào)整。常見(jiàn)的空壓機(jī)類(lèi)型有滑片式、渦旋式、螺桿式與離心渦輪式等。

    螺桿式空壓機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是壓力/流量可以靈活調(diào)整、啟停方便、安裝簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是噪聲大、體積大、質(zhì)量重和價(jià)格高，已在美國(guó)GM，PlugPower、加拿大Ballard等公司的燃料電池系統(tǒng)中采用。渦輪式空壓機(jī)容積效率較高，壓力與氣量連續(xù)可調(diào)，但尺寸和重量較大，本田和現(xiàn)代等公司已定制開(kāi)發(fā)了空氣軸承的渦輪式空壓機(jī)。

    目前國(guó)內(nèi)車(chē)用燃料電池空壓機(jī)基本依賴進(jìn)口，國(guó)產(chǎn)的僅廣順空壓機(jī)在上汽有實(shí)際應(yīng)用。

    四、氫氣循環(huán)泵

    典型的氫氣供應(yīng)系統(tǒng)HSS包括高壓儲(chǔ)氫瓶、減壓閥、壓力調(diào)節(jié)閥、循環(huán)裝置(循環(huán)泵或引射器)、穩(wěn)壓罐、傳感器、各種電磁閥及管路等。HSS通過(guò)高壓儲(chǔ)氫瓶提供電堆所需的氫氣，根據(jù)電堆的工況特性，對(duì)氫氣進(jìn)行調(diào)壓、加熱、加濕，并通過(guò)循環(huán)裝置對(duì)電堆出口氫氣進(jìn)行循環(huán)利用。

    為保證PEMFC穩(wěn)定高效運(yùn)行，同時(shí)提高氫氣利用率，通常采用氫氣循環(huán)的方法，即氫氣把電堆內(nèi)部生成的水帶出后，經(jīng)水氣分離裝置將液態(tài)水分離，再將氫氣循環(huán)送回到電堆陽(yáng)極重復(fù)使用，同時(shí)對(duì)新鮮氫氣進(jìn)行加濕。

    目前氫氣循環(huán)泵依賴進(jìn)口，美國(guó)Park公司開(kāi)發(fā)出氫氣循環(huán)泵可用于不同的氫燃料電池汽車(chē)。國(guó)內(nèi)目前沒(méi)有替代品，主要是由于氫氣循環(huán)泵的氫氣密封和水汽腐蝕和沖擊問(wèn)題難以解決，國(guó)外也僅有幾家能夠提供解決方案。國(guó)內(nèi)雪人股份、廣順新能源、漢鐘精機(jī)等企業(yè)正在進(jìn)行氫氣循環(huán)泵的研發(fā)。

    五、加濕器

    目前國(guó)際上的主流技術(shù)是Gas-to-Gas加濕器。國(guó)外已經(jīng)有許多廠家開(kāi)發(fā)出加濕器，并已形成產(chǎn)品，能夠滿足備用電源到氫燃料電池公交車(chē)用加濕需要。如美國(guó)的Perma-Pure生產(chǎn)的管式加濕器、加拿大Dipont生產(chǎn)的板式加濕器、德國(guó)Mann-Hummel生產(chǎn)的板式和管式加濕器和德國(guó)FreudenbergFCCT生產(chǎn)的管式加濕器等。

    六、儲(chǔ)氫瓶

    車(chē)載供氫系統(tǒng)為燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)提供燃料供給，分硬件和控制系統(tǒng)兩部分；硬件系統(tǒng)包括碳纖維纏繞鋁內(nèi)膽儲(chǔ)氫瓶、組合式瓶閥、溢流閥、減壓閥、壓力/溫度傳感器等組成。

    我國(guó)使用的壓力為35MPa的碳纖維纏繞金屬內(nèi)膽氣瓶（III型）的儲(chǔ)氫密度為3.9%，通過(guò)提高壓力到70MPa可達(dá)5%；而采用碳纖維纏繞塑料內(nèi)膽氣瓶（IV型瓶）儲(chǔ)氫密度可以進(jìn)一步提高到5.5%。我們?cè)贗V型氣瓶方面尚沒(méi)有掌握制造技術(shù)，在70MPa的III型氣瓶方面僅有研發(fā)成果，沒(méi)有產(chǎn)品。

    七、制氫

    我國(guó)氫氣產(chǎn)能超過(guò)2,000萬(wàn)t/a，但生產(chǎn)主要依賴化石能源，消費(fèi)主要作為工業(yè)原料，清潔能源制氫和氫能的能源化利用規(guī)模較小。（1）氫氣供給：國(guó)內(nèi)由煤、天然氣、石油等化石燃料生產(chǎn)的氫氣占比接近70%，工業(yè)副產(chǎn)氫（焦?fàn)t煤氣、氯堿等）占比約為30%，電解水制氫占比不到1%。（2）氫氣需求：基本為工業(yè)用途，如合成氨、合成甲醇、石油煉化等；用于交通領(lǐng)域的燃料電池汽車(chē)占比不到1%。

電解水占比不到1%，制氫依賴化石能源

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加注站主要依靠氣氫拖車(chē)運(yùn)輸

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    氫氣的生產(chǎn)工藝主要有蒸汽甲烷重整和電解制氫兩種。（1）重整制氫：根據(jù)IEA數(shù)據(jù)，全球48%的氫氣是由天然氣通過(guò)蒸汽甲烷重整工藝（SMR）生產(chǎn)，即在高溫、催化劑的作用下，甲烷和水蒸氣發(fā)生的反應(yīng)生成氫氣的過(guò)程。用這種方法大規(guī)模生產(chǎn)氫氣的成本主要由天然氣價(jià)格決定，例如目前美國(guó)天然氣的價(jià)格是0.9美元/kg，歐洲的天然氣2.2美元/kg，日本的天然氣3.2/kg。

    電解制氫。電解法是通過(guò)施加一個(gè)直流電把水分離成氫氣和氧氣，把電能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能。2014年，全球大約安裝了8GW電解能力的電解氫設(shè)備。不同類(lèi)型的電解槽可以按電解質(zhì)和電荷載體的不同，分成堿性電解槽、質(zhì)子交換膜（PEM）電解槽和固體氧化物（SO）電解槽等。堿性電解槽是目前最成熟的技術(shù)，并且投資成本比其他的電解槽要低很多，但是PEM電解槽和SO電解槽更有希望降低成本和提高效率。電解氫的成本取決于電力成本以及電解槽的投資成本。為了最大限度地降低電力成本，很多電解氫的設(shè)備選擇接入價(jià)格低廉的可再生能源，如光伏和風(fēng)電。

    八、儲(chǔ)運(yùn)

    通常制氫后得到的氫氣通過(guò)壓縮途徑儲(chǔ)存。將氫氣通過(guò)壓縮機(jī)壓縮，存儲(chǔ)在中低壓壓力等級(jí)的儲(chǔ)氫罐。當(dāng)制得的氫氣量足夠大時(shí)，利用地下氣穴儲(chǔ)存，地下存儲(chǔ)的氫氣壓力水平范圍為2MPa至18MPa。若設(shè)備允許，氫氣可以通過(guò)低溫液化，儲(chǔ)存到低溫儲(chǔ)氫罐，其儲(chǔ)氫量相比壓縮儲(chǔ)氫要大得多；同等空間下，壓縮儲(chǔ)氫提供氫儲(chǔ)量100kWh，而低溫液態(tài)存儲(chǔ)可達(dá)100GWh。對(duì)于壓縮氫氣儲(chǔ)氫，壓縮機(jī)是儲(chǔ)氫的關(guān)鍵技術(shù)。

    九、運(yùn)輸

    相比上游制氫行業(yè)，氫能儲(chǔ)運(yùn)和加注產(chǎn)業(yè)化較為滯后。壓縮氫氣與液態(tài)、固態(tài)和有機(jī)液體儲(chǔ)氫技術(shù)相比相對(duì)成熟，但產(chǎn)業(yè)化仍有距離。我國(guó)壓縮氫氣主要通過(guò)氣氫拖車(chē)和氫氣管道兩種方式運(yùn)輸。

    （1）氣氫拖車(chē)：裝運(yùn)的氫氣重量只占運(yùn)輸總重量的1%~2%，比較適用于運(yùn)輸距離較近、輸送量較低、氫氣日用量為噸級(jí)或以下的用戶。目前，國(guó)內(nèi)加氫站的外進(jìn)氫氣均采用氣氫拖車(chē)進(jìn)行運(yùn)輸。

    （2）氣氫管道：運(yùn)輸應(yīng)用于大規(guī)模、長(zhǎng)距離的氫氣運(yùn)輸，可有效降低運(yùn)輸成本。國(guó)外氣氫管道輸送相對(duì)國(guó)內(nèi)較成熟，美國(guó)、歐洲已分別建成2400km、1500km的輸氫管道。我國(guó)目前氫氣管網(wǎng)僅有300~400km，最長(zhǎng)的輸氫管線為“巴陵-長(zhǎng)嶺”氫氣管道，全長(zhǎng)約42km、壓力為4MPa。

    十、加氫站

    加氫站是燃料電池汽車(chē)供應(yīng)鏈中一個(gè)至關(guān)重要的因素，提供加氫站網(wǎng)絡(luò)建設(shè)是普及燃料電池車(chē)的先決條件。加氫站的設(shè)置在很大程度上是由每日氫燃料的需求量、車(chē)載氫燃料的儲(chǔ)存方式，以及氫燃料的制造和運(yùn)輸方式等決定的。

    不同規(guī)模的加氫站采用不同的運(yùn)輸方式。一個(gè)小的加氫站初始階段可能每天只需要50kg到100kg，但是在成熟以后的市場(chǎng)里，加氫站每天可能會(huì)需要2,000kg氫燃料。對(duì)于小加氫站，可以采用氫氣氣體罐運(yùn)輸或者現(xiàn)場(chǎng)制氫，而對(duì)于日用氫量大于500kg且沒(méi)有現(xiàn)場(chǎng)制氫的加氫站，液化運(yùn)輸和管道運(yùn)輸是最好選擇。

    2018年全球運(yùn)營(yíng)的加氫站數(shù)量達(dá)到369座，主要分布在日本、美國(guó)、德國(guó)，前三個(gè)國(guó)家擁有全球2/3的加氫站。其中，日本運(yùn)營(yíng)數(shù)量102座，美國(guó)77座，德國(guó)66座，法國(guó)17座，英國(guó)17座，中國(guó)15座。運(yùn)營(yíng)的369座加氫站中，其中273座對(duì)外開(kāi)放，其余的僅限對(duì)公共汽車(chē)等開(kāi)放。

2018年全球運(yùn)營(yíng)的加氫站達(dá)到369座

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全球加氫站主要分布在美國(guó)、日本、德國(guó)

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全球范圍來(lái)看，我國(guó)加氫站建設(shè)相對(duì)緩慢。（1）氫能需求不足，導(dǎo)致加氫站投入平均成本過(guò)高、難以大規(guī)模鋪設(shè)；（2）國(guó)內(nèi)加氫站成本過(guò)高，建設(shè)及運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)不足，加氫站建設(shè)運(yùn)營(yíng)管理制度體系缺位，加氫站建設(shè)運(yùn)營(yíng)等行政審批程序不通暢等多方面因素，又使得我國(guó)加氫站推廣緩慢。

2018年全球最多的加氫站數(shù)量

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    加氫站成本構(gòu)成主要為壓縮機(jī)。根據(jù)交能網(wǎng)數(shù)據(jù)，目前加氫站建設(shè)成本較高，我國(guó)一個(gè)日加氫能力為200kg的加氫站成本約為1,000萬(wàn)元，歐洲同等量級(jí)的加氫站所需成本與國(guó)內(nèi)相當(dāng)。

    運(yùn)營(yíng)成本方面，能耗來(lái)自增壓設(shè)備和冷卻設(shè)備的能耗，低溫液態(tài)加氫，不需要冷卻裝置，增壓能耗較低，因此液態(tài)加氫站的運(yùn)營(yíng)成本也相對(duì)氣體加氫站較低；但如果制氫地點(diǎn)與加氫站距離較近時(shí)，氫氣液化和液態(tài)氫氣的運(yùn)輸成本都更高，將導(dǎo)致終端成本較高。因此，加氫站的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)因地制宜，綜合各項(xiàng)成本。

    終端用氫成本主要包括制氫、儲(chǔ)氫、加氫等三部分。根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)測(cè)算，終端用氫價(jià)格在35-50元/kg，預(yù)計(jì)隨著用氫規(guī)模擴(kuò)大、技術(shù)進(jìn)步等，用氫成本將下降至25-40元/kg。

    由于產(chǎn)量規(guī)模較小，我國(guó)燃料電池成本較高。對(duì)于燃料電池汽車(chē)，目前國(guó)內(nèi)車(chē)用燃料電池成本還高達(dá)5,000元/kW以上，因此整車(chē)成本遠(yuǎn)高于動(dòng)力電池汽車(chē)和燃油車(chē)。目前制約燃料電池車(chē)應(yīng)用的最大因素也是車(chē)的成本太高，主要是由于燃料電池組產(chǎn)量低，使得單價(jià)居高不下。

    隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，燃料電池成本有望大幅下降。根據(jù)美國(guó)能源部（DOE）由學(xué)習(xí)曲線做的燃料電池成本和產(chǎn)量關(guān)系的測(cè)算，基于2020年的技術(shù)水平，在年產(chǎn)50萬(wàn)套80kW電堆的規(guī)模下，質(zhì)子交換膜（PEM）燃料電池系統(tǒng)成本可降低到40美元/kW（約合260元/kW），即80kW燃料電池汽車(chē)的電池系統(tǒng)總價(jià)約2萬(wàn)元。而按照國(guó)際能源署預(yù)測(cè)，2030年鋰離子電池系統(tǒng)成本有望降低至100美元，同等水平的60kWh動(dòng)力電池車(chē)電池系統(tǒng)總價(jià)約為4萬(wàn)元。

基于2020年技術(shù)水平，假設(shè)年產(chǎn)50萬(wàn)套產(chǎn)量，燃料電池系統(tǒng)成本可降至45美元/kw

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    從長(zhǎng)期來(lái)看，未來(lái)燃料電池汽車(chē)成本有望比動(dòng)力電池汽車(chē)更低，和燃油車(chē)的成本相當(dāng)。燃料電池成本下降速率將明顯高于鋰離子電池，其原因主要在于：①目前鋰離子電池產(chǎn)業(yè)已具備較大規(guī)模，成本下降速率已逐漸趨于穩(wěn)定，而燃料電池產(chǎn)業(yè)仍處在發(fā)展初期，其成本具有巨大下降潛力；②電堆是燃料電池成本的主要組成部分，電堆中除鉑催化劑外，其他材料包括石墨、聚合物膜、鋼等，幾乎不存在類(lèi)似于鋰、鈷、鎳等稀缺材料對(duì)鋰電池成本的剛性限制。而且近10年來(lái)在技術(shù)進(jìn)步推動(dòng)下，單位功率鉑用量大幅下降，豐田Mirai燃料電池鉑含量?jī)H約0.2g/kW，未來(lái)有望降低至0.1g/kW以下，且鉑可以回收利用，可以有效降低電堆成本。

    相關(guān)報(bào)告：智研咨詢發(fā)布的《2019-2025年中國(guó)氫燃料電池汽車(chē)行業(yè)市場(chǎng)評(píng)估及投資前景評(píng)估報(bào)告》