中国储能网讯：3、 燃料电池技术发展的历程梳理

人类历史上有较大影响的电池，在消费端我们最为常见的是铅酸电池（汽车起动电池），镍氢、镍镉电池，锂电池。从其发展的历史过程中，可以看到外部技术推电池产业变革的巨大影响。

3.1、 燃料电池的革命即将到来

铅酸电池在过去 100 年中始终占据着一个非常重要的市场份额。其本身的技术进步和技术特征以及成本优势共同促成了这些。在后续的发展过程中，最为重要的就是镍氢电池向锂电池的过渡。

自从 1969 年发明了镍氢电池以后，在第一代无线通信设备上得到了较为广泛的应用，主要是其电池的能量密度相对较高，第一代模拟手机（俗称大哥大）用的就主要是镍氢电池，当时存在设备耗电量大，电池续航时间短等不利因素，但是一个新的面向个人的无线通信时代的到来，仍然将镍系电池推向了一个新的高度。

90 年代中期索尼发明了锂离子电池，满足了消费电子行业发展的需要，包括笔记本，手机，智能手机等。我们无法想象在现在的智能手机上用镍氢电池会是一个什么样子。在手机电池领域，因为成本的因素，在低端功能机上镍氢电池的历 史一直延续到了 21 世纪初期。但是在智能机浪潮来临的时候，锂电池彻底的超越了其他类型的电池，成为消费电子设备的标准配置——而非高端可选配置，市场规模的扩大又进一步促成了研发的投入和成本的下降，从而带来了锂电池试图向动力电池市场渗透的现状。

在 90 年开始，电池开发的热潮集中在燃料电池和锂电池领域，最终作为消费电 子能量供应装置的锂电池最终胜出，延续了超过 10 年的辉煌，成本持续下降，能量密度持续提升，安全性也得到了较大的提高，锂电池占据了目前消费电子行业的主流地位。

燃料电池的主要功率段在千瓦级别，研发的目的主要在于供应动力电池，但是最 终在质子交换膜的寿命，催化剂的效果上来看，还有较大的差距，其成本在当时 也是高不可攀，从 2004 年开始进入了一个研发投入的低潮期。在这个燃料电池的寒冬中，主要的投入厂商是日本相关汽车企业。

2014 年丰田推出 Mirai，可能是燃料电池行业的一个标志性事件，从最终公布的性能来看，在经济型，成本和安全性上，燃料电池初步具备了工业化的基础条件，而且在技术指标上可能全面超越内燃机。自此，燃料电池商用化的基础初步 具备了。持续的 20 年的电池技术路线之争，可能在未来 3-5 年出现重大变化。

3.2、 丰田 Mirai 的技术拆解—一个代表性的技术样本

丰田自 2014 年推出 Mirai，标志着经过 10 多年的努力，燃料电池终于开始具备商用的基础，从现在来看，基本不具备任何实质性的技术障碍。

图 4：丰田 Mirai 结构图

资料来源：电动邦网站、国海证券研究所

丰田的技术指标已经接近基本燃油车技术指标—而未来有可能全面大幅超越，一般来说我们衡量一个车型的主要性能是：功率，扭矩，续航里程，自重，百公里 加速时间。就目前公布的数据来看，Mirai 的功率为 113KW（153 马力），自重1.8 吨，扭矩 335N•m，在此情况下百公里加速时间为 9.6 秒，续航里程超过500km。相比于传统汽车而言，已经基本具备了同等级别的技术指标。一辆 2.0 排量的丰田凯美瑞的配置是：功率 123KW（167 马力），自重 1.5 吨，扭矩 199N•m，在此情况下百公里加速时间超过 10 秒，续航里程大约在 6-800 公里左右。价格上丰田美国 Mirai 的售价为 37 万人民币左右，在政府补贴后价格在 27 万人 民币左右。这个价格相比于 20 万出头的凯美瑞来说，已经具备了很强的竞争力。 更何况，未来其成本下降的空间更大，使用成本也会更低。中国政府的补贴力度 是美国和日本政府的 4 倍，按照目前政策 FCV 补贴每辆的规模在 40 万人民币 左右。

使用成本的角度来说，目前日本本土的氢气供应在 1000 日元/公斤左右，折合人 民币大约 66 元左右。1kg 氢气的行驶里程大约在 130 公里左右，折合百公里成 本在人民币 50 元左右，已经基本和燃油车的消耗是差不多的了。另外由于纯电 动车没有保养成本（大约每公里 0.1-0.2 元不等），在目前的供应链条件下，已经具备一定的经济优势了。

在上述情况下，我们可以看到，价格上大约在非补贴，手工生产线的情况下， 可以比同级别可比传统燃油车价格贵不超出 1 倍，在使用成本上已经接近，未来还有下降空间。在使用习惯和关键性能指标上基本等同于燃油车。

3.3、 能量密度：第一次接近内燃机的能量密度的电池

事实上能量密度/续航里程在氢燃料电池汽车上的要求并不高，在加氢站普及以 后，由于加氢时间只有 3 分钟左右，基本和加油差不多，因而“半箱油”是可以 接受的。这样现有技术下的储氢罐的压力可以降低到 350 个大气压，这样成本 和技术难度都将大幅下降。这个压力基本是目前 CNG 车载气瓶的压力的水平。 在安全性和工业经验上来说，已经足以支撑产品的各方面性能了。

讨论系统的能量密度对氢燃料电池来说主要是燃料电池本体、管道/阀门、储氢罐。

表 3：丰田 Mirai 电堆参数表

资料来源：搜狐汽车、国海证券研究所

从这个角度而言，在过去 8 年当中，整个燃料电池本体的性能几乎提升了一倍，在重量和体积方面都有非常杰出的表现。就目前的堆体本身来看，系统的能量密度和重量已经较为全面的超出了内燃机系统。这个技术水平可以参考主流企业产品的技术指标。

图 5：全球主流汽车厂商电堆系统技术参数

资料来源：电子工程世界网站、国海证券研究所

从上图中我们可以看到，目前的国际一线水平已经基本具备了车用的能力，而且并非一家能够达到。

另外一个对系统能量密度有较大影响的是储氢系统。目前 Mirai 用的车载气瓶是 两个，容量基本都在 60L 左右，700 个大气压的压力，采用碳纤维包裹的的技 术，目前是 120L 的两个气罐，储氢质量为 5kg，系统空中为 83kg 左右，质量 分数为 5.7%左右。

这样下来燃料电池系统的总重量在 200kg 以内，这个计算了电堆重量，气瓶重 量，管道和阀门重量。5kg 的氢气的热值是 143000kJ/kg，这个热值差不多是汽 油热值的 3 倍多。在这种情况下，燃料电池系统的能量密度在 3560kJ/kg 的水 平，大约是上面我们计算的内燃机系统能量密度 8614kJ/kg 的 40%左右，如果 考虑燃料电池的效率大约是内燃机效率的 2 倍，从做功的角度来说，燃料电池的 能量输出密度接近内燃机的 80%，几乎在一个数量级上。

在未来新材料和系统进一步减重的基础上，从输出能量的角度来看，燃料电池是 人类历史上第一次将“电池”做到了性能接近内燃机，而且未来随着储氢压力容 器的压力进一步提高，堆体进一步的减重，阀门和管道的减重，燃料电池的性能 在能量输出密度这个指标上超过内燃机也就是近几年的事情。

从量变积累的质变，电池的技术参数接近内燃机不仅仅是一个简单的续航里程增加这么一个概念，从锂电池的能量密度提升到目前的内燃机能量密度，背后可能是交通工具的一场革命，低空飞行器的动力系统技术基本成熟，小型私人飞行器的技术可行性已经初步具备，未来高密度城市的交通工具变成载人飞行器是大概率事件。而锂电池在目前的技术情况下想做到这个能量密度，从技术的角度来看，我们差不多要将锂电池的能量密度提升近乎一个数量级，这个目前很难看到工业技术上的可行性，新材料的发现可能性也不大。

3.4、 成本：未来有望比内燃机更低

一个广泛关心的问题是燃料电池的成本问题，一个是制造成本，一个是供应链 成本——也就是使用成本。

从目前的技术角度来说，制造成本主要是储氢罐的成本和堆体的成本。

储氢罐的成本主要是物料成本，其中碳纤维是重中之重，材料制作核心是工艺问 题，目前国内的 T700 级的碳纤维成本在 200 人民币以内，Mirai 这部分的重量 在 80kg 左右，换算成储气罐的物料成本在 1.6 万左右（我们猜测其采用的碳纤 维应该是东丽 T800 级别的产品，但是目前查无实据，因而我们用国内的 T700做一个数量级上的估计），未来随着规模化的扩大，工艺成本存在大幅下降的空 间，储罐系统做到 1 万元左右没有技术上的障碍。

电堆系统以前的价格非常昂贵，主要是量产和工艺问题，材料上来说，一个总重50kg 的模块，主要的重量集中于不锈钢极板，未来的成本下降幅度会非常大，这里给出一个规模优势带来的成本下降曲线图。

图 6：燃料电池堆体制造成本路线图

资料来源：车云网、国海证券研究所

这个成本估计的前提是年量产规模 50 万台，80KW 堆型的成本，大约是 2400美金/台，折合人民币大约在 1.5 万左右。这个价格比目前的内燃机的价格已经 基本差不多，这个成本已经较低。

在上述成本估计的情况下，电动车的传动系统相对简单，最终燃料电池汽车的成 本和内燃机车相比基本差不多，在规模化量产的情况下甚至可能会更低。在没有 补贴的情况下已经具备了竞争优势。在目前的国家补贴政策下，燃料电池可能出 现巨大的套利空间。

在使用成本上来说，对消费者我们只关心使用的直接成本（氢气的价格，维保 成本），和使用的间接成本——便利性问题。

第一个问题，基本可以从目前日本的情况看出一个大概的经济水平，以及一个 预测的技术路线图来评估。目前日本的加氢成本在 1000 日元/kg，这个折合人 民币大约在 65 元/kg 左右，折合公里成本大约在 0.5 元/公里的燃料成本。考虑

内燃机的燃油成本和保养成本，已经具有很强的经济性了。从未来的发展来看， 最终氢气的单价可能降低到 40 元人民币左右，燃料电池的公里燃料成本大约在0.3 元/公里，远远优于内燃机的使用成本——毕竟内燃机的保养成本大约在0.1-0.2 元，而电动车是几乎没有保养成本的。

表 4：燃料电池性能和综合成本路线图

资料来源：Nevfocus、国海证券研究所

第二个问题涉及到使用的便利性问题。燃料电池汽车和充电式电动汽车的区别在于发展初期的成本不一样。由于加氢时间非常短，在这种情况下商业模式完全类似商业加油站，目前的加氢站建设成本在 3-5 年内可能会具备很强的经济型，投资回报很好。即便是在初期，包括出租车、物流车在内的特定用途车辆，在一个 城市集中建设几座加氢站即可满足需求，投资小，不需要网络支持是加氢站的典 型特征，一旦在具备经济性之后，加氢网络的建设未来式市场的自发行为，和依 赖政府补贴的充电网络是完全两个不同的概念。更为关键的是氢作为一种普遍的 化工原料，其不存在市场垄断行为，和目前的电力市场以及石油市场是完全不同 的，政府也无法从中征收重税。

最后的一个隐性成本是电池回收的成本，燃料电池的回收率会非常高，核心的催 化剂和极板基本可以回收，而锂电池的回收分离成本非常高，在大规模使用的情 况下，污染是较为严重的。这个目前没有计算到全寿命成本上。

综合上述的比较，燃料电池在全寿命成本上未来会具备非常突出的优势，甚至 全面超越传统内燃机。由于全电化之后可以实现的自动驾驶和其他复杂控制，会给用户带来非常丰富的用户体验。大概率燃料电池汽车会在最终的电动汽车技术 路线选择上胜出，时间大约在 2020 年前后，将会是市场自发启动燃料电池电动 汽车普及的浪潮，在政府补贴的情况下，我们认为在 2017-2018 年在市场准备了足够的产能的情况下，可能有望率先爆发。

图 7：丰田对 FCV 和 EV 的成本估计

资料来源：丰田公司测算、国海证券研究所

3.5、 安全：很大程度已经得到解决

氢气的安全性是大家较为关心的一个话题，世界上没有绝对安全的汽车。目前的 氢燃料系统的安全性复合日本的汽车设计规范，储氢系统的机械强度满足一般中 速行驶的撞击安全性。

相比较而言，目前国内很多城市已经使用的 CNG 汽车和 LNG 汽车其实是类似 的，没必要过分担心氢气的安全性。另外从爆炸的角度来说，5kg 氢气的热值相 当于 22 升汽油的热值，而且 5kg 氢气要完全爆炸需要两个碳纤维瓶同时破损，

这只相当于正常汽车油箱容积的 1/3，造成的危害要比汽油车小。

相比于锂电池的充电式电动汽车，安全性更高。在氢气泄露和锂电池穿刺的情况下的一个对比实验如下图所示。

图 8：燃料电池汽车安全性问题

资料来源：上燃动力、国海证券研究所

3.6、 技术的外溢性才是燃料电池最为核心的优势

燃料电池在汽车上的优势是较为明显的，但是并不是具有绝对的技术优势，但是在未来我们更看重燃料电池系统在整个能源系统中的重要地位。

燃料电池的反应是一个电化学过程，其能量转化效率超过 60%，生成物只有水。 而将各种能源转化成氢的方式也是多种多样的。能源的生产方式是向着能量密度 越来越高的方式进行演进，从畜力到化石能源，从化石能源到核能，如果从这个 思路上来看，将能源的生产端向光伏和风电演进可能是错误的技术路线。能源的 总量丰富和能源的富集程度是两个概念，我们应该将注意力转向对能源的消费和 利用模式。碳的问题不是核心问题，低碳也不应成为能源系统的主要驱动因素， 在中国受到国际上环保思潮的影响，国内主要的驱动因素是发展新能源，甚至核 电因为安全性和选址的问题都是一拖再拖，进度落后于预期。但是在日本和欧美， 燃料电池技术的兴起配套这些年传感器和算法技术的提升，能源系统结构向电力 转化的特征越来越明显，未来终端能源消费模式中，电的占比可能大幅超越其 他形式的能源，天然气、石油和煤炭的占比有望快速下降，这个可能才是结束 石油时代的核心决定因素，才是将能源结构调整成低碳的最主要的驱动因素——因为传统的化石能源无法满足新设备对能源模式的要求。

由于在能量密度、电子控制、转化效率上的绝对优势，氢有望成为未来能源系 统的核心，所有形式的能源转化成氢气，通过管道运输到消费终端，在消费终端转化成热能（直接燃烧）和电能（燃料电池），使得终端消费者获得单位热值或 者电力的成本显著下降，从根本上来说，能源的传输网从现在的电网，天然气管 道，石油管道最终简化成单一的氢能源网络，天然气和石油的主要用途不再是用 于燃烧，而是主要用户化工原材料。氢能源支持下的汽车用氢网络和个人用户所 需要的氢能网络重叠，支撑起整个经济体系的能源市场。这将大幅度的降低能源 基础设备的建设和维护成本，增强能源网的安全和稳定，真正实现分布式能源。

氢能源的真正环保不是来自于消费侧，在消费端氢只会转化成水，而不管是化石 能源还是非化石能源，在生产侧可以实现真正意义上的污染集中处理，最终可以 将人类能源消耗对环境的影响降到最低，这才是最终的能源模式，也是日本十几 年前即倡导的“氢能社会”。

中国的能源发展战略从技术路线的角度大概率是错误的，在生产侧加大投入可以 已经出现了技术偏离，并且使得消费侧新能源技术的发展远远落后于国际水平， 在下一代的能源竞争格局中可能落后于竞争对手。

氢能的工厂制备，摆脱了传统的化石能源——特别是石油天然气——对地域的 的依赖，未来能源结构的转变可能会极大的改变中东地区的政治和能源版图， 同时对全球的能源贸易和国际美元市场造成巨大的冲击。