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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，純電動車的開發和應用在大多數場景中更加成熟，但由于電池重量和續航里程問題而受到限制。

燃料電池車與其他車輛的主要區別在于動力系統。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出優越性。

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。

氫能的發展路徑和鋰電極為相似，中游電池系統成本占據整車接近30％。

細剖起來，燃料電池系統由電池堆和支持系統兩部分構成，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。

電堆占據一半以上燃料成本。

電池堆是電池單元串聯疊加而成，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。

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、自動連續化工業控制和功能壽命測試的產業，流程周期長、投入大。

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

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

那么產業基礎如何夯實，成本如何下降？這其中的關鍵，在于規模制造。

根據 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）系統與儲氫系統制造成本分別為 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，燃料電池系統與儲氫系統制造成本分別為 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，在規模制造下，二者成本有了明顯的下降。但是傳統燃油車發動機占整車成本比例僅為15％，燃料電池系統與儲氫系統合計成本約為占整車的 40％，顯著高于傳統燃油車。

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

如何實現規模制造？它的背后，在于需求上量。

根據我國《節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劃：

2020年，計劃實現燃料電池汽車在特定地區公共服務用車領域的小規模示范應用，達到5000輛規模；

2025年在城市私人用車、公共服務用車領域實現大批量應用，達到5萬輛規模；

2030年在私人乘用車、大型商用車領域實現大規模商用化推廣，達到百萬輛規模。

在需求的推動下，商用燃料電池系統與儲氫系統價格較去年已經有了較大幅度的下降，目前行業水準不到1萬元／KW，車用儲氫系統價格不到5000元／KG，未來隨著氫燃料電池應用范圍與規模擴大，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，預計21／25／35／50年燃料電池汽車空間規模將達到165／869／3850／9900億元。

此外，近期我國鼓勵發展氫內燃機，濰柴動力等企業多年已經布局，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，將極大地促進行業的發展。

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十年，且隨著全球各大整車廠商將電動化發展重心轉向純電動汽車，是否應該發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，現有加氫站數量明顯不足。

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的經濟適用性。

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勢突出，有效載荷優于鋰電車型。

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，由于發動機結構與燃燒方式的不同，商用車（絕大多數搭載柴油機）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，僅靠節能減排或者尾氣回收顯然無法完成碳中和目標。

此外，續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、續航里程較高，低溫環境表現優異，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。

根據規劃，到 2035 年我國氫燃料電池車保有量將達 100 萬輛。根據《節能與新能源汽車技術路線圖 2．0》規劃，我國將發展氫燃料電池商用車作為整個氫能燃料電池行業的突破口。

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副產氫豐富的區域推廣中大型客車、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，實現氫燃料電池汽車的大規模推廣應用，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、系統的制造與生產產業鏈。

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展路徑后，氫燃料電池的成本是決定何時大規模商用的關鍵，現階段，氫能源應用主要依賴于財政補貼和政策支持。在未來，隨著規模的擴大和全產業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階段。