中國儲能網(wǎng)訊：3、 燃料電池技術(shù)發(fā)展的歷程梳理
人類歷史上有較大影響的電池，在消費端我們最為常見的是鉛酸電池（汽車起動電池），鎳氫、鎳鎘電池，鋰電池。從其發(fā)展的歷史過程中，可以看到外部技術(shù)推電池產(chǎn)業(yè)變革的巨大影響。
3.1、 燃料電池的革命即將到來
鉛酸電池在過去 100 年中始終占據(jù)著一個非常重要的市場份額。其本身的技術(shù)進(jìn)步和技術(shù)特征以及成本優(yōu)勢共同促成了這些。在后續(xù)的發(fā)展過程中，最為重要的就是鎳氫電池向鋰電池的過渡。
自從 1969 年發(fā)明了鎳氫電池以后，在第一代無線通信設(shè)備上得到了較為廣泛的應(yīng)用，主要是其電池的能量密度相對較高，第一代模擬手機（俗稱大哥大）用的就主要是鎳氫電池，當(dāng)時存在設(shè)備耗電量大，電池續(xù)航時間短等不利因素，但是一個新的面向個人的無線通信時代的到來，仍然將鎳系電池推向了一個新的高度。
90 年代中期索尼發(fā)明了鋰離子電池，滿足了消費電子行業(yè)發(fā)展的需要，包括筆記本，手機，智能手機等。我們無法想象在現(xiàn)在的智能手機上用鎳氫電池會是一個什么樣子。在手機電池領(lǐng)域，因為成本的因素，在低端功能機上鎳氫電池的歷 史一直延續(xù)到了 21 世紀(jì)初期。但是在智能機浪潮來臨的時候，鋰電池徹底的超越了其他類型的電池，成為消費電子設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)配置——而非高端可選配置，市場規(guī)模的擴大又進(jìn)一步促成了研發(fā)的投入和成本的下降，從而帶來了鋰電池試圖向動力電池市場滲透的現(xiàn)狀。
在 90 年開始，電池開發(fā)的熱潮集中在燃料電池和鋰電池領(lǐng)域，最終作為消費電 子能量供應(yīng)裝置的鋰電池最終勝出，延續(xù)了超過 10 年的輝煌，成本持續(xù)下降，能量密度持續(xù)提升，安全性也得到了較大的提高，鋰電池占據(jù)了目前消費電子行業(yè)的主流地位。
燃料電池的主要功率段在千瓦級別，研發(fā)的目的主要在于供應(yīng)動力電池，但是最 終在質(zhì)子交換膜的壽命，催化劑的效果上來看，還有較大的差距，其成本在當(dāng)時 也是高不可攀，從 2004 年開始進(jìn)入了一個研發(fā)投入的低潮期。在這個燃料電池的寒冬中，主要的投入廠商是日本相關(guān)汽車企業(yè)。
2014 年豐田推出 Mirai，可能是燃料電池行業(yè)的一個標(biāo)志性事件，從最終公布的性能來看，在經(jīng)濟型，成本和安全性上，燃料電池初步具備了工業(yè)化的基礎(chǔ)條件，而且在技術(shù)指標(biāo)上可能全面超越內(nèi)燃機。自此，燃料電池商用化的基礎(chǔ)初步 具備了。持續(xù)的 20 年的電池技術(shù)路線之爭，可能在未來 3-5 年出現(xiàn)重大變化。
3.2、 豐田 Mirai 的技術(shù)拆解—一個代表性的技術(shù)樣本
豐田自 2014 年推出 Mirai，標(biāo)志著經(jīng)過 10 多年的努力，燃料電池終于開始具備商用的基礎(chǔ)，從現(xiàn)在來看，基本不具備任何實質(zhì)性的技術(shù)障礙。
圖 4：豐田 Mirai 結(jié)構(gòu)圖
資料來源：電動邦網(wǎng)站、國海證券研究所
豐田的技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)接近基本燃油車技術(shù)指標(biāo)—而未來有可能全面大幅超越，一般來說我們衡量一個車型的主要性能是：功率，扭矩，續(xù)航里程，自重，百公里 加速時間。就目前公布的數(shù)據(jù)來看，Mirai 的功率為 113KW（153 馬力），自重1.8 噸，扭矩 335N?m，在此情況下百公里加速時間為 9.6 秒，續(xù)航里程超過500km。相比于傳統(tǒng)汽車而言，已經(jīng)基本具備了同等級別的技術(shù)指標(biāo)。一輛 2.0 排量的豐田凱美瑞的配置是：功率 123KW（167 馬力），自重 1.5 噸，扭矩 199N?m，在此情況下百公里加速時間超過 10 秒，續(xù)航里程大約在 6-800 公里左右。價格上豐田美國 Mirai 的售價為 37 萬人民幣左右，在政府補貼后價格在 27 萬人 民幣左右。這個價格相比于 20 萬出頭的凱美瑞來說，已經(jīng)具備了很強的競爭力。 更何況，未來其成本下降的空間更大，使用成本也會更低。中國政府的補貼力度 是美國和日本政府的 4 倍，按照目前政策 FCV 補貼每輛的規(guī)模在 40 萬人民幣 左右。
使用成本的角度來說，目前日本本土的氫氣供應(yīng)在 1000 日元/公斤左右，折合人 民幣大約 66 元左右。1kg 氫氣的行駛里程大約在 130 公里左右，折合百公里成 本在人民幣 50 元左右，已經(jīng)基本和燃油車的消耗是差不多的了。另外由于純電 動車沒有保養(yǎng)成本（大約每公里 0.1-0.2 元不等），在目前的供應(yīng)鏈條件下，已經(jīng)具備一定的經(jīng)濟優(yōu)勢了。
在上述情況下，我們可以看到，價格上大約在非補貼，手工生產(chǎn)線的情況下， 可以比同級別可比傳統(tǒng)燃油車價格貴不超出 1 倍，在使用成本上已經(jīng)接近，未來還有下降空間。在使用習(xí)慣和關(guān)鍵性能指標(biāo)上基本等同于燃油車。
3.3、 能量密度：第一次接近內(nèi)燃機的能量密度的電池
事實上能量密度/續(xù)航里程在氫燃料電池汽車上的要求并不高，在加氫站普及以 后，由于加氫時間只有 3 分鐘左右，基本和加油差不多，因而“半箱油”是可以 接受的。這樣現(xiàn)有技術(shù)下的儲氫罐的壓力可以降低到 350 個大氣壓，這樣成本 和技術(shù)難度都將大幅下降。這個壓力基本是目前 CNG 車載氣瓶的壓力的水平。 在安全性和工業(yè)經(jīng)驗上來說，已經(jīng)足以支撐產(chǎn)品的各方面性能了。
討論系統(tǒng)的能量密度對氫燃料電池來說主要是燃料電池本體、管道/閥門、儲氫罐。
表 3：豐田 Mirai 電堆參數(shù)表
資料來源：搜狐汽車、國海證券研究所
從這個角度而言，在過去 8 年當(dāng)中，整個燃料電池本體的性能幾乎提升了一倍，在重量和體積方面都有非常杰出的表現(xiàn)。就目前的堆體本身來看，系統(tǒng)的能量密度和重量已經(jīng)較為全面的超出了內(nèi)燃機系統(tǒng)。這個技術(shù)水平可以參考主流企業(yè)產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)。
圖 5：全球主流汽車廠商電堆系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)
資料來源：電子工程世界網(wǎng)站、國海證券研究所
從上圖中我們可以看到，目前的國際一線水平已經(jīng)基本具備了車用的能力，而且并非一家能夠達(dá)到。
另外一個對系統(tǒng)能量密度有較大影響的是儲氫系統(tǒng)。目前 Mirai 用的車載氣瓶是 兩個，容量基本都在 60L 左右，700 個大氣壓的壓力，采用碳纖維包裹的的技 術(shù)，目前是 120L 的兩個氣罐，儲氫質(zhì)量為 5kg，系統(tǒng)空中為 83kg 左右，質(zhì)量 分?jǐn)?shù)為 5.7%左右。
這樣下來燃料電池系統(tǒng)的總重量在 200kg 以內(nèi)，這個計算了電堆重量，氣瓶重 量，管道和閥門重量。5kg 的氫氣的熱值是 143000kJ/kg，這個熱值差不多是汽 油熱值的 3 倍多。在這種情況下，燃料電池系統(tǒng)的能量密度在 3560kJ/kg 的水 平，大約是上面我們計算的內(nèi)燃機系統(tǒng)能量密度 8614kJ/kg 的 40%左右，如果 考慮燃料電池的效率大約是內(nèi)燃機效率的 2 倍，從做功的角度來說，燃料電池的 能量輸出密度接近內(nèi)燃機的 80%，幾乎在一個數(shù)量級上。
在未來新材料和系統(tǒng)進(jìn)一步減重的基礎(chǔ)上，從輸出能量的角度來看，燃料電池是 人類歷史上第一次將“電池”做到了性能接近內(nèi)燃機，而且未來隨著儲氫壓力容 器的壓力進(jìn)一步提高，堆體進(jìn)一步的減重，閥門和管道的減重，燃料電池的性能 在能量輸出密度這個指標(biāo)上超過內(nèi)燃機也就是近幾年的事情。
從量變積累的質(zhì)變，電池的技術(shù)參數(shù)接近內(nèi)燃機不僅僅是一個簡單的續(xù)航里程增加這么一個概念，從鋰電池的能量密度提升到目前的內(nèi)燃機能量密度，背后可能是交通工具的一場革命，低空飛行器的動力系統(tǒng)技術(shù)基本成熟，小型私人飛行器的技術(shù)可行性已經(jīng)初步具備，未來高密度城市的交通工具變成載人飛行器是大概率事件。而鋰電池在目前的技術(shù)情況下想做到這個能量密度，從技術(shù)的角度來看，我們差不多要將鋰電池的能量密度提升近乎一個數(shù)量級，這個目前很難看到工業(yè)技術(shù)上的可行性，新材料的發(fā)現(xiàn)可能性也不大。
3.4、 成本：未來有望比內(nèi)燃機更低
一個廣泛關(guān)心的問題是燃料電池的成本問題，一個是制造成本，一個是供應(yīng)鏈 成本——也就是使用成本。
從目前的技術(shù)角度來說，制造成本主要是儲氫罐的成本和堆體的成本。
儲氫罐的成本主要是物料成本，其中碳纖維是重中之重，材料制作核心是工藝問 題，目前國內(nèi)的 T700 級的碳纖維成本在 200 人民幣以內(nèi)，Mirai 這部分的重量 在 80kg 左右，換算成儲氣罐的物料成本在 1.6 萬左右（我們猜測其采用的碳纖 維應(yīng)該是東麗 T800 級別的產(chǎn)品，但是目前查無實據(jù)，因而我們用國內(nèi)的 T700做一個數(shù)量級上的估計），未來隨著規(guī)?；臄U大，工藝成本存在大幅下降的空 間，儲罐系統(tǒng)做到 1 萬元左右沒有技術(shù)上的障礙。
電堆系統(tǒng)以前的價格非常昂貴，主要是量產(chǎn)和工藝問題，材料上來說，一個總重50kg 的模塊，主要的重量集中于不銹鋼極板，未來的成本下降幅度會非常大，這里給出一個規(guī)模優(yōu)勢帶來的成本下降曲線圖。
圖 6：燃料電池堆體制造成本路線圖
資料來源：車云網(wǎng)、國海證券研究所
這個成本估計的前提是年量產(chǎn)規(guī)模 50 萬臺，80KW 堆型的成本，大約是 2400美金/臺，折合人民幣大約在 1.5 萬左右。這個價格比目前的內(nèi)燃機的價格已經(jīng) 基本差不多，這個成本已經(jīng)較低。
在上述成本估計的情況下，電動車的傳動系統(tǒng)相對簡單，最終燃料電池汽車的成 本和內(nèi)燃機車相比基本差不多，在規(guī)?；慨a(chǎn)的情況下甚至可能會更低。在沒有 補貼的情況下已經(jīng)具備了競爭優(yōu)勢。在目前的國家補貼政策下，燃料電池可能出 現(xiàn)巨大的套利空間。
在使用成本上來說，對消費者我們只關(guān)心使用的直接成本（氫氣的價格，維保 成本），和使用的間接成本——便利性問題。
第一個問題，基本可以從目前日本的情況看出一個大概的經(jīng)濟水平，以及一個 預(yù)測的技術(shù)路線圖來評估。目前日本的加氫成本在 1000 日元/kg，這個折合人 民幣大約在 65 元/kg 左右，折合公里成本大約在 0.5 元/公里的燃料成本?？紤]
內(nèi)燃機的燃油成本和保養(yǎng)成本，已經(jīng)具有很強的經(jīng)濟性了。從未來的發(fā)展來看， 最終氫氣的單價可能降低到 40 元人民幣左右，燃料電池的公里燃料成本大約在0.3 元/公里，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于內(nèi)燃機的使用成本——畢竟內(nèi)燃機的保養(yǎng)成本大約在0.1-0.2 元，而電動車是幾乎沒有保養(yǎng)成本的。
表 4：燃料電池性能和綜合成本路線圖
資料來源：Nevfocus、國海證券研究所
第二個問題涉及到使用的便利性問題。燃料電池汽車和充電式電動汽車的區(qū)別在于發(fā)展初期的成本不一樣。由于加氫時間非常短，在這種情況下商業(yè)模式完全類似商業(yè)加油站，目前的加氫站建設(shè)成本在 3-5 年內(nèi)可能會具備很強的經(jīng)濟型，投資回報很好。即便是在初期，包括出租車、物流車在內(nèi)的特定用途車輛，在一個 城市集中建設(shè)幾座加氫站即可滿足需求，投資小，不需要網(wǎng)絡(luò)支持是加氫站的典 型特征，一旦在具備經(jīng)濟性之后，加氫網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)未來式市場的自發(fā)行為，和依 賴政府補貼的充電網(wǎng)絡(luò)是完全兩個不同的概念。更為關(guān)鍵的是氫作為一種普遍的 化工原料，其不存在市場壟斷行為，和目前的電力市場以及石油市場是完全不同 的，政府也無法從中征收重稅。
最后的一個隱性成本是電池回收的成本，燃料電池的回收率會非常高，核心的催 化劑和極板基本可以回收，而鋰電池的回收分離成本非常高，在大規(guī)模使用的情 況下，污染是較為嚴(yán)重的。這個目前沒有計算到全壽命成本上。
綜合上述的比較，燃料電池在全壽命成本上未來會具備非常突出的優(yōu)勢，甚至 全面超越傳統(tǒng)內(nèi)燃機。由于全電化之后可以實現(xiàn)的自動駕駛和其他復(fù)雜控制，會給用戶帶來非常豐富的用戶體驗。大概率燃料電池汽車會在最終的電動汽車技術(shù) 路線選擇上勝出，時間大約在 2020 年前后，將會是市場自發(fā)啟動燃料電池電動 汽車普及的浪潮，在政府補貼的情況下，我們認(rèn)為在 2017-2018 年在市場準(zhǔn)備了足夠的產(chǎn)能的情況下，可能有望率先爆發(fā)。
圖 7：豐田對 FCV 和 EV 的成本估計
資料來源：豐田公司測算、國海證券研究所
3.5、 安全：很大程度已經(jīng)得到解決
氫氣的安全性是大家較為關(guān)心的一個話題，世界上沒有絕對安全的汽車。目前的 氫燃料系統(tǒng)的安全性復(fù)合日本的汽車設(shè)計規(guī)范，儲氫系統(tǒng)的機械強度滿足一般中 速行駛的撞擊安全性。
相比較而言，目前國內(nèi)很多城市已經(jīng)使用的 CNG 汽車和 LNG 汽車其實是類似 的，沒必要過分擔(dān)心氫氣的安全性。另外從爆炸的角度來說，5kg 氫氣的熱值相 當(dāng)于 22 升汽油的熱值，而且 5kg 氫氣要完全爆炸需要兩個碳纖維瓶同時破損，
這只相當(dāng)于正常汽車油箱容積的 1/3，造成的危害要比汽油車小。
相比于鋰電池的充電式電動汽車，安全性更高。在氫氣泄露和鋰電池穿刺的情況下的一個對比實驗如下圖所示。
圖 8：燃料電池汽車安全性問題
資料來源：上燃動力、國海證券研究所
3.6、 技術(shù)的外溢性才是燃料電池最為核心的優(yōu)勢
燃料電池在汽車上的優(yōu)勢是較為明顯的，但是并不是具有絕對的技術(shù)優(yōu)勢，但是在未來我們更看重燃料電池系統(tǒng)在整個能源系統(tǒng)中的重要地位。
燃料電池的反應(yīng)是一個電化學(xué)過程，其能量轉(zhuǎn)化效率超過 60%，生成物只有水。 而將各種能源轉(zhuǎn)化成氫的方式也是多種多樣的。能源的生產(chǎn)方式是向著能量密度 越來越高的方式進(jìn)行演進(jìn)，從畜力到化石能源，從化石能源到核能，如果從這個 思路上來看，將能源的生產(chǎn)端向光伏和風(fēng)電演進(jìn)可能是錯誤的技術(shù)路線。能源的 總量豐富和能源的富集程度是兩個概念，我們應(yīng)該將注意力轉(zhuǎn)向?qū)δ茉吹南M和 利用模式。碳的問題不是核心問題，低碳也不應(yīng)成為能源系統(tǒng)的主要驅(qū)動因素， 在中國受到國際上環(huán)保思潮的影響，國內(nèi)主要的驅(qū)動因素是發(fā)展新能源，甚至核 電因為安全性和選址的問題都是一拖再拖，進(jìn)度落后于預(yù)期。但是在日本和歐美， 燃料電池技術(shù)的興起配套這些年傳感器和算法技術(shù)的提升，能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)向電力 轉(zhuǎn)化的特征越來越明顯，未來終端能源消費模式中，電的占比可能大幅超越其 他形式的能源，天然氣、石油和煤炭的占比有望快速下降，這個可能才是結(jié)束 石油時代的核心決定因素，才是將能源結(jié)構(gòu)調(diào)整成低碳的最主要的驅(qū)動因素——因為傳統(tǒng)的化石能源無法滿足新設(shè)備對能源模式的要求。
由于在能量密度、電子控制、轉(zhuǎn)化效率上的絕對優(yōu)勢，氫有望成為未來能源系 統(tǒng)的核心，所有形式的能源轉(zhuǎn)化成氫氣，通過管道運輸?shù)较M終端，在消費終端轉(zhuǎn)化成熱能（直接燃燒）和電能（燃料電池），使得終端消費者獲得單位熱值或 者電力的成本顯著下降，從根本上來說，能源的傳輸網(wǎng)從現(xiàn)在的電網(wǎng)，天然氣管 道，石油管道最終簡化成單一的氫能源網(wǎng)絡(luò)，天然氣和石油的主要用途不再是用 于燃燒，而是主要用戶化工原材料。氫能源支持下的汽車用氫網(wǎng)絡(luò)和個人用戶所 需要的氫能網(wǎng)絡(luò)重疊，支撐起整個經(jīng)濟體系的能源市場。這將大幅度的降低能源 基礎(chǔ)設(shè)備的建設(shè)和維護(hù)成本，增強能源網(wǎng)的安全和穩(wěn)定，真正實現(xiàn)分布式能源。
氫能源的真正環(huán)保不是來自于消費側(cè)，在消費端氫只會轉(zhuǎn)化成水，而不管是化石 能源還是非化石能源，在生產(chǎn)側(cè)可以實現(xiàn)真正意義上的污染集中處理，最終可以 將人類能源消耗對環(huán)境的影響降到最低，這才是最終的能源模式，也是日本十幾 年前即倡導(dǎo)的“氫能社會”。
中國的能源發(fā)展戰(zhàn)略從技術(shù)路線的角度大概率是錯誤的，在生產(chǎn)側(cè)加大投入可以 已經(jīng)出現(xiàn)了技術(shù)偏離，并且使得消費側(cè)新能源技術(shù)的發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國際水平， 在下一代的能源競爭格局中可能落后于競爭對手。
氫能的工廠制備，擺脫了傳統(tǒng)的化石能源——特別是石油天然氣——對地域的 的依賴，未來能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變可能會極大的改變中東地區(qū)的政治和能源版圖， 同時對全球的能源貿(mào)易和國際美元市場造成巨大的沖擊。
