财讯：氢燃料电池汽车深度报告： 搅局者还是颠覆者？

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年12月15日，丰田发布了mirai，销售价格包括王冠，加氢3分钟，续航500km(nedc[1]案例，下同)，预计年销售额将达到2万台。 年3月10日，本田宣布量产clarity，加氢3分钟，续航589公里。 年9月，奔驰发布了glc f-cell，实现了437公里的续航。 年ces，韩国发布现代nexo，续航达到609公里。 国际上，宝马、通用预定发售量产车，在国内，上汽领先、长城、广汽、吉利、宇通等陆续参加，暂时，各路军队纷纷加入氢燃料电池汽车( hydrogen fcev[2]，)产业、新能源汽车战场硝烟

中国自去年快速发展纯电动汽车( bev[3] )以来，纯电动轿车在技术、产业、市场方面取得了长足的发展，目前技术瓶颈也日益凸显，最大的痛点是续航和充电速度，纯电车的下一个迅速发展 氢燃料电池汽车可以充电3分钟，超过500公里，续航超过燃料车，能否彻底处理电动汽车最大的痛点，是否成为了以bev为首的主流新能源汽车技术路线的顶点？

一、燃料电池技术的迅速发展:产业化进程落后，迎来了历史机遇

(1)氢燃料电池技术理论完善，产业化进程滞后

燃料电池( fuel cell )是主要利用氧和其他氧化剂进行氧化还原反应，并将燃料中的化学能转换成电能的发电装置。 最常见的燃料是氢，其他燃料来源是天然气、酒精、甲烷等能分解氢的烃。 燃料电池与一次电池不同，通过稳定地供给氧气和燃料源，可以持续供给稳定的电力，具有不像通常的非充电电池那样用完废弃，也不像充电电池那样用完继续充电的优点。 主要燃料电池类型的技术特征如表1所示。

各种燃料电池技术各有优劣和适用场景。 综合来说，最适合轿车的燃料电池技术是质子交换膜燃料电池，即氢燃料电池。 其他类型的燃料电池在能量密度、工作温度、燃料适应范围、材料价格等方面的差异还不能满足要求。 氢燃料电池催化剂昂贵，催化剂中毒[4]等问题随着技术工艺的迅速发展逐渐缓解，有望在将来得到彻底的处理。

与其他燃料相比，氢的最大特征是超高质量能量密度[5]和允许体积能量密度[6] (需要压缩或液化氢气)，常见的燃料能量密度如表2所示。

关于越来越多的能量质量、体积能量密度的比较，请参照以下的能量密度图。

由图2和表2可知，氢能远远超过了其他能量的质量能量密度，在这一点上氢能车可以持续很长时间。 从10多年前开始，氢能就以零污染、可再生、加氢快、续航足等特点力量压迫燃料和锂电池，被称为车辆能源的“终极形式”。 但是氢燃料电池技术产业化的进展非常缓慢。 特别是在过去10年中，随着锂电池技术和产业化的飞跃进步，氢燃料电池技术被过度轻视。 燃料电池产业化的过程比纯电动晚5到10年，根本原因是氢燃料电池存在一些重要的问题

氢能基础设施建设:氢燃料电池车对充能基础设施的诉求高于纯电动汽车。 纯电车虽然充电慢，但除了用充电桩快速充电以外，还有在家、企业慢慢充电的选项，如果是移动规则的话可以说很方便。 氢车只能在氢站充电，如果没有大规模的氢站互联网，氢车就很难运转。

车载储氢技术:由表2和图2可知，氢气的质量能量密度极高，这也是支持长期持续的基础，但氢在常温下为气态，因此氢的体积能量密度较低。 通常的处理方式是压缩或液化氢气来缩小储氢罐的体积(固氢方式还不成熟)。 。 需要能承受高压，确保安全的储氢罐。 mirai的储氢罐使用碳纤维材料储存70MPa的压缩氢气，但现在国产储氢罐受材料工艺限制，只能使用35MPa。

电炉技术:主要是膜电极和空冲压技术。 一个是寿命问题，国内还只能耐久几千小时。 日本丰田已经能达到数万小时到数万小时。 另一个是供应链问题，很多零部件依赖进口，价格大幅上涨。

(二)锂电池迅速发展成为瓶颈，氢燃料电池回到视线

过去十年来，随着锂电池技术和产业化的飞跃进步，氢燃料电池技术被过度轻视。 近年来氢燃料电池再次引起观察，主要原因是锂电池迅速发展撞到天花板。

人们对电动汽车续航的控诉正在增加。 随着电动汽车领域的迅速崛起，客户的选择越来越多，续航也相应地满足了日常的录用情况。 人们需要纯电车的箱子达到500公斤以上，甚至800公斤。

锂电池的能量密度受到物理化学极限的限制，不怎么提高。 锂电池的能量密度过低，如果通过层叠多个电池来增加续航，在输送电池自身的不自然状况下能量就会浪费，既不经济也不合理。 在过去的10年里，锂电池的能量密度增加了2.5倍，但接近安全界限，很难进一步提高，无法兼顾性能和安全。

这一对矛盾引起新能源车主，永远处于充电不安中，总是关注剩余行驶距离和充电桩的位置。 这种不安抑制了许多潜在的购买新能源汽车的指控。

在很多方面，氢燃料汽车不使用纯电车的短板，相反与以前燃料车传来的特征相似。 例如，加氢和加油只需要三五分钟。 这样，车主就不需要到处找充电桩，没有等待充电的时间了。

相对于以往传来的燃料车，氢燃料电池车具有节能削减的新能源车属性。

削减:氢燃料电池的反应方程式非常简单:氢+氧→水。 除了氮氧化物这种有毒气体，没有二氧化碳。 当然，和电动汽车碳排放的争论一样，从全生命周期的角度来看，发电和制氢是不可避免的。 现在主流的观点是，即使考虑到70%的火灾，纯电动汽车的碳排放也比燃料车好，氢燃料电池车与纯电同等或更高。

可再生:相对于柴油汽油，氢能的最大特征是可再生。 除了利用工业副产物制氢以外，还可以利用煤制氢、利用谷电解水制氢等，整个生命周期的能效优于汽油柴油。 氢能作为可再生能源，对石油对外依赖很强的国家，例如中国、日本来说，是非常有魅力的选择。

(3)丰田mirai发布的氢燃料电池技术再次掀起波澜

年12月丰田宣布了世界上第一辆实现真正商业化并大量销售的燃料电池汽车mirai。 这是燃料电池汽车产业的里程碑式产品，mirai的续航距离为502km，储氢重量为5kg，加氢时间仅为3分钟，功率密度为3.1kw/l，百公里加速为9.6s。

mirai的核心部件和实务原理如图2所示。

mirai是新一代氢燃料电池车的集大成者，主要创新点是使用阴极、3d立体精密流路技术，在改善透气性和排水性能的阳极、电解质薄膜更薄、提高气体在扩散层中的扩散性能、“超活性化”的状态下， 催化剂采用铂钴合金，( 90% )大幅降低铂的采用量，降低价值成本。 电炉，功率上升，质量体积减少； 储氢罐通过碳纤维实现壳体轻量化。

年5月，李克强总理访日期间，参观了现代氢燃料电池乘用车的开山之作丰田mirai。

丰田mirai这一划时代的车型的发表，引起了新的氢能车造车浪潮，本田、现代、奔驰等以前大型车工厂就陆续加入了战团。 丰田也正在加紧开发下一代mirai，计划于2019年上市，将搭载ga-l后驱动平台上的新氢能源动力系统。

二、新能源汽车技术路线比较: fcev vs. bev

无论是世界还是中国，迅速发展新能源汽车的初衷都是节能减排，尽量利用清洁可再生能源。 特别是在中国，化石能源结构以煤炭为主，石油和天然气不能完全自给，相当依赖进口。 为了不被能源扼住脖子，必须在国家战术层面迅速发展新能源汽车，摆脱对石油的依赖。 我们从环境保护、节能、价格、按存储容量使用计费、续航、安全性、基础架构诉求等指标来比较fcev、bev两项主要技术

通过对fcev和bev进行多维比较，可知两者各有利弊。 纯电车受锂电池能量密度限制，续航和充能量速度提高困难的氢燃料电池车能量密度极高，续航、充能量速度、低温性能优异，但产业化进展缓慢，基础设施、价格等问题导致产业迅速 除了比较现状外，还应关注两种技术未来的快速发展趋势。

纯电车电网的负荷问题需要处理。 纯电车充电较长，对电网的冲击过大，难以处理。 只能跑400公里的特斯拉，即使超快速充电80分钟也能满足。 快速充电不仅对电池有害，寿命缩短，而且需要的电流达到192a (前半部分在192a为80%，后半部分需要低电流涵养电池)。 192a相当于40台家庭壁挂式空调的电流。 如果电动汽车大规模普及，形成的超高功耗负荷将对现有电网产生巨大冲击，电网需要大规模升级以满足需求。

燃料电池的价格继续下降。 白金的使用量持续下降，丰田承诺在将来的miari2代将继续减少白金的使用量，大幅降低燃料电池的价格。 fcev除了贮氢罐需要定期的安全检查和长的采用周期外，没有其他复位价格，将来贮氢罐的价格也将持续下降。

氢能车的全生命周期排放更有特点。 氢燃料电池汽车的全生命周期排放，即汽车制造、电池制造、燃料(汽油、氢)或能源(发电)制造、汽车行驶的所有环节的排放不仅低于燃料车，还低于纯电车。

三、氢燃料电池车产业链的分解

氢能和燃料电池产业链包括上游氢供应制氢、储氢、氢供应和加氢环节、燃料电池动力系统本身的各技术环节、下游氢能整车等应用环节。 其中，氢气供应是保证燃料源的关键，燃料电池堆是产业链的核心，燃料电池动力系统是燃料电池应用的重要载体，燃料电池整车是燃料电池技术快速发展的最终目标。 氢燃料电池车产业链如图5所示。

(一)氢燃料供给:基础设施是产业快速发展的前提

氢燃料电池汽车的迅速发展很大程度上依赖于氢制造、储氢、氢供给、加氢等氢燃料基础设施的建设。 与纯电车在家里和企业可以缓慢充电不同，氢车只能在氢站充电，对充电站的诉讼更加紧迫。 离开完全的加氢互联网，氢汽车产业的迅速发展是不能不提的。 在氢汽车市场尚未培育的情况下，基础设施建设很可能没有商业利益，一是从国家政策层面倾斜推进，二是通过以前传达的石油企业变革诉求帮助迅速发展。

制氢:多个制氢过程共存。 电解水的制造过程是清洁的，无污染的(发电环节除外)，但是需要将电能转换为氢的化学能，然后将氢的化学能转换为电能，只有40-60%的原始电能最终被利用，能量 其他氢制造方法还包括氯碱工业副产的氢、化学重整氢(对石油、天然气、煤、甲醇、氨等化石燃料进行化学重整，高温重整或部分氧化重整来制造氢)、新的生物、光化学制氢方法。

其中氯碱副产物的制氢，在以往的氯碱工业系统中，因为收集原来直接排出的副产物的氢，所以不会给资源、环境带来新的负担，而且价格适度( 1.3-1.5元/ )

99.99%是目前比较合适的制氢方法。 但是，这种制氢方法规模有限，不能满足长期氢能车释放量后的诉求。 从长期来看，综合考虑环境保护、价格等因素，氯碱、电解制氢以外的制氢能力应该通过化学重整制氢工艺来满足。

储氢:短期内以氢拖车为主，长时间快速发展液氢罐车。 氢气储存状态的形式分为气体储氢、液体储氢、固体储氢三种，分别对应不同的运输模式。 其中气体储氢和液体储氢是目前大规模采用的方法。

从氢的输送距离、氢的要求及客户的分布状况来看，管道输送适合空气量多、使用空气比较集中的地区，车、船的输送量小，适合客户比较分散的情况。 从运输状态来看，液氢、固氢运输的做法通常以车船运输、液氢为主。 氢气密度小，加压氢气储存在罐内，牵引卡车和船舶进行时间上的长距离运输。 氢罐车由于储氢罐的压力更大，所以储藏的氢气越来越多，其输送能力是氢拖车的10倍以上，成为大规模配置燃料电池后的氢气处理方案。

氢站:可以按照以前流传下来的石油企业变革的意志推进。 纯电动汽车产业链的能源端掌握在电力企业特别是电网手中，因此以前中石化和中石油等大型油企业没有发言权。 新能源车取代燃料车的势头无法停止，从以前开始油企业就面临着变革，必然有布局纯电动汽车以外的技术路线，抛弃电网，掌握话语权的能力。 以前传下来的油企业在氢能路径上具有先天性的特征，一是石化产业链可以随时增加制氢能力，二是部分加油站可以改造成氢站，可以省略选址环节。 随着汽油消耗量的减少大型石油企业可以逐步转变成氢能产业链。

(二)燃料电池汽车:技术成熟度随着产业化逐渐提高

氢燃料电池车是产业链必须克服的环节，其核心是燃料电池动力系统，包括电炉、空气体压缩机、高压储氢罐等多个部件，电炉是动力系统的核心。 技术还不完美，在迭代快速发展的过程中，有点疼。 例如，需要一定量的贵金属铂作为催化剂，提高了价格。 储氢罐体积大，形状刚性，对整车设计有一定的影响等。 这些痛点都是工程问题，没有理论障碍，也不会成为产业快速发展的瓶颈，随着产业化程度的推进，有望逐步处理，达到商业上可以接受的程度。

铂催化剂的使用量持续下降，不会成为产业迅速发展的瓶颈。 燃料电池的铂使用量已下降到产业化水平。 例如，丰田的mirai自行车消耗了20克左右的白金，mirai 2代承诺会继续减少白金的使用量。 本田的clarity自行车可以消耗10克铂。 考虑到燃料电池铂量的持续下降和非贵金属催化剂的迅速发展，假设到2025年自行车的铂量为5克，燃料电池车为每年100万辆，铂总诉求为5吨。 年白金使用量为244吨，极限增加量仅为2%，铂催化剂不会成为燃料电池产业快速发展的瓶颈。

储氢罐技术持续进步，安全性超乎大众想象。 以mirai为例，70mpa的储氢罐安全度高，碳纤维罐壁能承受内部70mpa的高压，外部至少想挤压140mpa。 车辆在道路上正常行驶，即使大型卡车相撞也不会产生这样的超高按压力。 另外，由于氢气的逃逸速度高，发生泄漏时会瞬间逃逸到空气体中。 与此相对，液化天然气lng和高压天然气cng较重，因此泄漏后堆积在现场容易爆炸燃烧。 随着产业化的发展，贮氢罐的价格、安全性、体积也进一步进化，有助于整车设计的提高。

四、氢燃料电池汽车产业快速发展现状

(一)全世界氢燃料电池车市场概况

从世界范围来看，燃料电池车的乘用车年销售额还在一千辆水平，与燃料车近1亿辆和电动汽车(纯电加混动)近200万辆的数字相差甚远。 但是丰田mirai上市，带来了燃料电池汽车销量的增加，市场开始上升。 截止到年末，全世界销售了6475辆氢燃料电池轿车，其中丰田mirai达到了75%。

主要国家的迅速发展情况:

日本:两田追我，技术世界领先。 现在日本燃料电池的出货量和装机规模占世界的60%以上，氢燃料电池行业的专利数量远远领先于其他国家，在燃料电池汽车的开发和商业化方面居世界领先地位。 年12月丰田发售了世界上第一款实现真正商业化大量销售的燃料电池汽车mirai，成为产业的里程碑产品。 之后本田于去年10月发售了第一辆真正销售的燃料电池汽车clarity，性能与mirai相当。 日本的燃料电池汽车技术领先于世界。

韩国:现代逼迫两田，加氢站建设速度加快。 年末发售了最新一代的燃料电池汽车nexo，续航距离612km在韩国、美国、欧洲发售，根据marklines的统计，销售了796台。 到年底，韩国有14座加氢站，计划中的加氢站有27座。

美国: fcev车企业除本土外是最大的市场。 美国政府以大力支持燃料电池汽车的态度，成为各大型车企业燃料电池汽车的优先海外市场。 丰田mirai、本田clarity fc、现代ix35 fcv、现代nexo已经在美国上市，其中mirai的销量为1700台，占71.79%。 美国加氢站的保有量居世界第三，到年底美国有42个公共加氢站，第一集中在加利福尼亚和东北部城市。

(二)中国的快速发展状况

中国处于氢燃料电池汽车快速发展的初期，研究开发经过多年的快速发展有一定的突破，另一方面提高了续航距离。 另一方面，整车的制造价格在下降，但在技术上产业成熟度方面与发达国家相比还有差距。

基础设施:制氢规模居世界第一，固体储氢材料技术所世界领先水平，加氢站建设缓慢。 到2010年为止，中国有25个建设的加氢站，还进行了其他多项建设，但多数只用于示威车辆的药注，暂时还没有实现全商业化运营。

政策方面:国家对氢燃料电池的支持政策主要分为两大类:一是提到汽车、能源中相关的要点任务、快速发展计划和指标等另一是新能源汽车补贴政策中对燃料电池汽车的具体补贴政策 与纯电、插电不同，对氢能车的补助金年后不会后退，充分显示了国家对燃料电池汽车的大力支持。 在2019年的两会上，政府的事业报告书中记载了迅速发展氢能源。

产业方面:快速发展速度依然缓慢，商用车领先轿车。 轿车上只有概念车，上汽集团去年发售了荣威950fcv，但没有批量生产。 商用车经过多年的研究开发进入商业化阶段，多家车企业推出了产品。 年“新能源汽车宣传应用推荐车型目录”中有26种专车、60种客车上榜。 年中国燃料电池汽车生产销售1527辆，包括1418辆燃料电池巴士和109辆燃料电池卡车。

有代表性的公司包括

上汽:上汽很早就开始了氢燃料电池项目，与清华、同济等高校合作在世博会上开始了试运行。 年发售了国内唯一的荣威950氢燃料电池乘用车。

轿车新势力中为数不多的燃料电池制造商，选择甲醇而不是氢，使用甲醇重整氢的技术。 该方案系统多、复杂度高，系统集成和验证的挑战性更高，但在氢气制造、运输和储存等相关产业链问题尚未处理的情况下，是可以迅速占领市场的短期处理方案。 奔驰汽车将于2019年初为丹麦甲醇燃料电池系统开发者blue world technologies提供资金，通过双方深入合作加快研究开发。

亿华通:燃料电池的核心部件供应商。 亿通依托清华大学于2004年成立，聚焦于氢燃料电池技术。 在氢燃料电池市场不景气、关心度不高的情况下也继续技术开发，终于成为国内技术的领导者，迎来了氢燃料电池市场的升温。

五、氢燃料电池汽车的发展前景和投资建议

(一)氢燃料电池汽车的未来

丰田公开专利，利润高的产业迅速发展。 丰田汽车去年发表了开放燃料电池技术专利的采用权，共计5680件。 将来，世界规模的汽车制造商和零部件制造商可以免费采用丰田的氢燃料电池技术。

长期来说，需要时间和投资。 燃料电池汽车产业化的进度落后于电池车(纯电、混电)约10年，推进氢能供应链、完整制造产业链、培育市场需要时间和投入。 大量应用这么多复杂的装置，如气体液体和易碎精密结构的装置，需要大量的时间和努力。

技术互为重叠，市场互为补充。 一些新能源车的技术路线不是对立的，而是互补的。 有技术上重叠的部分，市场上也有一条路线最终不是统一天下，而是各自有重点。

技术方面，含有丰田mirai的氢燃料电池车是“锂电池”+“燃料电池发动机”的混合体，区别谁的成分多，谁少。 如果电池很大，可以外置充电，就变成程控电动车。 不同的是程序式只是烧油，氢燃料电池车的程序器是“烧”氢气。 所以电动汽车、混合动力车的很多技术也可以应用于氢燃料电池汽车。

在市场层面，在现在氢燃料电池技术领先的丰田长期战术计划中也有各种各样的技术

根据丰田的计划，车辆的续航距离和尺寸共同决定了燃料(能源)的类型:小型、短时间续航距离车辆采用纯电动力系统。 中等尺寸、续航距离的车辆采用混合动力/插电式混合动力系统。 长途车辆采用氢燃料电池系统。

同样，根据kpmg年的《全球汽车领域高管调查[8]》，高管们一致预测，没有统一天下的处理方案。 2040年，主要技术路线为4分钟天下:纯电车( bev ) ( 26% )、氢燃料电池车( fcev ) ( 25% )、燃料车( ice ) ( 25% )、混合动力车

(二)投资建议

投资基础设施技术。 基础设施建设是氢能汽车迅速发展的前提，但基础设施的运营端肯定是由国家和大型企业(就像以前油企业传下来的那样)主导的，投资切入的只有技术端。 值得注意的技术方向是工业制氢后的氢气精制、液储氢技术等。

投资太阳能、风力发电、谷电制氢。 另一个可能的方向是风电、太阳能等新能源发电和利用电网谷电制造氢的技术。 风、太阳能等新能源发电虽然没有被清洁污染，但是不稳定，不能大规模地纳入以前传来的电网。 但是，如果用于发电氢，只要有风力和太阳能发电机，就可以继续制造氢，不仅可以处理自身电力无法预测的缺陷和持续的缺陷，还可以减少氢的污染，降低氢制造价格。 如果该技术与氢站相结合，节约运输环节，将成为技术和商业模式的突破。

投资降低燃料电池价格的技术:燃料电池产业迅速发展的最大障碍之一是燃料电池系统的价格太高。 特别是燃料电池中的质子交换膜、铂催化剂、双极板、储氢罐等核心技术。 可以减少白金的使用量，减少储氢罐的体积、储氢罐的灵活设计等技术，非常有市场前景。

投资电动汽车的基础技术:氢燃料电池车有很多与电动汽车交叉重叠的技术。 即纯电、插电、燃料电池这几种新能源车的基础支撑技术，包括电机系统与发动机、变速器总成的一体化技术。 电动汽车的电气附件和电气控制技术，包括电气转向、电气空调整、电气制动等。 电动汽车智能化，互联网化技术。 投资这部分技术，应用范围更广。 初期氢能车市场小时，不会失去为储备技术介入的方法。

(三)投资收购的例子

潇柴收购叙事曲

年8月，漳柴以每股3.54美元的价格出资1.636亿美元，收购了在纳斯达克上市的加拿大企业叙事动力系统( ballard power systems )的19.9%的股权。 这家企业是世界领先的燃料电池处理方案的供应商。 另外，现在的叙事战术投资者和中国合作伙伴大洋电机也投资了约2000万美元来维持叙事者9.9%的所有权。

漳柴和巴拉德在山东省设立合资企业(占漳柴的51% )，满足中国燃料电池电动汽车市场的诉求。 合资企业生产叙事声乐曲的新一代lcs燃料电池堆和基于lcs的电源模块，用于公共汽车、商用卡车和叉车。

液化空气体收购hydrogenics

2019年1月，法国液化空气体集团( air liquide )以2050万美元收购了电解氢制造设备和燃料电池的领导者加拿大hydrogenics企业的18.6%出资额。 液化空气体集团表示，通过这种收购将成为对氢能源市场的长期承诺和无烃供给的第一参与者。

(本文作者介绍:中投研究院立足于为中投企业战术和内部投资决策提供独立、客观、前瞻的研究支持。 ）

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