氢燃料电池车全面爆发还要多久？

来源：探臻科技评论

作者：认真学习的

编者按：

氢燃料电池车相比燃油、锂电池车具有更长的续航里程、更快的充能速度、更强的低温性能等优势，自从1994年，戴姆勒研发出燃料电池汽车Necar1，从此，越来越多的车企投入氢燃料电池汽车的研发中。福特、本田、丰田、现代等大型车企，陆续推出各自的氢燃料电池乘用车产品。2014年，丰田发布氢能乘用车Mirai第一代。这是世界首批进行量产的氢燃料电池汽车，开启了氢能源乘用车市场化的第一步。

一、氢燃料电池车发展现状

       

当前，由于氢能基建尚不完善、整车和氢端成本较高等原因，全球氢车推广仍以政策驱动为主。根据中国氢能联盟研究院的统计，截至2022年底全球燃料电池车保有量达到6.7万辆，同比增长36.6%，氢燃料电池汽车全球销量同比增加83%，为1.74万辆，燃料电池车保有量的不断提升，带动了上游加氢站数量的持续增长，截至2022年底，全球在营加氢站数量达到727座，同比增长22.4%。2022年3月，国家发改委、国家能源局联合出台《氢能产业发展中长期规划(2021—2035年)》，其中明确指出，氢能是未来国家能源体系的重要组成部分，是用能终端实现绿色低碳转型的重要载体，是战略性新兴产业和未来产业重点发展方向。截止2022年，其中我国燃料电池车保有量为12682 辆，全球第三根据中国汽车协会数据，2022年我国氢燃料电池车销量为3367辆，同比增长112.8%。我国累计建成加氢站数量358座，全球第一。

二、氢燃料电池车产业链及成本构成

       

氢燃料电池与常见的锂电池不同，其系统更为复杂，主要由电堆和系统部件（空压机、增湿器、氢循环泵、氢瓶）组成。电堆是整个电池系统的核心，包括由膜电极、双极板构成的各电池单元以及集流板、端板、密封圈等。膜电极的关键材料是质子交换膜、催化剂、气体扩散层，这些部件及材料的性能决定了电堆的使用寿命和工况适应性，产业链关键环节图谱如下: 

图1 氢燃料电池车产业链图谱

（图源：招商证券）

1、燃料电池的生产成本

氢燃料电池系统的成本主要包括氢燃料电池电堆、空压机、热管理系统、氢气循环系统等，其中氢燃料电池电堆约占电池系统总材料成本的44%。氢燃料电池电堆的成本包括膜电极组件和双极板等。其中，构成膜电极的催化剂、质子交换膜和气体扩散层约占电堆总材料成本的63.7%（催化剂占电堆成本近40%），双极板约占材料成本的30.0%，其他（装配部件，如框架及垫圈等）约占氢燃料电池电堆总材料成本的6.3%。

中国工程院院士彭苏萍表示，目前氢燃料电池重卡构成成本仍是柴油重卡的近4倍，单车造价大于100万元，极大地限制了氢燃料电池的发展。

图2 燃料电池系统成本构成

2、氢燃料电池车使用成本

除了造车成本，氢燃料电池车的使用成本也较高，按照乘用车计算，百公里燃油车成本约45-55元，锂电池车约20-35元，氢燃料电池车约50-80元。显然，氢燃料电池车使用成本高于燃油车和锂电池车。

图3 各类汽车百公里耗能量成本比较

三、燃料电池关键技术解析

       

氢燃料电池主要由阳极、阴极和质子交换膜构成，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电化学反应的催化剂。按照氢燃料电池的构造进行划分，关键材料可以分为电堆材料和氢燃料电池系统材料。其中电堆材料包括膜电极材料、气体扩散层材料、双极板材料、密封圈材料和端板材料五大类;氢燃料电池系统材料包括储氢瓶材料、压缩机材料、氢循环系统材料和增湿器材料四大类，主要关键材料如图：

图4 氢燃料电池结构示意图

1、催化剂材料 

催化剂材料起到降低电极反应活化能、提高反应速率的作用，通过降低燃料电池的活化极化能明显提升燃料电池的功率密度，在很大程度上影响着燃料电池的性能表现，是燃料电池的关键材料和运行保障，因此催化剂活性非常关键。Pt具有良好的电化学活性，是用于催化剂的优选。目前比较常用的阳极是Pt/C——一种将Pt的纳米颗粒分散在碳粉载体上的搭载性催化剂。而阴极材料除了Pt/C之外，可以以其他二元合金的来做催化，如Pt-Co/C、Pt-Pb/C、Pt-Ni/C。燃料电池催化剂长期被国外垄断，我国铂催化剂以进口为主，目前我国燃料电池催化剂实现了小批量的装堆应用，国内研发催化剂的单位主要有贵研铂业、中自科技、喜马拉雅、济平新能源等。非铂催化剂代替是我国燃料电池催化剂突破方向之一。

2、质子交换膜 

质子交换膜是一种采用可传导质子的聚合膜作为电解质，将存在于燃料中的化学能通过电化学反应直接转化为电能的发电装置。质子交换膜由于制备工艺复杂，长期被杜邦、戈尔、旭硝子等美国和日本少数厂家垄断，国内质子交换膜市场主要被海外龙头占据，东岳集团、科润新材料等多家企业实现量产，国内企业替代率逐步提升，目前达到20%左右。

3、气体扩散层 

气体扩散层的主要作用是支撑催化剂，以及为参与反应的气体和生成的水提供传输的通道，是膜电极的关键组成材料之一，由基底层和微孔层组成，其中基底层材料大多是多孔碳纸或碳布，微孔层通常由导电炭黑和憎水剂构成。气体扩散层材料按照基材的不同主要包括碳纤维纸基材、碳布基材和金属基材等类型。其中碳纤维纸凭借制造工艺成熟、性能稳定、成本相对较低和适于再加工等优点，成为目前商业化的首选材料。该领域长期被国外东丽、巴拉德等公司垄断，国内清能股份、济平新能源、通用氢能等企业研发进程较快。

4、双极板 

双极板是电堆中的“骨架”，与膜电极层叠装配成电堆，在燃料电池中起到支撑、收集电流、分配气体的重要作用。燃料电池双极板按照材料构成分成石墨双极板（含石墨复合双极板）和金属双极板。石墨双极板依然是市场应用的主流，金属双极板凭借强度高、韧性好、成本低等优点，市场用量在快速增长、市场份额在逐步走高。国内石墨双极板出货量靠前的企业有上海弘枫、华熔科技、弘竣新能源、国鸿氢能、嘉裕碳素等，金属双极板领域，治臻新能源、爱德曼等企业出货量领先。

四、氢燃料电池车竞争格局

       

从氢燃料电池车保有量来讲，全球氢燃料电池车保有量和销量前五的国家为韩国、美国、中国、日本和德国，其中韩国氢燃料电池车保有量超过2万辆，占比接近40%。从专利数量上看，中国占比32%，其次为日本占比18%，美国占比16%，德国占比10%，韩国占比6%。

从全球氢燃料电池车厂商来看，韩国新能源市场调研机构SNE Research发布的一项数据显示，现代汽车2021年在全球氢燃料电池汽车市场上的占有率过半，为53.5%，连续三年稳居首位，丰田以34.2%的市占率（5900辆）排名第二，中国福田（2.1%）和本田（1.7%）分列其后。

目前中国的氢燃料电池车产业链布局企业较多，暂无统治地位的企业，氢燃料电池车销量靠前的企业为福田汽车、宇通集团、金龙汽车、飞驰汽车、东风汽车、一汽解放等；燃料电池系统出货量较高的企业有亿华通、重塑科技、鸿力氢动、国电投氢能、捷氢科技等。

五、氢燃料电池的发展前景

       

氢能产业发展中长期规划（2021-2035 年）明确指出，2025年燃料电池车辆保有量约5万辆，2030年保有量达到100万辆。中国有超过20个省份也单独出台了氢能产业中长期规划，对产业的重视程度较高。虽然氢能早已经定为国家战略，但也面临以下挑战：

1、虽然近几年氢燃料电池在功率密度、冷启动温度、寿命、最高效率等指标上均有大幅改善，国产化率达到90%以上，氢能专利数量也位居全球第一，双极板等技术日趋成熟，但在催化剂材料，70MPa储氢技术等方面未能够实现完全自主，还需要进一步攻破。

2、氢能车与纯电车相比，具有更长的续航里程、更快的充能速度、更强的低温性能等优势。然而，对于普通消费者而言，氢能车具有两个不可忽视的制约性因素：购车与耗能成本高，成本大约是纯电车的4倍。对此，欧阳明高院士指出，在未来的十年，氢燃料电池系统成本将会下降80%。

3、加氢便利性差，尽管我国的加氢站数量全世界第一，已超过300座，但相比10万的加油站相比，逊色不少。欧阳明高院士指出，由于加氢效率比天然气更低，加氢站的需求将更高，需要建设上万个加氢站才能满足氢燃料电池车的使用要求。但加氢站的投资成本更高，是普通加油站的3倍以上。

虽然氢燃料电池车销量保持较快的增长速度，但是基数小，市场容量和规模都无法与纯电相比，氢燃料电池车商用化程度低。成本将会是最大拦路虎，其次是加氢站数量是否能够满足氢燃料电池车需求；同时锂电池技术突破也将影响氢燃料电池车发展，如果固态电池实现量产装车，其性价比将超越氢燃料电池车，可能成为氢燃料电池车商用化的有力竞争者。