氢燃料电池汽车产业价值链分析

邓昉源 邹安全

（1.中山大学国际金融学院，珠海 519082；2.佛山科学技术学院经济管理与法学院，佛山 528000）

主题词：氢燃料汽车 氢燃料电池 价值链

1 引言

新能源只有具备能量密度上碾压性优势，才能颠覆传统能源历经数个世纪建立起来的庞大基础设施和产业体系。氢气是常见燃料中热值最高的能量载体，其热值为142 kJ/g，是汽油的3倍，煤炭的5倍。这意味着，在同样质量的氢气、煤炭和石油所产生的能量，氢气的能量密度是最大的，这一特性是实现汽车绿色、可持续发展的重要因素之一。

氢燃料电池汽车被称为“终极环保车”，其排放物为水，能有效解决汽车使用过程中产生的空气污染问题，作为可再生资源，氢储量丰富，也能解决能源贫乏的问题[1]，目前，不仅氢燃料电池乘用车的研发取得突破，大型氢燃料电池商用车也正在研发[2]，氢燃料电池汽车有希望引导汽车、能源工业的变革[3-4]。

我国的氢燃料电池汽车主要用于示范运营，处于探索氢燃料电池汽车商业化运营模式阶段，而日本氢燃料电池汽车先行一步，尤其是丰田汽车在燃料电池汽车领域遥遥领先[5-6]。从1992年启动氢燃料电池车研发项目开始，丰田汽车投入了大量资源，其氢燃料电池方面的专利居世界前列[7-8]，并在产品性能、质量与成本上取得重大突破，丰田氢燃料电池车在近10年里生产成本大幅缩减，发电效率处于了世界先进水平，氢燃料电池功率密度达到了3.1 kW/L，比2008年的燃料电池性能整整提升了2.2倍。

2007年，丰田制造出氢燃料电池示范样车，其成本极高，仅燃料电池堆，每辆车的成本都接近100万美元，然而，该车型于2015年初在北美上市时，整车售价仅为6万元美元，大幅降到了原来的5%左右。丰田于2018年开始建设年产3万辆的氢燃料电池汽车生产基地，由作坊式生产向小批量制造迈进，新一代Maria车型将于2020年推出，价格有可能降低四成，每辆售价预计仅3万美元左右，价格与同类型内燃机汽车大致相当。在氢燃料电池系统方面，韩国现代的NEXO能量转化效率达到60%，大大减少了氢燃料转换为电能的损耗，加满氢气仅需5 min，可实现609 km的续航里程(韩国标准)，达到了世界领先水平。2016年工信部发布的《节能与新能源汽车技术路线图》提出了中国2020年的氢燃料乘用车成本将低于30万，2023年将低于20万元，2030年将低于18万元。

经过十几年发展，我国在燃料电池领域基本掌握了整车设计、动力系统与关键零部件的核心技术，建立了具有自主知识产权、比较完整的氢燃料电池汽车研发技术平台，形成了燃料电池、逆变器、整车控制系统、驱动电机、车载储氢系统等关键零部件配套研发体系，初步具有氢燃料电池汽车动力系统研发平台与整车生产能力[9]，但目前也存在如下问题。

第一，对氢燃料电池汽车的迅速发展预期不足，前期不够重视，投入少，没有形成完整的、有竞争力的产业链。目前国内氢燃料电池汽车研发落后于日韩，日韩的氢燃料电池汽车产品性能已取得一定程度的突破，并已小批量生产。

第二，核心零部件和整车性能与国际先进水平差距大，配套性差。氢燃料电池的膜电极、空压机、氢泵以及储氢瓶、加氢枪和软管等加氢站的关键部件多数是采用进口来满足国内需求，其中高压氢用材料的研究与应用落后于国际先进水平。

深入分析氢燃料电池汽车价值链，有助于了解其核心价值，引导企业、研究机构研发核心技术，建立具有优势的产业链网络，在氢燃料电池汽车这一战略性新技术变革中找准自己的位置，在价值链的某个或几个环节建立自己的竞争优势。

2 氢燃料汽车价值链的利益相关者

波特认为，每一个企业都是在设计、生产、销售、发送和辅助其产品的过程中进行种种活动的集合体。所有这些活动可以用一个价值链来表明，企业的价值创造是通过一系列活动构成的[10]。

氢燃料汽车价值链中，上游包括制氢、储存运输氢气、加氢站，中游包括氢燃料电池、燃料电池系统及零部件生产制造、组装，下游包括营销和服务等众多环节，见图1。由于氢燃料汽车是一个新兴的产业，政府在政策、金融方面积极扶持、促进它的发展，并会受益于氢燃料汽车发展，显然，也是氢燃料汽车价值链中不可或缺的利益相关者。

图1 氢燃料汽车价值链相关利益者结构模型

2.1 政府

汽车产业是一个十分重要的国民经济支柱之一，全球2018年销售9 000多万辆，其中中国销售达2 800多万辆，汽车产业的发展相对一般的工业产品更受到政府的关注。汽车产业对中国的制造业产业升级和实现“中国制造2025”是关键的一环。由于氢燃料电池汽车产业是一个新兴行业，政府首要考虑的问题是氢燃料汽车对未来的能源、交通运输与环境保护政策的影响。政府积极参与制定相关的行业政策，带头参与对氢燃料制造、储存、加气站等基础设施建设的投资，通过金融投资、多方合作、共享信息和产业政策使氢燃料电池汽车行业健康发展。

政府积极地参与整个氢能产业与氢燃料电池汽车产业布局和产业政策设计。中国政府发布的《汽车产业中长期发展规划》、《“十三五”交通领域科技创新专项规划》、《国家燃料电池发展路线图》、《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》等都将以氢燃料电池汽车作为未来新能源汽车发展的重点领域。根据最新的国家新能源汽车补贴政策，即2019年3月26日四部委联合发布的《关于进一步完善新能源汽车推广应用财政补贴政策的通知》，通知大幅削减了针对纯电动和插电式混合动力汽车的税收优惠，而氢燃料电池汽车的补贴政策到2020年都不改变。《中国制造2025》提出实现燃料电池汽车的运行规模进一步扩大，到2025年，氢燃料电池汽车的配套基础设施基本完善，燃料电池汽车初步实现小规模区域运行。

日本、韩国、美国政府都制定了氢能与燃料电池汽车支持政策，对氢燃料汽车的发展提供政策、资金等方面的支持。日本政府先后通过了“日本再复兴计划”、“能源基本计划”、“氢和燃料电池战略图”，规划和支持日本燃料电池能源的发展，对氢燃料电池研发和氢气站建设给予补贴[11]，美国为氢燃料电池汽车和加氢站建设提供税收和费用减免优惠。

2.2 氢燃料电池汽车价值链上游

氢燃料电池汽车需要氢气作为燃料，加氢站等基础设施发展是是氢燃料电池汽车发展的关键要素之一，制氢、储氢、加氢站等产业作为主要参与者为价值链的上游。氢气的制备主要技术方式有电解水法、化石原料制氢、工业副产品制氢法、水煤气法制氢、甲醇重整制氢等；氢气的储运环节，主要技术方式包括高压气态、低温液态、固体材料储氢和有机液态储运[12-13]；加氢站包括6个主要子系统：调压系统、干燥系统、压缩系统、储存系统、加注系统和控制系统，其中氢气压缩机、高压储氢罐、氢气加注机是加氢站系统的3大核心装备[14]。

2.3 氢燃料电池汽车价值链中游

氢燃料电池汽车价值链中游包括氢燃料电池堆、车载储氢系统、电机、控制系统和其它零部件生产及氢燃料电池汽车的组装。

燃料电池堆是价值链核心，也是燃料电池汽车中最为关键的部分，是将氢燃料转换为电能的发电装置，氢和空气在电池堆发生反应，产生电能。氢燃料电池系统分为电池电堆和辅助子系统两大部分，其中燃料电池电堆中的核心材料分为质子交换膜、双极板、催化剂、气体扩散层及其他部件，辅助子系统包括了供氢子系统、供气子系统、水管理系统、热管理系统、系统控制等部件。

车载储氢系统是燃料电池汽车重要部件，可以分为硬件和控制系统两部分。硬件系统包括碳纤维缠绕铝内胆储氢瓶、组合式瓶阀、溢流阀、减压阀、压力/温度传感器等组成。而控制系统则是通过软件程序根据压力/温度传感器的反馈信号对系统的电磁阀进行开/关控制，并监控车载供氢系统的即时状态。

氢燃料电池汽车无需自动变速箱，由电机提供动力。相对于机械变速箱，电机结构简单、效率高、运行稳定。电机驱动控制系统是氢燃料电池汽车车辆行使中的主要执行结构，其驱动特性直接影响氢燃料电池汽车的性能，是氢燃料电池汽车核心部件之一[15]。

氢燃料电池汽车的整车控制系统和其它类型的新能源汽车功能基本是类似的，它负责对氢燃料电池系统、车载氢能系统、动力转向系统、电机驱动系统、制动与能源回收系统以及其它辅助系统进行监控和管理。

2.4 氢燃料电池汽车价值链下游

由于氢燃料电池汽车推进系统的转变，将驱动价值链中专注于服务的要素也将发生变革，即氢燃料电池汽车所需保养维护将由内燃机为主转向氢燃料电池堆，为传统内燃机汽车提供服务的公司将转为氢燃料电池汽车提供服务和提供氢燃料、保养、租赁及驾驶者相关服务。

3 氢燃料电池汽车价值链分析

作为内燃机汽车的颠覆者，氢气是氢燃料电池汽车的动力来源。氢气的制造商、运营商将是直接的受益者，在中国，这将是一个上万亿的市场，直接替代原来属于燃油的市场。燃油的原料供应商、生产商及相关经营者将逐渐失去这样的传统汽车市场。目前高纯氢的价格为50～60元/kg，但高昂的加氢价格导致氢燃料电池汽车的实际运营成本会很高，氢气是危险的易燃气体，它的建设不同于普通的油气站[16]，需要更严格的消防和安全要求，加上城市规划土地供应有限，目前在中国建设一座日加氢能力200 kg的加氢站至少需要1 000多万元。投入高、收益少和技术瓶颈成为制约加氢站建设的主要原因，加氢站的数量不足也成为氢燃料电池汽车推广运营的障碍[17]。

氢燃料电池汽车的零部件处于创新阶段，有着广阔的发展前景。氢燃料电池汽车的核心零部件是氢燃料电池堆、车载储氢系统、驱动电机和整车控制系统，其中氢燃料电池堆是氢燃料电池汽车最核心的元件。生产氢燃料电池系统成本构成见图2，其中催化剂和双极板成本在电堆成本构成的占比较大，空气供给系统和热管理系统成本在辅助子系统成本构成的占比比较大。目前Mirai的燃料电池系统占氢燃料电池汽车成本的30%左右，加上车载储氢系统、驱动电机和整车控制系统，约占整车成本约70%。当然，随着产量的不断扩大和持续的技术革新，相对应的成本比重会降低，氢燃料电池堆在氢燃料汽车里的重要性已经远远超过了传统引擎在内燃机汽车里的重要性。

图2 氢燃料电池系统成本构成

目前，氢燃料电池能量转化效率50%～70%，功率密度达3.1 kW/L和2.0 kW/kg的水平，能量转化效率明显优于内燃机。氢燃料电池汽车商业化进程中的主要阻碍之一是价格高昂的贵金属催化剂铂的稀缺，低铂或无铂催化剂是未来研究重点[5]。目前Mirai单车铂消耗量约为20 g，比汽油车消耗要高10～15 g，如果以这样的技术生产氢燃料电池汽车，每年车用燃料电池需求的铂资源将高达1 000 t，远超过全球铂的年产量（2017年为190 t），降低铂用量的近期目标是到2020年，氢燃料电池电堆的铂用量下降到0.1 g/kW左右，长期目标是催化剂用量小于0.05 g/kW。

锂电池作为新能源汽车的能源载体，是氢燃气电池的最大竞争对手。目前，锂电池市场的发展比较成熟。然而，氢燃气电池具有电池无法比拟的优点，氢的比能量远远超过锂电池，氢燃料电池在环境温度为-20℃～60℃左右的情况下可以正常工作。

氢燃料电池的原料氢气主要缺点就是体积能量密度不高，车载储氢现在基本上是采用加压来解决这个问题[13]，丰田Mirai配置两个储氢罐，采用碳纤维＋凯夫拉（防弹衣面料）材料，其外壳最大可承受70 MPa的压力，储氢密度达到全球最高水平的5.7 wt%，100 MPa级别的储氢罐正在研究中。

本实验以枸杞子对照药材为研究对象，希望通过不同的预处理方法，改善其粉碎过程中出现的黏附、粘连等现象。通过考察不同的预处理方法处理后的药材，与直接粉碎的枸杞子药材相比较，在满足特性量值未发生显著变化的前提下，找到一种或几种适合含糖量高、黏性大、不易粉碎的中药材预处理方法，既提高其粉碎效率，又为后续的分装工作提供便利。同时，通过控制粉碎环境的湿度，避免药材在粉碎过程中吸潮。

目前Tesla Model S60的锂电动力电池系统的能量密度为156 W·h/kg，其理论续航里程为480 km，电池重量723 kg；丰田电池系统储氢系统体积122 L，重量90 kg，电池重量56 kg，性能还有继续提高的潜力。

按目前理论容量最高的两种锂电池正负极材料来计算理论比能量，负极采用比容量为4 200 mA·h/g的Si，正极采用比容量为286 mA·h/g的LiMnO2，锂电比能量=容量×输出电压/质量=4 200×4/(1+4 200/286)=3.86 kJ/g，电池壳等辅件的系数按0.5计算，其最终比能量=3.86×0.5=1.93 kJ/g，约536 W·h/kg。

而氢的理论比能量为142 kJ/g，是锂电池理论比能量的71倍，储氢密度按5.7 wt%计算，其比能量=142×0.057=8.09 kJ/g，约2 248 W·h/kg，为锂电池4倍左右。

现有锂电池的每度电成本为1 200元/kW·h，未来有望降至1 000元/kW·h，载60度电的电动车，电池成本为6万元。电池组和高压储氢罐在燃料电池汽车成本中占相当大比重，现在110 kW电池组的成本为1.2万美元，随着技术进步和产量的提高，单位成本有希望降至30美元/kW，即2万元；122 L储氢罐目前成本为6万元，有望降至3.5万元，未来电池组和高压储氢罐的总成本为5.5万元，与锂电池成本差别不大。

因此，从能源、环保、产业升级和可持续发展的角度来看，氢燃料电池汽车是内燃机汽车的最佳替代品。一方面，氢燃料电池汽车在环保方面优于锂电池电动汽车，它不需要锂、钴、锰、镍等有色金属，这些金属在生产、回收的过程中会产生大量的污染，铂在氢燃料电池工作时只起催化作用，没有损耗，可完全回收。另一方面，在续航力和补充能源的时间等方面都优于锂电池电动商用车，与燃油车相差无几。

传统的内燃机只能在一个窄的转速范围内高效地产生转矩，因此传统内燃机汽车需要庞大而复杂的变速机构；而电动机可以在宽的转速范围内高效产生转矩，在行驶过程中不需要换挡变速装置[15]，操纵简单高效，声噪低。氢燃料电池堆取代内燃机，电传动取代机械传动机构，导致汽车的属性由机械向电子化产品转变。现在的汽车在价值方面，70%为机械，30%为电子，未来氢燃料电池汽车可能70%为电子，30%为机械。这会导致生产机械传动机构零件减少，生产、加工机械传动机构零件的机械产业会萎缩。

氢燃料电池汽车的结构更为简单，随着电气化以及电机产品特有的零部件的模块化发展，零件数量将由传统汽车的30 000个左右大大减少，产品设计所需的整合性设计环节可大大减少。尤其当氢燃料电池汽车动力系统的电动化得到加速发展时，现有内燃机汽车制造商积累多年、具有核心竞争力的专业技术将失去作用，现有的内燃机发动机技术、开发技术团队等开发动力系统所需的核心能力在新的动力系统竞争下，其重要性大大降低。

“微笑曲线”理论中，近于U形的曲线代表整条产业链(图3)，曲线左端是研发环节，右端是营销环节，中间是制造环节，制造环节利润低附加值低，研发和营销利润高附加值高[18]。氢燃料电池汽车价值链中，氢燃料电池的研发设计将居于这个价值链的顶端，整车组装生产环节附加值不断降低，比传统内燃机汽车的将会更低。营销和服务等领域，则由于氢燃料汽车是个新兴的行业，需要拓展新客户和金融支持，具有很大的市场。高价值环节一般是具有核心竞争力的技术、较高的进入壁垒、较长时间的知识产权保护，如不断带来收入的专利技术和对影响消费者有直接影响的品牌效应是高收益的重要来源[18]。

图3 产业微笑曲线[18]

在发展成熟的国际市场上，关于传统汽车服务业，包括汽车的销售、维修、金融（贷款，保险）、回收业务，即所谓的汽车后市场创造的利润是整个汽车产业的50%左右，在许多汽车制造巨头的经营盈利中，销售、维修、金融等汽车服务业带来的收益远高于汽车制造环节创造的收益。氢燃料电池汽车产业为新的颠覆性的技术所驱动，未来与共享、自动驾驶等技术相结合，将会为相关的服务行业带来新的快速发展机遇和新的利润增长点。

3 结论

（1）氢气是最理想的清洁能源，也是传统能源最有希望的替代者，可能是最终的能源解决方案。未来，人类将进入新的能源社会—氢能社会。氢燃料电池汽车正在向产业化迅速发展，其价值链结构不同于一般工业商品，具有价值大、影响广泛的特点，可以解决我国对外国能源依赖，对我国的能源安全、环境保护、产业升级、经济可持续发展有重大影响。

（2）氢燃料汽车将使目前的汽车产业链发生巨大变化。氢燃料汽车的核心部件是氢燃料电池堆、车载储氢系统、驱动电机和整车控制系统，这些产品的制造商和氢气的供应商将会受益，而为传统汽车制造商提供内燃机、变速器及其他发动机部件的企业和燃油供应商正在面临失去市场的巨大风险。

（3）氢燃料电池汽车将使汽车由机械驱动转变为电子驱动，汽车将成为电气为主的产品，氢燃料电池汽车由于机械零件的大幅度减少及电气零件的模块化，使氢燃料汽车的组装会更简单。

（4）氢燃料电池汽车价值链中，氢燃料汽车电池系统是其中重要的部分，居价值链的高端，是研发技术中的关键，性能需继续提高；车载储氢系统的性能也有待继续提升；电机、电控系统等其它零部件基本上能满足氢燃料电池汽车性能要求，研发、制造面临的不确定较小，技术较为成熟。

（5）氢燃料电池汽车将是一个全新的、快速发展的新兴行业，中国氢燃料电池汽车应当注重培养培养自主品牌，建立自己的研发、制造和服务的产业链，在全球氢燃料价值链占据有利的位置，为发展氢燃料汽车这一战略性新兴产业做出积极的贡献。