燃料电池汽车产业发展深度分析
1、第一辆燃料电池车的诞生
世界首辆燃料电池汽车为历时两年研发，1966 年 1 月开始测试的氢燃料电池车Electrovan。该车由通用制造，为 NASA 登月项目服务。其输出功率 5kw，寿命达1,000小时，最大时速 101-113km/h 续航能力约为 193km。 燃料电池汽车刚一面世，就把自己的起点选在了当时人类文明的巅峰。
1971年登月用燃料电池车：
上世纪 90 年代以来，奔驰推出燃料电池汽车necar1，丰田推出FCHV-adv，本田推出FCX Clarity，现代推出 ix35 燃料电池版等。燃料电池汽车实用化不断取得进展，汽车整体技术成熟度逐渐提高，使用性能不断增强，成本大幅下降，至今成为仅次于动力电池汽车的新能源汽车细分类型。
2、主要汽车巨头的燃料电池汽车技术、规划与成效
截至目前，燃料电池汽车技术并不是多数整车巨头的首选，但它至少已是巨头丰田未来提升销量并实现节能减排的关键产品序列之一。按照规划，至2050年，混动、插电混动、燃料电池和纯电动车型将彻底取代燃油车型，共同组成丰田的低碳产品线。
丰田各类汽车销量规划：
当前具备完全燃料电池电堆生产能力的企业包括丰田、巴拉德、普拉格、Hydrogenics 等国际厂商，和新源动力、神力科技等国内厂商。以丰田 Mirai 为例，其燃料电池电堆经过十余年的技术优化，的功率密度和比功率分别达到 3.1kW/L 和 2.0kW/kg。总体而言国内外水平尚存代差。
丰田汽车在燃料电池领域具备一定的领先优势
根据丰田的规划，车辆的续航里程与车辆尺寸共同决定了燃料(能量来源)的类型。小尺寸、短续航里程车辆使用动力电池系统;中等尺寸、中等续航里程车辆使用燃油对应的混合动力/插电混合动力系统;长续航里程车辆使用氢燃料电池系统。
丰田根据燃料类型、车辆尺寸进行的车辆分类：
丰田燃料电池电堆的技术进步路径：
关键组件初步成熟，当代氢燃料电池乘用车多点开花
丰田、本田、奔驰、现代都推出了各具特色的高性能燃料电池乘用车。
高性能燃料电池乘用车：
乘用车巨头丰田无疑是氢燃料电池乘用车的先驱，其于 2014 年发布的 Mirai 掀开了新能源乘用车历史上的崭新一页:10 秒以内的百公里加速，1kg 以内的百公里氢耗，114kW 的燃料电池功率，335Nm 的扭矩，电堆 2kW/kg 的比功率和 3.1kW/L 的功率密度，以及超过500km的续航里程，都标志着氢燃料电池乘用车已经可以满足高端车型苛刻的性能需求。
丰田 Mirai 外观图：
为了实现 Mirai 的高性能，由 370 个燃料电池单体堆叠而成的电堆及系统集成后的燃料电池发动机，首次 投入使用的 70MPa复合材料高压储氢瓶，1.6kWh 镍氢电池组，以及排水、水循环、氢气循环、升压系统等， 体现了车辆工程、材料科学、电化学、电气工程、力学和热学等诸多学科全力协同的工程美。
丰田 Mirai 的驱动系统布局图：
丰田 Mirai 的另外一个特色是可以作为对外临时供电的应急电源。虽然质子交换膜燃料电池供电的效率较 低，但依托 Mirai 多达 5kg 的氢储量，可以满足常规应急需求。
据 Information Trends 的研究结果，自 2013 年氢燃料电池车商业化到2017年年底，全球总计售出 6475 辆氢燃料电池乘用车。其中，丰田 Mirai 占比高达 75%，远超占比13%的本田和占比 11%的现代;2017 年，全球 售出 3382 辆氢燃料电池乘用车，丰田 Mirai 超过 3000辆。
日本另一燃料电池巨头本田在丰田 Mirai 发布后不久也发布了燃料电池乘用车 Clarity。和 Mirai 相比，Clarity 将两个高压储氢罐分别置于后排座椅下方和后方，压缩了后备箱空间但使得乘坐舒适度提升;实现了更多的部 件共用，如辅助能量输出/回收的功率型锂电池和雅阁混动共用，驱动电机和飞度电机共用等。
本田 Clarity 的驱动电机:
本田 Clarity 的驱动系统布局图：
本田 Clarity 实现了平台化，Clarity 平台可同时供燃料电池乘用车、纯电动和插电混动乘用车使用。
本田 Clarity 平台：
此外，本田 Clarity 使用两级电动增压器为燃料电池供氧;保养也较简便，只需每行驶 2 万 km 后更换电堆质子交换膜，单次费用仅10000日元。
欧洲方面，奔驰在 2017 年的法兰克福车展上亮相了其最新的插电混动燃料电池乘用车，GLC F-Cell。
奔驰GLC F-Cell 外观图：
该车型基于奔驰 GLC 平台打造，位于车身中部和后部的两个 70MPa 储氢瓶储存有共 4.4kg 氢气，加氢时间5min以内;续航里程达 437km，最大功率为 147kW，峰值扭矩350Nm。
和丰田、本田同代燃料电池乘用车的最大区别是奔驰 GLC F-Cell搭载了 13.8kWh 的锂离子电池，该电池可 支持整车续航里程约 47km。作为全球首款插电混动燃料电池乘用车，GLC F-Cell 具备 3 种工作模式和1种充电 模式。工作模式包括混动模式，锂电池和燃料电池共同为电机供能，使燃料电池工作在最佳效率区间，锂电池满足功率输出波动;燃料电池模式，仅用燃料电池为电机供能;动力电池模式，仅用锂离子电池为电机供能。 在 3种工作模式下，车辆制动能量均可部分由锂离子电池充电回收。而在充电模式下，GLC F-Cell配备了 7.2kW 车载充电器，充满动力电池的时间为 1.5h。
奔驰GLC F-Cell 的驱动系统布局图：
奔驰 GLC F-Cell 乘用车的最大特色就是插电混动系统。一方面，搭载了 10kWh 以上的动力电池，百公里氢耗还能够控制在1kg以内，体现了优秀的整车设计能力;另一方面，和充电、加氢的完美兼容也极大地拓展了整车的应用场景。充能时间充裕时，1.5h即可充满动力电池，用于城市通勤;需要长距离出行，则可迅速完成 氢气加注。
作为除动力电池汽车外技术成熟度最高的新能源汽车，燃料电池汽车和电动化、智能网联化大趋势较高契 合度较高。
2018年 4 月，现代 NEXO 燃料电池乘用车(2019 款)于北京车展在中国消费者面前亮相。该车具备 3 个高 压储氢瓶，满载氢气时续航里程达到了惊人的 805km;百公里加速9.5s，发动机最大功率 120kW，扭矩 394Nm， 均达到国际先进水平。特殊的是，现代 NEXO 具备较高等级的自动驾驶能力。
现代 NEXO 内部结构：
此前，同年 2 月，由三辆 NEXO 和两辆GenesisG80组成的车队以在无人干预的情况下韩国高速公路的最高 限速以 100 -110km/h 从韩国首尔行驶到冬奥会举办地平昌，途径七个隧道、两个收费门、一个交汇处和一个路 口，行程总计 190公里。可以认为现代 NEXO 初步具备了 L4 级别的无人驾驶能力。
现代 NEXO 实现从首尔到平昌的自动驾驶：
3、燃料电池汽车已经具备一定的商业价值
从丰田、本田、奔驰和现代等巨头在燃料电池车型方面取得的最新进展来看，燃料电池乘用车在技术方面已经初步成熟且体现了续航里程、充能时间、能量密度、环保特性等多方面的鲜明特色。鉴于燃料电池乘用车的实际成本多在40万元以上，可以认为其初步具备了在高端车型细分领域和当前动力电池乃至燃油乘用车分庭抗礼的实力。
和燃料电池乘用车相比，商用车的技术门槛较低。这主要表现在商用车的电堆功率较低(30~60kW 即可满足需求)，空间充裕所以储氢瓶内氢压也可以较低(35MPa 即可满足需求)等方面。燃料电池商用车仅依靠加装储氢瓶，即可实现长续航里程。以燃料电池商用车中性能较高的丰田Sora客车为例，其搭载了与丰田 Mirai 相同的 TFCS 燃料电池系统，动力总成包括两个114kW的燃料电池组和双电机驱动，电机最大功率为 113kW，峰值扭矩为 335Nm。为SORA提供动力源的是总容量达 600 升的 10 个储氢瓶，同时也配备了镍氢动力电池。
不同类型乘用车关键参数比较：
丰田 Sora 燃料电池客车外观：
除前述质子交换膜燃料电池在乘用车、商用车上的应用之外，固体氧化物燃料电池也具备在商用车上应用的潜力。2018 年 5 月，潍柴动力与全球领先的固态氧化物燃料电池(SOFC)供应商英国锡里斯动力控股有限公 司(Ceres Power)在山东潍坊签署战略合作协议，入股对方并合作开发可用于客车、卡车和特定发电市场的多 孔金属层支撑固体氧化物燃料电池。该电池有望具备较高的热循环寿命，抗热震性强，除氢气外可使用压缩天 然气(CNG)等化石燃料，可配套燃料电池增程式系统。
锡里斯的多孔金属层支撑固体氧化物燃料电池：
4、燃料电池产业技术成果
为燃料电池汽车提供动力的关键组件包括能量转化装置——燃料电池，和能量储存装置(依燃料的不同有所不同，氢燃料电池的对应装置是储氢瓶等)。
和电化学可充的锂离子电池等二次电池不同，燃料电池放电时需要外界不断提供氧化剂(多为外界空气) 和还原剂(氢气、各类燃料等)，属于一次电池;电池的能量密度直接由氧化剂、还原剂的能量密度，化学能-电能的转化效率决定。根据工作温度、电池内载流子和前端燃料的不同，燃料电池可细分为碱性燃料电池、磷酸盐燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池、质子交换膜燃料电池、直接甲醇燃料电池等类型。
燃料电池技术基本原理：
主要燃料电池类型的基本技术特征：
在各种燃料电池技术中，综合考虑工作温度、催化剂稳定性、电效率、比功率/功率密度等技术指标，综合性能最适于乘用车/大多数商用车应用的燃料电池技术是质子交换膜燃料电池技术。实用化的质子交换膜燃料电 池电堆包含多个燃料电池结构单元。
燃料电池结构单元类似锂离子动力电池单体，主要由膜电极组件和双极板构成。膜电极组件包括电解质层、催化剂层、气体扩散层等部分，是电化学反应以对外供能的发生场所。
质子交换膜燃料电池膜电极组件：
除燃料电池外，高压储氢瓶也是发挥燃料电池系统高能量密度的关键组成部分
氢气压力越高，单位体积内储氢量越多，则整车的“系统能量密度(与动力电池乘用车概念类似)”也就越高;同等压力和储氢体积下，储氢瓶质量越低，体积越小，则整车的系统能量密度同样越高。另外，储氢瓶的成本也是需要重点考虑的因素。
丰田 Mirai 的 70MPa储氢瓶以树脂内衬、碳纤维强化树脂层和玻璃纤维强化树脂外壳组成了三层结构，其中中层通过经优化设计的环向缠绕-高角度螺旋缠绕-低角度螺旋缠绕充分利用了碳纤维的抗拉强度。最终，丰田Mirai的高压储氢瓶实现了 5kg 的储氢量和高达 5.7%的储氢质量分数，且受惠于不断下降的高强度碳纤维价格，储氢瓶的成本也得到了有效的降低。
丰田 Mirai 的高压储氢瓶：
可见，时至今日，随着多个科学、工程问题的逐步解决，燃料电池、高压储氢瓶等燃料电池汽车关键组件技术已经具备了相当的成熟度。
5、燃料电池汽车与动力电池汽车的对比分析
相比于锂离子电池，依靠高能燃料与空气的氧化还原反应供能的燃料电池具有更高的能量密度且兼具使用过程中的燃料快速加注、清洁环保特征，也就意味着燃料电池在供能方面可以部分兼具燃油和锂离子动力电池的优点。
不同一次/二次储能体系的理论能量密度(以 kWh/kg 计)
动力电池乘用车在整车技术成熟度、产品类别方面完备度方面要领先于燃料电池乘用车，且领先优势在短中期仍将保持。综合多个产品情况，动力电池汽车已初步具备了较完备的产品线，从A00到 B 级以上车型均有 量产产品;而燃料电池汽车尚处于量产初级阶段，产品线集中于B级以上，动力电池电堆及整车成本距主流消 费区间仍有差距。另外，当前动力电池乘用车的续航里程已有明显提升，里程焦虑现象大幅减轻，且用能成本 低于燃料电池乘用车;动力电池乘用车快充性能不及燃料电池乘用车，但各类快充、慢充桩建设成本与灵活性 优于加氢站，这也潜在地削弱了燃料电池乘用车的实际竞争力。所以燃料电池乘用车的规模化推广应用仍需要 时间;未来，可兼容充电与加氢两种供能方式的插电混动/增程式燃料电池乘用车或后来居上，成为最受青睐的 燃料电池乘用车。
新能源乘用车及配套设施综合对比：
动力电池商用车在整车技术成熟度和配套基础设施等方面对燃料电池商用车具有一定程度领先，但商用车对储能系统体积敏感程度相对较小，其续航里程对车重敏感程度较高，且需要长续航、快速能量加注的应用场景较丰富，同时中型/大型加氢站定点设置与管理时可体现部分规模效应降低成本，使用便利性也有一定程度提高。所以装备多个储氢罐，具备续航里程与燃料加注时间双重优势的燃料电池(增程式)商用车有望在相应细分领域通过示范项目应用率先突围。
新能源商用车及配套设施综合对比：
6、燃料电池汽车产业发展的瓶颈
制氢储氢运氢加氢站均尚存改进空间。
将汽车作为用能终端考虑，对应能源的生产、储存、运输和加注各个环节发展是整车技术路线是否适于推
广的另一个关键因素。正如传统燃油车辆对公路交通的统治地位和采油-炼油-成品油运输-加油站全环节的成熟发达密不可分，动力电池车辆的发展依托于电力生产-电力输配-充电桩对应的基础设施配套，氢燃料电池车辆的 推广应用前景除了取决于整车技术的先进性、成熟度与成本外，也和包含制氢、储氢、运氢和加氢站在内的氢能源链发展的完备程度及发展潜力密切相关。
燃料电池汽车对应的氢能源链：
制氢技术包括燃料制氢、工业(氯碱)副产氢利用、电解水制氢等。
燃料制氢多指从化石能源出发制取氢气的技术，其中煤制氢、天然气转化制氢是技术成熟度较高的燃料制 氢手段，对我国而言煤制氢更具成本优势与可实现性，同时依托热化学循环的一次能源利用效率也较高。但煤 制氢本身并未摆脱化石能源依赖，氢中混杂的少量一氧化碳等气体多导致催化剂中毒，对后续燃料电池的寿命 有不利影响。
工业(氯碱)副产氢利用和电解水制氢均采用电解方式制氢，区别在于前者电解氯化钠，主要产品是氢氧 化钠与氯气，氢气是待利用副产品;而后者主要产品是氢气，氧气是待利用副产品。氯碱工业副产氢利用，氢 气成本较低。电解水方式制氢技术成熟度也较高，故电的成本就决定了氢气的成本。富余可再生能源电力(水 电、风电、光伏等)的平均成本较低，边际成本更低，制取氢气理论成本低廉;常规网电以火电为主，成本较 高，一次能源利用效率也不及煤制氢。
储氢技术包括高压存储气态氢、低温储液氢、物理吸附储氢、金属储氢、液体化合物储氢等类型，需求重 点是增加储氢的质量百分比、体积百分比，保证氢气纯度，使得存储与再释放的环境尽可能温和，及储氢成本 低廉、自放率(随时间增加的氢气损失率)低等。得到相对广泛运用，且规模扩大同时边际成本较低的储氢方 式是高压存储气态氢和低温储液氢，且二者的自放率均大幅低于电能在各类电池中的储存;其余储氢方式还在 研究、成熟过程中。
氢气运输技术和储氢技术关注点类似，但长距离氢气运输无论采用高压管束车方式，专用管道方式或者天 然气管道混氢-再分离方式，成本均较高，大幅高于输电后电解水制氢对应的“氢气运输(电力/能量运输)”成 本。
最终，氢气的加注于加氢站实现。低压氢气加压至燃料电池乘用车所需的 70MPa 或商用车所需的 35MPa 后，对相应车辆进行加注。当前全球加氢站的总量不足，建设成本很高，日加氢量400kg的加氢站建设成本在 1000 万元以上。
成本较高，能源链短期难求万全。
综合考虑从制氢到加氢站的各个环节，氢燃料电池乘用车对应的氢能源链主要包括煤制氢储氢-长距离气氢运输-加氢站，工业(氯碱)副产氢储氢-中距离气氢运输-加氢站，富余可再生能源电力(风电)-电解水制氢储 氢-中距离气氢运输-加氢站，和常规网电-电解水现场制氢(或含短途气氢运输和储存)-加氢站等三个可行路线。 对于煤制氢储氢-长距离气氢运输-加氢站路线，其综合能源利用效率较高(相比于以煤生产网电再进行电
解水)，也具备较低的制氢成本，但需要制氢后现场大规模储氢，且长距离气氢运输成本高昂会拉高综合成本; 煤制得的气氢含部分一氧化碳，对燃料电池汽车寿命有不利影响。
对于工业(氯碱)副产氢储氢-中距离气氢运输-加氢站路线，氢气生产成本低，运输成本稍高，综合成本 较低。但制氢规模严重依赖于相应氯碱工业规模，且产量受开工率影响，难以大规模复制推广。
对于富余可再生能源电力(风电)-电解水制氢储氢-中距离气氢运输-加氢站路线，理想情况下氢气生产成 本较低，运输成本较低，综合成本低，且可以最终实现清洁能源资源的交通应用。但事实上氢气综合成本需依 赖富余可再生能源电力政策，影响因素较为复杂;如同样的政策对动力电池汽车充电也适用，则氢气成本仍然不占优势。
对于常规网电-电解水现场制氢(或含短途气氢运输和储存)-加氢站路线，其氢气生产与利用灵活方便，运输成本低。但鉴于网电昂贵，此路线的成本最为高昂，且建设于繁华便利地段的现场制氢加氢站会为电力负荷中心进一步增加负荷，推高基础设施建设需求和实际成本。不同制氢-输氢-加注氢方式对应的终端氢气成本(元/kg)：
综上所述，相比于已经成熟发达的采油-炼油-成品油运输-加油站的燃油汽车能源链，和仅在充电桩/站建设方面存在短板的电力生产-电力输配-充电桩的动力电池汽车能源链，氢能源链在技术成熟度、基础设施成本方面 存在一定劣势，对氢燃料电池汽车的推广应用造成了不利影响。