燃料电池汽车定义、优势及发展现状如何？

补贴政策扶持行业发展，关键零部件国产化进程加速。

与传统燃油（燃汽）汽车及纯电动汽车工作原理不同，燃料电池汽车通常是利用质子交换膜燃料电池（PEMFC）技术提供电能驱动整车系统运行的一种新能源汽车。燃料电池汽车主要由燃料电池发动机系统、电机系统、辅助电源系统、车载储氢系统、整车控制系统（VCU）等部件构成。燃料电池汽车的工作过程是由燃料电池发动机系统经过电化学反应输出低压电流，之后通过 DC/DC 逆变器增压并与辅助电源系统耦合，共同驱动电机系统以及整车运行，行驶过程中可通过控制系统（VCU）输出指令，从而调节导入燃料电池发动机系统内参与电化学反应的氢气与空气流量，实现对燃料电池输出电流的相应控制，最终实现燃料电池汽车速度、扭矩的精准调控。

燃料电池汽车具有明显优势:能量转化效率高、零碳排放、低温性能稳定、响应速度快、比能量高、续航里程长、加氢高效便捷、安全性能好、可适应大吨位重载工况、工作运行效率高、运行过程无污染且无噪音等。同时，制约其规模化应用的瓶颈也较为突出:在燃料电池汽车扩大推广的制约因素中，经济性是当前急需突破的一个问题。燃料电池汽车主要涉及车辆购置成本和燃料使用成本两方面。随着整个产业链的完善和技术提升，燃料电池购置成本越来越低。而受制于氢气制储运加系统成本居高不下，部分燃料电池汽车的使用成本仍远高于燃油车和电动车。雄韬氢雄副总经理唐廷江博士介绍道，目前行业氢-油能耗平衡点为 35 元/kg，随着实际装车的增多，燃料电池发动机仍需要提高效率来保证长距离运输的经济性。雄韬将降低氢耗方法归纳为“五步走”，分别为：提升电堆效率，增加能量转化率；降低辅助功耗，为电池减负；提高氢气利用率，减少未反应氢气排出；优化整车热管理、做好能量分配管理；进行用户端培训、规范操作降氢耗。通过这五步走，雄韬已让燃料电池汽车氢-油能耗平衡点达到 40 元/kg。

燃料电池是利用电化学反应将燃料化学能转化为电能的发电装置。根据所使用燃料类别与电解质特性不同，通常将燃料电池分为：甲醇燃料电池（DMFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、碱性燃料电池（AFC）、质子交换膜燃料电池（PEMFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）等。各类燃料电池工作温度、燃料类型、发电效率、主要应用领域有所不同，但总体结构与工作原理基本相同。相较于其他类型燃料电池，质子交换膜燃料电池具有能量转换效率高、工作温度低、氧化剂为空气、电解质无腐蚀性、动态响应速度快、副产物环保、运行无噪声、能量可循环利用等优点；同时也存在使用贵金属材料成本较高、对燃料氢气纯度要求高等不足。因此，相对于其他燃料电池，质子交换膜燃料电池综合性能最优、应用最为广泛、目前已成为燃料电池汽车的主流技术，并且在固定式、便携式发电装置中得到大量应用。

根据中国汽车工业协会公布的燃料电池汽车产销数据，2023 年全国燃料电池汽车产销数据分别为 5631 辆和 5791 辆，同比增长 55.3%和 72%。在政策推动下，中国正致力于以氢能交通应用为先行领域推动氢能产业的高质量、规模化发展，通过燃料电池汽车产业链联动带动氢能产业技术革新和成本下降。在燃料电池应用技术和国产化程度方面仍有进步空间，但总体发展已进入实质性商用阶段，中国的氢能及燃料电池汽车市场已在应用场景开拓、应用产品开发、市场生产销售、基础设施配套等方面取得突破。2020 年9 月，财政部等五部委联合发布《关于开展燃料电池汽车示范应用的通知》，提出选取符合条件的城市群围绕燃料电池关键核心技术开展产业化攻关，采取“以奖代补”的形式推动示范应用，争取用 4 年左右时间加快带动相关基础材料、关键零部件和整车核心技术研发创新，构建完整的燃料电池汽车产业链。2021 年 8 月和 12 月，财政部等五部委先后发布《关于启动燃料电池汽车示范应用工作的通知》、《关于启动新一批燃料电池汽车示范应用工作的通知》，分别批复了北京、上海、广东、河北和河南城市群启动实施燃料电池汽车示范应用工作。2022 年 3 月，国家发展改革委、国家能源局联合印发了《氢能产业发展中长期规划2021-2035 年》，《规划》以每五年为一个阶段，明确到 2025 年，燃料电池车辆保有量约5万辆，据此估算 2019-2023 年燃料电池汽车保有量年均增长约33%。

车型方面： 2017-2020 年，载货车占据主要市场，主要是由于燃料电池车发展初期30KW-45KW的低功率系统非常契合轻型物流车的运营场景且成本相对较低，如氢车熟路在上海投放了约500辆东风牌氢燃料电池厢式物流车。 从 2019 年开始，随着国家补贴政策的重心偏移以及冬奥会的示范作用，燃料电池公交车、客车、牵引车等车型迅速放量并抢占市场份额。 2021 年开始，物流车、牵引车、自卸车无论在经济性方面还是在续航能力方面都体现出优越性，因此逐渐大批量进入市场并投入示范应用。 政策引导下，燃料电池系统功率提升：我国车用燃料电池功率提升和补贴标准存在相关性。根据香橙会研究院数据，2017 年氢燃料电池额定功率主要在30kW-40kW 之间，与当时国补条件“燃料电池额定功率不低于 30kW”相适应。2020 年额定功率在60kW-80kW的车型排在第一位，共有 67 款。80kW 以上有 61 款，其中 100kW 以上的有23 款，在大功率中占比达到 37.70%。需要指出的是，38 款大功率产品是在 2020 年9 月财政部发布《关于开展燃料电池汽车示范应用的通知》之后上的公告目录，这与补贴调整思路，提高燃料电池的补贴标准有关。

商用车对燃料电池系统功率要求更高：目前燃料电池汽车的主要推广应用领域是在重卡行业。正因为燃料电池汽车在重卡市场的占比越来越大，必然要求燃料电池系统的功率也越来越大。作为重要的生产工具，重卡常常应用于重载或省际长途运输中，具有长时间运行、高负载率和持续高速工况等特点，这就对燃料电池系统的功率及电堆的寿命提出了更高要求。目前可以看到的是，行业逐渐把燃料电池汽车的应用场景锁定在长途重载应用领域，近来我国市场的燃料电池商用车数量也保持了快速增长，以至于燃料电池重卡已经成为当前燃料电池商用车市场的主体。在 2022 年前三季度的燃料电池商用车实际销量中，燃料电池重卡占比 41.2%，是燃料电池商用车市场中的“龙头老大”。而之前几年，燃料电池重卡在燃料电池商用车行业占比都一直很小。针对未来高端干线物流市场的需求，目前欧曼银河氢燃料重卡已经研发出 240kW（氢燃料电池功率），1000km（续航里程），代表着当今全球氢燃料重卡的最高水平。根据专业人士分析，大功率燃料电池系统不仅比较适合长途重载重卡领域，在船舶、储能等领域也很有市场发展潜力，可有效拓宽氢能的应用边界。

国家补贴政策助力氢能重卡降本。氢能重卡是一种使用氢燃料电池作为动力来源的重型卡车。氢能重卡作为一种新能源商用车，具有许多优势。首先，氢能重卡使用氢燃料电池作为动力来源，其排放物仅为水，实现了真正的零排放，有利于环境保护和减少温室气体排放。然后，氢能重卡对温度和湿度的适应性强，能够在极端气候条件下运行。氢能重卡还存在燃料电池寿命长、载重能力强、有更长的续航里程等特点。这些优势使氢能重卡在特定的运输和物流系统，尤其是长途运输和固定路线的物流配送，展现出巨大的潜力和应用前景。氢能重卡作为推动实现“双碳”目标的重要途径，国家出台了一系列补贴政策。2020 年 9 月 16 日，财政部、工信部等五部委联合发布《关于开展燃料电池汽车示范应用的通知》，该政策采取“以奖代补”方式，对氢燃料电池汽车示范应用给予奖励，示范期暂定为四年。随着国家补贴政策的出台，氢能重卡购置成本大幅度降低。

燃料电池零部件国产化是降低成本的重要方式。燃料电池电堆是燃料电池技术构成的核心，也是燃料电池成本构成中占比最高的部分。随着技术进步和产品国产化规模化量产，燃料电池电堆实现成本快速下降。根据国鸿氢能，氢燃料电池电堆的平均售价从2020年的2914.2 元人民币/千瓦降至 2023 年 5 月 31 日的 1727.6 元人民币/千瓦，三年多时间降幅达40.7%；氢燃料电池系统的平均售价从 2020 年的 1.04 万人民币/千瓦降至2023年5月31日的 3756.5 元人民币/千瓦，降幅达 63.96%。根据高工氢电，2023 年，国内电堆的平均售价已经逼近 1500 元/kW 以下的区间。 燃料电池电堆技术突破是降本关键。“额定功率”和“功率密度”是能体现我国氢燃料电池电堆性能高低的关键因素。近年来，我国氢能新势力技术突破亮眼，2023年4月，未势能源在 2023 年度发布会全球直播中，正式推出了 300+kW膨胀石墨板电堆，该电堆极板、膜电极、密封、节电压检测模块、端板等关键零部件均实现100%国产化，最高效率达到 68%，峰值功率密度 4.0kW/L，柔性石墨单板厚 0.65mm，双极板厚度1.3mm，设计寿命达 30000 小时，综合性能指标均达到国际先进水平。2023 年底，氢晨科技凭借“重型商用车 300kW 燃料电池电堆技术”项目在 2023 全球新能源汽车前沿及创新技术评选中被评选为“全球新能源汽车创新技术”，是十项技术中唯一氢能领域获奖企业，产品H3300型燃料电池电堆额定功率达到 300kW，功率密度为 6.2kW。2024 年，骥翀氢能MH170产品实现额定功率 376kW，功率密度 4.7kW/L。功率密度越高，相同输出功率条件下，电堆体积越小，成本越低。由此看出，科技突破促进电堆不仅提了电堆性能，而且降低了燃料电池产业的成本。

氢燃料电堆主要由多层膜电极和双极板堆叠而成。目前，国产膜电极关键技术指标接近国际先进水平，但在专业技术特性、产品实现能力、批量化生产工艺还存在差距。膜电极是燃料电池电堆的核心零部件，由质子交换膜、催化层和气体扩散层组成，占电堆成本约60%。作为燃料电池电堆的“芯片”，我国膜电极三大材料长期被国外垄断。国外膜电极供应商主要包括 Johnson Matthey、Ballard 等具备大规模的流水线生产能力的供应商。丰田汽车、本田汽车等燃料电池车企自主开发了用于其自身乘用车产品的膜电极但并不对外销售。我国专业膜电极供应商已具备膜电极批量化生产能力，产品出口海外。

质子交换膜也称为质子膜或氢离子交换膜，是一种致密的离子选择性透过的膜，广泛应用于电解水制氢、燃料电池、全钒液流电池以及铁铬液流电池等领域。质子交换膜在电池中起到为质子迁移和传输提供通道、分离气体反应物并阻隔电解液的作用。质子交换膜性能的好坏直接决定着燃料电池的性能和使用寿命，基本相当于电子设备的“芯片”。由于制备技术工艺复杂且成本高的难题，长期被国外少数厂家垄断。近年来，我国东岳未来、科润新材料等企业积极研究质子交换膜，加快实现质子交换膜国有化进程。据不完全统计，目前国内现有质子交换膜产能达 140 万平米/年。 储能瓶是运输过程中的载具容器，也是加氢站的储氢设施。储氢瓶上连氢气制造，中承氢气存储，下接氢气应用。氢气密度低，性质非常活跃，容易漏气，也容易爆炸，因此需要特定的储氢设备。目前有三种储氢技术路线，分别是高压气氢、低温液氢和固态储氢。液态储运的储氢密度较大，但设备投资与能耗成本较高；固态储运则在潜艇等特殊领域有所应用，整体仍处于小规模试验阶段；就目前而言，高压气氢是主流的储氢方式。运输更多的氢气，就需要采用更大的压强将氢气装入储氢瓶，材料的耐压强度成了制造难点。因此，储氢瓶的要点是耐压和减重。储氢瓶主要分为 I 、II、III、IV 四种类型，I 类是金属气瓶，II 类是钢制内胆环向缠绕气瓶，III 类是铝内胆碳纤维全缠绕气瓶，IV类是塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶。目前使用最多的是 III 类铝内胆碳纤维全缠绕气瓶和IV类塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶，但是存在一定的缺陷：成本高，仅用于车载市场。现阶段，我国已经基本实现燃料电池零部件国产化。

燃料电池规模化生产助力产业链成本下降。随着技术创新和突破，国内许多企业开始进行规模化生产燃料电池。2018 年，我国氢燃料电池市场规模实现27 亿元，2022年我国氢燃料电池市场规模实现 160 亿元，CAGR 为 56.02%。根据GGII 预测，2024年市场规模有望达 297 亿元。根据美国能源部对燃料电池系统及电堆成本与产量关系的测算，当制造商燃料电池发动机年产量达到 50 万套时，燃料电池电堆及发动机成本可分别下降至19美元/千瓦及 45 美元/千瓦，成本较年产量 1000 套情况下分别下降83.90%、74.86%。我国氢燃料电池电堆行业处于快速发展阶段，规模化效益逐渐显现。根据弗若斯特沙利文预测，我国氢燃料电池电堆市场规模不断扩大，2024 年市场规模有望达66.46 亿元，2030年有望达 661.52 亿元，CAGR 为 46.67%。