自3月15日氫能源首次被寫入政府工作報告以來，燃料電池的風(fēng)似乎愈刮愈烈，燃料電池概念股紛紛上漲，這不禁讓人聯(lián)想到2006年時的光伏和2012年的鋰電池。但是，光伏與鋰電池的歷史是否能夠重演？燃料電池是否具備商業(yè)化應(yīng)用的條件？
燃料電池的商業(yè)化離不開政策的支持，但是歸根結(jié)底還是在于技術(shù)的成熟和成本的下降。當(dāng)然，燃料電池的種類有很多，應(yīng)用也很廣泛，這里僅對質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）進行討論。下面主要從政策、技術(shù)、成本和發(fā)展路線四個方面對燃料電池產(chǎn)業(yè)進行討論。
產(chǎn)業(yè)政策
隨著燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展逐漸成熟，中國在燃料電池領(lǐng)域的規(guī)劃綱要和政策逐漸清晰，政府從發(fā)展路線、產(chǎn)業(yè)規(guī)劃和補貼扶持全方位支持燃料電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。2015年我國出臺的《中國制造2025》，關(guān)于節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的10年戰(zhàn)略目標(biāo)，指岀我國燃料電池汽車需要在三個關(guān)鍵方向?qū)崿F(xiàn)突破：關(guān)鍵材料、零部件逐步國產(chǎn)化；燃料電池堆和整車性能逐步提升；燃料電池汽車運行規(guī)模進一步擴大。2017年4月三部委聯(lián)合印發(fā)《汽車產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃》，進一步明確了以2020年、2025年、2030年為三個關(guān)鍵時間節(jié)點的燃料電池汽車技術(shù)發(fā)展路線。
2019年，燃料電池車在過渡期期間給予2018年的0.8倍補貼，后續(xù)政策另行通知。2019年3月15日氫能源首次被寫入政府工作報告，標(biāo)志著燃料電池產(chǎn)業(yè)得到政府的高度重視；3月26日財政部等四部委提出地方補貼需支持加氫基礎(chǔ)設(shè)施“短板”建設(shè)和配套運用服務(wù)。目前燃料電池的體量較小，后續(xù)政府有望加強燃料電池產(chǎn)業(yè)的政策支持力度，助力產(chǎn)業(yè)跨越式發(fā)展。
技術(shù)現(xiàn)狀
當(dāng)下制約燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要有以下幾點技術(shù)問題：1.上游氫氣的制取、存儲、運輸技術(shù)；2.燃料電池的電堆壽命過短，乘用車壽命需達到5000-10000小時；3.電堆關(guān)鍵材料制備技術(shù)如鉑碳催化劑中鉑的擔(dān)載量。
1）氫氣制取、存儲和運輸及加氫站技術(shù)
目前，制備氫氣的幾種主要方式包括氯堿工業(yè)副產(chǎn)氫、電解水制氫、化工原料制氫（甲醇裂解、乙醇裂解、液氨裂解等）、石化資源制氫（石油裂解、水煤氣法等）和新型制氫方法（生物質(zhì)、光化學(xué)等）。其中氯堿工業(yè)副產(chǎn)氫的產(chǎn)量較大，成本低廉，理論上可以支撐243萬輛燃料電池車的行駛，保守估計可以供50萬輛燃料電池車的使用，這足以滿足燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展初期對氫氣的需求。水煤氣法制氫成本低，但是含硫量高，會導(dǎo)致催化劑的中毒，無法滿足燃料電池使用需求；石油和天然氣制氫成本與氯堿工業(yè)相近，但是環(huán)保性不強；化工原料制氫、水電解制氫及其他新型制氫方法相對成本較高。而在產(chǎn)業(yè)發(fā)展后期，利用風(fēng)電、光電及核電的棄電資源電解水制氫將可實現(xiàn)資源的可再生及零排放目標(biāo)，同時借助于技術(shù)的進步和產(chǎn)業(yè)化帶來的成本下降將使得此技術(shù)路線制取的氫氣具備成本優(yōu)勢。
圖3 不同氫氣制備技術(shù)路線
在氫氣的儲存和運輸一塊，目前通用的辦法是通過高壓儲氫罐+拖車的方式進行儲存和運輸，這其中最核心的技術(shù)就是儲氫瓶的材料設(shè)計。氫瓶主要分為四種類型：全金屬氣瓶（I型）、金屬內(nèi)膽纖維環(huán)向纏繞氣瓶（II型）、金屬內(nèi)膽纖維全纏繞氣瓶（III型）及非金屬內(nèi)膽纖維全纏繞氣瓶（IV型）。國際上大部分燃料電池汽車采用的都是IV型瓶（圖19）。國內(nèi)目前還沒有IV型高壓氫瓶的相應(yīng)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。
圖4 70Mpa車載儲氫瓶（IV型）
2）電池壽命
燃料電池乘用車若想能夠商業(yè)化，電堆的壽命至少需要超過5000-10000小時。巴拉德和國鴻氫能的9SSL燃料電池電堆壽命達到了12000小時，可以滿足乘用車對燃料電池壽命的使用要求。但是國產(chǎn)的9SSL電堆使用的是模壓石墨雙極板，這使得電堆的體積功率密度只有1.4KW/L，僅可用于商用車的應(yīng)用，無法滿足小型乘用車輕量化的需求。豐田的Mirai壽命雖只有5000小時，但是其電堆體積較小，體積功率密度高。下表是國際上幾家主要燃料電池堆生產(chǎn)商的電堆性能對比，從表中可以看出目前燃料電池堆的使用壽命已經(jīng)可以基本滿足商業(yè)化需求，但是在壽命的提高及材料的輕量化上仍然有很長的一段路需要走。
圖5 全球主要燃料電池產(chǎn)品壽命對比
3）電堆關(guān)鍵材料的制備技術(shù)
燃料電池結(jié)構(gòu)中最核心的兩個部件為MEA和雙極板，MEA是集膜、催化層、擴散層于一體的組合件。MEA主要由電催化劑、固體電解質(zhì)膜和氣體擴散層組成。
圖6 燃料電池堆結(jié)構(gòu)示意圖
電催化劑的主要作用是促進氫、氧在電極上的氧化還原過程。目前使用的電催化劑主要為鉑碳催化劑，由于鉑是一種貴金屬元素，材料成本占據(jù)主導(dǎo)地位的鉑碳催化劑無法通過量產(chǎn)來降低成本，使得電堆的成本居高不下。因此，未來燃料電池催化劑的研究方向應(yīng)向低鉑或無鉑催化劑的方向發(fā)展。但是，經(jīng)過多年的發(fā)展，燃料電池電催化劑鉑的擔(dān)載量已經(jīng)從2012年的0.196 mg/cm2下降到2017年的0.125mg/cm2，相信未來隨著技術(shù)的進步鉑的擔(dān)載量將會進一步降低。
圖7 燃料電池內(nèi)鉑金屬含量變化趨勢
車用燃料電池中質(zhì)子交換膜（PEM）是一種固態(tài)電解質(zhì)膜，其作用是隔離燃料與氧化劑、傳遞質(zhì)子（H+）。根據(jù)氟含量，可以將質(zhì)子交換膜分為全氟質(zhì)子交換膜、部分氟化聚合物質(zhì)子交換膜、非氟聚合物質(zhì)子交換膜、復(fù)合質(zhì)子交換膜。其中，由于全氟磺酸樹脂分子主鏈具有聚四氟乙烯（PTFE）結(jié)構(gòu)，因而帶來優(yōu)秀的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性和較高的力學(xué)強度；聚合物膜壽命較長，同時由于分子支鏈上存在親水性磺酸基團，具有優(yōu)秀的離子傳導(dǎo)特性，是最先實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的侄子交換膜。全氟類質(zhì)子交換膜包括普通全氟化質(zhì)子交換膜、增強型全氟化質(zhì)子交換膜、高溫復(fù)合質(zhì)子交換膜。主要生產(chǎn)國家有美國、日本、加拿大、比利時和中國的東岳集團。
圖8 各類質(zhì)子交換膜優(yōu)缺點比較
全氟類質(zhì)子交換膜包括普通全氟化質(zhì)子交換膜、增強型全氟化質(zhì)子交換膜、高溫復(fù)合質(zhì)子交換膜。主要生產(chǎn)國家有美國、日本、加拿大、比利時和中國的東岳集團。
圖9 全球主要PEM膜生產(chǎn)廠家
氣體擴散層GDL是最容易實現(xiàn)降本的部分，未來規(guī)?；a(chǎn)是發(fā)展的重點。GDL位于流場和催化層之間，其作用是支撐催化層、穩(wěn)定電極結(jié)構(gòu)，并具有質(zhì)/熱/電的傳遞功能。通常GDL由支撐層（憎水處理過的多孔碳紙或碳布）和微孔層組成（電炭黑和憎水劑構(gòu)成）。目前主要的氣體擴散層有三種：碳纖維紙、碳纖維布和炭黑紙。
圖10 不同種類氣體擴散層的性能指標(biāo)
雙極板中，石墨雙極板最為成熟，金屬雙極板是未來方向。雙極板主要起到輸送和分配燃料、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%。主要功能有：連接單體模塊、分隔反應(yīng)氣體、收集電流、散熱和排水等。其基體材料需具有強度高、致密性好、導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能好等特點，材料的選擇將直接影響燃料電池的電性能和使用壽命。石墨雙極板目前最成熟，金屬與復(fù)合村料雙極板有較大發(fā)展空間。根據(jù)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(fù)合材料雙極板，其中石墨雙極板最早被開發(fā)使用，前技術(shù)已經(jīng)成熟，并已實現(xiàn)商業(yè)化大規(guī)模應(yīng)用了。金屬雙極板是替代石墨雙極板的最使選擇，表面改性的多涂層結(jié)構(gòu)金屬雙極板具備較大的發(fā)展空間。金屬雙極板的機械性能、加工性能、導(dǎo)電性等都十分優(yōu)異，易于批量化生產(chǎn)降低成本。
圖11 不同雙極板的特點對比
國內(nèi)量產(chǎn)的燃料電池車型主要有榮威950 Fuel Cell，累計產(chǎn)量一共在70臺左右，而豐田Mirai在全球累計銷量已經(jīng)達到7597臺，本田Clarity銷量為2441臺。近年隨著外資車企在燃料電池乘用車領(lǐng)域布局不斷加速，涌現(xiàn)了現(xiàn)代ix35，NEXO、奔馳B-F-Cell、通用 Equinox等燃料電池乘用車。
圖12 國內(nèi)外燃料電池乘用車參數(shù)對比
圖13 國內(nèi)外燃料電池客車參數(shù)對比
綜上，目前的燃料電池從壽命、性能、資源和成本等方面已經(jīng)有了長足的進步：（1）燃料電池車輛壽命和運營里程達到傳統(tǒng)汽柴油車水準(zhǔn)，在英國和美國均有燃料電池公交車（FCEB）運營壽命超過2.9萬小時，無需大修或更換燃料電池組；（2）低溫啟動溫度可以達到-30℃；（3）鉑金催化劑用量較小，未來不會引起鉑金資源短缺，目前國際先進催化劑耗鉑水平可達到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2025年能達到傳統(tǒng)內(nèi)燃機車成本水平；（5）氫耗與油耗成本持平，并且隨著規(guī)模擴大，氫氣成本存在較大下行空間。所以，燃料電池汽車從技術(shù)層面已經(jīng)初步具備產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的潛力。
成本下降
燃料電池車商業(yè)化最大的阻礙之一就是成本，目前燃料電池車的成本要遠遠高于目前的燃油車或電動車，這主要是由兩點原因造成的，一是燃料電池技術(shù)的限制，一些關(guān)鍵組件如電堆中的電催化劑和雙極板成本高昂，使得燃料電池系統(tǒng)價格居高不下，另一方面是燃料電池汽車產(chǎn)量較小，但是隨著未來規(guī)模化后，其他一些部件如儲氫系統(tǒng)、燃料供給系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、電驅(qū)動系統(tǒng)以及電堆中的氣體擴散層和PEM等都將隨著規(guī)模的擴大，成本急劇的下降。
圖14 氫燃料電池成本變化趨勢（美元/KW）
關(guān)于80kW的汽車聚合物電解質(zhì)膜（PEM）燃料電池系統(tǒng)成本預(yù)測：
每年生產(chǎn)10萬件，價格是50美元/千瓦時；
每年生產(chǎn)50萬件，價格是45美元/千瓦時。
與2016年財政年度分析相比，降低系統(tǒng)成本的主要因素是：
? 在高表面積碳(HSC)上形成PtCo催化劑，該PtCo催化劑增加功率密度46%
? 陰極鉑載量略有降低(7%)
? 改進了雙極板沖壓工藝
? 根據(jù)行業(yè)投入調(diào)整氫傳感器，假定它們是包括在車輛中的，而不是作為燃料電池系統(tǒng)的一部分。
預(yù)計到2020年和2025年，汽車PEM燃料電池系統(tǒng)的成本分別約為：
每年生產(chǎn)10萬件，價格是47美元/千瓦時和40美元/千瓦時；
每年生產(chǎn)50萬件，價格是43美元/千瓦時和36美元/千瓦時。
圖15 燃料電池系統(tǒng)成本隨產(chǎn)量變化趨勢（美元/KW）
我們再以豐田的Mirai燃料電池為例，根據(jù)測算，Mirai燃料電池系統(tǒng)的成本達到233美元/W，其中73%的成本為電堆成本以114KW功率為標(biāo)準(zhǔn),1000臺產(chǎn)量下每臺Mirai的燃料電池系統(tǒng)成本為26562美元，2015年Mirai在美售價57500美元，在有補貼政策的情況下，每年銷量為2000多臺。如果產(chǎn)量達到10000臺，燃料電池系統(tǒng)成本將有望下降至9000美元，則基本上可以實現(xiàn)商業(yè)化。
圖16 Mirai電堆和BOP成本分析
在保證規(guī)模生產(chǎn)的前提下，乘用車燃料電池的成本基本可以達到商業(yè)化水準(zhǔn)，隨著未來技術(shù)的進步，燃料電池的成本有望進一步下降。
發(fā)展路線
目前，我國已經(jīng)探討了幾條適合國情的路線：
先商后乘路線：采用在公交車輛，專用工程車輛等商用車率先推廣燃料電池，規(guī)?；杀窘档秃笤僭诔擞密囶I(lǐng)域推廣的路線。
一方面，商用車因為應(yīng)用場景較乘用車輛集中，行駛路徑單一，在制定區(qū)域進行制氫、儲氫、加氫完成度高，可操作性較強。另一方面，燃料電池具備低溫運行，大功率動力做功的特性，符合商用車在特定領(lǐng)域的需求。
當(dāng)商用車規(guī)模化的推廣將帶動產(chǎn)業(yè)鏈的完善，為后期乘用車的推進奠定基礎(chǔ)。
燃料電池（增程式）路徑的提出：針對當(dāng)前國內(nèi)小功率燃料電池技術(shù)上難以滿足中型、重型車輛驅(qū)動，大功率燃料電池成本過高的情況，采用燃料電池用作鋰電池增程器的設(shè)計可以滿足驅(qū)動條件。
不同于乘用車輛，商用車輛較大的空間滿足同時布局兩種動力的條件，協(xié)同相比純電動車輛增加續(xù)航里程，又能夠彌補小功率燃料電池動力不足的缺陷。
核心觀點
燃料電池技術(shù)已初步具備商業(yè)化應(yīng)用條件；
燃料電池汽車未來十年將隨著技術(shù)的進步和產(chǎn)量的增加成本大幅度降低；
國內(nèi)加氫站數(shù)量較少，未來隨著政策的引導(dǎo)，加氫站建設(shè)速度將會顯著提升；
國內(nèi)燃料電池發(fā)展路線應(yīng)堅持先商后乘及燃料電池增程式的路徑。
2019年將是燃料電池商業(yè)化的元年。
雖然當(dāng)前燃料電池車輛存量僅為千余輛，氫能相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施仍遠不完善。但在政策補貼疊加和技術(shù)進步支持下，未來數(shù)年氫能勢必與內(nèi)燃機、鋰電池產(chǎn)業(yè)長期共存并占據(jù)一席之地。
期待未來十年燃料電池行業(yè)真正的爆發(fā)。
