05 氫能汽車的心臟

氫燃料電池可以被廣泛的應(yīng)用于各個(gè)場(chǎng)景中，主要的應(yīng)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(yīng)用場(chǎng)景在交通運(yùn)輸領(lǐng)域，與燃料電池車相比，純電動(dòng)車的開發(fā)和應(yīng)用在大多數(shù)場(chǎng)景中更加成熟，但由于電池重量和續(xù)航里程問題而受到限制。

燃料電池車與其他車輛的主要區(qū)別在于動(dòng)力系統(tǒng)。所有其他零部件本質(zhì)上是相似的。

燃料電池車和純電動(dòng)車通過電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，而汽油和柴油車在內(nèi)燃機(jī)中將燃料燃燒產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。

燃料電池車和純電動(dòng)汽車的主要區(qū)別在于電的來源。與燃料電池車不同的是，純電動(dòng)汽車的全部能量來自其電池組，電池組在充電站進(jìn)行外部充電。

氫氣作為汽車燃料為車輛功能，其原理已經(jīng)有很長(zhǎng)的歷史了。

在200年前，氫氣就被用在第一代內(nèi)燃機(jī)中作為燃料，與現(xiàn)在內(nèi)燃機(jī)里汽油等燃料工作原理類似。但是因?yàn)榘踩�性及能量密度較低，氫氣作為內(nèi)燃機(jī)燃料并沒有表現(xiàn)出優(yōu)越性。

然而，在如今的燃料電池技術(shù)中，氫氣并不直接燃燒，而是和氧氣反應(yīng)轉(zhuǎn)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(yáng)極輸入，在催化劑（鉑）的作用下分解為電子和氫離子（質(zhì)子）。

其中質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜到達(dá)負(fù)極，與陰極輸入的氧氣反應(yīng)生成水；而電子則被質(zhì)子交換膜阻隔，經(jīng)由外電路流向陰極，產(chǎn)生電能為汽車供能。

氫燃料電池汽車主要由高壓儲(chǔ)氫罐、燃料電池堆棧、燃料電池升壓器、動(dòng)力電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和動(dòng)力控制單元等組成。

氫能的發(fā)展路徑和鋰電極為相似，中游電池系統(tǒng)成本占據(jù)整車接近30％。

細(xì)剖起來，燃料電池系統(tǒng)由電池堆和支持系統(tǒng)兩部分構(gòu)成，前者是核心動(dòng)力組件，后者由空氣壓縮機(jī)、加濕器、燃料回路、空氣回路等支持組件構(gòu)成。

電堆占據(jù)一半以上燃料成本。

電池堆是電池單元串聯(lián)疊加而成，由于每個(gè)單元產(chǎn)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(jìn)行串聯(lián)。

市場(chǎng)上有 5 種類型的氫燃料電池單元技術(shù)方案，其中最適合車用的是質(zhì)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(dān)了核心的電化學(xué)反應(yīng)功能，其成本占據(jù)電堆總成本的60％ 以上，被譽(yù)為燃料電池的芯片。

膜電極的技術(shù)和生產(chǎn)不僅決定了電堆的使用條件和壽命，同時(shí)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(fā)和生產(chǎn)是一個(gè)集合了電化學(xué)、高分子材料化學(xué)、無(wú)機(jī)材料化學(xué)、精密涂布技術(shù)、自動(dòng)連續(xù)化工業(yè)控制和功能壽命測(cè)試的產(chǎn)業(yè)，流程周期長(zhǎng)、投入大。

目前的前沿技術(shù)主要由國(guó)外大企業(yè)掌握，以豐田、巴拉德和Hydrogenics為典型，研發(fā)歷史悠久，其中巴拉德對(duì)膜電極的研發(fā)已超過40年。

國(guó)內(nèi)雖有部分企業(yè)和機(jī)構(gòu)突破技術(shù)難題，但由于成本問題難以形成規(guī)�；�生產(chǎn)，因此國(guó)內(nèi)還沒有公司具備膜電極的大規(guī)模連續(xù)化生產(chǎn)的能力，產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)非常薄弱。

那么產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)如何夯實(shí)，成本如何下降？這其中的關(guān)鍵，在于規(guī)模制造。

根據(jù) Strategic Analysis Inc 測(cè)算，以豐田氫燃料電池車 Mirai 為例，在年產(chǎn) 1000 臺(tái)時(shí)燃料電池（FC）系統(tǒng)與儲(chǔ)氫系統(tǒng)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(dāng)年產(chǎn)量增至 3000臺(tái)時(shí)，燃料電池系統(tǒng)與儲(chǔ)氫系統(tǒng)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(guī)模制造下，二者成本有了明顯的下降。但是傳統(tǒng)燃油車發(fā)動(dòng)機(jī)占整車成本比例僅為15％，燃料電池系統(tǒng)與儲(chǔ)氫系統(tǒng)合計(jì)成本約為占整車的 40％，顯著高于傳統(tǒng)燃油車。

如何進(jìn)一步降低儲(chǔ)氫和燃料電池系統(tǒng)的成本，尤其是后者是氫燃料車大規(guī)模商業(yè)化的前提，更大規(guī)模的制造和技術(shù)精進(jìn)有望進(jìn)一步降本。

如何實(shí)現(xiàn)規(guī)模制造？它的背后，在于需求上量。

根據(jù)我國(guó)《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》中對(duì)燃料電池汽車總體技術(shù)路線的規(guī)劃：

2020年，計(jì)劃實(shí)現(xiàn)燃料電池汽車在特定地區(qū)公共服務(wù)用車領(lǐng)域的小規(guī)模示范應(yīng)用，達(dá)到5000輛規(guī)模；

2025年在城市私人用車、公共服務(wù)用車領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)大批量應(yīng)用，達(dá)到5萬(wàn)輛規(guī)模；

2030年在私人乘用車、大型商用車領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模商用化推廣，達(dá)到百萬(wàn)輛規(guī)模。

在需求的推動(dòng)下，商用燃料電池系統(tǒng)與儲(chǔ)氫系統(tǒng)價(jià)格較去年已經(jīng)有了較大幅度的下降，目前行業(yè)水準(zhǔn)不到1萬(wàn)元／KW，車用儲(chǔ)氫系統(tǒng)價(jià)格不到5000元／KG，未來隨著氫燃料電池應(yīng)用范圍與規(guī)模擴(kuò)大，商用燃料電池價(jià)格至2025／2035／2050有望降至3500／1000／500元KW。商用儲(chǔ)氫系統(tǒng)價(jià)格有望降至3500／2000／1200元／KG。

成本的下降帶來下游需求的爆發(fā)，預(yù)計(jì)21／25／35／50年燃料電池汽車空間規(guī)模將達(dá)到165／869／3850／9900億元。

此外，近期我國(guó)鼓勵(lì)發(fā)展氫內(nèi)燃機(jī)，濰柴動(dòng)力等企業(yè)多年已經(jīng)布局，一汽集團(tuán)在該領(lǐng)域取得了突破式進(jìn)展。技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)與落地實(shí)驗(yàn)，將極大地促進(jìn)行業(yè)的發(fā)展。

06 補(bǔ)鋰不足，減排關(guān)鍵

圍繞氫燃料電池汽車與純電動(dòng)車的爭(zhēng)論已經(jīng)存在數(shù)十年，且隨著全球各大整車廠商將電動(dòng)化發(fā)展重心轉(zhuǎn)向純電動(dòng)汽車，是否應(yīng)該發(fā)展氫燃料電池汽車的質(zhì)疑聲也越來越大，相比較純電動(dòng)汽車而言，氫燃料電池汽車發(fā)展緩慢的原因主要有以下幾點(diǎn)：

（1）氫燃料電池汽車購(gòu)車成本遠(yuǎn)高于純電動(dòng)汽車，是純電動(dòng)汽車 1．5－2 倍；

（2）初始加氫成本高，當(dāng)前加氫站加氫成本在 50－80 元／kg；

（3）加氫站等基礎(chǔ)設(shè)施匱乏。與密集的加油站及充電樁相比，現(xiàn)有加氫站數(shù)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(jīng)濟(jì)性，其終端加氫成本需至少降到 40 元／kg 以內(nèi)，假設(shè)以當(dāng)前儲(chǔ)運(yùn)及加注成本計(jì)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(jīng)濟(jì)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(diǎn)，純電動(dòng)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(duì)氫燃料電池能量密度較低，在商用車領(lǐng)域采用鋰電設(shè)備，將提高車輛自重，降低重卡等重型商用車長(zhǎng)途運(yùn)輸?shù)慕?jīng)濟(jì)適用性。

以49噸重的鋰電重卡和氫能重卡對(duì)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(yōu)勢(shì)突出，有效載荷優(yōu)于鋰電車型。

氫燃料電池車更適用于重型商用車領(lǐng)域。一方面可以補(bǔ)齊鋰電池的不足，另一方面可以實(shí)現(xiàn)深度脫碳。

商用車排放占比高，是交運(yùn)領(lǐng)域重要的減排對(duì)象。在碳排放（CO、HC）以及污染物排放（NOx、PM）中，由于發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與燃燒方式的不同，商用車（絕大多數(shù)搭載柴油機(jī)）的碳排放水平明顯高于乘用車，合計(jì)占比達(dá)到 77．3％，是交運(yùn)領(lǐng)域碳排放首要減排對(duì)象。

從我國(guó)汽柴油表觀消費(fèi)量以及 CO2 排放情況來看，我國(guó)的交運(yùn)行業(yè)減排工作已取得明顯進(jìn)展，但碳排放水平依然處于較高位置，僅靠節(jié)能減排或者尾氣回收顯然無(wú)法完成碳中和目標(biāo)。

此外，續(xù)航和充電時(shí)長(zhǎng)方面也會(huì)限制重型商用車的運(yùn)輸效率。

相比之下，燃料電池車能量密度高，加注燃料便捷、續(xù)航里程較高，低溫環(huán)境表現(xiàn)優(yōu)異，更加適用于長(zhǎng)途、大型、商用車領(lǐng)域，未來有望與純電動(dòng)汽車形成互補(bǔ)并存的格局。

根據(jù)規(guī)劃，到 2035 年我國(guó)氫燃料電池車保有量將達(dá) 100 萬(wàn)輛。根據(jù)《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖 2．0》規(guī)劃，我國(guó)將發(fā)展氫燃料電池商用車作為整個(gè)氫能燃料電池行業(yè)的突破口。

以客車和城市物流車為切入領(lǐng)域，重點(diǎn)在可再生能源制氫和工業(yè)副產(chǎn)氫豐富的區(qū)域推廣中大型客車、物流車，逐步推廣至載重量大、長(zhǎng)距離的中重卡、牽引車、港口拖車及乘用車等。

到 2035 年，實(shí)現(xiàn)氫燃料電池汽車的大規(guī)模推廣應(yīng)用，燃料電池汽車保有量達(dá)到 100 萬(wàn)輛左右，完全掌握燃料電池核心關(guān)鍵技術(shù)，建立完備的燃料電池材料、部件、系統(tǒng)的制造與生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)鏈。

除了公路運(yùn)輸之外，更長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，氫氣還有可能促進(jìn)鐵路運(yùn)輸、船運(yùn)和航空領(lǐng)域的脫碳化：

在確定了氫能源為未來發(fā)展路徑后，氫燃料電池的成本是決定何時(shí)大規(guī)模商用的關(guān)鍵，現(xiàn)階段，氫能源應(yīng)用主要依賴于財(cái)政補(bǔ)貼和政策支持。在未來，隨著規(guī)模的擴(kuò)大和全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)的進(jìn)一步成熟，市場(chǎng)化進(jìn)程有望加快，下游應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒂瓉肀�發(fā)階段。