氫燃料電池汽車產業價值鏈分析

鄧昉源 鄒安全

（1.中山大學國際金融學院，珠海 519082；2.佛山科學技術學院經濟管理與法學院，佛山 528000）

主題詞：氫燃料汽車 氫燃料電池 價值鏈

1 引言

新能源只有具備能量密度上碾壓性優勢，才能顛覆傳統能源歷經數個世紀建立起來的龐大基礎設施和產業體系。氫氣是常見燃料中熱值最高的能量載體，其熱值為142 kJ/g，是汽油的3倍，煤炭的5倍。這意味著，在同樣質量的氫氣、煤炭和石油所產生的能量，氫氣的能量密度是最大的，這一特性是實現汽車綠色、可持續發展的重要因素之一。

氫燃料電池汽車被稱為“終極環保車”，其排放物為水，能有效解決汽車使用過程中產生的空氣污染問題，作為可再生資源，氫儲量豐富，也能解決能源貧乏的問題[1]，目前，不僅氫燃料電池乘用車的研發取得突破，大型氫燃料電池商用車也正在研發[2]，氫燃料電池汽車有希望引導汽車、能源工業的變革[3-4]。

我國的氫燃料電池汽車主要用于示范運營，處于探索氫燃料電池汽車商業化運營模式階段，而日本氫燃料電池汽車先行一步，尤其是豐田汽車在燃料電池汽車領域遙遙領先[5-6]。從1992年啟動氫燃料電池車研發項目開始，豐田汽車投入了大量資源，其氫燃料電池方面的專利居世界前列[7-8]，并在產品性能、質量與成本上取得重大突破，豐田氫燃料電池車在近10年里生產成本大幅縮減，發電效率處于了世界先進水平，氫燃料電池功率密度達到了3.1 kW/L，比2008年的燃料電池性能整整提升了2.2倍。

2007年，豐田制造出氫燃料電池示范樣車，其成本極高，僅燃料電池堆，每輛車的成本都接近100萬美元，然而，該車型于2015年初在北美上市時，整車售價僅為6萬元美元，大幅降到了原來的5%左右。豐田于2018年開始建設年產3萬輛的氫燃料電池汽車生產基地，由作坊式生產向小批量制造邁進，新一代Maria車型將于2020年推出，價格有可能降低四成，每輛售價預計僅3萬美元左右，價格與同類型內燃機汽車大致相當。在氫燃料電池系統方面，韓國現代的NEXO能量轉化效率達到60%，大大減少了氫燃料轉換為電能的損耗，加滿氫氣僅需5 min，可實現609 km的續航里程(韓國標準)，達到了世界領先水平。2016年工信部發布的《節能與新能源汽車技術路線圖》提出了中國2020年的氫燃料乘用車成本將低于30萬，2023年將低于20萬元，2030年將低于18萬元。

經過十幾年發展，我國在燃料電池領域基本掌握了整車設計、動力系統與關鍵零部件的核心技術，建立了具有自主知識產權、比較完整的氫燃料電池汽車研發技術平臺，形成了燃料電池、逆變器、整車控制系統、驅動電機、車載儲氫系統等關鍵零部件配套研發體系，初步具有氫燃料電池汽車動力系統研發平臺與整車生產能力[9]，但目前也存在如下問題。

第一，對氫燃料電池汽車的迅速發展預期不足，前期不夠重視，投入少，沒有形成完整的、有競爭力的產業鏈。目前國內氫燃料電池汽車研發落后于日韓，日韓的氫燃料電池汽車產品性能已取得一定程度的突破，并已小批量生產。

第二，核心零部件和整車性能與國際先進水平差距大，配套性差。氫燃料電池的膜電極、空壓機、氫泵以及儲氫瓶、加氫槍和軟管等加氫站的關鍵部件多數是采用進口來滿足國內需求，其中高壓氫用材料的研究與應用落后于國際先進水平。

深入分析氫燃料電池汽車價值鏈，有助于了解其核心價值，引導企業、研究機構研發核心技術，建立具有優勢的產業鏈網絡，在氫燃料電池汽車這一戰略性新技術變革中找準自己的位置，在價值鏈的某個或幾個環節建立自己的競爭優勢。

2 氫燃料汽車價值鏈的利益相關者

波特認為，每一個企業都是在設計、生產、銷售、發送和輔助其產品的過程中進行種種活動的集合體。所有這些活動可以用一個價值鏈來表明，企業的價值創造是通過一系列活動構成的[10]。

氫燃料汽車價值鏈中，上游包括制氫、儲存運輸氫氣、加氫站，中游包括氫燃料電池、燃料電池系統及零部件生產制造、組裝，下游包括營銷和服務等眾多環節，見圖1。由于氫燃料汽車是一個新興的產業，政府在政策、金融方面積極扶持、促進它的發展，并會受益于氫燃料汽車發展，顯然，也是氫燃料汽車價值鏈中不可或缺的利益相關者。

圖1 氫燃料汽車價值鏈相關利益者結構模型

2.1 政府

汽車產業是一個十分重要的國民經濟支柱之一，全球2018年銷售9 000多萬輛，其中中國銷售達2 800多萬輛，汽車產業的發展相對一般的工業產品更受到政府的關注。汽車產業對中國的制造業產業升級和實現“中國制造2025”是關鍵的一環。由于氫燃料電池汽車產業是一個新興行業，政府首要考慮的問題是氫燃料汽車對未來的能源、交通運輸與環境保護政策的影響。政府積極參與制定相關的行業政策，帶頭參與對氫燃料制造、儲存、加氣站等基礎設施建設的投資，通過金融投資、多方合作、共享信息和產業政策使氫燃料電池汽車行業健康發展。

政府積極地參與整個氫能產業與氫燃料電池汽車產業布局和產業政策設計。中國政府發布的《汽車產業中長期發展規劃》、《“十三五”交通領域科技創新專項規劃》、《國家燃料電池發展路線圖》、《“十三五”國家戰略性新興產業發展規劃》等都將以氫燃料電池汽車作為未來新能源汽車發展的重點領域。根據最新的國家新能源汽車補貼政策，即2019年3月26日四部委聯合發布的《關于進一步完善新能源汽車推廣應用財政補貼政策的通知》，通知大幅削減了針對純電動和插電式混合動力汽車的稅收優惠，而氫燃料電池汽車的補貼政策到2020年都不改變。《中國制造2025》提出實現燃料電池汽車的運行規模進一步擴大，到2025年，氫燃料電池汽車的配套基礎設施基本完善，燃料電池汽車初步實現小規模區域運行。

日本、韓國、美國政府都制定了氫能與燃料電池汽車支持政策，對氫燃料汽車的發展提供政策、資金等方面的支持。日本政府先后通過了“日本再復興計劃”、“能源基本計劃”、“氫和燃料電池戰略圖”，規劃和支持日本燃料電池能源的發展，對氫燃料電池研發和氫氣站建設給予補貼[11]，美國為氫燃料電池汽車和加氫站建設提供稅收和費用減免優惠。

2.2 氫燃料電池汽車價值鏈上游

氫燃料電池汽車需要氫氣作為燃料，加氫站等基礎設施發展是是氫燃料電池汽車發展的關鍵要素之一，制氫、儲氫、加氫站等產業作為主要參與者為價值鏈的上游。氫氣的制備主要技術方式有電解水法、化石原料制氫、工業副產品制氫法、水煤氣法制氫、甲醇重整制氫等；氫氣的儲運環節，主要技術方式包括高壓氣態、低溫液態、固體材料儲氫和有機液態儲運[12-13]；加氫站包括6個主要子系統：調壓系統、干燥系統、壓縮系統、儲存系統、加注系統和控制系統，其中氫氣壓縮機、高壓儲氫罐、氫氣加注機是加氫站系統的3大核心裝備[14]。

2.3 氫燃料電池汽車價值鏈中游

氫燃料電池汽車價值鏈中游包括氫燃料電池堆、車載儲氫系統、電機、控制系統和其它零部件生產及氫燃料電池汽車的組裝。

燃料電池堆是價值鏈核心，也是燃料電池汽車中最為關鍵的部分，是將氫燃料轉換為電能的發電裝置，氫和空氣在電池堆發生反應，產生電能。氫燃料電池系統分為電池電堆和輔助子系統兩大部分，其中燃料電池電堆中的核心材料分為質子交換膜、雙極板、催化劑、氣體擴散層及其他部件，輔助子系統包括了供氫子系統、供氣子系統、水管理系統、熱管理系統、系統控制等部件。

車載儲氫系統是燃料電池汽車重要部件，可以分為硬件和控制系統兩部分。硬件系統包括碳纖維纏繞鋁內膽儲氫瓶、組合式瓶閥、溢流閥、減壓閥、壓力/溫度傳感器等組成。而控制系統則是通過軟件程序根據壓力/溫度傳感器的反饋信號對系統的電磁閥進行開/關控制，并監控車載供氫系統的即時狀態。

氫燃料電池汽車無需自動變速箱，由電機提供動力。相對于機械變速箱，電機結構簡單、效率高、運行穩定。電機驅動控制系統是氫燃料電池汽車車輛行使中的主要執行結構，其驅動特性直接影響氫燃料電池汽車的性能，是氫燃料電池汽車核心部件之一[15]。

氫燃料電池汽車的整車控制系統和其它類型的新能源汽車功能基本是類似的，它負責對氫燃料電池系統、車載氫能系統、動力轉向系統、電機驅動系統、制動與能源回收系統以及其它輔助系統進行監控和管理。

2.4 氫燃料電池汽車價值鏈下游

由于氫燃料電池汽車推進系統的轉變，將驅動價值鏈中專注于服務的要素也將發生變革，即氫燃料電池汽車所需保養維護將由內燃機為主轉向氫燃料電池堆，為傳統內燃機汽車提供服務的公司將轉為氫燃料電池汽車提供服務和提供氫燃料、保養、租賃及駕駛者相關服務。

3 氫燃料電池汽車價值鏈分析

作為內燃機汽車的顛覆者，氫氣是氫燃料電池汽車的動力來源。氫氣的制造商、運營商將是直接的受益者，在中國，這將是一個上萬億的市場，直接替代原來屬于燃油的市場。燃油的原料供應商、生產商及相關經營者將逐漸失去這樣的傳統汽車市場。目前高純氫的價格為50～60元/kg，但高昂的加氫價格導致氫燃料電池汽車的實際運營成本會很高，氫氣是危險的易燃氣體，它的建設不同于普通的油氣站[16]，需要更嚴格的消防和安全要求，加上城市規劃土地供應有限，目前在中國建設一座日加氫能力200 kg的加氫站至少需要1 000多萬元。投入高、收益少和技術瓶頸成為制約加氫站建設的主要原因，加氫站的數量不足也成為氫燃料電池汽車推廣運營的障礙[17]。

氫燃料電池汽車的零部件處于創新階段，有著廣闊的發展前景。氫燃料電池汽車的核心零部件是氫燃料電池堆、車載儲氫系統、驅動電機和整車控制系統，其中氫燃料電池堆是氫燃料電池汽車最核心的元件。生產氫燃料電池系統成本構成見圖2，其中催化劑和雙極板成本在電堆成本構成的占比較大，空氣供給系統和熱管理系統成本在輔助子系統成本構成的占比比較大。目前Mirai的燃料電池系統占氫燃料電池汽車成本的30%左右，加上車載儲氫系統、驅動電機和整車控制系統，約占整車成本約70%。當然，隨著產量的不斷擴大和持續的技術革新，相對應的成本比重會降低，氫燃料電池堆在氫燃料汽車里的重要性已經遠遠超過了傳統引擎在內燃機汽車里的重要性。

圖2 氫燃料電池系統成本構成

目前，氫燃料電池能量轉化效率50%～70%，功率密度達3.1 kW/L和2.0 kW/kg的水平，能量轉化效率明顯優于內燃機。氫燃料電池汽車商業化進程中的主要阻礙之一是價格高昂的貴金屬催化劑鉑的稀缺，低鉑或無鉑催化劑是未來研究重點[5]。目前Mirai單車鉑消耗量約為20 g，比汽油車消耗要高10～15 g，如果以這樣的技術生產氫燃料電池汽車，每年車用燃料電池需求的鉑資源將高達1 000 t，遠超過全球鉑的年產量（2017年為190 t），降低鉑用量的近期目標是到2020年，氫燃料電池電堆的鉑用量下降到0.1 g/kW左右，長期目標是催化劑用量小于0.05 g/kW。

鋰電池作為新能源汽車的能源載體，是氫燃氣電池的最大競爭對手。目前，鋰電池市場的發展比較成熟。然而，氫燃氣電池具有電池無法比擬的優點，氫的比能量遠遠超過鋰電池，氫燃料電池在環境溫度為-20℃～60℃左右的情況下可以正常工作。

氫燃料電池的原料氫氣主要缺點就是體積能量密度不高，車載儲氫現在基本上是采用加壓來解決這個問題[13]，豐田Mirai配置兩個儲氫罐，采用碳纖維＋凱夫拉（防彈衣面料）材料，其外殼最大可承受70 MPa的壓力，儲氫密度達到全球最高水平的5.7 wt%，100 MPa級別的儲氫罐正在研究中。

本實驗以枸杞子對照藥材為研究對象，希望通過不同的預處理方法，改善其粉碎過程中出現的黏附、粘連等現象。通過考察不同的預處理方法處理后的藥材，與直接粉碎的枸杞子藥材相比較，在滿足特性量值未發生顯著變化的前提下，找到一種或幾種適合含糖量高、黏性大、不易粉碎的中藥材預處理方法，既提高其粉碎效率，又為后續的分裝工作提供便利。同時，通過控制粉碎環境的濕度，避免藥材在粉碎過程中吸潮。

目前Tesla Model S60的鋰電動力電池系統的能量密度為156 W·h/kg，其理論續航里程為480 km，電池重量723 kg；豐田電池系統儲氫系統體積122 L，重量90 kg，電池重量56 kg，性能還有繼續提高的潛力。

按目前理論容量最高的兩種鋰電池正負極材料來計算理論比能量，負極采用比容量為4 200 mA·h/g的Si，正極采用比容量為286 mA·h/g的LiMnO2，鋰電比能量=容量×輸出電壓/質量=4 200×4/(1+4 200/286)=3.86 kJ/g，電池殼等輔件的系數按0.5計算，其最終比能量=3.86×0.5=1.93 kJ/g，約536 W·h/kg。

而氫的理論比能量為142 kJ/g，是鋰電池理論比能量的71倍，儲氫密度按5.7 wt%計算，其比能量=142×0.057=8.09 kJ/g，約2 248 W·h/kg，為鋰電池4倍左右。

現有鋰電池的每度電成本為1 200元/kW·h，未來有望降至1 000元/kW·h，載60度電的電動車，電池成本為6萬元。電池組和高壓儲氫罐在燃料電池汽車成本中占相當大比重，現在110 kW電池組的成本為1.2萬美元，隨著技術進步和產量的提高，單位成本有希望降至30美元/kW，即2萬元；122 L儲氫罐目前成本為6萬元，有望降至3.5萬元，未來電池組和高壓儲氫罐的總成本為5.5萬元，與鋰電池成本差別不大。

因此，從能源、環保、產業升級和可持續發展的角度來看，氫燃料電池汽車是內燃機汽車的最佳替代品。一方面，氫燃料電池汽車在環保方面優于鋰電池電動汽車，它不需要鋰、鈷、錳、鎳等有色金屬，這些金屬在生產、回收的過程中會產生大量的污染，鉑在氫燃料電池工作時只起催化作用，沒有損耗，可完全回收。另一方面，在續航力和補充能源的時間等方面都優于鋰電池電動商用車，與燃油車相差無幾。

傳統的內燃機只能在一個窄的轉速范圍內高效地產生轉矩，因此傳統內燃機汽車需要龐大而復雜的變速機構；而電動機可以在寬的轉速范圍內高效產生轉矩，在行駛過程中不需要換擋變速裝置[15]，操縱簡單高效，聲噪低。氫燃料電池堆取代內燃機，電傳動取代機械傳動機構，導致汽車的屬性由機械向電子化產品轉變。現在的汽車在價值方面，70%為機械，30%為電子，未來氫燃料電池汽車可能70%為電子，30%為機械。這會導致生產機械傳動機構零件減少，生產、加工機械傳動機構零件的機械產業會萎縮。

氫燃料電池汽車的結構更為簡單，隨著電氣化以及電機產品特有的零部件的模塊化發展，零件數量將由傳統汽車的30 000個左右大大減少，產品設計所需的整合性設計環節可大大減少。尤其當氫燃料電池汽車動力系統的電動化得到加速發展時，現有內燃機汽車制造商積累多年、具有核心競爭力的專業技術將失去作用，現有的內燃機發動機技術、開發技術團隊等開發動力系統所需的核心能力在新的動力系統競爭下，其重要性大大降低。

“微笑曲線”理論中，近于U形的曲線代表整條產業鏈(圖3)，曲線左端是研發環節，右端是營銷環節，中間是制造環節，制造環節利潤低附加值低，研發和營銷利潤高附加值高[18]。氫燃料電池汽車價值鏈中，氫燃料電池的研發設計將居于這個價值鏈的頂端，整車組裝生產環節附加值不斷降低，比傳統內燃機汽車的將會更低。營銷和服務等領域，則由于氫燃料汽車是個新興的行業，需要拓展新客戶和金融支持，具有很大的市場。高價值環節一般是具有核心競爭力的技術、較高的進入壁壘、較長時間的知識產權保護，如不斷帶來收入的專利技術和對影響消費者有直接影響的品牌效應是高收益的重要來源[18]。

圖3 產業微笑曲線[18]

在發展成熟的國際市場上，關于傳統汽車服務業，包括汽車的銷售、維修、金融（貸款，保險）、回收業務，即所謂的汽車后市場創造的利潤是整個汽車產業的50%左右，在許多汽車制造巨頭的經營盈利中，銷售、維修、金融等汽車服務業帶來的收益遠高于汽車制造環節創造的收益。氫燃料電池汽車產業為新的顛覆性的技術所驅動，未來與共享、自動駕駛等技術相結合，將會為相關的服務行業帶來新的快速發展機遇和新的利潤增長點。

3 結論

（1）氫氣是最理想的清潔能源，也是傳統能源最有希望的替代者，可能是最終的能源解決方案。未來，人類將進入新的能源社會—氫能社會。氫燃料電池汽車正在向產業化迅速發展，其價值鏈結構不同于一般工業商品，具有價值大、影響廣泛的特點，可以解決我國對外國能源依賴，對我國的能源安全、環境保護、產業升級、經濟可持續發展有重大影響。

（2）氫燃料汽車將使目前的汽車產業鏈發生巨大變化。氫燃料汽車的核心部件是氫燃料電池堆、車載儲氫系統、驅動電機和整車控制系統，這些產品的制造商和氫氣的供應商將會受益，而為傳統汽車制造商提供內燃機、變速器及其他發動機部件的企業和燃油供應商正在面臨失去市場的巨大風險。

（3）氫燃料電池汽車將使汽車由機械驅動轉變為電子驅動，汽車將成為電氣為主的產品，氫燃料電池汽車由于機械零件的大幅度減少及電氣零件的模塊化，使氫燃料汽車的組裝會更簡單。

（4）氫燃料電池汽車價值鏈中，氫燃料汽車電池系統是其中重要的部分，居價值鏈的高端，是研發技術中的關鍵，性能需繼續提高；車載儲氫系統的性能也有待繼續提升；電機、電控系統等其它零部件基本上能滿足氫燃料電池汽車性能要求，研發、制造面臨的不確定較小，技術較為成熟。

（5）氫燃料電池汽車將是一個全新的、快速發展的新興行業，中國氫燃料電池汽車應當注重培養培養自主品牌，建立自己的研發、制造和服務的產業鏈，在全球氫燃料價值鏈占據有利的位置，為發展氫燃料汽車這一戰略性新興產業做出積極的貢獻。