自3月15日氫能源首次被寫入政府工作報告以來，燃料電池的風似乎愈刮愈烈，燃料電池概念股紛紛上漲，這不禁讓人聯想到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化應用的條件？

燃料電池的商業化離不開政策的支持，但是歸根結底還是在于技術的成熟和成本的下降。當然，燃料電池的種類有很多，應用也很廣泛，這里僅對質子交換膜燃料電池（PEMFC）進行討論。下面主要從政策、技術、成本和發展路線四個方面對燃料電池產業進行討論。

產業政策

 隨著燃料電池產業發展逐漸成熟，中國在燃料電池領域的規劃綱要和政策逐漸清晰，政府從發展路線、產業規劃和補貼扶持全方位支持燃料電池產業的發展。2015年我國出臺的《中國制造2025》，關于節能與新能源汽車產業發展的10年戰略目標，指岀我國燃料電池汽車需要在三個關鍵方向實現突破：關鍵材料、零部件逐步國產化；燃料電池堆和整車性能逐步提升；燃料電池汽車運行規模進一步擴大。2017年4月三部委聯合印發《汽車產業中長期發展規劃》，進一步明確了以2020年、2025年、2030年為三個關鍵時間節點的燃料電池汽車技術發展路線。

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，標志著燃料電池產業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設施“短板”建設和配套運用服務。目前燃料電池的體量較小，后續政府有望加強燃料電池產業的政策支持力度，助力產業跨越式發展。

技術現狀

 當下制約燃料電池產業發展的主要有以下幾點技術問題：1.上游氫氣的制取、存儲、運輸技術；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.電堆關鍵材料制備技術如鉑碳催化劑中鉑的擔載量。  

1）氫氣制取、存儲和運輸及加氫站技術

目前，制備氫氣的幾種主要方式包括氯堿工業副產氫、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、光化學等）。其中氯堿工業副產氫的產量較大，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業發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相近，但是環保性不強；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。而在產業發展后期，利用風電、光電及核電的棄電資源電解水制氫將可實現資源的可再生及零排放目標，同時借助于技術的進步和產業化帶來的成本下降將使得此技術路線制取的氫氣具備成本優勢。

圖3  不同氫氣制備技術路線

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就是儲氫瓶的材料設計。氫瓶主要分為四種類型：全金屬氣瓶（I型）、金屬內膽纖維環向纏繞氣瓶（II型）、金屬內膽纖維全纏繞氣瓶（III型）及非金屬內膽纖維全纏繞氣瓶（IV型）。國際上大部分燃料電池汽車采用的都是IV型瓶（圖19）。國內目前還沒有IV型高壓氫瓶的相應法規標準。

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可以基本滿足商業化需求，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品壽命對比

3）電堆關鍵材料的制備技術

燃料電池結構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、固體電解質膜和氣體擴散層組成。

圖6  燃料電池堆結構示意圖

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，材料成本占據主導地位的鉑碳催化劑無法通過量產來降低成本，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向低鉑或無鉑催化劑的方向發展。但是，經過多年的發展，燃料電池電催化劑鉑的擔載量已經從2012年的0.196 mg/cm2下降到2017年的0.125mg/cm2，相信未來隨著技術的進步鉑的擔載量將會進一步降低。

圖7  燃料電池內鉑金屬含量變化趨勢

車用燃料電池中質子交換膜（PEM）是一種固態電解質膜，其作用是隔離燃料與氧化劑、傳遞質子（H+）。根據氟含量，可以將質子交換膜分為全氟質子交換膜、部分氟化聚合物質子交換膜、非氟聚合物質子交換膜、復合質子交換膜。其中，由于全氟磺酸樹脂分子主鏈具有聚四氟乙烯（PTFE）結構，因而帶來優秀的熱穩定性、化學穩定性和較高的力學強度；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，具有優秀的離子傳導特性，是最先實現產業化的侄子交換膜。全氟類質子交換膜包括普通全氟化質子交換膜、增強型全氟化質子交換膜、高溫復合質子交換膜。主要生產國家有美國、日本、加拿大、比利時和中國的東岳集團。

圖8  各類質子交換膜優缺點比較

全氟類質子交換膜包括普通全氟化質子交換膜、增強型全氟化質子交換膜、高溫復合質子交換膜。主要生產國家有美國、日本、加拿大、比利時和中國的東岳集團。

圖9  全球主要PEM膜生產廠家

氣體擴散層GDL是最容易實現降本的部分，未來規模化生產是發展的重點。GDL位于流場和催化層之間，其作用是支撐催化層、穩定電極結構，并具有質/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

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、導電和導熱性能好等特點，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，金屬與復合村料雙極板有較大發展空間。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，其中石墨雙極板最早被開發使用，前技術已經成熟，并已實現商業化大規模應用了。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構金屬雙極板具備較大的發展空間。金屬雙極板的機械性能、加工性能、導電性等都十分優異，易于批量化生產降低成本。

圖11  不同雙極板的特點對比

國內量產的燃料電池車型主要有榮威950 Fuel Cell，累計產量一共在70臺左右，而豐田Mirai在全球累計銷量已經達到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域布局不斷加速，涌現了現代ix35，NEXO、奔馳B-F-Cell、通用 Equinox等燃料電池乘用車。

 圖12  國內外燃料電池乘用車參數對比

 圖13  國內外燃料電池客車參數對比

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汽柴油車水準，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，與傳統柴油車尾氣催化劑鉑用量相當，并且催化劑在往低鉑和無鉑方向發展；（4）成本快速下降，日韓燃料電池汽車預計2025年能達到傳統內燃機車成本水平；（5）氫耗與油耗成本持平，并且隨著規模擴大，氫氣成本存在較大下行空間。所以，燃料電池汽車從技術層面已經初步具備產業化發展的潛力。

成本下降

燃料電池車商業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，一是燃料電池技術的限制，一些關鍵組件如電堆中的電催化劑和雙極板成本高昂，使得燃料電池系統價格居高不下，另一方面是燃料電池汽車產量較小，但是隨著未來規模化后，其他一些部件如儲氫系統、燃料供給系統、冷卻系統、電驅動系統以及電堆中的氣體擴散層和PEM等都將隨著規模的擴大，成本急劇的下降。

圖14  氫燃料電池成本變化趨勢（美元/KW）

關于80kW的汽車聚合物電解質膜（PEM）燃料電池系統成本預測：

每年生產10萬件，價格是50美元/千瓦時；

每年生產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

根據行業投入調整氫傳感器，假定它們是包括在車輛中的，而不是作為燃料電池系統的一部分。

預計到2020年和2025年，汽車PEM燃料電池系統的成本分別約為：

每年生產10萬件，價格是47美元/千瓦時和40美元/千瓦時；

每年生產50萬件，價格是43美元/千瓦時和36美元/千瓦時。

圖15  燃料電池系統成本隨產量變化趨勢（美元/KW）

我們再以豐田的Mirai燃料電池為例，根據測算，Mirai燃料電池系統的成本達到233美元/W，其中73%的成本為電堆成本以114KW功率為標準,1000臺產量下每臺Mirai的燃料電池系統成本為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。如果產量達到10000臺，燃料電池系統成本將有望下降至9000美元，則基本上可以實現商業化。

圖16  Mirai電堆和BOP成本分析

在保證規模生產的前提下，乘用車燃料電池的成本基本可以達到商業化水準，隨著未來技術的進步，燃料電池的成本有望進一步下降。

 發展路線

 目前，我國已經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，規模化成本降低后再在乘用車領域推廣的路線。

一方面，商用車因為應用場景較乘用車輛集中，行駛路徑單一，在制定區域進行制氫、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域的需求。

當商用車規模化的推廣將帶動產業鏈的完善，為后期乘用車的推進奠定基礎。

燃料電池（增程式）路徑的提出：針對當前國內小功率燃料電池技術上難以滿足中型、重型車輛驅動，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計可以滿足驅動條件。

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，協同相比純電動車輛增加續航里程，又能夠彌補小功率燃料電池動力不足的缺陷。

核心觀點

 1、燃料電池技術已初步具備商業化應用條件；

2、燃料電池汽車未來十年將隨著技術的進步和產量的增加成本大幅度降低；

3、國內加氫站數量較少，未來隨著政策的引導，加氫站建設速度將會顯著提升；

4、國內燃料電池發展路線應堅持先商后乘及燃料電池增程式的路徑。

5、2019年將是燃料電池商業化的元年。

雖然當前燃料電池車輛存量僅為千余輛，氫能相關基礎設施仍遠不完善。但在政策補貼疊加和技術進步支持下，未來數年氫能勢必與內燃機、鋰電池產業長期共存并占據一席之地。

期待未來十年燃料電池行業真正的爆發。電池歷史能否重演？