中國(guó)電堆產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及市場(chǎng)發(fā)展前景分析

中國(guó)電堆產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及市場(chǎng)發(fā)展前景分析

1、電堆——燃料電池車的動(dòng)力核心

燃料電池車是一種使用氫燃料電池發(fā)電的新型電動(dòng)車，它比傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車效率更高，且只排放水蒸氣與熱量，同時(shí)又比鋰電動(dòng)車具有更高的能量密度，是一種新型環(huán)保交通工具。燃料電池系統(tǒng)是燃料電池車的核心部分，為其提供了動(dòng)力來源。在系統(tǒng)中，燃料（氫氣、氧氣）儲(chǔ)存的化學(xué)能，通過燃料電池轉(zhuǎn)化為電能。燃料電池系統(tǒng)可分為四部分：電化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)、水管理系統(tǒng)和電力系統(tǒng)。

《2020-2026年中國(guó)電堆產(chǎn)業(yè)運(yùn)營(yíng)現(xiàn)狀及發(fā)展前景分析報(bào)告》數(shù)據(jù)顯示：電堆，即燃料電池電化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)。在電化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)中，反應(yīng)物氫氣和空氣以一定的化學(xué)計(jì)量比進(jìn)入燃料電池電堆中，反應(yīng)生成電能和水。電堆決定了整個(gè)燃料電池的功率密度與凈功率，是整個(gè)燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)的核心部分。

2、降本迫在眉睫，規(guī)模效應(yīng)首當(dāng)其沖

2017年豐田Miria的銷售價(jià)格為57500美元，美國(guó)能源部基于豐田Miria公開資料，對(duì)燃料電池車整車價(jià)格進(jìn)行了拆分測(cè)算：當(dāng)生產(chǎn)規(guī)模達(dá)到3000套/年時(shí)（1）燃料電池系統(tǒng)和儲(chǔ)氫系統(tǒng)成本為22372美元，其中燃料電池系統(tǒng)成本為16204美元（占整車成本為28.6%），儲(chǔ)氫系統(tǒng)成本為6168美元（占整車成本約10.9%）；（2）燃料電池系統(tǒng)和儲(chǔ)氫系統(tǒng)的間接生產(chǎn)費(fèi)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(jī)、逆變器、齒輪箱、滑翔機(jī)、再生制動(dòng)系統(tǒng)和加熱，通風(fēng)和冷卻系統(tǒng)等）為17600美元，占總成本的31.2%；（4）市場(chǎng)營(yíng)銷和保修費(fèi)用為8755美元，占比15.5%；（5）企業(yè)管理費(fèi)用和利潤(rùn)為3940美元，占比7.0%。

電堆是根據(jù)所需要的電池功率組裝一定數(shù)量的由膜電極與雙極板組件構(gòu)成的單元。電堆成本很大程度決定了燃料電池系統(tǒng)的成本，進(jìn)而影響整車成本，降低燃料電池電堆成本對(duì)于燃料電池車的推廣與應(yīng)用至關(guān)重要，而規(guī)模效應(yīng)、催化劑鉑負(fù)載量，雙極板材料等均是影響成本的重要因素。

上述影響因素中，在發(fā)展初期規(guī)模效應(yīng)最為顯著，當(dāng)年產(chǎn)量由1千套增加到1萬套時(shí)，電堆成本可降低65%。美國(guó)能源部估算了不同生產(chǎn)規(guī)模對(duì)單個(gè)燃料電池系統(tǒng)成本及電堆成本的影響：（1）年產(chǎn)量為1000套時(shí)，燃料電池系統(tǒng)成本為215美元/kW，電堆成本為153美元/kW；當(dāng)年產(chǎn)量達(dá)到1萬套時(shí)，系統(tǒng)成本降至93美元/kW，電堆成本降至53美元/kW，燃料電池系統(tǒng)成本降低57%，電堆成本降低65%；（2）產(chǎn)量由1萬套/年增長(zhǎng)至10萬套/年時(shí)，燃料電池系統(tǒng)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(chǎn)量由10萬套/年增長(zhǎng)至50萬套/年時(shí)，燃料電池系統(tǒng)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%。

目前全球范圍內(nèi)燃料電池車的生產(chǎn)規(guī)模普遍不高，規(guī)模效應(yīng)降本是當(dāng)前主導(dǎo)方式，當(dāng)生產(chǎn)規(guī)模從百套/年到千套/年數(shù)量級(jí)變化時(shí)，各組件的制造成本均有顯著降低；當(dāng)生產(chǎn)規(guī)模增長(zhǎng)至1萬套每年時(shí)，雙極板、催化劑、質(zhì)子交換膜和氣體擴(kuò)散層成本仍具有規(guī)?；当究臻g，其他組件已開始不是特別明顯；當(dāng)生產(chǎn)規(guī)模由1萬套/年增長(zhǎng)至50萬套/年時(shí)，質(zhì)子交換膜和氣體擴(kuò)散層成本仍舊會(huì)隨著規(guī)模擴(kuò)大而降低，但此時(shí)電堆成本主要由電極催化劑和雙極板的材料用量及價(jià)格決定，這與技術(shù)及工藝水平密切相關(guān)。

3、各國(guó)“逐鹿”，計(jì)劃快速邁過產(chǎn)業(yè)初期

根據(jù)中國(guó)氫能聯(lián)盟發(fā)布的《中國(guó)氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書》，世界主要國(guó)家對(duì)于燃料電池電堆關(guān)鍵部件的技術(shù)研究已逐步取得一定進(jìn)展，目前國(guó)際先進(jìn)水平電堆功率已達(dá)到3.1kW/L，乘用車系統(tǒng)使用壽命可達(dá)到5000h，商用車使用壽命可達(dá)20000h。截至2018年底，全球氫燃料電池的裝機(jī)量超過2090.5MW，乘用車銷售累計(jì)約9900輛，初步實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。

（1）美國(guó)燃料電池乘用車保有量為5899輛，燃料電池動(dòng)力叉車運(yùn)營(yíng)量超過23000臺(tái)。美國(guó)是最早將氫能及燃料電池作為能源戰(zhàn)略的國(guó)家，目前已將氫能和燃料電池作為美國(guó)優(yōu)先能源戰(zhàn)略，積極開展氫能及燃料電池的前沿技術(shù)研究，近十年對(duì)氫能及燃料電池給予的支持超過16億美元。美國(guó)在氫能及燃料電池領(lǐng)域擁有的專利數(shù)位居世界第二位，液氫產(chǎn)能和燃料電池乘用車保有量居全球第一。截至2018年底，全國(guó)燃料電池乘用車數(shù)量達(dá)到5899輛，全國(guó)燃料電池動(dòng)力叉車運(yùn)營(yíng)量超過23000臺(tái)，多個(gè)州均在使用或計(jì)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(jì)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(zhuǎn)型的重要保障，2014-2020年期間，歐盟燃料電池與氫能聯(lián)合行動(dòng)計(jì)劃項(xiàng)目對(duì)氫能及燃料電池的研發(fā)推廣提供的資金支持預(yù)計(jì)將達(dá)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(guó)是歐洲發(fā)展氫能最具代表性的國(guó)家，于2006年啟動(dòng)了氫能和燃料電池技術(shù)國(guó)家創(chuàng)新計(jì)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(jì)劃投資2.5億歐元，目前德國(guó)在全球氫能及燃料電池領(lǐng)域占據(jù)領(lǐng)先地位，可再生能源制氫規(guī)模全球第一，燃料電池的供應(yīng)和制造規(guī)模位居全球第三。

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

日本的氫燃料電池的發(fā)展主要分為3個(gè)階段，即研發(fā)期、推廣期、飛躍期。1973年，日本成立了“氫能源協(xié)會(huì)”，以大學(xué)研究人員為中心開展新能源技術(shù)研發(fā)，隨后在研發(fā)了花費(fèi)了將近30年的時(shí)間。直至2008年燃料電池商業(yè)化協(xié)會(huì)制定2015年向普通用戶推廣燃料電池車計(jì)劃，2009年再次明確了日本燃料電池的商業(yè)化進(jìn)程，并開始對(duì)車主提供補(bǔ)貼。2013年日本把氫能源發(fā)展作為國(guó)策，氫燃料電池的發(fā)展開始進(jìn)入飛躍期，一系列政策及補(bǔ)貼重點(diǎn)支持氫能與氫燃料電池的研發(fā)與應(yīng)用推廣，旨在落實(shí)“氫能社會(huì)”。

（4）韓國(guó)燃料電池乘用車保有輛約300輛。韓國(guó)政府自2008年以來持續(xù)加大對(duì)氫能技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化推廣的扶持力度，先后共投入3500億韓元推進(jìn)氫能及燃料電池技術(shù)研發(fā)，預(yù)計(jì)將在未來5年投入2.6萬億韓元，于2030年進(jìn)入氫能社會(huì)。2018年，韓國(guó)現(xiàn)代汽車正式發(fā)布第二代燃料電池車Nexo，電堆最大輸出功率達(dá)到95kW，續(xù)航里程可達(dá)800公里。截至2018年底，韓國(guó)燃料電池乘用車保有約300輛，計(jì)劃保有量2025年15萬輛，2030年63萬輛，到2040年分階段生產(chǎn)620萬輛。

根據(jù)2016年10月發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》，我國(guó)燃料電池車發(fā)展目標(biāo)為2020年達(dá)到5000輛，2025年達(dá)到5萬輛，2030年燃料電池車輛保有量達(dá)到100萬輛。由于燃料電池車未來發(fā)展的主要目標(biāo)為商用車，結(jié)合目前發(fā)展情況，可估計(jì)未來燃料電池車商用車與乘用車比例約為4:1；根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外商用車與乘用車電堆功率，我們預(yù)計(jì)未來乘用車電堆功率約為100kW，商用車功率約為120kW。

我國(guó)燃料電池研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化推動(dòng)主要集中在質(zhì)子交換膜燃料電池和固體氧化物燃料電池領(lǐng)域，自“十五”新能源汽車重大