氢燃料电池汽车产业深度研究未来智库

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1.新能源汽车概论

1.4新能源汽车发展现状和趋势

1.4.1全球新能源汽车技术发展

纯电动汽车的历史比燃油车更早，但由于技术的瓶颈导致经过了初期的繁荣之后就一度消沉，直到近些年锂电池技术的不断突破，才被人们重新重视起来。

燃料电池原理很早被提出，但受技术所限与高昂的成本，发展速度十分缓慢。近些年燃料电池相关技术不断进步，特别是丰田等日本公司的大力推进下，部分燃料电池汽车已实现量产。

1.4.2全球新能源汽车销售情况：

在各国政策支持下，电动车销售增速较快，但整体来看全球电动汽车市场占比仍然比较低，仍有很大的发展前景。目前，全球新能源汽车市场销售主要以纯电动与插电混动为主，从插电混动与纯电动汽车销售来看，年，全球销售超过万量电动车（BEV+PHEV），其中45%在中国销售，万量中，纯电动占据2/3。

相较全球汽车销量，目前电动汽车销量占比仍不足1%，按照IEA预测，年电动汽车渗透率将达到15%，年-年每年则需要增长30%。

插电混动汽车年后开始进入市场，目前，中国市场占比约为25%，美国约为43%，欧洲市场的PHEV占比更高。

1.4.3全球主要国家新能源政策总结（略，详见报告原文）

1.4.4新能源汽车行业发展趋势总结

（1）短期趋势

随着电动车技术不断完善，基础设施建设逐渐推进，续航问题不断改善，消费者对新能源汽车认知、认可程度越来越高，预计到年，纯电动汽车销量会继续快速增长。

全球来看，在发达国家与地区，混动汽车与纯电动汽车更受消费者欢迎。

国内基于环保、能源安全、技术发展的考虑，仍会选择纯电动汽车作为发展方向，优惠政策会偏向于纯电动汽车。

空间分布上，大城市的充电桩建设逐渐完备，纯电动汽车使用体验与传统汽车相近，在其他一些充电设施建设还不到位的地区，收入较高的家庭会选择混动汽车作为交通工具。

（2）中期趋势

预计到年，电池容量将能够满足大部分出行需求，基础设施建设基本完善，快速充电技术逐渐成熟。人们对电动车的认知改变，自动驾驶技术逐渐成熟。

全球来看，纯电动汽车在发达国家基本普及，在发展中国家普及率逐渐提高，插电混动汽车将作为长距离交通工具使用。氢燃料电池成本不断下降，储氢、制氢技术获得突破。有条件的政府通过采购用于公共交通来推广氢燃料电池汽车。

国内政策层面，补贴政策转换为温和方式。政策推动因素逐渐减弱，消费者自由选择自己喜欢的汽车类型，考虑价格因素，纯电动占据主要销量。

（3）长期趋势

预计年之后，电池充电速度将得到极大的改善，电池能量密度持续提高。电动车充电方式多元化，快速无线充电逐渐普及，传统汽车便利程度不如电动车，新购买者更多选择纯电动出行，少数专业领域仍将使用汽油、柴油车。同时，氢燃料电池技术逐渐成熟，制氢效率大幅度提高，电动汽车报废电池的问题逐渐被重视，政府开始鼓励氢燃料电池汽车，氢燃料电池汽车进入快速增长期。

2.燃料电池汽车介绍

2.1燃料电池汽车定义

燃料电池汽车英文缩写FCV，是一种利用氢燃料作为长时间续航，传统电池作为瞬间大电流输出互相配合的一种新型动力汽车。车用燃料电池系统通常使用高纯度的压缩氢气或者甲醇、甲酸、固态储氢等其他介质加重整系统所得到的高纯度氢气。与传统的电动汽车相比较，燃料电池汽车的电力来源为氢气通过燃料电池系统发电，传统电动汽车的能源来自于电网。

2.2燃料电池汽车结构

以Mirai为例，首先是位于车头的动力控制单元，动力控制单元能在不同的行驶工况下控制不同的充放电策略。

电机，它由驱动电池和燃料电池来供电，受前端的动力控制单元控制。

升压逆变器，它把电池输出的低压DC，转换成高压AC，供给交流电机。

燃料电池反应堆，输出功率为kW，是整车的动力来源。

驱动电池，用来回收制动能量（再生制动），加速时辅助燃料电池供电。

储氢罐，由三层碳纤维强化塑料结构构成，个大气压，氢气解压后以液态氢的方式储存在燃料电池中，添加液态氢的过程加满大约需要3-5min。

3.燃料电池汽车的发展现状和趋势

3.1国际发展现状

车用燃料电池稳步发展。氢燃料电池及氢燃料电池汽车的研发与商业化应用在日本、美国、欧洲迅速发展，美日韩德等国巨头车企的燃料电池汽车已经量产或即将量产。据统计，年全球燃料电池总体出货量预计达到70台，较年增加台；装机容量达到MW，较年增加MW。其中约10%用于汽车中，而年仅3%左右。

氢燃料基础设施正稳步推进。世界主要发达国家从资源、环保等角度出发，都十分看重氢能的发展，各国氢能源的基础设施建设规划都在有条不紊的进行中。在制氢、储氢、加氢等环节持续创新，氢能和燃料电池已在一些细分领域初步实现了商业化，同时加氢站也在持续建设和发展。根据H2stations.org网站公布的数据，截止年底，全球加氢站数目达到了座，年度新增48座，其中座对外开放，其余加氢站只能为特定用户提供服务，如公共汽车及车队客户。

整车供应商积极推进。例如，宝马与丰田在燃料电池等多个方面进行了合作，结合了宝马在动力系统和车辆轻量化设计方面优势与丰田的燃料电池方面的优势。在“宝马创新日”上展出了i8氢燃料电池车，i8实验用车采用最大输出功率可达kW的氢燃料电池组。它的创新之处在于将低温储氢罐置于车身平台中心处，为后置的电动机提供电力，也为整车前后重量比做平衡。

需求导向行业持续发展。根据国际新能源委员会统计，到年，世界对氢能的需求将达到10EJ，年后需求会大幅度增长，年全球需求将达到80EJ，整个产业会更加成熟和完善，包含发电、工业能源、交通工具、建筑供电等多重用途。

3.2国内发展现状

整体来看：核心技术不断进步，但是与国际领先水平差距较大。

整车开发方面，目前，我国已经初步掌握整车、动力系统与核心部件的核心技术并具有整车生产能力。但是，在燃料电池汽车车型平台开发方面，以上汽股份、上海大众、一汽、长安、奇瑞等公司为代表开发的燃料电池轿车均基于传统内燃车或纯电动汽车进行改制，尚未掌握燃料电池汽车专用车身、底盘开发、底盘动力学主动控制等关键技术。

燃料电池电堆开发方面，已形成包括明天氢能、新源动力、武汉理工新能源、弗尔赛、等在内的具有自主知识产权的燃料电池电堆生产厂家，在电堆上游配套方面，MEA、碳纸、质子膜、石墨双极板和金属双极板等均已实现国产化。目前已具备60kW以内的单个燃料电池电堆开发能力，体积比功率基本可达到2.0kW/L，与国际领先水平3.1kW/L仍有差距。

产业链细分领域：

车载储氢和供氢技术方面，我国基本掌握了35MPa高压储氢罐和加注系统关键技术，实现高压氢气瓶等部件国产化开发，但某些关键阀门、管路、传感器等国内尚停留在研究或小批量阶段，仍依赖进口。70MPa氢气存储关键技术已取得突破，III型储氢瓶已有批量产品，但阀门、管路等关键部件仍然处在研发阶段，制约了我国低成本燃料电池乘用车的开发进程。在供氢方面，国内已开发出可满足60kW以内燃料电池发动机需求的引射式供氢组件产品，而对于回氢泵，尚未掌握其核心技术。

燃料电池用无油空压机方面，雪人股份通过股权收购的方式取得了双螺杆空压机的核心技术，德燃动力通过自主开发的方式已掌握可满足60kW以内燃料电池发动机用空压机技术，另外清华大学、西安交通大学等高校也这些方面进行了大量研究和开发工作。

燃料电池发动机可靠性、寿命和环境适应性方面，在车载工况下，目前的使用寿命在小时左右，大约km需要进行相应的维护，冷启动温度为-20℃，这与国外的燃料电池发动机相比，尚有差距，制约了我国燃料电池汽车的商业化推广。

3.3国内外政策比较（略，详见报告原文）

3.4国内外专利情况分析（略，详见报告原文）

4.燃料电池产业链分析

4.1燃料电池配套产业链结构

质子交换膜燃料电池（PEMFC）由阳极、质子交换膜、阴极组成，利用水电解的逆反应，连续地将氢气和氧气通过化学反应直接转化为电力，并且可以通过多个串联来满足电压需求。

燃料电池的基本发电原理：氢气进入燃料电池的阳极流道，氢分子在阳极催化剂的作用下达到60℃左右后开始被离解成为氢质子和电子，氢质子穿过燃料电池的质子交换膜向阴极方向运动，因电子无法穿过质子交换膜，所以通过另一种电导体流向阴极；在燃料电池的阴极流道中通入氧气（空气），氧气在阴极催化剂作用下离解成氧原子，与通过外部电导体流向阴极的电子和穿过质子交换膜的氢质子结合生成纯净水，完成电化学反应。如果氢气纯度可以达到％，整个反应不会有任何消耗，理论上可以做到寿命无限长。这种电化学产电的反应中没有活动部件的参与，完全静态就可以产生电能，所以燃料电池从原理上具有非常高的效率、无噪音、无污染等优点，也使燃料电池汽车成为了真正意义上的清洁能源汽车。

4.2燃料电池核心技术产业链与领先企业

产业链环节方面，氢燃料电池上游包含电池组件和氢能两大类，电池组件包括燃料电池电堆、空压机、水泵、氢泵、储氢器、加湿器等，其中电堆又包含为双极板、电解质、催化剂、气体扩散层。产业链中游是燃料电池系统的组装部分。产业下游应用主要有固定发电、交通运输、携带型电子以及包含军事、航太在内的特殊领域。

4.2.1燃料电池发动机

燃料电池发动机主要特点：

1、结构与传统发动机相似；

2、零部件种类与传统发动机接近，可通过配套产业链的升级形成燃料电池发动机的产业链；

3、布置结构与传统发动机类似，可以在车型上更好的布置。

目前燃料电池发动机技术参数：额定功率45/60/90/kw，峰值功率50/66//kw，设计寿命≥1小时，可靠性（MTBF）≥小时，工作温度-30℃~60℃。

4.2.2质子交换膜

质子交换膜为质子的迁移和输送提供通道，具有阻隔和传导质子的作用，直接影响着燃料电池的性能和使用寿命。质子交换膜材料应具有电导率高、化学和热稳定性好、反应气体的透气率低、利于电极反应、价格低廉等特点。目前工业应用的膜材料主要是全氟磺酸膜、非全氟化质子交换膜、无氟化质子交换膜等。由于质子交换膜燃料电池不受卡诺循环限制，能量转换效率高，各种污染物的排放基本上等于零，因此在20世界60年代，美国已经将PEMFC供于Gemini宇航飞行。

领先企业：日本旭化成、旭硝子、氯工程；加拿大Ballard；比利时Solvay；美国杜邦、陶氏化学、3M等

4.2.3反应催化剂

燃料电池反应催化剂是指在电池正负极反应过程中，加快和提高电化学反应速度，缩短反应时间的材料，大多数燃料电池选择高稳定性、高活性、不易污染的贵金属铂作为催化剂。现用的燃料电池铂催化剂具有催化效率高、稳定性好等特点，但是铂是稀有金属，价格昂贵，推广性差，成为制约燃料电池发展的瓶颈问题。针对燃料电池催化剂的研究目前主要集中在以下几个方面：

一是提高催化剂活性和稳定性，通过对铂的结构进行改进，减小催化剂的粒子直径、使其均一分散来扩大催化面积，还可以通过减小催化剂厚度的方法提高反应性。

二是改进铂材料的利用率，可以通过铂与其它金属形成合金来制造催化剂，目前大多采用铂与钌的合金来解决，或者将铂的活性组分担载在载体上，主要以碳载体为主。

三是研究铂以外的新材料，例如氧化钼、钴、石墨烯－碘等物质，但是技术尚未成熟，工业化应用前景较低。

领先企业：英国JohnsonMatthey，日本Tanaka、日本田中、美国E-TEK、德国巴斯夫、比利时优美科等

4.2.4电解质

电解质大多以离子键或极性共价键结合，是溶于水溶液中或在熔融状态下就能够导电的化合物。一般来讲，电解质与燃料电池的种类相互对应，电解质在电池工作状态下，一般不参与电化学反应，只会出现损耗。燃料电池电解质的发展主要经历碱性型、磷酸型、熔融碳酸盐型、固体氧化物型等几个阶段。

目前常见的燃料电池的电解质分类主要有碱性燃料电池、磷酸燃料电池和固体氧化物燃料电池。碱性燃料电池一般采用氢氧化钾溶液作为电解液，这种电解液效率很高，但对杂质敏感，必须采用纯态的氢气和氧气，所以限制了其在航天、国际工程等领域中的应用。磷酸燃料电池采用高温下的磷酸作为电解质，适用于分散式的热电联产系统。固体氧化物燃料电池采用固态电解质，性能较好，安全性好，但是工作温度较高，技术还不成熟。

领先企业：日本东丽；加拿大Ballard；德国SGL等

4.2.5双极板

燃料电池双极板是电池系统组件的主要组成部分之一，直接影响制约着电池寿命、性能、体积、成本、质量等方面。其作用主要是传导电子、分配反应气并带走生成水，燃料电池双极板要求具备较好的导电性、导热性、一定的强度、气体致密性，具备耐酸耐碱耐腐蚀性、与电解质相容无污染，同时易于加工、成本低廉，以满足燃料电池的发展。

燃料电池常采用的双极板材料包括金属双极板、石墨碳板、复合双极板三大类。由于车辆空间限制，薄金属双极板成为目前商业双极板的主要选择，金属双极板的技术难点在于成型技术、表面处理技术。复合双极板以非贵金属（如不锈钢、Ti）为基材、辅以表面处理技术是研究的热点，筛选导电、耐腐蚀兼容的涂层材料与保证涂层致密、稳定，将成为未来主要发展方向

领先企业：瑞典Cellimpact、德国Dana、德国Grabener、美国Treadstone等

4.3燃料电池配套产业链分析

4.3.1燃料电池配套产业链结构

燃料电池配套产业链有三大环节，上游制氢、中游运输储存氢、下游应用。每个环节都有很高的技术壁垒和技术难点，目前上游的电解水制氢技术、中游的化学储氢技术和下游的燃料电池在车辆和分布式发电中的应用被广泛看好。

上游为氢气的制备，主要方式有：1、传统能源的化石原料制氢、2、化工原料制氢、3、工业尾气制氢、4、电解水制氢、5、新型制氢技术；

中游为氢气的储运环节，主要方式包括：高压气态、低温液态、固体材料储氢和有机液态储运；

下游为氢气的应用，在新能源应用方面包括加氢站、燃料电池下游各种应用。

4.3.2制氢

（1）常用的制氢技术路线

制氢方法是将存在于天然或合成的化合物中的氢元素，通过化学的过程转化为氢气的方法。根据氢气的原料不同，氢气的制备方法可以分为非再生制氢和可再生制氢，前者的原料是化石燃料，后者的原料是水或可再生物质。制备氢气的方法目前较为成熟，从多种能源来源中都可以制备氢气，每种技术的成本及环保属性都不相同。主要分为五种技术路线：工业尾气副产氢、电解水制氢、化工原料制氢、石化资源制氢和新型制氢方法等。

电解水制氢：在由电极、电解质与隔膜组成的电解槽中，在电解质水溶液中通入电流，水电解后，在阴极产生氢气，在阳极产生氧气。

化石原料制氢：化石原料目前主要指天然气、石油和煤，其他还有页岩气和可燃冰等。天然气、页岩气和可燃冰的主要成分是甲烷。甲烷水蒸气重整制氢是目前采用最多的制氢技术。煤气化制氢是以煤在蒸汽条件下气化产生含氢和一氧化碳的合成气，合成气经变换和分离制得氢。由于石油量少，现在很少用石油重整制氢。

化合物高温热分解制氢：甲醇裂解制氢、氨分解制氢等都属于含氢化合物高温热分解制氢含氢化合物由一次能源制得。

工业尾气制氢：合成氨生产尾气制氢、石油炼厂回收富氢气体制氢、氯碱厂回收副产氢制氢、焦炉煤气中氢的回收利用等。

新型制氢方法：包括生物质制氢、光化学制氢、热化学制氢等技术。生物质制氢指生物质通过气化和微生物催化脱氢方法制氢，在生理代谢过程中产生分子氢过程的统称。光化学制氢是将太阳辐射能转化为氢的化学自由能，通称太阳能制氢。热化学制氢指在水系统中，不同温度下，经历一系列化学反应，将水分解成氢气和氧气，不消耗制氢过沉重添加的元素或化合物，可与高温核反应堆或太阳能提供的温度水平匹配。

（2）主流制氢源自于传统能源的化学重整

全球来看，目前主要的制氢原料96%以上来源于传统能源的化学重整（其中，天然气重整、醇类重整、焦炉煤气分别占比48%、30%、18%），4%左右来源于电解水。

日本，目前主要的制氢源自于盐水电解，盐水电解的产能占所有制氢产能的63%，此外，产能占比较高的还包括天然气改制（8%）、乙烯制氢（7%）、焦炉煤气制氢（6%）和甲醇改质（6%）等。

（3）煤制氢加碳捕捉将成为主流制氢路线

对比几种主要制氢技术的成本，煤气化制氢的成本最低，为1.67美元/千克，其次是天然气制氢（2.00美元/千克），甲醇裂解（3.99美元/千克），成本最高的是水电解，达到5.20美元/千克。相对于石油售价，煤气化和天然气重整已有利润空间，而电解水制氢成本仍高高在上。

4.3.3储氢

氢是所有元素中最轻的，在常温常压下为气态，密度仅为0.kg/m3，是水的万分之一，因此其高密度储存一直是一个世界级难题。氢能的存储有以下方式：低温液态储氢、高压气态储氢、固态储氢和有机液态储氢等，这几种储氢方式有各自的优点和缺点。

（1）低温液态储氢：实际操作存在难度，经济性差

由于液态氢的密度是气体氢的倍，液态氢的体积能量密度比压缩状态下的氢气高出数倍，如果氢气能以液态形式存在，将能兼具储运简单安全和体积占比小的优点，替换传统能源将水到渠成。但事实上，气态的氢变成液态具有一定难度，一方面液化1kg的氢气需耗电4-10kW·h，另一方面液氢的存储对储存容器要求高，储存容器需要抗冻、抗压、保持超低温，且必须严格绝热。所以经济性差，仅适用于不太计较成本问题且短时间内需迅速耗氢的航天航空领域。

（2）高压气态储氢：应用最为成熟，但体积比容量小

高压气态储氢是目前最常用且发展比较成熟的储氢技术，其储存方式是采用高压将氢气压缩到一个耐高压的容器里。目前所使用的容器是钢瓶，它的优点是结构简单、压缩氢气制备能耗低、充装和排放速度快。但是存在泄露爆炸隐患，安全性能较差。

然而，高压气态储氢体积比容量低，钢瓶目前所能达到最高的体积比容量仅25g/L。此外，为了达到能耐受高压并保证安全性，目前国际上主要采用碳纤维钢瓶，但是碳纤维材料价格非常昂贵，因而它并非是理想的选择。

（3）固态储氢：储氢密度大，极具发展潜力

固态储氢方式能有效克服高压气态和低温液态两种储氢方式的不足，且储氢体积密度大、操作容易、运输方便、成本低、安全等，特别适合于对体积要求较严格的场合，如在燃料电池汽车上的使用，是最具发展潜力的一种储氢方式。固态储氢就是利用氢气与储氢材料之间发生物理或者化学变化从而转化为固溶体或者氢化物的形式来进行氢气储存的一种储氢方式。

（4）有机液体储氢：近年来备受

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