燃料電池按燃料類型可分為直接型、間接型和再生型；按電解質(zhì)種類又可分為堿性燃料電池（AFC）、磷酸鹽型燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽型燃料電池（MCFC）、固體氧化物型燃料電池（SOFC）和質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）。

圖表 1  不同電解質(zhì)類型燃料電池基本參數(shù)對(duì)比

1、工作原理

氫燃料電池，即使用氫氣作為燃料，利用電解水的逆反應(yīng)產(chǎn)電的一種燃料電池，是質(zhì)子交換膜燃料電池。氫燃料電池工作原理即：將氫氣送到電池的陽極板，通過催化劑的作用，氫原子變成一個(gè)正電荷的氫離子和一個(gè)負(fù)電荷的電子，其中氫離子通過電解質(zhì)到達(dá)陰極板，而電子不能通過電解質(zhì)，而只能通過外部電路形成電流。電子到達(dá)陰極板后，與氧原子和氫離子重新結(jié)合為水。

圖表 2  氫燃料電池工作示意圖

氫燃料電池陰極板供給的氧可直接從空氣中獲得，因此僅需不斷給陽極板供應(yīng)氫氣并及時(shí)把水帶走，氫燃料電池就可以不斷提供電能。相對(duì)于其他能源，氫燃料電池的發(fā)電過程無污染，能量轉(zhuǎn)換效率更高，且其燃料氫氣來源廣泛，可再生。因此氫燃料電池是目前發(fā)展最好的燃料電池。

2、產(chǎn)業(yè)鏈

氫燃料電池主要包括電池組件和燃料兩個(gè)部分。因此其上游主要是氫氣供應(yīng)以及電池零組件。氫氣供應(yīng)部分主要是為燃料氫氣而準(zhǔn)備的，主要流程包括氫氣生產(chǎn)、輸送和充氣機(jī)。而電池零組件部分則主要生產(chǎn)燃料電池組、氫氣存儲(chǔ)設(shè)備和配件。中游則是將上述組裝，形成一個(gè)完整的可投入使用的燃料電池系統(tǒng)，每種系統(tǒng)構(gòu)成都依據(jù)其不同的應(yīng)用領(lǐng)域而有所不同。下游的應(yīng)用板塊則主要包括了固定、交通運(yùn)輸和便攜式三個(gè)主要領(lǐng)域。

圖表 3  氫燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈圖

產(chǎn)業(yè)鏈的核心在于中游的燃料電池系統(tǒng)，系統(tǒng)的組成必定要對(duì)應(yīng)下游的應(yīng)用，而在燃料電池系統(tǒng)中，燃料電池模塊是最為重要的。一般燃料電池由電解質(zhì)、催化劑和雙極板構(gòu)成，在這三者中，催化劑的有無對(duì)燃料電池成本的影響最為巨大。

區(qū)別于傳統(tǒng)汽車和鋰電汽車，燃料電池汽車中的成本部分有71%與其燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)相關(guān)，分別是燃料電池系統(tǒng)（63%）和車載儲(chǔ)氫系統(tǒng)（8%）。在占半數(shù)以上成本的燃料電池系統(tǒng)中，電極、電極板、電解質(zhì)膜和反應(yīng)催化劑都是至關(guān)重要的核心部件。

圖表 4  燃料電池汽車成本構(gòu)成

氫燃料電池成本下降空間主要來源于以下幾方面：催化劑、質(zhì)子交換膜、雙極板、制氫、儲(chǔ)氫。

1）催化劑：目前主流是用貴金屬鉑，由于鉑資源稀導(dǎo)致成本高。解決辦法一方面提升鉑鍍層技術(shù)、減少鉑用量；另一方面是研發(fā)新型催化劑代替，如今所有的替代品都處于實(shí)驗(yàn)室階段，還沒有有效可靠的解決方案。

2）質(zhì)子交換膜：質(zhì)子交換膜具有足夠高的機(jī)械強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，以及膜表面適合與催化劑結(jié)合等性能。達(dá)到燃料電池汽車質(zhì)子交換膜使用要求的目前只有美國杜邦公司的Nafion質(zhì)子交換膜等少數(shù)幾家公司的高端產(chǎn)品。中國國內(nèi)裝配燃料電池所用的質(zhì)子交換膜主要依靠進(jìn)口，

3）雙極板：目前石墨雙極板是主流應(yīng)用，加工成本高，約占極板成本80%，同時(shí)加工時(shí)間長(zhǎng)，限制了大規(guī)模供應(yīng)。

4）制氫：目前制氫多采用電解鹽水、冶煉等高碳排放技術(shù)，由于該種制氫方法成本高，效率相對(duì)較低，同時(shí)碳排放量大，也在一定程度上限制了氫燃料電池汽車的產(chǎn)業(yè)化。

隨著全球氫社會(huì)建設(shè)的加快，氫消費(fèi)量也將快速增加，從 2015 年的小于 1 萬億上升到 2050 年的6.5 萬億左右。在此期間，氫的價(jià)格也會(huì)逐漸下降。根據(jù)日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)的測(cè)算，刨除加氫站的利潤(rùn)，2013年的供氫成本為 1 立方米 120 日元左右，而這個(gè)價(jià)格在 2015 年降低到 90 日元，到 2020 年僅為 60 日元。

圖表 5  供氫成本下降趨勢(shì)（單位：日元/立方米）

數(shù)據(jù)來源：日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)、一覽眾咨詢

5）儲(chǔ)氫：氫氣要安全儲(chǔ)藏和運(yùn)輸成本相對(duì)于普通能源要高很多。豐田Mirai中設(shè)計(jì)了一大一小兩個(gè)儲(chǔ)氫罐，通過高壓的方式盡可能多充入一些氫氣。以目前的主流儲(chǔ)存技術(shù)，豐田選用了700個(gè)大氣壓的高壓儲(chǔ)氣罐，兩個(gè)儲(chǔ)氫罐一共的容量是122.4升，采用700個(gè)大氣壓儲(chǔ)存，能容納約5公斤的氫氣，續(xù)航里程達(dá)到650km。目前，歐日儲(chǔ)氫技術(shù)已達(dá)到成熟水平，但安全性問題仍沒有得到可靠的解決。

在汽車領(lǐng)域，燃料電池系統(tǒng)的高成本增加了整個(gè)汽車的成本，未來的主攻方向是如何在減小成本的同時(shí)延長(zhǎng)使用壽命。降低燃料電池系統(tǒng)的成本從理論上講是可行的，并且很大程度上決定了整個(gè)汽車的成本。但是高壓罐的成本卻很難下降，因?yàn)楦邏汗薜某杀竞艽蟪潭壬先Q于昂貴的復(fù)合材料，所以目前的研發(fā)重點(diǎn)集中在降低高壓罐的復(fù)合材料成本。電池和電力控制系統(tǒng)的成本隨著技術(shù)的進(jìn)步都會(huì)有一定的下降，因?yàn)椴牧系南拗撇粫?huì)下降得太多，但是高技術(shù)的融入會(huì)延長(zhǎng)電池使用壽命，從而提高整個(gè)汽車的使用性能。

圖表 6  氫燃料電池汽車成本預(yù)測(cè)

數(shù)據(jù)來源：一覽眾咨詢

2015年，豐田公司宣布最新的氫燃料電池汽車在試運(yùn)行期價(jià)格是6萬美元，但是該價(jià)格可能主要反映的是客戶的支付意愿，而不是生產(chǎn)汽車的成本，因?yàn)闅淙剂想姵仄嚹壳爸饕轻槍?duì)高收入群體和汽車技術(shù)愛好者，并且要求在居住地附近有相應(yīng)的加氫站。

除技術(shù)、壽命、成本等因素外，加氫站的數(shù)量將是影響燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)化的另一重要因素。全球加氫設(shè)施的發(fā)展主要集中在三大區(qū)域：北美、歐洲和日本，整個(gè)加氫站建設(shè)的密度將與燃料電池汽車的市場(chǎng)導(dǎo)入量相匹配。目前而言，中國僅有一個(gè)加氫站，加氫站不僅遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于美國數(shù)量，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于臨近的韓國和日本。

2015年全球加氫站建設(shè)邁入新階段，新增54座加氫站，其中日本新增加氫站28座，是新建數(shù)目最多的國家，顯示出日本對(duì)氫燃料電池汽車發(fā)展的支持力度。截止2015年底，全球共有214座加氫站正在運(yùn)營(yíng)。其中亞洲67座，歐洲97座，北美50座，南美1座，澳大利亞1座。

圖表 7  全球主要國家加氫站規(guī)劃建設(shè)數(shù)量

2016年3月日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省宣布，為普及燃料電池車，計(jì)劃到2025年度使供給其燃料的加氫站增至320處。這一數(shù)量相當(dāng)于目前的4倍。燃料電池車力爭(zhēng)到2025年在日本國內(nèi)售出20萬輛，到2030年售出80萬輛。通過提出政府目標(biāo)，以補(bǔ)貼和放寬限制等政策來扶持降低成本的做法，經(jīng)產(chǎn)省打算加速普及燃料電池車。

根據(jù)計(jì)劃，加氫站設(shè)置成本將從目前的約4億日元降至2億日元左右（約合人民幣1159.7萬元），與歐美不相上下，讓加氫站在本世紀(jì)20年代后半期達(dá)到在沒有政策扶持的情況下也能盈利的程度。燃料電池車價(jià)格到2025年將降到200多萬日元，促使普通消費(fèi)者也購買。

加氫站的建設(shè)仍為各國政府主導(dǎo)，同時(shí)車企也加入其中，包括豐田、現(xiàn)代、寶馬、奔馳等車企也開始規(guī)劃建設(shè)充電站。

圖表 8  主要燃料電池車企業(yè)均布局加氫站的建設(shè)

歐美日等國家均制定了氫燃料電池汽車（FCV）發(fā)展戰(zhàn)略，在FCV的研發(fā)上投入資金，修建加氫站等基礎(chǔ)設(shè)施，并出臺(tái)優(yōu)惠政策，鼓勵(lì)消費(fèi)者購買FCV。

日本不僅在氫能利用方面技術(shù)領(lǐng)先，并且計(jì)劃構(gòu)建一個(gè)以氫能為主要能源的清潔城市；同樣的，日本在FCV的研發(fā)上，走在了世界前列。日本計(jì)劃到2020年東京奧運(yùn)會(huì)開幕，修建的加氫站將形成一張網(wǎng)絡(luò)，覆蓋以東京、大阪為代表的城市帶。與此同時(shí)，日本政府正加大消費(fèi)者購買FCV的補(bǔ)貼力度，并表示到2025年，將FCV的市場(chǎng)價(jià)格降至2萬美元。

歐洲方面，以英國、丹麥為代表的國家，正加快推進(jìn)加氫站的建設(shè)。如今，丹麥已基本實(shí)現(xiàn)加氫站全覆蓋；英國、德國也在提高加氫站的資金投入和地域覆蓋。特別是英國，在政策上大力支持FCV，并計(jì)劃至2030年，生產(chǎn)、銷售160萬輛FCV。

車企方面，世界主要汽車制造商均設(shè)定了氫燃料電池汽車（FCV）的商業(yè)化時(shí)間，目前市面上能買到的FCV僅有3款，分別是豐田Mirai、本田Clarity、現(xiàn)代ix35FC。

圖表 9  已量產(chǎn)燃料電池汽車

數(shù)據(jù)來源：一覽眾咨詢

目前我國燃料電池車仍在開發(fā)及測(cè)試階段，距離量產(chǎn)仍有較長(zhǎng)年時(shí)間，與國外企業(yè)的技術(shù)水平仍然有較大的差距。國內(nèi)涉及燃料電池的有上汽、長(zhǎng)安、一汽、江淮、廣汽、奇瑞、宇通、福田等較大企業(yè)，科研機(jī)構(gòu)也僅限于清華大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)等有較強(qiáng)實(shí)力的科研院校，產(chǎn)業(yè)的活躍度不夠。

2016年5月中國國家發(fā)改委、國家能源局下發(fā)了《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃（2016-2030年）》，并同時(shí)發(fā)布了《能源技術(shù)革命重點(diǎn)創(chuàng)新行動(dòng)路線圖》。該《計(jì)劃》列舉了包括“先進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)創(chuàng)新”、“氫能與燃料電池技術(shù)創(chuàng)新”、“能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)創(chuàng)新”等15項(xiàng)重點(diǎn)任務(wù)。而《路線圖》則明確了上述15項(xiàng)重點(diǎn)任務(wù)的具體戰(zhàn)略方向、創(chuàng)新目標(biāo)及創(chuàng)新行動(dòng)。未來幾年，燃料電池汽車領(lǐng)域更多地利好政策將會(huì)持續(xù)出現(xiàn)，屆時(shí)將會(huì)增大行業(yè)的發(fā)展動(dòng)力。

燃料電池車初期售價(jià)可能會(huì)偏高，不過隨著技術(shù)逐步成熟，加上有政府補(bǔ)貼或免稅等優(yōu)惠，價(jià)格將會(huì)慢慢進(jìn)入大眾可接受范圍之內(nèi)。考慮到燃料電池高效、環(huán)保及安全等諸多優(yōu)點(diǎn)，氫燃料電池車仍然值得我們期待。

全球以燃料電池為主營(yíng)業(yè)務(wù)的廠商不多，主要集中在歐美國家和日本。除此之外，各大車廠都有燃料電池研發(fā)和生產(chǎn)部門，為燃料電池汽車配套。主流的燃料電池廠商包括美國Fuel Cell Energy、美國BE布魯姆能源、加拿大Ballard、美國Plug Power等。國內(nèi)相關(guān)企業(yè)有大連新源動(dòng)力、上海神力科技、江蘇氫陽能源、北京億華通，重塑，康諾，弗爾賽等。

圖表 10  國內(nèi)燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)及產(chǎn)品