05 氫能汽車的心臟

氫燃料電池可以被廣泛的應用于各個場景中，主要的應用可以被分為3類：交通、固定電源及便攜式電源。

氫能未來最重要的應用場景在交通運輸領域，與燃料電池車相比，純電動車的開發(fā)和應用在大多數(shù)場景中更加成熟，但由于電池重量和續(xù)航里程問題而受到限制。

燃料電池車與其他車輛的主要區(qū)別在于動力系統(tǒng)。所有其他零部件本質上是相似的。

燃料電池車和純電動車通過電動機將電能轉化為動能，而汽油和柴油車在內燃機中將燃料燃燒產生的熱能轉化為動能。

燃料電池車和純電動汽車的主要區(qū)別在于電的來源。與燃料電池車不同的是，純電動汽車的全部能量來自其電池組，電池組在充電站進行外部充電。

氫氣作為汽車燃料為車輛功能，其原理已經有很長的歷史了。

在200年前，氫氣就被用在第一代內燃機中作為燃料，與現(xiàn)在內燃機里汽油等燃料工作原理類似。但是因為安全性及能量密度較低，氫氣作為內燃機燃料并沒有表現(xiàn)出優(yōu)越性。

然而，在如今的燃料電池技術中，氫氣并不直接燃燒，而是和氧氣反應轉換為電能。

氫能源車以氫燃料電池作為能量來源。在氫燃料電池中，氫氣由電池陽極輸入，在催化劑（鉑）的作用下分解為電子和氫離子（質子）。

其中質子通過質子交換膜到達負極，與陰極輸入的氧氣反應生成水；而電子則被質子交換膜阻隔，經由外電路流向陰極，產生電能為汽車供能。

氫燃料電池汽車主要由高壓儲氫罐、燃料電池堆棧、燃料電池升壓器、動力電池、驅動電機和動力控制單元等組成。

氫能的發(fā)展路徑和鋰電極為相似，中游電池系統(tǒng)成本占據(jù)整車接近30％。

細剖起來，燃料電池系統(tǒng)由電池堆和支持系統(tǒng)兩部分構成，前者是核心動力組件，后者由空氣壓縮機、加濕器、燃料回路、空氣回路等支持組件構成。

電堆占據(jù)一半以上燃料成本。

電池堆是電池單元串聯(lián)疊加而成，由于每個單元產生的電壓通常不到 1 伏特，因此往往需要幾百片電池單元進行串聯(lián)。

市場上有 5 種類型的氫燃料電池單元技術方案，其中最適合車用的是質子交換膜燃料電池。

其中，膜電極是氫燃料電池的核心部件，在燃料電池電堆中承擔了核心的電化學反應功能，其成本占據(jù)電堆總成本的60％ 以上，被譽為燃料電池的芯片。

膜電極的技術和生產不僅決定了電堆的使用條件和壽命，同時也決定了電堆的成本和氫燃料電池的推廣使用。

膜電極的研發(fā)和生產是一個集合了電化學、高分子材料化學、無機材料化學、精密涂布技術、自動連續(xù)化工業(yè)控制和功能壽命測試的產業(yè)，流程周期長、投入大。

目前的前沿技術主要由國外大企業(yè)掌握，以豐田、巴拉德和Hydrogenics為典型，研發(fā)歷史悠久，其中巴拉德對膜電極的研發(fā)已超過40年。

國內雖有部分企業(yè)和機構突破技術難題，但由于成本問題難以形成規(guī)�；�生產，因此國內還沒有公司具備膜電極的大規(guī)模連續(xù)化生產的能力，產業(yè)化基礎非常薄弱。

那么產業(yè)基礎如何夯實，成本如何下降？這其中的關鍵，在于規(guī)模制造。

根據(jù) Strategic Analysis Inc 測算，以豐田氫燃料電池車 Mirai 為例，在年產 1000 臺時燃料電池（FC）系統(tǒng)與儲氫系統(tǒng)制造成本分別為 20180 美元和 8002 美元，占整車成本分別為 30．7％和 12．2％；

當年產量增至 3000臺時，燃料電池系統(tǒng)與儲氫系統(tǒng)制造成本分別為 15821 美元和 6040 美元，占整車成本比例降至 28．2％和 10．7％；

可以明顯看出來，在規(guī)模制造下，二者成本有了明顯的下降。但是傳統(tǒng)燃油車發(fā)動機占整車成本比例僅為15％，燃料電池系統(tǒng)與儲氫系統(tǒng)合計成本約為占整車的 40％，顯著高于傳統(tǒng)燃油車。

如何進一步降低儲氫和燃料電池系統(tǒng)的成本，尤其是后者是氫燃料車大規(guī)模商業(yè)化的前提，更大規(guī)模的制造和技術精進有望進一步降本。

如何實現(xiàn)規(guī)模制造？它的背后，在于需求上量。

根據(jù)我國《節(jié)能與新能源汽車技術路線圖》中對燃料電池汽車總體技術路線的規(guī)劃：

2020年，計劃實現(xiàn)燃料電池汽車在特定地區(qū)公共服務用車領域的小規(guī)模示范應用，達到5000輛規(guī)模；

2025年在城市私人用車、公共服務用車領域實現(xiàn)大批量應用，達到5萬輛規(guī)模；

2030年在私人乘用車、大型商用車領域實現(xiàn)大規(guī)模商用化推廣，達到百萬輛規(guī)模。

在需求的推動下，商用燃料電池系統(tǒng)與儲氫系統(tǒng)價格較去年已經有了較大幅度的下降，目前行業(yè)水準不到1萬元／KW，車用儲氫系統(tǒng)價格不到5000元／KG，未來隨著氫燃料電池應用范圍與規(guī)模擴大，商用燃料電池價格至2025／2035／2050有望降至3500／1000／500元KW。商用儲氫系統(tǒng)價格有望降至3500／2000／1200元／KG。

成本的下降帶來下游需求的爆發(fā)，預計21／25／35／50年燃料電池汽車空間規(guī)模將達到165／869／3850／9900億元。

此外，近期我國鼓勵發(fā)展氫內燃機，濰柴動力等企業(yè)多年已經布局，一汽集團在該領域取得了突破式進展。技術的競爭與落地實驗，將極大地促進行業(yè)的發(fā)展。

06 補鋰不足，減排關鍵

圍繞氫燃料電池汽車與純電動車的爭論已經存在數(shù)十年，且隨著全球各大整車廠商將電動化發(fā)展重心轉向純電動汽車，是否應該發(fā)展氫燃料電池汽車的質疑聲也越來越大，相比較純電動汽車而言，氫燃料電池汽車發(fā)展緩慢的原因主要有以下幾點：

（1）氫燃料電池汽車購車成本遠高于純電動汽車，是純電動汽車 1．5－2 倍；

（2）初始加氫成本高，當前加氫站加氫成本在 50－80 元／kg；

（3）加氫站等基礎設施匱乏。與密集的加油站及充電樁相比，現(xiàn)有加氫站數(shù)量明顯不足。

為使氫燃料電池汽車具備與燃油車相近的燃油經濟性，其終端加氫成本需至少降到 40 元／kg 以內，假設以當前儲運及加注成本計算（25 元／kg），制氫成本至少需降到 15 元／kg以下。

那么如此來看，氫能源不具備經濟性，那么大力推廣的因素是什么呢？

由于鋰電池本身的電能充放特點，純電動汽車適合于較短距離行駛的小型和輕型車輛。但鋰電池相對氫燃料電池能量密度較低，在商用車領域采用鋰電設備，將提高車輛自重，降低重卡等重型商用車長途運輸?shù)慕洕�適用性。

以49噸重的鋰電重卡和氫能重卡對比，需要鋰電池重量為17．86KG，氫燃料僅需要12KG，顯然車輛自重層面燃料電池優(yōu)勢突出，有效載荷優(yōu)于鋰電車型。

氫燃料電池車更適用于重型商用車領域。一方面可以補齊鋰電池的不足，另一方面可以實現(xiàn)深度脫碳。

商用車排放占比高，是交運領域重要的減排對象。在碳排放（CO、HC）以及污染物排放（NOx、PM）中，由于發(fā)動機結構與燃燒方式的不同，商用車（絕大多數(shù)搭載柴油機）的碳排放水平明顯高于乘用車，合計占比達到 77．3％，是交運領域碳排放首要減排對象。

從我國汽柴油表觀消費量以及 CO2 排放情況來看，我國的交運行業(yè)減排工作已取得明顯進展，但碳排放水平依然處于較高位置，僅靠節(jié)能減排或者尾氣回收顯然無法完成碳中和目標。

此外，續(xù)航和充電時長方面也會限制重型商用車的運輸效率。

相比之下，燃料電池車能量密度高，加注燃料便捷、續(xù)航里程較高，低溫環(huán)境表現(xiàn)優(yōu)異，更加適用于長途、大型、商用車領域，未來有望與純電動汽車形成互補并存的格局。

根據(jù)規(guī)劃，到 2035 年我國氫燃料電池車保有量將達 100 萬輛。根據(jù)《節(jié)能與新能源汽車技術路線圖 2．0》規(guī)劃，我國將發(fā)展氫燃料電池商用車作為整個氫能燃料電池行業(yè)的突破口。

以客車和城市物流車為切入領域，重點在可再生能源制氫和工業(yè)副產氫豐富的區(qū)域推廣中大型客車、物流車，逐步推廣至載重量大、長距離的中重卡、牽引車、港口拖車及乘用車等。

到 2035 年，實現(xiàn)氫燃料電池汽車的大規(guī)模推廣應用，燃料電池汽車保有量達到 100 萬輛左右，完全掌握燃料電池核心關鍵技術，建立完備的燃料電池材料、部件、系統(tǒng)的制造與生產產業(yè)鏈。

除了公路運輸之外，更長遠來看，氫氣還有可能促進鐵路運輸、船運和航空領域的脫碳化：

在確定了氫能源為未來發(fā)展路徑后，氫燃料電池的成本是決定何時大規(guī)模商用的關鍵，現(xiàn)階段，氫能源應用主要依賴于財政補貼和政策支持。在未來，隨著規(guī)模的擴大和全產業(yè)鏈技術的進一步成熟，市場化進程有望加快，下游應用領域將迎來爆發(fā)階段。