雙碳目標(biāo)下，國(guó)內(nèi)氫能源具有巨大的發(fā)展空間，氫能將主要應(yīng)用于交通運(yùn)輸、工業(yè)、電力、建筑等領(lǐng)域。

 

氫能應(yīng)用：燃料電池產(chǎn)業(yè)方興未艾，國(guó)產(chǎn)企業(yè)將大有可為

 

氫能應(yīng)用環(huán)節(jié)及市場(chǎng)空間的概況

 

雙碳目標(biāo)下，國(guó)內(nèi)氫能源具有巨大的發(fā)展空間，氫能將主要應(yīng)用于交通運(yùn)輸、工業(yè)、電力、建筑等領(lǐng)域。在“碳達(dá)峰碳中和”（3060）的目標(biāo) 導(dǎo)向下，氫能作為一種最清潔無(wú)碳的二次能源，憑借著來(lái)源豐富、靈活 高效、應(yīng)用場(chǎng)景廣泛等優(yōu)點(diǎn)，在全球都迎來(lái)了巨大的發(fā)展機(jī)遇。

 

氫能作為脫碳最有效手段，原料和燃料屬性皆具備，有望在交通運(yùn)輸（燃料電池車(chē)等）、工業(yè)領(lǐng)域（冶金、化工等）、建筑領(lǐng)域（供熱取暖等）、電力（電網(wǎng)平衡等）等四大領(lǐng)域大顯身手。根據(jù)中國(guó)氫能聯(lián)盟測(cè)算，至 2060 年， 我國(guó)氫氣的年需求量將達(dá)到 1.3 億噸左右（2019 年約為 2500 萬(wàn)噸），可減排二氧化碳 18 億噸，約占當(dāng)前國(guó)內(nèi)二氧化碳總排放量 19%，其中工業(yè)領(lǐng)域用氫約7794萬(wàn)噸，占總用氫量約60%，交通運(yùn)輸領(lǐng)域用氫4051 萬(wàn)噸，占比約為 31%，發(fā)電與電網(wǎng)平衡用氫 600 萬(wàn)噸，占比約為 5%， 建筑領(lǐng)域用氫 585 萬(wàn)噸，占比約為 4%。

 

 

燃料電池將是氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的抓手，2050 年氫能產(chǎn)業(yè)預(yù)計(jì)將會(huì)是 10 萬(wàn)億以上級(jí)別市場(chǎng)。燃料電池裝臵有助于實(shí)現(xiàn)氫能的移動(dòng)化、輕量化和大規(guī)模普及，可廣泛應(yīng)用在交通、工業(yè)、建筑、軍事等場(chǎng)景，因此燃料電池成為氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的抓手。截至 2019 年，氫能在我國(guó)能源體系中占比僅為 2.7%，預(yù)計(jì)到 2050 年提升至10%，2060 年提升至 20%，氫氣需求量也將分別達(dá)到 6000 萬(wàn)噸、1.3 億噸。2050 年加氫站建設(shè)達(dá)到 1 萬(wàn)座，燃料電池車(chē)產(chǎn)量達(dá)到 500 萬(wàn)輛/年，固定式電源將達(dá)到 2 萬(wàn)座，燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)能達(dá)到 550 萬(wàn)套/年，產(chǎn)業(yè)規(guī)模將達(dá)到 12 萬(wàn)億元級(jí)別。

 

燃料電池車(chē)具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，有望迎來(lái)爆發(fā)式的增長(zhǎng)

 

燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成。與鋰電池作為儲(chǔ)能裝臵不同，燃料電池是一種非燃燒過(guò)程的能量轉(zhuǎn)換裝臵，通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)將陽(yáng)極的氫氣和陰極 的氧氣（或空氣）的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能。燃料電池核心組件是電堆，主要有膜電極組件和雙極板組成，其中膜電極組件包括質(zhì)子交換膜、催化劑和氣體擴(kuò)散層，為反應(yīng)發(fā)生場(chǎng)所，雙極板是帶流道的金屬或石墨薄板，其主要作用是通過(guò)流場(chǎng)給膜電極組件輸送反應(yīng)氣體，同時(shí)收集和傳導(dǎo)電流并排出反應(yīng)產(chǎn)生的水和熱。燃料電池電堆配套氫氣供給系統(tǒng)、氧氣供給系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)控制器、發(fā)動(dòng)機(jī)附件等，構(gòu)成了燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)，再輔之以直流電壓變換器（DC/DC）、車(chē)載儲(chǔ)氫系統(tǒng)等，就構(gòu)成了燃料電池 發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，系統(tǒng)為燃料電池車(chē)輛提供核心動(dòng)力來(lái)源。

 

燃料電池具體工作過(guò)程如下：（1）反應(yīng)氣體在氣體擴(kuò)散層內(nèi)擴(kuò)散；（2） 反應(yīng)氣體在催化層內(nèi)被催化劑吸附后被離解；（3）陽(yáng)極反應(yīng)生產(chǎn)的氫離 子穿過(guò)質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極與氧氣反應(yīng)生產(chǎn)水，而電子通過(guò)外電路到達(dá) 陰極生產(chǎn)電。

 

 

燃料電池汽車(chē)相比電動(dòng)車(chē)在低溫性能、加注時(shí)間、續(xù)航里程等方面具有強(qiáng)勁的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。隨著碳排放壓力的日益增大，交通運(yùn)輸領(lǐng)域主要用鋰電池、燃料電池等新能源產(chǎn)品替代傳統(tǒng)燃油發(fā)動(dòng)機(jī)以緩解碳排放帶來(lái)的環(huán)境壓力。燃料電動(dòng)車(chē)相比鋰電池車(chē)，在低溫性能方面（-30℃低溫自啟 動(dòng)），加注時(shí)間方面（商用車(chē)15 分鐘）和續(xù)航里程方面（>500km）具有非常強(qiáng)勁的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，這些優(yōu)勢(shì)決定著燃料電池車(chē)在商用車(chē)等領(lǐng)域具備極具競(jìng)爭(zhēng)力的優(yōu)勢(shì)。

 

縱觀全球，近年來(lái)中國(guó)燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)后來(lái)居上，發(fā)展迅猛。燃料電池車(chē)為代表的交通領(lǐng)域是氫能初期應(yīng)用的突破口與主要市場(chǎng)。根據(jù)國(guó)際能源署（IEA）的統(tǒng)計(jì)，截至 2021 上半年末，全球合計(jì)有燃料電池車(chē)保有量 4.3 萬(wàn)輛，其中韓國(guó)、美國(guó)、中國(guó)、日本、歐洲、其他地區(qū)等分別有 1.46 萬(wàn)輛、1.11 萬(wàn)輛、0.84 萬(wàn)輛、0.56 萬(wàn)輛、0.31 萬(wàn)輛及 0.03 萬(wàn) 輛，占比分別為 34%、26%、20%、13%、7%和 1%。可以觀察到，2017 年以來(lái)中國(guó)燃料電池產(chǎn)業(yè)后來(lái)居上，從 2017 年末 50 輛增長(zhǎng)到 2021 上 半年末的 8440 輛，不到四年時(shí)間增長(zhǎng)了 168 倍。2020 年全球存量的燃料電池車(chē)合計(jì) 3.48 萬(wàn)輛，其中乘用車(chē) 2.6 萬(wàn)輛、公交車(chē) 0.57 萬(wàn)輛、商用車(chē) 0.32 萬(wàn)輛，占比分別為 75%/16%/9%，當(dāng)前全球范圍來(lái)看，燃料電池車(chē)以乘用車(chē)為主。

 

 

國(guó)內(nèi)“以獎(jiǎng)代補(bǔ)”新政，每個(gè)城市群最高可獲得 18.7 億元補(bǔ)貼。2020 年 9 月財(cái)政部、工信部、科技部、發(fā)改委、能源局等五部委聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于開(kāi)展燃料電池汽車(chē)示范應(yīng)用的通知》，將對(duì)燃料電池汽車(chē)的購(gòu)臵補(bǔ)貼政 策，調(diào)整為燃料電池汽車(chē)示范應(yīng)用支持政策，對(duì)符合條件的城市群開(kāi)展燃料電池汽車(chē)關(guān)鍵核心技術(shù)產(chǎn)業(yè)化攻關(guān)和示范應(yīng)用給予獎(jiǎng)勵(lì)。示范期暫定為四年，示范期間將采取“以獎(jiǎng)代補(bǔ)”方式，對(duì)入圍示范的城市群按 照其目標(biāo)完成情況給予獎(jiǎng)勵(lì)。根據(jù)文件，每個(gè)示范城市群最高可獲得 17 億補(bǔ)貼（超額完成可額外再+10%），獎(jiǎng)勵(lì)資金由地方和企業(yè)統(tǒng)籌用于燃 料電池汽車(chē)關(guān)鍵核心技術(shù)產(chǎn)業(yè)化，人才引進(jìn)及團(tuán)隊(duì)建設(shè)，以及新車(chē)型、 新技術(shù)的示范應(yīng)用等。

 

通過(guò) 2018 年國(guó)補(bǔ)政策與 2020 年“以獎(jiǎng)代補(bǔ)”政策對(duì)比發(fā)現(xiàn)，新政策將有助于加快燃料電池核心零部件環(huán)節(jié)的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程。新政策在主要性能指標(biāo)方面要求明顯提升，同時(shí)補(bǔ)貼的側(cè)重點(diǎn)（從下游主機(jī)廠轉(zhuǎn)向上游核心零部件及關(guān)鍵材料企業(yè)）、補(bǔ)貼的直接獲得對(duì)象（從主機(jī)廠轉(zhuǎn)向牽頭城市主導(dǎo)）、直接受益對(duì)象（不僅是主機(jī)廠，地方政策還可以直接補(bǔ)貼到零部件和材料企業(yè)）等都有較大變化，新政策將有助于加快燃料電池核心零部件環(huán)節(jié)的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程。

 

 

5 大示范城市群率先落地，十四五期間燃料電池車(chē)及加氫站有望迎來(lái)大 面積推廣。截至 2021 年末，首批燃料電池汽車(chē)五個(gè)城市群名單全部發(fā) 布，分別為京津冀示范城市群（北京牽頭）、上海示范城市群（上海牽頭）、 廣東省示范城市群（佛山牽頭）、河南省示范城市群（鄭州牽頭）和河北省示范城市群（張家口牽頭），行業(yè)進(jìn)入落地實(shí)施階段，根據(jù)披露統(tǒng)計(jì)， “十四五”期間五大城市群車(chē)輛推廣目標(biāo)預(yù)計(jì)分別為 1.63、1.65、1.56、 2.45、1.79 萬(wàn)輛，加氫站推廣目標(biāo)分別為 136、140、120、172、174 座。

 

2025 年國(guó)內(nèi)燃料電池汽車(chē)保有量有望達(dá)到 10 萬(wàn)輛、加氫站 1000 座， 2030 年預(yù)計(jì)達(dá)到 100 萬(wàn)輛、加氫站 5000 座。根據(jù)中國(guó)汽車(chē)工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，2021 年全國(guó)燃料電池汽車(chē)產(chǎn)量為 1790 輛，銷(xiāo)售量為 1596 輛，同比分別增加 49%和 35%，結(jié)合 IEA 數(shù)據(jù)，2021 年底國(guó)內(nèi)燃料電池汽車(chē)保有量約為 1 萬(wàn)輛。根據(jù)香橙會(huì)統(tǒng)計(jì)，截至 2021 年末，我國(guó)已建成加氫站 191 座（不含拆除），其中已運(yùn)營(yíng) 174 座。根據(jù)工信部裝備工業(yè)一司指導(dǎo)，由中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)組織編制的 2020 年《節(jié)能與新能源汽車(chē)技術(shù)路線(xiàn)圖 2.0》指出，2025 年我國(guó)氫燃料電池汽車(chē)保有量將達(dá)到 10 萬(wàn)輛左右，加氫站 1000 座，2030 年燃料電池汽車(chē)將達(dá)到 100 萬(wàn)輛左右，加氫站 5000 座。

 

 

燃料電池車(chē)主要產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)及技術(shù)路線(xiàn)分析

 

當(dāng)前最主流的燃料電池是質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)。燃料電池技術(shù)路線(xiàn) 主要包括堿性燃料電池（AFC）、磷酸燃料電池（PAFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）和質(zhì)子交換膜燃料 電池（PEMFC）等幾類(lèi)，從商業(yè)用途來(lái)看，后三者是最主要的技術(shù)路線(xiàn)。其中，質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)由于具備工作溫度低、啟動(dòng)快、比功率高等優(yōu)勢(shì)，非常適合用于交通與固定式電源領(lǐng)域，成為現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外最主流的技術(shù)（下文如非特指，燃料電池指的都是質(zhì)子交換膜 PEMFC 技術(shù)路線(xiàn)）。固體氧化物燃料電池具有燃料適應(yīng)性廣、能量轉(zhuǎn)換效率高、全固態(tài)、模塊化組裝、零污染等優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用在大型集中供電、中型分電和小型家用熱電聯(lián)產(chǎn)等領(lǐng)域。

 

電堆方面：燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)核心部件主要包括電堆及其核心部件、輔助 系統(tǒng)等，電堆是燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的心臟，是燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力 來(lái)源，其主要由膜電極和雙極板堆疊而成。國(guó)內(nèi)燃料電池電堆已逐漸起 步，目前國(guó)內(nèi)電堆廠商主要分為兩種：（1）自主研發(fā)類(lèi)型，以新源動(dòng)力、 神力科技和明天氫能等為代表。（2）引進(jìn)國(guó)外成熟電堆技術(shù)，以廣東國(guó) 鴻、南通百應(yīng)等為代表。整體而言，國(guó)內(nèi)電堆產(chǎn)業(yè)發(fā)展較好，目前國(guó)內(nèi) 主流廠商發(fā)布的燃料電池的額定功率可超過(guò) 100kW。

 

膜電極（MEA）：CCM 為當(dāng)前膜電極主流技術(shù)，有序化膜電極可能是未 來(lái)發(fā)展方向。膜電極是 PEMFC 發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的場(chǎng)所，作為為傳遞電 子和質(zhì)子的介質(zhì)，為電化學(xué)反應(yīng)提供了緊密接觸的場(chǎng)所，其由質(zhì)子交換膜、催化劑與氣體擴(kuò)散層等組成，是燃料電池電堆的核心部件。膜電極經(jīng)歷三代技術(shù)發(fā)展，第一代技術(shù)為氣體擴(kuò)散電極（GDE），將催化層制 備到擴(kuò)散層上，具有制備工藝簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟優(yōu)點(diǎn)，但存在催化劑利用 率低以及催化層和質(zhì)子膜之間結(jié)合性差問(wèn)題，因此已基本被淘汰。

 

第二 代技術(shù)為催化劑涂層（CCM），將催化層改為制備到質(zhì)子交換膜上，與 GDE 相比，提高了催化劑利用率和耐久性，減少了催化層和質(zhì)子交換膜 之間傳輸阻力，從而提高了膜電極性能，成為當(dāng)前膜電極生產(chǎn)的主流技 術(shù)，但存在反應(yīng)過(guò)程中催化層結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，壽命有限的不足。第三代有序化膜電極，運(yùn)用有序化結(jié)構(gòu)，可以減少催化劑和貴金屬用量，提高催 化層性能，目前該技術(shù)處于研發(fā)階段，目前技術(shù)被以美國(guó) 3M 公司為代 表的國(guó)際材料巨頭所掌握。

 

 

質(zhì)子交換膜（PEM）：全氟質(zhì)子交換膜為當(dāng)前主流，高溫膜、堿性膜、 復(fù)合膜成為未來(lái)發(fā)展方向。質(zhì)子交換膜作用是在反應(yīng)時(shí)只讓陽(yáng)極失去電 子的氫離子（質(zhì)子）透過(guò)到達(dá)陰極，但阻止電子、氫分子、水分子等通 過(guò)，類(lèi)似于檢票員的角色。目前，全氟磺酸膜具有機(jī)械強(qiáng)度高、化學(xué)穩(wěn) 定性強(qiáng)、高濕度下導(dǎo)電率高、質(zhì)子傳導(dǎo)電阻小等優(yōu)勢(shì)，為質(zhì)子交換膜材 料主流，但高額的制作成本以及存在高溫時(shí)易發(fā)生化學(xué)降解，導(dǎo)致質(zhì)子 傳導(dǎo)性變差的缺點(diǎn)。提高質(zhì)子交換膜的耐高溫性以及降低生產(chǎn)成本成為 其研發(fā)方向，復(fù)合膜可通過(guò)工藝加工來(lái)改變?nèi)突撬崮ば再|(zhì)，從而提 高其高溫耐性；堿性膜可使燃料電池系統(tǒng)的工作環(huán)境為堿性，從而使催 化劑的選擇范圍更為廣泛，從而使用其他材料來(lái)替代昂貴的鉑。高溫膜、堿性膜以及復(fù)合膜為未來(lái)發(fā)展方向。

 

質(zhì)子交換膜國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)狀況：美國(guó)杜邦的 Nafion膜目前處于霸主地位， 國(guó)產(chǎn)化產(chǎn)品剛起步。國(guó)際市場(chǎng)方面，杜邦的 Nafion 膜在國(guó)際市場(chǎng)的全氟 磺酸膜領(lǐng)域占有最大的份額，其膜價(jià)格一般在 500 美元/m2 以上，同時(shí) 國(guó)內(nèi)裝配質(zhì)子交換膜也主要來(lái)自杜邦公司。此外，加拿大 Ballard 公司 的 BAM 膜的實(shí)驗(yàn)室壽命已超過(guò) 4500h，價(jià)格僅為 Nafion 膜的 1/10。國(guó) 內(nèi)市場(chǎng)方面，我國(guó)已實(shí)現(xiàn)全氟質(zhì)子交換膜國(guó)產(chǎn)化，但質(zhì)量與耐久性方面與國(guó)外還存在差距，東岳已建成 500 噸/年的生產(chǎn)線(xiàn)，其最新產(chǎn)品 DF260 膜厚度可達(dá)到 15 微米，在 OCV 工況下耐久性大于 600h。此外，武漢 理工新能源所生產(chǎn)的復(fù)合質(zhì)子膜厚度達(dá)到 16.8 微米，已向國(guó)外數(shù)家研究 單位提供測(cè)試樣品。

 

催化劑（CL）：降低 Pt 含量成為未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。膜電極組件中的催化劑， 通常為均勻涂覆在質(zhì)子交換膜上的微小顆粒，這些微小顆粒通常為碳載 體和鉑顆粒，可將氫氣離化成氫離子，使氫離子可以透過(guò)質(zhì)子交換膜與 空氣中的氧氣進(jìn)行反應(yīng)。催化劑主要作用于兩個(gè)反應(yīng)，陽(yáng)極氫氧化反應(yīng) （ H2 — >2H++H2O,HOR ） 和 陰 極 氧 還 原 反 應(yīng) （ 1/2O2+2H+ —>H2O,ORR），陽(yáng)極 HOR 反應(yīng)為快速動(dòng)力學(xué)過(guò)程，陰極 ORR 為緩慢 動(dòng)力學(xué)過(guò)程。

 

目前，貴金屬 Pt 及其合金仍為 HOR 和 ORR 最好的催化 劑，Pt/C 為最常用的商用催化劑，然 Pt 價(jià)格較為昂貴，加之 Pt 的稀缺 性和極低的供應(yīng)量，可能對(duì)燃料電池的發(fā)展造成一定障礙，因此降低催 化劑中鉑含量成為目前催化劑的主要發(fā)展方向。國(guó)際市場(chǎng)方面，美國(guó)的 3M 公司、Gore 公司和 E-TEK 公司，英國(guó)的 JohnsonMatthery（莊信萬(wàn) 豐）公司，德國(guó)的 BASF 公司，日本的 Tanaka（田中貴金屬）公司和 TKK 公司，比利時(shí)的 Umicore 公司等為主要生產(chǎn)商，其中本田 FCV Clarity 燃料電池汽車(chē)催化劑 Pt 含量已將至 0.12g/kW，豐田 Mirai 燃料電池汽 車(chē)催化劑 Pt 含量為 0.175g/kW。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)方面，我國(guó)催化劑還未實(shí)現(xiàn)商 業(yè)化生產(chǎn)，貴研鉑業(yè)和武漢喜馬拉雅是領(lǐng)頭企業(yè)。

 

氣體擴(kuò)散層（GDL）：全球 GDL 還未形成大規(guī)模批量生產(chǎn)，碳紙為目前 主流產(chǎn)品。氣體擴(kuò)散層（GDL）在質(zhì)子交換膜燃料電池起到支撐催化層、 收集電流、傳導(dǎo)氣體和排出反應(yīng)產(chǎn)物水的重要作用，通常由碳纖維紙、 碳纖維編織布、非織造布及炭黑紙等材料構(gòu)成。由于碳紙質(zhì)量輕、表面 平整、耐腐蝕、孔隙率均勻且強(qiáng)度高，厚度可根據(jù)使用要求調(diào)整，更適 合耐久性燃料電池使用。目前，全球 GDL 生產(chǎn)廠家較少，受制于市場(chǎng)需 求低，且生產(chǎn)成本居高不下，難以形成大批量生產(chǎn)，日本東麗株式會(huì)所在 1971 年開(kāi)始涉足碳纖維產(chǎn)品生產(chǎn)，為全球最大碳纖維產(chǎn)品供應(yīng)商， 其他知名產(chǎn)商還包括美國(guó) Avcard、德國(guó) SGL（西格里）等。國(guó)內(nèi)只有 江蘇天鳥(niǎo)、通用氫能、上海何森等少數(shù)企業(yè)涉足研發(fā)氣體擴(kuò)散層，且大 多處在小批樣試產(chǎn)的狀態(tài)。

 

雙極板：石墨雙極板已實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)規(guī)模化，金屬雙極板有待批量生產(chǎn)。燃 料電池電堆的核心結(jié)構(gòu)件，通常為正反均帶有氣體流道的石墨或金屬薄 板，臵于膜電極兩側(cè)，起到支撐機(jī)械結(jié)構(gòu)、均勻分配氣體、排水、導(dǎo)熱、 導(dǎo)電的作用，其性能優(yōu)劣將直接影響電堆的體積、輸出功率與壽命。一 般而言，雙極板分為石墨雙極板、金屬雙極板和復(fù)合材料雙極板，石墨 為最早用于質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板材料，具有高耐腐蝕性、高耐久 性，然制作周期長(zhǎng)、抗壓性差、加工難度大、制作成本高，適用于生產(chǎn) 專(zhuān)用車(chē)和客車(chē)，代表性企業(yè)包括巴拉德（Ballard）、水吉能（Hydrogenics） 等，目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)規(guī)模化。其中基于薄型的金屬雙極板具備優(yōu) 秀的力學(xué)性能和導(dǎo)電導(dǎo)熱性，可使電堆具備更高的體積比功率密度，且 成本低廉可進(jìn)行批量生產(chǎn)，乘用車(chē)普遍采用金屬雙極板。但金屬雙極板 表面易被腐蝕產(chǎn)生鐵離子，會(huì)使電堆的性能下降，同時(shí)表面可能會(huì)形成 金屬鈍化膜，增大接觸電阻，使用壽命較低，金屬雙極板表面腐蝕能力 是制約電堆壽命的關(guān)鍵。金屬雙極板主要應(yīng)用于乘用車(chē)領(lǐng)域，代表性企 業(yè)為豐田汽車(chē)等，目前國(guó)內(nèi)尚未實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。

 

雙極板國(guó)內(nèi)研究方向：主要集中于提升金屬雙極板抗腐蝕性，以及降低 復(fù)合雙極板生產(chǎn)成本。目前，石墨雙極板已實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，金屬雙極板實(shí) 現(xiàn)小批量生產(chǎn)，但耐久性和可靠性還待后續(xù)研究突破。金屬雙極板作為 未來(lái)最有可能替代石墨雙極板的替代品，一直受制于其易腐蝕特性，目 前金屬雙極板多在表面涂覆耐腐蝕性涂層材料，如貴金屬、金屬化合物、 碳類(lèi)膜等，來(lái)增加金屬雙極板耐腐蝕性。復(fù)合雙極板采用樹(shù)脂混合石墨 粉和增強(qiáng)纖維等材料形成預(yù)制料，具有石墨板和金屬板的雙重優(yōu)點(diǎn)，質(zhì) 量輕且耐腐蝕，但加工較為復(fù)雜，生產(chǎn)成本加高，降低其生產(chǎn)成本使其更適合批量化生產(chǎn)，成為未來(lái)雙極板發(fā)展方向之一。

 

輔助系統(tǒng)之空壓機(jī)：離心式空壓機(jī)綜合性能較好，為未來(lái)發(fā)展方向。空氣壓縮機(jī)簡(jiǎn)稱(chēng)空壓機(jī)，主要由電機(jī)和膨脹機(jī)組成，對(duì)進(jìn)入空氣進(jìn)行增壓， 提高燃料電池的功率密度和效率。空壓機(jī)作為輔助系統(tǒng)重要組件功耗占 輔助系統(tǒng)的 80%，約為燃料電池輸出功率的 20%—30%（來(lái)源北極星氫能網(wǎng)），主要分為渦旋式空壓機(jī)、雙螺桿空壓機(jī)以及離心式空壓機(jī)三種，其中渦旋式空壓機(jī)和雙螺桿空壓機(jī)的頁(yè)片之間產(chǎn)生的摩擦?xí)斐奢^大噪聲，且無(wú)法對(duì)于排氣能量進(jìn)行回收，離心式空壓機(jī)具備較好的綜合性能，是目前最理想的燃料電池專(zhuān)用空壓機(jī)類(lèi)型。

 

輔助系統(tǒng)之氫能循環(huán)泵：再循環(huán)模式是主流。早期，直排模式具備控制簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，然其氫氣利用率僅有 67%—91%，造成嚴(yán)重的氫氣浪費(fèi)，目前該模式已經(jīng)淘汰；陽(yáng)極死端模式通過(guò)封住燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的陽(yáng)極出口，促使氫氣可在電堆中停留更長(zhǎng)時(shí)間，從而促使氫氣利用率得到提高，然出口被封易造成積聚水，故需要頻繁吹掃，造成氫氣出口處氣壓呈周 期波動(dòng)，從而降低了穩(wěn)定性，對(duì)電池的耐久性和經(jīng)濟(jì)性造成影響；氫氣 再循環(huán)模式可使未反應(yīng)的氫氣通過(guò)循環(huán)送入入口端，減少氫氣浪費(fèi)，且不會(huì)出現(xiàn)氣壓的周期性波動(dòng)，從而促使燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)更加穩(wěn)定。目前，大部分先進(jìn)的燃料電池均采用氫氣再循環(huán)模式。

 

綜合來(lái)看，與國(guó)外技術(shù)相比，我國(guó)質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)在技術(shù)指標(biāo)上仍有一定的差距。具體來(lái)說(shuō)，膜電極、雙極板、質(zhì)子交換膜等已具備國(guó)產(chǎn)化的能力，但生產(chǎn)規(guī)模偏小；電堆產(chǎn)業(yè)發(fā)展較好，但輔助系統(tǒng)關(guān)鍵零部件產(chǎn)業(yè)發(fā)展較為落后，電堆額定功率和體積功率密度相比國(guó)外還有一定差距；系統(tǒng)及整車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展較好，配套廠家較多且生產(chǎn)規(guī)模較大， 但大多采用國(guó)外進(jìn)口零部件，對(duì)外依賴(lài)度較高。在雙碳目標(biāo)下，政策持 續(xù)支持氫能發(fā)展，國(guó)內(nèi)企業(yè)在氫能領(lǐng)域不斷發(fā)力，有望在核心零部件方面不斷提升技術(shù)水平、不斷規(guī)模化、不斷降成本，有望追趕或超越國(guó)際領(lǐng)先水平。

 

燃料電池車(chē)的降本空間大

 

從燃料電池整車(chē)成本構(gòu)成來(lái)看，燃料電池系統(tǒng)和儲(chǔ)氫系統(tǒng)占比較高。目 前燃料電池系統(tǒng)和儲(chǔ)氫系統(tǒng)占據(jù)整車(chē)成本的 65%，大幅高于鋰離子純電 動(dòng)汽車(chē)的電池成本占比（約 40%）。其中燃料電堆、空氣供給系統(tǒng)、氫 氣供給系統(tǒng)、增濕換熱、控制系統(tǒng)、儲(chǔ)氫系統(tǒng)等占比分別為 30%、7%、 3%、5%、5%和 14%。電堆成本和儲(chǔ)氫系統(tǒng)占比最高，其成本下降對(duì) 燃料電池整車(chē)降本具有至關(guān)重要的作用。

 

膜電極在電堆成本中占比高達(dá) 70%，因此膜電極成本變動(dòng)對(duì)電堆成本來(lái) 說(shuō)非常關(guān)鍵。根據(jù)中國(guó)電動(dòng)汽車(chē)百人會(huì)數(shù)據(jù)，膜電極（催化劑、質(zhì)子交 換膜、氣體擴(kuò)散層）生產(chǎn)規(guī)模從 100 萬(wàn)片/年擴(kuò)大至 1000 萬(wàn)片/年時(shí)候， 生產(chǎn)成本可下降約 43%，占電堆生產(chǎn)成本比例可從 70%降至 57%。

 

 

燃料電池系統(tǒng)和儲(chǔ)氫系統(tǒng)價(jià)格具有極大的成本下降空間。根據(jù)中國(guó)電動(dòng) 汽車(chē)百人會(huì)報(bào)告顯示，隨著燃料電池車(chē)應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，核心零部件和 系統(tǒng)價(jià)格規(guī)模效應(yīng)會(huì)逐步顯現(xiàn)，商用車(chē)燃料電池系統(tǒng)的價(jià)格至 2025/2035/2050 年分別降至 3500/1000/500 元/KW（2020 年為 10000 元/KW），相對(duì) 2020 年分別下降 65%、90%和 95%，商用車(chē)儲(chǔ)氫系統(tǒng)價(jià)格至 2025/2035/2050 年分別降至 3500/2000/1200 元/kg（2020 年為 5000 元/kg），相對(duì) 2020 年分別下降 30%、60%和 76%。

 

根據(jù)車(chē)百智庫(kù)測(cè)算：

 

1、氫燃料電池客車(chē)，到 2030 年，續(xù)航里程將達(dá)到 500KM 以上，車(chē)輛 購(gòu)臵成本與同等續(xù)航里程的純電動(dòng)客車(chē)相當(dāng)。氫耗降至 5kg/100km 以下，氫氣銷(xiāo)售價(jià)格低于 40 元/kg，其全生命周期的 TCO 優(yōu)于純電動(dòng)車(chē)。（TCO 包括購(gòu)臵成本、維護(hù)成本、燃料成本以及殘值等四方面）

 

2、氫燃料電池物流車(chē)，載荷能力≥3 噸、續(xù)航里程>400KM 的氫燃料電 池物流車(chē)將于 2025-2030 年間 TCO 成本經(jīng)濟(jì)性?xún)?yōu)于純電動(dòng)車(chē)型。

 

3、氫燃料電池重卡，載荷能力≥35 噸、續(xù)航里程≥500KM 的氫燃料電 池物流車(chē)將于 2030 年左右 TCO 成本經(jīng)濟(jì)性超過(guò)純電動(dòng)車(chē)型。

 

4、氫燃料電池乘用車(chē)，續(xù)航里程在 500KM 以上的乘用車(chē)將于 2040 年 后達(dá)到同等續(xù)航能力的純電動(dòng)車(chē)型相當(dāng)?shù)娜芷诔杀窘?jīng)濟(jì)性。