導言：氫燃料電池車是未來汽車產業技術競爭的制高點。按照相關規劃，我國到2030年要實現氫燃料電池汽車的保有量200萬輛，這是否意味著氫燃料電池車已經迎來「新風口」？本文從市場、產業、玩家全面分析燃料電池。市場分析涵蓋四大優勢、三大應用、產業元年等，產業分析涵蓋六大分類、制儲運加、洋蔥模式等，玩家分析涵蓋歐美四龍頭、日韓三巨頭、國內兩超爭霸等。
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市場分析篇：四大優勢，三大應用，產業元年！
1. 四大優勢：能量密度、充氣速度、清潔能源、能源結構
燃料電池（Fuel cell），是一種通過氧化還原反應將燃料（氫氣）轉換成電力的裝置，最早由英國物理學家威廉·格魯夫爵士發明。
1）理論能量密度最高，一次性解決續航焦慮問題
氫氣理論能量密度是汽油的 3 倍，是鋰電池的 100 倍。
燃料電池可一次性解決續航焦慮問題
2）充氣時間 3 分鐘
3）清潔能源
歷史縱向看，能源的進化史事實上是一場脫碳的革命。煤炭相比薪柴更清潔，石油相比煤炭更清潔；到了氫，由於不含碳，燃燒後的產物是水，因此可看作是「零碳排放」的高清潔能源。
4）改善能源結構
對比三種不同化石能源利用效率（內燃機37%，燃料電池45.7%，鋰電池49.2%），鋰電池和燃料電池較傳統燃油汽車都具有較大優勢。
可改善我國能源結構
2. 市場：三大應用，汽車為主
燃料電池下遊主要包括移動式、固定式、交通運輸三大應用。
1）移動式應用
移動式應用包括筆記本電腦、手機、收音機及其他需要電源的行動裝置。燃料電池的能量密度通常是可充電電池的５到 10 倍，已有直接甲醇燃料電池DMFC 和 PEMFC 被應用為軍用單兵電源和移動充電裝置上。成本、穩定性和壽命將是燃料電池應用於便巧式移動電源的所需要解決的技術問題。
2）固定式應用
固定電源包括緊急備用電源、家用燃料電池、通信基站備用電源、不間斷電源、偏遠地區獨立電站等。
日本導入家用燃料電池（ENE.FARM TYPES）後，家庭購買電力量下降約80%。 截至 2016 年底日本已經累計推廣 20 萬臺 ，2016 年底的售價為 127 萬日元（約為 7.5 萬元人民幣），補貼降低到 15 萬日元（約為 8800 元）。
3）交通運輸應用
交通運輸應用主要包括汽車、無人機、搬運車等。
日本富士經濟預測，2025 年全球燃料電池市場有望達到 5.2 萬億日元（合約人民幣 3400 億元）。
其中全球燃料電池汽車市場有望擴大到 2.91 萬億日元（合約人民幣 1900 億元），佔整體市場一半以上，增長潛力巨大。
3. 政策：國內補貼 2020 年前不退坡，國外需求側與供給側並舉
1）國內補貼：2020 年前不退坡
2018 年 5 月 22 日，中國汽車工業協會聯合中國汽車動力電池產業創新聯盟正式對外公示汽車動力蓄電池和氫燃料電池行業白名單(第一批)。
2018 年 4 月開始執行《乘用車企業平均燃料消耗量與新能源汽車積分並行管理辦法》。
2）國外補貼：需求側與供給側並舉
大多國家把補貼放在了消費環節，以購置稅費抵免或者購置補貼的形式發放，僅德國將補貼放在了開發製造環節。
4. 產業周期：2017 產業元年，中國燃料電池汽車產量達到千輛
1）全球
從 1968 年第一輛氫燃料電池車問世到 2018 年，累計銷量 6475 輛，50 年銷量僅 6000 臺。
超過 50% 的氫燃料電池車在加利福尼亞州售出，其餘銷量中日本佔了大部分
豐田氫燃料電池車銷量在全球氫燃料電池車總銷量的佔比超過 75%
2）中國：從示範考核、應用擴展，到燃料電池客車成套商業化
2008 年奧運會示範，2010 年國外新加坡示範，2011—2012 年聯合國 UNDP 全球清潔城市示範，2016 開發世界首臺燃料電池有軌電車，2017 年開始燃料電池客車商業化。
2017 年是中國燃料電池產業化元年，燃料電池汽車產量達到 1247 輛。
2025 年，中國燃料電池的技術性能和成本指標有望分別達到產業化發展的初期階段，而到 2030 年，中國燃料電池電堆的成本有望降低到 200 元/Kw，從而開始迎來燃料的大規模產業化發展的階段。
奉上衣老一段視頻，衣寶廉，中國工程院院士、燃料電池專家。
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技術分析：六大分類，
制儲運加，洋蔥模式！
1. 技術原理：氧化還原反應
燃料電池主要由正極、負極、電解質三部分組成，原理是氧化還原反應，反應實質是燃料和氧氣發生反應生水或者其他產物。
2. 分類：6 大類，PEMFC 質子交換膜為主
根據工作溫度、電池內載流子和前端燃料的不同，燃料電池分為以下 6 大類。
按照使用溫度分類如下
受益交通應用拉動，PEMFC 質子交換膜燃料電池出現跨越式發展，詳細數據請關注本公眾號（史晨星 shichenxing1）參照上篇市場分析。
PEMFC 質子交換膜燃料電池具有高比功率、可快速啟動、無腐蝕性、反應溫度低、氧化劑需求低等優勢，是當前燃料電池汽車的首選。
AFC 鹼性燃料電池：成本偏高，主要應用於航天領域
PAFC 磷酸燃料電池：效率較低（40%），小型電站應用
MCFC 熔融碳酸鹽燃料電池：運行溫度高（600度），大型電站應用
SOFC 固體氧化物燃料電池：運行溫度高（800度），未來潛力較大
PEMFC 質子交換膜燃料電池：低溫運行（80度），主要應用於交通領域
DMFC 甲醇燃料電池：運行溫度適中（60~130度），主要應用於消費電子
3. 產業鏈：上遊氫氣製備運輸儲存，中遊燃料電池，下遊應用
4. 技術路線圖：功率密度 > 2kW/kg，耐久性 > 5000h
歐陽老師的《節能與新能源汽車技術路線圖》為我國燃料電池汽車的發展指明了方向：電堆的比功率和壽命是主要的技術參數目標，全產業鏈均有技術創新需求。
實施路徑圖：系統→發動機→電堆→膜電極→催化劑&質子交換膜
採取「剝洋蔥模式」，層層深入，將技術鏈逐環解耦
第一個層次，研發燃料電池的混合動力系統，發動機外協
第二個層次，研發了燃料電池發動機，燃料電池的電堆外協
第三個層次，研發燃料電池電堆，燃料電池膜電極外協
第四個層次，研發燃料電池膜電極，核心是質子交換膜和催化劑
5. 5 種制氫方法：煤氣化(000968,股吧)/焦爐氣副產成本最低 10 元/Kg，電解水環保 30 元/Kg
制氫主要分為 5 種技術路線
全球來看，目前主要的制氫原料 96% 以上來源於傳統能源的化學重整，日本鹽水電解的產能佔所有制氫產能的 63%
各種制氫方式成本如下
6. 儲氫：高壓氣態為主，固態合金是未來方向
儲氫方式有三種，分別是氣態儲氫、液態儲氫、固態儲氫。
各種儲氫方式對比如下
7. 運氫：大量氣態管道運輸，小量固液車船運輸
常見的運輸方式有液化汽車運輸、高壓氣體汽車運輸和管道運輸（方法一、二、三），目前各國正在研發氫載體方式運輸氫（方法四），採用各種基本運輸方式的組合運輸形式。
8. 加氫站：三站合一，站內製氫為主，中央制氫補充
加氫站的技術路線有站內製氫技術（電解水制氫、天然氣重整制氫）和外供氫技術，我們看好站內製氫加氫方案發展前景
加氫站、加油站、加氣站三站合建，解決城市用地難和安全管理問題。
氫氣壓縮機、高壓儲氫罐、氫氣加注機是加氫站系統的三大核心裝備。
截至 2017 年底，全球共有 328 座正在運營的加氫站
到 2020 年，中國規劃建成 100 座加氫站。
9. 燃料電池汽車：燃料電池系統/發動機+輔助電池系統+儲氫瓶+電機+電控
10. 燃料電池系統/發動機：電堆、DC/DC、空氣系統、氫氣系統
11. 燃料電池堆：佔系統成本 50%，核心是膜電極、雙極板
原理：利用質子交換膜技術，使氫氣在覆蓋有催化劑的質子交換膜作用下，在陽極將氫氣催化分解成為質子，這些質子通過質子交換膜到達陰極，在氫氣的分解過程中釋放出電子，電子通過負載被引出到陰極，這樣就產生了電能。
燃料電池堆是電池系統的心臟，成本佔電池系統一半以上
單體燃料電池由雙極板、膜電極組件(MEA)、密封圈等部件組成，其中膜電極組件成本佔燃料電池堆的 60%，主要是由質子交換膜、催化劑層、氣體擴散層組成。
12. MEA 膜電極：催化劑、質子交換膜、氣體擴散層
膜電極（membrane electrode assembly，MEA）是質子交換膜燃料電池發生電化學反應的場所，是傳遞電子和質子的介質，為反應氣體、尾氣和液態水的進出提供通道，膜電極是質子交換膜燃料電池的心臟。膜電極通常由5 部分組成，即中間的質子交換膜、兩側的陽極催化層和陰極催化層，最外側的陽極氣體擴散層和陰極氣體擴散層。
催化劑：單車鉑用量 < 10g，國內可小規模生產
催化劑作用於氫氣，使電子離開氫原子。目前 Pt/C 載體型催化劑是 PEMFC 最常用的催化劑 劑，由納米級的 Pt 顆粒（3~5nm）和支撐這些 Pt 顆粒的大比表面積活性炭構成。
質子交換膜：全氟磺酸膜是主流，國內具備量產能力
質子交換膜的主要作用有兩個：一方面為電解質提供氫離子通道，一方面作為隔膜隔離兩極反應氣體。此外，質子交換膜還需要對催化劑層起到支撐作用。
質子交換膜類型主要包括全氟磺酸質子交換膜、非全氟化質子交換膜、無氟化質子交換膜、複合膜以及高溫膜。
全氟磺酸膜成型工藝可分為三類：PESIM擠出成型工藝、溶液澆鑄成型工藝和複合成型工藝。
GDL 氣體擴散層：核心是碳紙，國內小規模生產
氣體擴散層通常由基底層和微孔層組成，基底層通常使用多孔的碳纖維紙、碳纖維織布、 碳纖維非紡材料及碳黑紙，主要起到支撐微孔層的催化層的作用，微孔層主要是改善基底層孔隙結構的一層碳粉，目的是降低催化層和基底層之間的接觸電阻，使得流道氣體以及產生水均布分配。
13. 雙極板：石墨板應用廣泛，金屬板能量密度高，國內小規模生產
雙極板是電堆的核心結構零部件，起到均勻分配氣體、排水、導熱、導電的作用，佔整個燃料電池 60% 的重量和 20% 的成本。
雙極板材料主要包括石墨、金屬以及複合材料三類。
14. 空氣循環系統：核心是渦輪/螺杆空氣壓縮機
空氣循環系統主要由空氣壓縮機、膨脹機、電機、連接管道等組成，總成本佔燃料電池系統的 22%，工作能耗佔燃料電池輸出功率的 20~30%。
工作原理：空氣通過壓縮機增壓之後，經過加溼處理送入到燃料電池反應堆，在那裡和來自於氫源的氫氣發生電化學反應，輸出電能用於動力輸出。輸入氣體在消耗了部分氧氣之後，排出反應堆，通過分水，去霧之後，通過膨脹器從壓力氣體中回收部分壓力能，將其轉化為機械能反饋到空氣壓縮機，從而節省供氣單元所需要的電能。
15. 氫氣供給系統：核心是儲氫瓶
車載供氫系統包括壓力流量調整元件、氫氣洩漏傳感器、供氫管路、控制系統、 氫氣再循環系統等，核心是儲氫瓶。
儲氫瓶：70 MPa 是未來趨勢，國內已有樣品
儲氫瓶是車輛續航裡程的決定因素，常用的儲氫瓶分為 5 種類型。
70 MPa 儲氫瓶 是未來趨勢
16. 專利
專利技術經歷高速增長後的回落過程中
日本引領技術發展，中國國際排名第三
車企掌握產業技術話語權，豐田、日產、本田、松下、東芝居前
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產業分析：歐美四龍頭，
日韓三巨頭，國內兩超爭霸！
1. 歷史
1839 年，格羅夫發明氣體伏打電池，被稱為燃料電池之父。
1966 年通用製造世界首輛燃料電池汽車 Electrovan，為 NASA 登月項目服務。
2. 三道關：技術關、成本關、產業鏈關
1）技術關：關鍵零部件依賴進口制約國產燃料電池汽車商業化
根據美國能源部（DOE）發布的《Multi-Year Research, Development, andDemonstration Plan》，為了實現商業化目標，燃料電池系統需滿足以下要求：
關鍵零部件（如催化劑、碳紙、金屬雙極板、空壓機、70MPa 儲氫瓶和氫循環裝置等）技術缺乏是制約國內燃料電池汽車產業發展重要原因。
2）成本關：系統成本 < 200 元/kW
美國能源部（Department of Energy，DOE）對燃料電池汽車的成本問題進行了系統分析，對整車、電堆、電池層層分解，得出了各部分成本的具體比例。
燃料電池系統目前成本約為每千瓦 4000 元人民幣，隨著產量提升會逐漸下降，預計 2020 年下降到 2500 元/kW，2025 年下降到 800 元/kW，2030 年下降到 200 元/kW。
3）產業鏈關：使用成本 < 0.5 元/公裡
燃料電池要大規模產業化，還需要氫能產業鏈基礎設施的建設，核心是降低消費者使用成本。
目前日本的加氫成本在 1000 日元/kg，折合人民幣大約在 65 元/kg 左右，折合公裡成本大約在 0.5 元/公裡的燃料成本。
預計氫氣單價可降低到 40 元人民幣，每公裡燃料成本 0.3 元/公裡，遠遠優於內燃機的使用成本。
3. 使用場景：短途純電動、中途混動、長途燃料電池，安全不是問題
綜合比較，我們認為純電動汽車適合短途，混合動力汽車適合中途，燃料電池汽車適合長途。
日本研究試驗結果表明，在汽油車和氫燃料電池汽車分別燃料洩露和著火條件下，3 秒時汽油車下方漏油著火，而氫氣則是迅速衝高在汽車上方著火。一分半鐘以後燃料電池汽車的明火已經熄滅，而汽油車火勢正旺最終燒得只剩車架。
4. 歐美四龍頭：Ballard、Plugpower、Bloom Energy、Ceres Power
1）Ballard（巴拉德公司）：PEMFC 全球龍頭
1979 年成立，1983 年開始研發燃料電池，2017 年成為第一家為公共汽車提供服務超過 1000 萬公裡的燃料電池公司，被公認為全球燃料電池龍頭。
2）Plugpower（普拉格公司）：叉車燃料電池龍頭
1999 年成立，主打產品是用於叉車的 PEMFC 燃料電池系統 GenDrive，2017 年亞馬遜參股 plugpower，雙方達成戰略合作。
3）Bloom Energy（布魯姆能源）：固體氧化物 SOFC 燃料電池龍頭
2001 年成立，2018 年 7 月美國新上市燃料電池獨角獸企業。2016 年，蘋果在其位於北卡羅來納州的數據中心安裝了 24 臺「Bloom Energy Server」，總容量達到 1000 萬瓦特。
4）Ceres Power：固體氧化物 SOFC
2002 年成立，Steel Cell TM 技術，源自英國帝國理工學院，研發 16 年，擁有約 50 項專利，具有功率密度高、製造成本低等優勢。2018 年 5 月，濰柴動力(000338,股吧)擬通過認購其部分發行股份的方式，投資 4000 餘萬英鎊，持有 Ceres Power 20% 股權。
5. 日韓三車企：豐田、本田、現代
1）豐田 Mirai
2014 年底，豐田首款燃料電池乘用車 Mirai 成功上市，售價為 723 萬日元（約 44 萬人民幣），補貼後 520 萬日元（約 31 萬人民幣），極具吸引力。
看看豐田Mirai生產線安裝底盤和燃料電池系統裝配過程
2）本田 Clarity
2016 年本田發布 Clarity Fuel Cell，售價 766 萬日元（約合人民幣 44 萬元）
3）現代 NEXO
NEXO 是現代汽車第二代氫燃料電池車，370 英裡的續航裡程超越豐田Mirai（312英裡）和本田Clarity（365英裡），是目前最大裡程的燃料電池乘用車。
6. 國內兩超爭霸：新源動力、億華通
1）上汽+中科院大化所
上汽榮威 950 整車額定功率 55kW，最大輸出功率約 110kW，最大續航裡程 400 km，該車型距國際先進水平僅有約 1 代差距。
2018 年 3 月，中科院大連化物所持股企業新源動力開發HYMOD?-300 型車用燃料電池電堆模塊，成為我國首例自主研發的超越 5000 小時耐久性的燃料電池電堆。
2）清華+億華通
依託清華大學技術，億華通氫燃料電池電堆的功率已達 60 kW，旗下神力科技專注國產電堆研發。
3）濰柴動力+巴拉德
2018 年 8 月 29 日，濰柴動力以 1.63 億美元（11.12 億人民幣）獲得巴拉德 19.9％ 的股份，成為最大股東。
7. 三大策略：商用車先導、政府持續補貼、企業技術研發
商用車帶動加氫站建設，降低氫氣與燃料電池成本，後續拓展到私人用車領域。商用車（尤其是客車）可以簡單地通過增加儲氫瓶增加續航能力，對儲氫技術的要求不高，同時國家的補貼力度大，對成本敏感性低，首先爆發的是商用車市場，之後在技術進步與降成本的帶動下，乘用車市場才會有大範圍應用。
重卡、叉車、礦山汽車等領域也特別適合採用氫燃料電池。
新興產業的形成、發展和成熟都要經歷從「政府主導」到「準市場過渡」再到「市場主導」的軌跡，當前燃料電池汽車處在「政府主導」階段，政府必須持續支持補貼。
企業技術攻關四大方向：基礎技術、集成技術、關鍵零部件和基礎設施。
8. 產業化：2020 商用車，2025 乘用車，2030 規模化
綜上，我們認為燃料電池產業化路徑為 2020 年商用車，2025 年乘用車，2030 年大規模產業化。
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（責任編輯：趙豔萍 HF094）