[解析] | 2017年中國燃料電池行業發展現狀分析

一、燃料電池行業發展概況分析

1、燃料電池行業發展歷程

早在20世紀50年代，就開展燃料電池方面的研究，在燃料電池關鍵材料、關鍵技術的創新方面取得了許多的突破。政府十分注重燃料電池的研究開發，陸續開發出30kW級氫氧燃料電極、燃料電池電動汽車等。燃料電池技術特別是質子交換膜燃料電池技術也得到了迅速發展， 相繼開發出60kW、75kW等多種規格的質子交換膜燃料電池組；開發出電動轎車用凈輸出40kW、城市客車用凈輸出100kW燃料電池發動機，使的燃料電池技術跨入世界先進國家行列。

「七五」期間，科學院長春應用化學研究所1990年承擔了中科院PEMFC研究任務，1993年開始進行直接甲醇質子交換膜燃料電池（DMDC）的研究。電力工業部哈爾濱電站成套設備研究所於1991年研製出由7個單電池組成的MCFC原理性電池。

「八五」期間，中科院大連化學物理所、上海硅酸鹽研究所、化工冶金研究所及清華大學等國內十幾個單位進行了與SOFC有關的研究。

「九五」期間，國家科技部與中科院將燃料電池技術列入當期科技攻關計劃，投資規模逾1億元，開始進入燃料電池研究的第二個高潮時期。在這個時期，質子交換膜燃料電池被列為重點，以大連化學物理研究所為牽頭單位，在全面開展了質子交換膜燃料電池的電池材料與電池系統的研究，並組裝了多台百瓦、

1kw-2kw、5kw和25kw電池組與電池系統。5kw電池組包括內增濕部分其重量比功率為100W/kg，體積比功率為300W/L。

「十五」期間，「863」計劃曾撥款8.8億元用於支持混合電動車和燃料電池汽車的研發；主要承擔單位包括大連化學物理研究所、同濟大學、清華大學和上海神力科技公司、上海燃料電池汽車動力系統有限公司、北京世紀富源燃料電池有限公司、北京飛馳綠能技術有限公司以及大連新源動力有限公司等。與此同時，「973」計劃撥款約3000萬元用於儲氫技術、質子交換膜和催化劑的研發；主要承擔單位包括清華大學核能與新能源技術研究院，浙江大學、上海交通大學、香港大學等。也正是在這個時期，已與全球環境基金/聯合國發展計劃署成立了燃料電池合作項目，共同提供約1.98萬美元的資金支持燃料電池項目開發。

「十一五」期間，「863」計劃、「973」計劃和科技支撐計劃等重大科技項目對制氫、儲氫和加氫技術、燃料電池及其部件和原材料技術的研發繼續給予經費支持。其中，燃料電池技術的主要研究內容包括：質子交換膜燃料電池低鉑載量膜電極技術；質子交換膜燃料電池水平衡氣體擴散層技術；陰極支撐型中溫固體氧化物燃料電池技術；熔融碳酸鹽燃料電池關鍵技術；其他新型燃料電池技術。

「十二五」期間，規劃要加快推進水電、核電建設，積極有序做好風電、太陽能、生物質能等可再生能源的轉化利用，要確保到2015年非化石能源消費佔一次能源消費的比重達到11%以上，為實現2020年非化石能源消費比重佔一次能源消費比重達15%和單位GDP二氧化碳排放比2005年下降40%至45%的目標奠定堅實的基礎。

對質子交換膜燃料電池的各個組件的開發研究都取得了較大的進展：

其中，對於催化劑方面：清華大學科研人員研製出新型鉑/碳電極催化劑。將碳載體在使用前置於一氧化碳中活化處理，即將碳載體置於流動的一氧化碳氣中加熱到350~900℃，活化處理l~12h，再用沉澱法把Pt負載到碳載體上，得到Pt/C催化劑；長春應用化學研究所研製出納米級高活性電催化劑用作陽極催化劑。

該催化劑粒度均勻，粒徑約（4±0.5）nm，電化學性能優於國際同類產品；復旦大學利用沉澱方法在表面活性劑存在時，製得納米負載壁鉑/碳催化劑，該催化劑使用效果非常好此外，科研人員在研究催化劑時普遍把粉末狀活性炭加入氯鉑酸溶液，再加入過量甲醛還原，反應中採用軟脂酸、硬脂酸或硅油作為表面活性劑，摻雜組分是Pd、Ir、Ru等金屬元素或非金屬物質之一。

在電極組合件方面：北京世紀富原燃料電池有限公司開發出橫板塗敷法，在一片質子交換膜上製作多個膜電極的燃料電池，由一片質子交換膜、多個催化層和多個擴散層組成多個膜電極，由多個膜電極和多個導流板組成多個發電單元；北京太陽能新技術公司研製出陶瓷型無機複合材料厚膜電極，材料中組分質量百分含量分別為：石墨25％~30％、Ag25％~30％、PbO30％~35％、BO6％~8％、SiO22％~4％，將金屬或非金屬與導電粉末等氧化物組成的無機粘結劑摻合、絲網印刷、燒結、形成微觀網路式導電通道。

在質子交換膜方面：清華大學研製出聚偏氟乙烯接枝聚苯乙烯磺酸PEM。聚偏氟乙烯溶於甲基吡咯烷酮溶劑中，將該高分子溶液加熱至甲基吡咯烷酮的沸騰溫度，在該溫度下迴流0.5~5h，溫度降至90℃，然後向溶液中加入引發劑，在90℃保溫1~5 h后降至室溫，再向溶液中加入三氯甲烷，直至不溶性固體全部沉澱，將固體取出，加引發劑，再經處理便製得此種質子交換膜。

在雙極板方面：天津電源研究所研製出實用新型雙極板，它包括金屬板氣體反應區域、氣體進口、氣體出口。金屬板上、下面氣體反應區域周圍分別設有凹槽，氣體進口、氣體出口與氣體反應區域之間分別設置有暗孔道。該設計改善了電池組的密封性，延長了其壽命，提高了性能；大連化學物理研究所研製出的雙極板由3層薄金屬板構成，中間為導電流不透氣液的分隔板，兩邊分別置有帶條狀溝槽的導流板，條狀溝槽占整個工作面積的50％~80%。這種新穎的設計提高了反應氣的利用率，從而提高了電池性能。

在電解質方面：吉林大學研製出固體複合電解質， 它由基體材料Ce1-xRexO2-d和Ni、Al、Co、Na、Ca、K的金屬化合物或NiAl化合物添加劑合成，經過混合、研磨、燒結、冷卻、粉碎、研磨等工藝製成。它是用模具直接壓製成薄片，燒結后強度可達到10 MPa。用它作PEMFC電解質，可使用甲醇、乙醇、甲烷和乙烷等多種燃料；上海交通大學研製出新型電解質—帶磺酸鹽側基、羧酸鹽側基的聚芳醚酮， 該聚合物可作為PEM的陽離子組分。

2、制約燃料電池行業發展的因素

（一）成本障礙

高成本是制約燃料電池產業化的關鍵因素。燃料電池成本中佔比最高的是燃料電池組，其次是氫燃料罐和電池配件。如果未來要實現燃料電池商業化，並與內燃機汽車進行競爭，那麼燃料電池組的成本必須下降，其中主要涉及三個關鍵部件的成本，包括：鉑催化劑、電解質膜和雙極板。

鉑催化劑。現在的燃料電池組都使用金屬鉑作為催化劑，在未來十年內很可能依舊如此。電極載鉑量過高一直是阻礙燃料電池發展的重要因素。鉑金具有稀缺性，而鉑金行業利潤較低、產量不穩定。在這些不利因素的影響下，鉑金的價格未來不會降低。為了降低成本，需進一步降低鉑催化劑的使用量，並尋求廉價的替代催化劑。

電解質膜。現在汽車應用中最常見的質子交換膜是全氟磺酸膜（PFSAs），這種交換膜具有較強的氧化和還原穩定性。全氟磺酸聚合物通常被稱作納菲薄膜。目前燃料電池所用的納菲薄膜主要依靠進口，其價格在600美元/平方米左右。因此，為儘早實現燃料電池產業化應用，降低質子交換膜的價格迫在眉睫。

雙極板。目前質子交換膜燃料電池最常使用的雙極板是不透性石墨材料。主要是由於在燃料電池環境下，石墨的耐腐蝕性能最好，但是其製作成本較高：製造石墨雙極板需經過2500℃以上的石墨化，並需經過多次浸漬、炭化處理以達到不透性。而且由塊狀石墨加工成雙極板，需採用精密的機械加工，加工成本也過高，加工時間長，不易批量生產。因此，需進一步改善替代金屬雙極板的性能，實現製備精度高、成本低、壽命長等需求。

氫燃料罐和電池配件。氫燃料罐的成本較高，從成本和小型輕量化的角度來看，需開發組合使用輕量低成本氫儲藏材料和高壓氫燃料罐。而電池配件方面，也可與純電動汽車和混合動力汽車共同使用其他零部件，從而削減高昂成本。

（二）燃料來源

燃料電池的類型有很多，其中氫能燃料電池研發的首要問題，就是解決氫氣來源，也就是如何廉價制氫。傳統工業制氫的方法以化石材料制氫、電解水制氫為主。而隨著對大規模製氫需求的提高，生物制氫、熱化學制氫和太陽光催化光解制氫等方法也獲得廣泛應用。

從成本角度來看，在燃料電池推廣初期，應以分散式制氫為主，可進一步控制成本，且使用便利。但隨著未來燃料電池規模化發展之後，集中制氫的成本和環保優勢將會進一步突出。

（三）配套設施

燃料電池汽車的推廣，其中最主要的制約因素是配套設施的缺失，即加氫站的覆蓋率過小，而其高昂的建設成本也使得加氫站的建設只能作為試驗性經營。據統計，2012 年全球範圍內新增27個加氫站，加氫站總數達到208個，其中歐洲80個、亞洲49個、北美76個、南美3個，但這些還遠遠不足以滿足燃料電池產業化推廣的要求。

（四）儲藏與安全

通常氫氣以三種形態存儲和運輸：高壓氣態、液態和氫化物狀態。短期內，高壓罐儲氫仍是主要氫氣儲存運輸手段。但從長期來看，更需要具備高儲氫容量、高安全性、吸/放氫速率快、長壽命和低成本的儲氫材料。因此，輕質儲氫材料、有機液態儲氫材料等低壓或常壓儲氫材料將成為未來發展的重點。

3、燃料電池行業發展主要特點

（1）技術是行業發展的關鍵性因素

燃料電池技術目前重點用於公共交通領域。燃料電池車輛與其他車輛相比，具有自身的優點。例如，柴油機的雜訊和顆粒物排放問題較為突出，壓縮天然氣車也有雜訊和成本的問題，電動車充電時間和行駛里程數受限。相比之下，燃料電池車輛的電池不需要頻繁更換，而且對環境更為友好。

據了解，氫燃料電池目前已經用於商用汽車。豐田汽車公司的氫燃料電池汽車「未來」一經推出就引發了廣泛關注，大眾汽車公司不久前也研發出了試驗用氫燃料電池汽車。日本、德國、美國等一些國家正在試驗第二代燃料電池。

儘管如此，燃料電池目前仍未進行大規模應用，主要在於兩大瓶頸：成本和技術。MacEwen坦言，燃料電池成本雖已降至2006年的1/10，但仍有下降的空間，目前的電池技術本身也有需要改進之處。

（2）行業標準尚不完善

政策、法規、標準還不完備。燃料電池汽車的安全性根據什麼法規來認證、氫的存儲與運輸應符合什麼標準等等都受到標準、法規滯后的限制。另外，燃料電池技術仍然是在發展之中，這也給標準、法規的制定帶來一定的難度。

技術標準化已成為一個行業是否成熟發展的方向標。目前尚未建立系統的新能源汽車的技術標準，僅僅出台了關於新能源汽車的測試、性能、安全穩定等相關方面的規定，其他方面如核心零部件的標準，電池的壽命，動力耦合技術的具體標準都亟待建立和進一步完善。

（3）燃料電池汽車尚處於產業化起步階段

目前，國內運行的燃料電池汽車主要以示範車為主，一般用在特殊場合展示、旅遊觀光代步，還沒有實現真正的商業化。國際市場上雖然有部分燃料電池車在商業化運營，但仍以計程車為主。

燃料電池車的高昂成本使其短期內很難走向市場。2008年北京奧運會上展示的3輛燃料電池客車，每輛客車的成本300多萬元，而目前公交系統進口的歐Ⅳ標準傳統發動機低地板大客車售價僅在100多萬元。從市場經濟學角度講，高成本很難完成市場化推廣，而無法實現市場化就不可能大規模批量生產，進而成本就無法降下來，最終導致成本與銷售的惡性循環。

據了解，通用公司曾提出，要成為第一家銷售100萬輛燃料電池汽車的公司，並致力於2010年以後生產出大眾能承受得起的燃料電池汽車。但這也只是一個設想，距離真正的實現還需要很多條件。

現階段，國內除進口燃料電池公共汽車外，在燃料電池汽車方面主要是由大學及相關科研機構進行研究開發，還沒有一套成熟的技術作為生產廠家批量生產使用。一位不願透露姓名的業內人士稱，燃料電池轎車的研發和投產比燃料電池客車更難，既需要成熟的技術，還要有更加完備的基礎設施。

對於行駛範圍廣泛、不固定的轎車而言，如果在其行駛途中不能及時找到加氫站，那麼轎車就不如牛車。然而基礎設施建設，既涉及城市規劃、交通、電力等問題，又要解決投資和經營者的獲利問題，同時還要有效解決加氫的核心技術和統一標準等問題。對於有一定行駛區間的公車而言，這個問題可能容易解決，但是對於私家車而言要解決這些問題就任重而道遠了。

如果說技術和成本是科研機構和企業通過努力可以自行解決的問題，那麼相應的配套設施建設則不是舉一人之力可以完成的，需要國家政策、產業鏈條、基礎設施建設等多方面的準備，並及時制定完善的行業標準和規範。

（4）政策支持是行業發展的主要動力

國務院：支持動力電池、燃料電池新能源車發展

促進新能源和小排量汽車發展，淘汰超標排放汽車，有利於緩解能源與環境壓力、推動汽車產業結構優化和消費升級、培育新的經濟增長點。

一是完善新能源汽車扶持政策，支持動力電池、燃料電池汽車等研發，開展智能網聯汽車示範試點。機關企事業單位要落實車輛更新中新能源汽車佔比要求，加大對新增及更新公車中新能源汽車比例的考核力度，對不達標地區要扣減燃油和運營補貼。創新分時租賃、車輛共享等運營模式。各地不得對新能源汽車實行限行、限購，已實行的應當取消。

二是從2015年10月1日到2016年12月31日，對購買1.6升及以下排量乘用車實施減半徵收車輛購置稅的優惠政策。

三是加快淘汰營運黃標車，開展清理整頓專項行動。對進度嚴重滯后省份要強化問責。在現有資金支持基礎上，允許地方政府將盤活的財政存量資金用於推動淘汰工作。確保完成到2017年全國基本淘汰黃標車任務。

（5）主要汽車生產商不斷推出燃料電池汽車

2008年至今，車載燃料電池系統的成本下降50%以上，性能已能滿足整車要求，燃料電池汽車作為概念車的歷史正式終結。2014年，現代途勝燃料電池汽車和豐田新款燃料電池汽車Mirai上市；2015 年開始，本田、通用、福特、賓士等都將在3年內推出量產車型。

近期關於燃料電池的事件性驅動不斷，2015年第十六屆上海國際汽車展落幕，共展出汽車1334輛，其中新能源車103款。本次車展以「創新，升級」為主題，集中展示科技進步如何為汽車工業發展開闢廣闊前景。譬如，豐田氫燃料FV2概念車充電3分鐘可續航500千米，並且行駛時排放物只有水，實現了二氧化碳污染物零排放；上汽集團展示的第四代氫燃料950插電式混合動力轎車加氫3-5分鐘，能行駛400千米，時速可達160千米。

大眾旗下奧迪汽車公司宣布，開始與德國燃料電池公司Sunfire合作生產車用新型燃料「e-燃油」，它由水、二氧化碳和氫氣製成。和汽油這類化石燃料不同，奧迪的這種合成燃料不會增加任何碳排放，因為原料來自大氣中現成的二氧化碳。雖然這不是碳中性燃料首次出現，但奧迪生產燃料的Dresden工廠得到了德國政府的支持，所以這一進展可以視為開發清潔能源的里程碑。

部分國際汽車企業及企業集團推出的燃料電池車型及推廣的基本情況

資料來源：公開資料整理

二、燃料電池行業市場現狀分析

1、燃料電池行業市場規模

2015年燃料電池行業出貨量約10.5MW，同比2014年的9.2MW增長了14.13%，近幾年燃料電池行業出貨量情況如下圖所示：

2010-2015年燃料電池行業出貨量走勢

資料來源：公開資料，智研諮詢整理

2、燃料電池行業盈利水平

目前，國外企業Plug Power（PEMFC 燃料電池系統集成商）的毛利率水平已經達到了27%左右，國內燃料電池生產企業平均毛利率在15%左右。

3、燃料電池行業成本構成

工業化和商業化的絕大多數問題都可以歸結到成本之上，燃料電池亦不例外。近 10 年來，燃料電池的成本控制一直是研究機構和實業界最重要的目標之一。孜孜不倦的努力也取得了回報，基於 2013 年的技術水平，在年產 50000 套的規模下，車用 80kW 功率的 PEMFC 燃料電池成本降低到 55 美元/kW（請注意上述各種約束條件！），較之 2002 年的 275 美元/kW 下降了 80%，距離 2017 年30 美元/kW 的目標僅數步之遙（對此需要指明兩點：其一，30 美元/kW 的成本在 2008 年左右還是 2015年計劃實現的目標；其二，2012 年成本估算曾經低至 47 美元/kW，但基於更嚴格的熱排放指標和最新的Pt 金屬價格，這一估算在 2013 年被調高了）。

DOE 測算的燃料電池成本趨勢 單位：美元/kW

資料來源：公開資料整理

不同生產規模下的電池成本及拆分

資料來源：公開資料整理

不過必須指明的是，55 美元/kW 的成本估算源自美國 Argonne 國家實驗室的模型估算而非工業企業的實際情況，這一點在國內市場經常受到誤解。可作為工業參照的是，Ballard 目前最新的動力燃電系統售價 1.5 萬美元左右（應當是 80-100kW 電池系統），考慮其合理利潤需求，實際成本應當不會顯著低於 100美元/kW。

進一步地，我們對燃料電池成本模型的下降路線進行略微深入的分析：2010 年之前，催化劑 Pt 密度的降低對於成本下降的貢獻非常明顯，但 2010 年之後似乎到達了極限（0.2g/kW），甚至有所回升，燃料電池成本下行的速度也明顯減緩，此後的成本壓縮基本都來自系統成本中非催化劑方面的壓縮，而 2013年 Pt 價格假設大幅上調之後，燃料電池成本顯著反彈。足見通過降低 Pt 含量壓縮成本的路徑可能暫時遭遇了阻礙，在沒有顯著技術突破之前，2017 年實現 30 美元/kW 的電池成本挑戰不小。

燃料電池系統成本估算中的細節參數

資料來源：公開資料整理

固定式燃料電池系統成本顯著高於車用燃料電池，DOE 為小型 CHP 系統燃料電池設定的成本目標是到 2020 年實現 1500 美元/kW。而基於 2013 年的水平，只需要通過擴大生產規模即可能將成本控制到 2000美元/kW 以下，根據估算，如果能夠將製造控制在 1000 美元/kW 以下，固定式燃料電池就足以在沒有任何補貼的情況下獲得推廣（熱電聯供系統和輔助電源的推廣成本區間分別在 450-650 美元和 500-700 美元/kW）。

固定式燃料電池成本

資料來源：公開資料整理

佔總成本近半的 Pt 催化劑是影響燃料電池成本的核心因素。目前領先的工業化水平下每100kW 燃料電池催化劑消耗 Pt在30g左右（略高於DOE測算的理論水平）。以汽車為例，按功率 100kW計，腳踏車Pt 的需求量為 30g，合腳踏車催化劑成本超過 8000 元人民幣。

不過不應當忽略的一點是燃油車的尾氣清潔催化劑同樣對 Pt 存在需求，目前的水平大約在 5-10g/輛。

因此在目前技術水平下，使用燃料電池汽車取代燃油車的 Pt 消耗增量在 20-25g/輛。2020 年全球 100 萬輛燃料電池車保有量預期對應 20-25 噸 Pt；中長期看，若燃電汽車實現 10%的保有率和 20%的年產量佔比，對應的 Pt 保有需求超過 2000 噸，考慮固定電站等其他應用，總需求量不低於 4000 噸，超過全球 Pt資源量的 1/4；而燃電汽車生產的年 Pt 需求將達到 4-50 噸（插一句閑話，這還比不上一年用來做首飾的 Pt 消耗多，2013 年這個數字是 59 噸，愛美之心是環保大敵），差不多也佔全球年消費的 1/4 左右；無論從經濟還是資源的角度都難以承受。

目前，減少燃料電池 Pt 含量的手段主要是改進催化劑結構（例如使用包覆 Pt 的顆粒取代純 Pt 顆粒）或者改進催化劑配方。其最終優化目標是在 2020 年左右將催化劑 Pt 需求量控制在 5g/100kW，一旦實現這一單耗目標並解決報廢系統 Pt 回收問題，則燃電和燃油車對 Pt 的消耗基本在同一水平，產品替代不再產生 Pt 需求增量，Pt 的成本和資源限制將不再是問題。

燃料電池催化劑 Pt 減量技術路線圖及成本控制預期

資料來源：公開資料整理

4、燃料電池行業成本走勢

催化劑決定了電池組系成本的主要部分，而對於由電池組及壓縮機、加濕器及其他配件構成的整體燃料電池系統而言，以壓縮機為主的其他組件同樣尚有成本壓縮空間。從 49 美元/kW 到 30 美元/kW 的成本下降預期路徑中，電池組和其他組件成本基本各佔一半。最後，在量產假設下的充分攤薄成本構成中，材料以外的成本約佔 1/4。燃料電池成本的下行依賴從基礎科學到工程優化的系統努力，任重道遠。

燃料電池成本降低路徑單位：美元/kW

資料來源：公開資料整理

充分攤薄后的電堆成本構成

資料來源：公開資料，智研諮詢整理

本文轉自：產業信息

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