1、電堆——燃料電池車的動力核心

    燃料電池車是一種使用氫燃料電池發電的新型電動車，它比傳統內燃機汽車效率更高，且只排放水蒸氣與熱量，同時又比鋰電動車具有更高的能量密度，是一種新型環保交通工具。燃料電池系統是燃料電池車的核心部分，為其提供了動力來源。在系統中，燃料（氫氣、氧氣）儲存的化學能，通過燃料電池轉化為電能。燃料電池系統可分為四部分：電化學反應系統、熱管理系統、水管理系統和電力系統。

燃料電池車整車示意圖

數據來源：公開資料整理

    智研咨詢發布的《2020-2026年中國電堆產業運營現狀及發展前景分析報告》數據顯示：電堆，即燃料電池電化學反應系統。在電化學反應系統中，反應物氫氣和空氣以一定的化學計量比進入燃料電池電堆中，反應生成電能和水。電堆決定了整個燃料電池的功率密度與凈功率，是整個燃料電池動力系統的核心部分。

燃料電池電化學反應系統工作基本原理

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    2、降本迫在眉睫，規模效應首當其沖

    2017年豐田Miria的銷售價格為57500美元，美國能源部基于豐田Miria公開資料，對燃料電池車整車價格進行了拆分測算：當生產規模達到3000套/年時（1）燃料電池系統和儲氫系統成本為22372美元，其中燃料電池系統成本為16204美元（占整車成本為28.6%），儲氫系統成本為6168美元（占整車成本約10.9%）；（2）燃料電池系統和儲氫系統的間接生產費用3803美元，占總成本的6.7%；（3）汽車其他部件成本（包括電力牽引電機、逆變器、齒輪箱、滑翔機、再生制動系統和加熱，通風和冷卻系統等）為17600美元，占總成本的31.2%；（4）市場營銷和保修費用為8755美元，占比15.5%；（5）企業管理費用和利潤為3940美元，占比7.0%。

燃料電池車整車成本構成

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    電堆是根據所需要的電池功率組裝一定數量的由膜電極與雙極板組件構成的單元。電堆成本很大程度決定了燃料電池系統的成本，進而影響整車成本，降低燃料電池電堆成本對于燃料電池車的推廣與應用至關重要，而規模效應、催化劑鉑負載量，雙極板材料等均是影響成本的重要因素。

不同生產規模下燃料電池系統與電堆成本

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    上述影響因素中，在發展初期規模效應最為顯著，當年產量由1千套增加到1萬套時，電堆成本可降低65%。美國能源部估算了不同生產規模對單個燃料電池系統成本及電堆成本的影響：（1）年產量為1000套時，燃料電池系統成本為215美元/kW，電堆成本為153美元/kW；當年產量達到1萬套時，系統成本降至93美元/kW，電堆成本降至53美元/kW，燃料電池系統成本降低57%，電堆成本降低65%；（2）產量由1萬套/年增長至10萬套/年時，燃料電池系統成本與電堆成本分別可降至59美元/kW和31美元/kW，分別降低37%和42%；（3）產量由10萬套/年增長至50萬套/年時，燃料電池系統成本和電堆成本分別可降至53美元/kW和27美元/kW，分別降低10%和13%。

規模效應對燃料電池系統及電堆成本的影響

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規模效應對電堆和輔助設備系統成本的影響

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    目前全球范圍內燃料電池車的生產規模普遍不高，規模效應降本是當前主導方式，當生產規模從百套/年到千套/年數量級變化時，各組件的制造成本均有顯著降低；當生產規模增長至1萬套每年時，雙極板、催化劑、質子交換膜和氣體擴散層成本仍具有規模化降本空間，其他組件已開始不是特別明顯；當生產規模由1萬套/年增長至50萬套/年時，質子交換膜和氣體擴散層成本仍舊會隨著規模擴大而降低，但此時電堆成本主要由電極催化劑和雙極板的材料用量及價格決定，這與技術及工藝水平密切相關。

不同生產規模下電堆各組件成本占比

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    3、各國“逐鹿”，計劃快速邁過產業初期

    根據中國氫能聯盟發布的《中國氫能源及燃料電池產業白皮書》，世界主要國家對于燃料電池電堆關鍵部件的技術研究已逐步取得一定進展，目前國際先進水平電堆功率已達到3.1kW/L，乘用車系統使用壽命可達到5000h，商用車使用壽命可達20000h。截至2018年底，全球氫燃料電池的裝機量超過2090.5MW，乘用車銷售累計約9900輛，初步實現商業化應用。

    （1）美國燃料電池乘用車保有量為5899輛，燃料電池動力叉車運營量超過23000臺。美國是最早將氫能及燃料電池作為能源戰略的國家，目前已將氫能和燃料電池作為美國優先能源戰略，積極開展氫能及燃料電池的前沿技術研究，近十年對氫能及燃料電池給予的支持超過16億美元。美國在氫能及燃料電池領域擁有的專利數位居世界第二位，液氫產能和燃料電池乘用車保有量居全球第一。截至2018年底，全國燃料電池乘用車數量達到5899輛，全國燃料電池動力叉車運營量超過23000臺，多個州均在使用或計劃使用燃料電池客車，全年固定式燃料電池安裝超過100MW，累計固定式燃料電池安裝超過500MW。

    （2）歐盟部署燃料電池乘用車約1080輛。歐洲將氫能作為能源安全和能源轉型的重要保障，2014-2020年期間，歐盟燃料電池與氫能聯合行動計劃項目對氫能及燃料電池的研發推廣提供的資金支持預計將達到6.65億歐元。截至2018年底，歐盟部署燃料電池乘用車約1080輛。德國是歐洲發展氫能最具代表性的國家，于2006年啟動了氫能和燃料電池技術國家創新計劃（NIP），從2007至2016年第一階段共投資14億歐元，2017-2019年第二階段工作計劃投資2.5億歐元，目前德國在全球氫能及燃料電池領域占據領先地位，可再生能源制氫規模全球第一，燃料電池的供應和制造規模位居全球第三。

歐洲未來氫能市場需求

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    （3）日本是氫燃料電池目前發展較為領先的國家，源于其較早的布局以及政府的支持和政策導向作用。日本很早就開始發展氫燃料電池，其發展初期主要集中于項目研發和示范研究，等技術成熟后開始推動商業化。就目前而言，日本對氫能和燃料電池的支持力度超過了其他所有國家。

日本氫燃料電池政策一覽

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    日本的氫燃料電池的發展主要分為3個階段，即研發期、推廣期、飛躍期。1973年，日本成立了“氫能源協會”，以大學研究人員為中心開展新能源技術研發，隨后在研發了花費了將近30年的時間。直至2008年燃料電池商業化協會制定2015年向普通用戶推廣燃料電池車計劃，2009年再次明確了日本燃料電池的商業化進程，并開始對車主提供補貼。2013年日本把氫能源發展作為國策，氫燃料電池的發展開始進入飛躍期，一系列政策及補貼重點支持氫能與氫燃料電池的研發與應用推廣，旨在落實“氫能社會”。

日本氫能/燃料電池發展階段

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    （4）韓國燃料電池乘用車保有輛約300輛。韓國政府自2008年以來持續加大對氫能技術研發和產業化推廣的扶持力度，先后共投入3500億韓元推進氫能及燃料電池技術研發，預計將在未來5年投入2.6萬億韓元，于2030年進入氫能社會。2018年，韓國現代汽車正式發布第二代燃料電池車Nexo，電堆最大輸出功率達到95kW，續航里程可達800公里。截至2018年底，韓國燃料電池乘用車保有約300輛，計劃保有量2025年15萬輛，2030年63萬輛，到2040年分階段生產620萬輛。

    （5）中國燃料電池車年產量預計在5年內達到萬輛規模。由于商用車油耗與尾氣排放問題較乘用車更為嚴重，同時商用車的運行線路相對固定，對加氫站依賴性較乘用車低，因此未來燃料電池車在商用車領域的發展前景更為廣闊。現代汽車集團商用事業本部理事安廣鉉提及燃料電池商用車的開發方向時指出：“新能源商用車根據用途和運行特性，中小型適合采用純電動，中型以上適合采用氫燃料電池動力。”國家信息中心副主任徐長明在2018年舉辦的“第六屆中韓汽車產業發展研討會”上指出，“中國商用車領域需要燃料電池車，主要原因有三點：第一，商用車數量雖然不是很多，但油耗高、排放高，替換效果顯著；第二，燃料電池車相比鋰電池汽車在大載重、長續駛、高強度的交通運輸體系中具有先天優勢，適合在商用車領域應用；第三，我國燃料電池商用車已經具備一定基礎，目前在示范運營階段，具備初步實現商業化的條件”（資料來源：網易汽車）。目前我國宇通、福田等公司已開發了多款燃料電池客車，東風特汽、中國重汽等也開發了燃料電池物流車、牽引車等專用車。

    根據2016年10月發布的《節能與新能源汽車技術路線圖》，我國燃料電池車發展目標為2020年達到5000輛，2025年達到5萬輛，2030年燃料電池車輛保有量達到100萬輛。由于燃料電池車未來發展的主要目標為商用車，結合目前發展情況，可估計未來燃料電池車商用車與乘用車比例約為4:1；根據目前國內外商用車與乘用車電堆功率，我們預計未來乘用車電堆功率約為100kW，商用車功率約為120kW。

中國燃料電池車發展規劃

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中國燃料電池車未來產能預測

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    我國燃料電池研發與產業化推動主要集中在質子交換膜燃料電池和固體氧化物燃料電池領域，自“十五”新能源汽車重大科技專項啟動以來，在國家一系列重大項目的支持下，我國燃料電池技術取得了一定進展。就質子交換膜燃料電池而言，膜電極、雙極板和質子交換膜等已具有國產化能力，但生產規模較小；電堆產業發展較好，但輔助系統關鍵零部件產業發展較為落后；系統及整車產業發展較好，配套廠家較多且生產規模較大，但大多采用國外進口零部件，對外依賴度高。

國內外燃料電池車技術發展現狀

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國內外燃料電池乘用車、商用車性能

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