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燃料电池：更远的未来 Foxrain 转载敬请注明
目录 0.摘要 ............................................................................................................................................... 2
1.虽殊途而同归：燃料电池——新旧能源体系左右逢源 .................................................................... 3
1.1 守故维新：传统化石能源的高效清洁发电系统 ..................................................................... 3
1.2 兼长补短：迅捷高效、清洁环保，商业化固缓而必达 .......................................................... 4
1.3 启后承前：新旧能源体系契合点，殊途皆纳......................................................................... 6
2.倚温饱望荣华：行进于从生存到爆发的漫长征途 ........................................................................... 8
2.1 漫长的征途：长期乐观下的周期轮回 ................................................................................... 8
2.2 格局初定鼎：美日为主、欧加韩为配，中国遥望尘嚣 .......................................................... 9
2.3 温饱渐无忧：电站与叉车已初步工业化，燃电汽车引而待发.............................................. 13
2.3.1 固定燃电：春风催燕子，渐入百姓家 ....................................................................... 13
2.3.2 叉车系统：鸡鸣天欲晓，槛外数枝发 ....................................................................... 16
2.3.3 燃电汽车：千帆辞白帝，何日到江陵？ .................................................................... 19
2.4 荣华尚遥瞰：空间确定，时间不定，且望且疾行 ............................................................... 23
2.4.1 雄心固勃勃，可得终几何？ ..................................................................................... 23
2.4.2 荣华堪遥瞰，且作姑妄观 ......................................................................................... 25
3.从近忧到远虑：政策、成本、安全、配套，道阻且长 .................................................................. 27
3.1 政策支持：襁褓难离终须离................................................................................................ 27
3.2 成本控制：大河将济犹未济................................................................................................ 29
3.2.1 电堆成本：将济的近忧 ............................................................................................. 29
3.2.2 燃料成本：未济的远虑 ............................................................................................. 31
3.3 系统安全：其危如许休自许................................................................................................ 35
3.4 配套完善：荣华相期会有期................................................................................................ 37
4.在更远的未来：油气以后、核能之前，不二之选 ......................................................................... 40
0.摘要
燃料电池的本质是传统石化燃料的化学发电系统，从应用范围的角度，可以将其划分为固定式、移动
式和便携式三类。燃料电池兼具传统化石能源迅捷高效和二次电池清洁环保的优势，其商业化过程所面临
的主要是工程和商业问题，而非基础科学问题，固缓而必达。从产业演化的角度，燃料电池是一条与新旧
能源体系均得以的兼容路线，在其发展演化过程中，无论是代表旧模式的集中性的化石能源体系，还是代
表新模式的分布式新能源体系都得以融入其中。
燃料电池的发展上溯到 19 世纪 50 年代，经过 60 余年、多达数次的周期起伏轮回，已经确立了美国
和日本为主角、欧洲、加拿大与韩国为配角，中国等其他国家遥望尘嚣的世界格局。目前，燃料电池产业
的生存已经基本无忧，其中基于固定式燃料电池在美国、日本和欧洲都已经具备了一定商业化深度，对补
贴的依赖已进入确定性下降趋势；移动式燃料电池领域，叉车系统晨风微动，无论是产品开发还是下游应
用呈数枝初发之势；而市场关注度 高的燃料电池汽车领域，虽然各企业集团和主要国家雄心勃勃、千帆
待发，计划未来几年内陆续推出预商业化车型品种，但从目前来看仍属于燃料电池主要应用中工业化进程
较慢的子行业。
在工业&商业化进程中，燃料电池较之锂电池落后 5-10 年。目前，各国家和企业都雄心勃勃地将燃料
电池工业化启动时间锁定在 2015-20 年的区间内；而在 2020 年之后，随着成本、规模、配套等一系列问
题的逐渐解决，燃料电池将步入商业化推广的深入阶段。预计未来 10 年，行业将享受 30%的复合增速，
到 2025 年市场规模将达到 500 亿美元左右，其真正的爆发点亦将随之来临。不过目前对燃料电池市场的
预测空间确定，时间不确定，因此建且姑妄观之，且望且疾行。
眼下，燃料电池的普及尚面临一系列近忧和远虑：首先，燃料电池的工业化对政策支持（研究补贴、
税费减免、直接采购）的依赖度还很高，较强的政策不稳定性和退出预期构成了燃料电池行业的第一重近
忧；其次，无论是电池成本（主要受制于 Pt 金属催化剂和系统）以及燃料成本（氢气的可再生能源生产
以及储运）都为燃料电池汽车的普及提出了挑战；再之，氢气的物理化学特点及其储运模式导致燃料电池
的安全性尚有很多问题有待解决； 后，当然那料电池普及程度提高到一定水平时，配套设施的瓶颈可能
彰显。
终，笔者认为燃料电池荆棘遍地的工业化&商业化之路，或许只走完了 开始的一小段。固然目前
面临的种种问题令人难免心生怯意，但燃料电池必将拥有属于他的未来——虽然这个未来会比我们想象得
更远一些。在战胜和驾驭能源的漫长征程里，人类日常能源的提供者名单中，油气之后，核能之前，燃料
电池将是不二之选。
1.虽殊途而同归：燃料电池——新旧能源体系左右逢源
1.1 守故维新：传统化石能源的高效清洁发电系统
燃料电池（Fuel Cell，FC）通过燃料（氢气/天然气/甲醇等）与氧化剂（氧气为主）发生非燃烧氧化
反应产生电能。虽然燃料电池从基本科学原理上更像是镍氢、锂离子等二次电池体系的一员，但考虑到其
能量补充是通过燃料的添加而非充的电方式实现，从工程演化的角度，将其视作传统化石能源的新利用模
式更为恰当，亦即燃料电池的本质可以理解为化石能源的化学发电系统。
图：质子交换膜氢燃料电池(PEMFC)的基本工作原理 图：西门子固体氧化物燃料电池(SOFC)发电系统
资料来源：china-hydrogen.org 资料来源：Siemens
传统化石能源的利用模式是通过燃烧生成热能和机械能，这一方式一方面受到卡诺循环约束，单程能
量转化效率被限制在 20%左右；另一方面，有害的燃烧产物排放对环境产生严重威胁。而燃料电池的能量
转化不经由热机循环，其理论转化效率可达 8-90%（目前工业化水平能够实现接近 60%）；并且反应产物
主要是水，基本无污染排放，清洁环保。故尔，燃料电池长期受到广泛重视，被支持者冠以“终极能源”
的美誉。
按电解质类型的不同，可以将燃料电池划分为磷酸盐、熔融碳酸盐、固体氧化物、碱性和质子交换膜
燃料电池五大类。综合考虑技术成熟度、运行条件、成本等因素， 具工业化可能的种类包括 PAFC、SOFC
和 PEMFC；从燃料角度看，氢气和天然气燃料电池是 有可能在近年工业化的品种。
表：目前主流的燃料电池及其基本情况
类型 单位 磷酸盐 熔融碳酸盐 固体氧化物 碱性 质子交换膜
简称 PAFC MCFC SOFC AFC PEMFC
燃料 氢/天然气 氢/煤气/天然气 氢/煤气/天然气 氢 氢/甲醇/天然气
功率范围 kW 1-2000 100-5000 1-250 1-100 1-300
阴阳极材 C-Pt/Pt Li-K/Ni 金属/金属氧化物 C-Pt/C-PTFE C-Pt/Pt
工作温度 ℃ 100-200 650-700 800-1000 50-200 25-100
操作压力 Psia <120 <120 常压 <60 <30
理论寿命 h 30000-40000 30000-40000 30000-40000 3000-10000 30000-100000
成本估算 美元/kW 200-3000 1250 1500 1000 50-2000
转化效率 40% >50% 50-65% 60-70% 40-60%
发展程度 较成熟，分散电站
初步工业化
初步，寿命问题待
改善
初步，电池结构设
计待优化
成熟，航天领域已
经应用
氢燃料较成熟，车
用领域预工业化
适用范围 现场能量集成系
统、电站
分散/固定发电，区
域供电
分散/固定发电，区
域供电
航天飞机、空间
站、潜艇等
车辆、潜艇、移动
电源
资料来源：《现代化工》、笔者整理
从应用领域看，燃料电池的商用市场主要包括三个部分：固定市场、移动市场和便携市场。目前，各
领域均已推出了初步商业化的示范产品，从进程来看，固定市场成熟度 高，移动市场次之，便携市场普
及化程度 初级。本研究将着重讨论固定与移动市场的燃料电池发展。
图表：目前主流的燃料电池及其基本应用情境
Stationary Power/固定式 Transportation Power/移动式 Portable Power/便携式
>100kW 10-100kW <10kW
用途：小型固定发电站、家用/商用备用电
源、通信基站电源、数据备份系统电源、
小型热电联供系统等
用途：交通工具：小型代步车、轿车、公
交车、游艇等；生产工具：燃料电池叉车
用途：移动设备：手机、平板电脑、笔记
本电脑、应急充电器、手电、电钻等电动
工具
资料来源：DOE, 2012 Fuel Cell Technologies Market Report
1.2 兼长补短：迅捷高效、清洁环保，商业化固缓而必达
以市场关注度 高的车用动力系统为例：传统化石能源动力系统的优势在于技术成熟、工业化程度高、
成本低廉、配套基础设施高度完善，而 严重的问题是的环境污染及高昂的碳排放；二次电池能源的核心
优势是清洁环保，但其在续驶里程和功率性能（本质是能量和功率密度问题）、充电速度、设备和维护成
本、配套设施等方面存在软肋，同时，废旧二次电池回收处理和再利用的困难很大程度上也抵消了电动汽
车的部分环保效应。
从功率性能上看，燃料电池具有很高的比能量和比功率密度，其 大放电功率较之内燃机亦不逊色，
显著优于镍氢、锂离子等二次电池系统；同时，而实际工况下的能量效率高达 50%以上，超过目前传统内
燃机的 高水平；燃料电池路线继承了化石燃料物质加注的能量补充方式，固定式燃料电池通过天然气管
道提供燃料，与传统输送模式无异，而目前 新一代燃料电池车加注满氢气所需要的时间在 3 分钟左右，
续驶里程达到 4-500km 数量级，已接近传统内燃机汽车。
图：不同类型车辆的历程范围和排放情况 图：不同类型的动力系统功率和效率水平
资料来源：china-hydrogen.org 资料来源：新源动力
从燃料特性及排放的角度看，较之石油和煤炭，无论是氢气抑或天然气都属于清洁程度很高的能源种
类，并且目前氢燃料电池对原料氢气纯度的要求极高（目前纯度要求在 99.999%）；加之燃料电池无需经
过高温燃烧的做工过程，也没有复杂的不完全燃烧副产物，反应生产物主要是水，因此污染排放接近于零；
同时，废旧燃料电池回收难度预期亦低于镍氢电池、锂电池等一般二次电池；综上，燃料电池事实上亦兼
具化石能源与二次电池之长。
图：内燃机、锂电池和燃料电池动力汽车（顺序依次从左至右）的主要指标评分情况
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5能源效率
污染排放
加注速度
设备成本
产业成熟
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污染排放
加注速度
设备成本
产业成熟
续驶里程
资料来源：笔者
目前，氢燃料电池面临的主要问题集中于成本、安全和产业配套（后文会略作展开），但较之化石能
源的污染排放和二次电池的充电速度和能量密度困扰而言，燃料电池所面临的更多是工程和商业问题，而
非基础科学问题。从产业角度而言，燃料电池的大规模商业化之路固缓而必达，目前技术和商业化程度
低，但其 终可实施的概率并不逊色。
图：DOE 预测的 2035 年不同类型中型轿车碳排放水平
资料来源：DOE, Well-to-Wheels Greenhouse Gas Emissions and Petroleum Use for Mid-Size Light-Duty Vehicles
不过必须指出，与市场一般理解有别的是，从全生命周期的角度，燃料电池相对于传统化石能源在节
能和碳减排上未必存在优势。以推广程度较高的氢燃料电池为例，氢气的生产和储运需要耗费大量能源，
一方面燃料在成本结构中占比不菲，另一方面在能源消耗的阶段上，牺牲了生产和资源环节而确保了终端
应用环节的能耗效率。因此，氢气的生产工艺、储运方式，以及在生产过程中所采用的可再生能源的比例
等因素对于燃料电池系统的能耗和碳排放都会产生重大影响。在这一点上，燃料电池汽车与二次电池汽车
是类似的。
图：燃料电池车与化石能源车的能耗对比 图：燃料电池车与化石能源车的能耗分担情况
资料来源：中国汽车工程学会
1.3 启后承前：新旧能源体系契合点，殊途皆纳
从更大的角度看，传统能源倚重规模经济，新能源倡导分散经济，而氢气和天然气等气体燃料生产方
式左右逢源：既可以是传统化石能源（煤炭制天然气/制氢、天然气制氢、炼厂氢/天然气回收），通过高度
规模化和专业化的生产商和物流网络组织生产、储运和销售；亦可以是光伏、风电、生物能等新兴能源（电
解水制氢、沼气制天然气/制氢），通过小而美的小型实体，甚至家庭为单位实现分布式生产和分配；这就
决定了燃料电池是一条与新旧能源体系均得以的兼容路线。代表新旧能源各企业与实体均可参与其中。
同样，对于下游而言，从其他电源切换到燃料电池电源也不存在显著门槛。以目前争论 激烈的新能
源汽车技术路线之辨为例，锂电与燃电汽车系统的差异主要存在于电池及其管理系统，电机系统完全可以
通过相对简单的调制实现切换。亦即，两条路线在很长一段时间周期内、很大程度上可以并行发展，彼此
借助 新的技术成就，而非想象中非此即彼的尖锐互斥。
图：氢燃料电池与新旧能源体系、动力体系能够良好兼容、并行发展
资料来源：Total
基于以上特征，笔者构想的燃料电池产业化进程在各个阶段都得到其他产业的充分助力：以 受担忧
的燃料供给来看，产业发展初期，现有的天然气供应体系或集中的、大型化的天然气制氢或炼厂氢回收便
足以供应产业需求，随着产业化进程的推进，需求量逐渐增大，而并行发展的分布式发电、现场电解水、
生物能制氢的数量效应逐渐体现——燃料电池的发展史，大概率上将涵盖整个能源的发展切换史，洪则如
涛不息，细亦如缕不绝。
2.倚温饱望荣华：行进于从生存到爆发的漫长征途
2.1 漫长的征途：长期乐观下的周期轮回
2014 年 1 月，跟踪燃料电池产业近 14 个年头的研究机构 Fuel Cell Today 宣布终止对行业的跟踪。
在 后的报告中，执笔者 Dan Carter 不无落寞地写道，市场对燃料电池光明未来的憧憬似乎永远没有改变
过——“十年之后”。
笔者无法完全肯定 Fuel Cell Today 是不幸倒在黎明还是明智地止损半山。但过去近 60 年中，燃料电
池工业&商业化的道路着实波折反复。受制于技术、资本与政策因素，商用燃料电池的发展历程在 16 世纪
60、70、90 年代后期和 21 世纪初曾经四历低谷（除了 19 世纪 80 年代外，近乎 10 年一轮回，其中是否
有周期因素的作用，或许值得深思！）、又四次重回发展轨道。
燃料电池的兴起足以上溯到 19 世纪 50 年代，其工业化历程的一大特征是业内对发展进程长期过度乐
观。从早在 1960 年的“5-10 年推广民用供电”到 2005 年的“2010-15 年燃电汽车初步工业化”。不得不
说，有时候实业界对于技术进步和市场推广的预测，或许同样难免简单和草率。
图：燃料电池工业化&商业化的漫长历程及各个时期市场对其发展前景的当期展望
资料来源：笔者
距目前 近的一轮周期始于 21 世纪初，燃料电池发展进入新一轮高潮：全球专利申请数量逐年井喷；
主要系统和应用企业纷纷公布雄心勃勃的增长计划；在科技股泡沫的推波助澜下，相关企业的股价一度爆
发。但这一趋势自 2007 年始再衰三竭：一方面，经济危机影响下，政府和企业纷纷削减支出预算；更重
要的是，技术研发亦遭遇瓶颈，成本迟迟难以控制使 2010-15 年实现工业化的梦想 终风流云散，燃电与
锂电技术路线之争中，燃料电池逐渐落入下风。
图：历年全球燃料电池相关专利申请数，截至 2013/12/31 图：NASDAQ 三大燃料电池股价相对涨幅
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FCEL PLUG BLDP
资料来源：CNIPR 专利数据库 资料来源：Wind
2.2 格局初定鼎：美日为主、欧加韩为配，中国遥望尘嚣
虽然几经起伏轮回，但岁月星霜，燃料电池产业终究取得了巨大的进步。2013 年，以汽车领域三大
企业联盟建立为标志，燃料电池的产业化热潮似乎又有勃兴之势。根据各家和地区的国际地位、资源禀赋，
其推进燃料电池研究与商业化的终极目标亦有所差异：美国追求的是全球技术制高点，日本追求的是能源
节约和效率提升，欧洲追求的是减少排放与环境清洁，而以我国为代表的发展中国家追求的是弯道超车。
因此从技术研发的角度看，美国和日本是技术的原创者和首批应用者，欧洲是技术的前沿消费者，而中国
本应成为奋起直追、跨越发展的黑马，但在一片锂电的热潮中，燃料电池的研究和发展运转缓慢，只能遥
望尘嚣，甚至可能再度沦为发达国家的低成本制造基地。
全球燃料电池工业化&商业化领域已经形成以美日为主角、欧洲、加拿大和韩国为配角的格局。这一
趋势从全球燃料电池分地区出货量数据中便可见一斑。值得注意的一点是，北美燃料电池出货量虽然从套
数上显著低于亚洲，但从功率总额上看，双方差异并不迥然，这应当是北美更侧重于大型、固定式电站，
以致单位功率较大的原因。
图：全球燃料电池分地区出货量：按套数 单位：万套 图：全球燃料电池分地区出货量：按功率 单位：MW
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100%欧洲 北美 亚洲
世界其他 综合增速
资料来源：FuelCellToday 资料来源：FuelCellToday
从专利角度看，日本无疑站在了燃料电池工业化的 前沿：全球燃料电池专利申请数前 10 几乎被日
本企业垄断，其中排名第一的丰田所申请的专利数量就几乎等于中国的全国的 2 倍。美国紧随其后，成为
第二主角，欧洲和韩国紧随其后。
表：燃料电池技术专利全球申请前 10：截至 2013H1 图：全球燃料电池技术专利的申请目标国家/地区
申请数 占比 活动年期 发明人数
39%
21%
10%
10%
9%
11%
日本
美国
欧洲专利办公室
世界产权组织
韩国
其他
丰田株式会社 9142 9.50% 31 1516
本田株式会社 4256 4.40% 24 1947
日产株式会社 4073 4.20% 32 1315
东芝术士会社 3240 3.40% 36 1355
松下株式会社 3052 3.20% 45 1605
三菱株式会社 3017 3.10% 38 1995
富士株式会社 2495 2.60% 38 844
通用公司 2312 2.40% 23 1825
日立株式会社 2019 2.10% 40 1409
三星集团 1682 1.80% 20 1462
资料来源：《中国发明与专利》 CNIPR 专利数据库
日本燃料电池工业化的显著特征是乘用车和小型固定式电站占据主导地位。丰田是全球 早开发燃料
电池汽车的企业，早在 1992 年就启动了相关研究，90 年代中期即推出续驶里程 250km、 高时速 100km
以上的 RAV4 型燃料电池汽车。整个 20 世纪 90 年代早期，全球仅丰田和奔驰两家车企从事燃料电池汽车
的研究。时至今日，丰田在全球燃料电池汽车领域的龙头地位已不容置疑。
除丰田外，本田、日产亦努力迎头赶上，2013 年，丰田、本田和日产分别牵头，欧美车企参与其中，
构建了三大燃料电池汽车产业化联盟。联盟成员共享技术、共事推广，日本主导、欧美参与的全球燃料电
池汽车三足鼎立的局面已经初步成型。
表：日企牵头组织的燃料电池汽车三足鼎立联盟及其发展计划
技术联盟 联盟的基本情况
丰田-宝马联盟 2013 年宣布形成联盟，丰田将为宝马提供动力系统和氢存储技术，而宝马计划 2020 年推出双方共同开发燃
料电池车。双方还计划共同开发氢燃料罐、马达和电池等
本田-通用联盟 2013 年 7 月联盟，在全行业范围内降低氢燃料电池技术成本，并考虑建设加注站等基础设施
日产-福特-戴姆勒
-雷诺联盟
结成氢燃料电池汽车开发联盟，共享氢燃料电池汽车技术，在 2017 年之前共同推出全球第一辆价格合理、
一般民众负担得起的氢燃料电池车
资料来源：《商用汽车新闻》
在固定式发电设备领域，日本亦成就斐然。2008 年，命名为 ENE-FARM、基于燃料电池技术的微型
热电联产系统（Micro-CHP）开始商业化推广，以家庭和小型企业为主要目标群体，政府予以补贴，2009
年即实现 5030 套销量，至 2012 年已实现年出货量 2 万套，并且成本持续优化，对补贴的依赖度不断下
降，目前，燃料电池已经占整个日本家用热电联供市场的 15%左右。
美国在燃料电池商业化领域不遑多让：根据统计，2012 年燃料电池投资的 80%由美国企业实施，以
美国能源署（Department of Energy，DOE）为核心的研发管理和资金支持体系主导着商业化的支持方向
——燃料电池汽车和固定式电站。2008 年奥巴马政府上台后，基于政府资金约束及技术路线偏好，对于
燃料电池的支持有所弱化，但始终没有间断。2012 年初，美国发布了新的能源政策（All-of-the-Above
Energy Plan），氢能燃料电池技术仍然包括其中。
图：美国历年累积商业化的燃料电池核心专利 单位：个 图：全球燃料电池产品 Top5 客户
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燃料电池 氢气生产 氢气存储
资料来源：DOE, Pathways to success 2013 资料来源：FuelCell2000
与此同时，美国产业界的努力一直没有停止。相较于日本，美国的产业化更侧重于大型商用固定式电
站和叉车等更加成熟领域。著名燃料电池应用企业Plug Power的GenDrive燃料电池叉车系统得到了奔驰、
宝洁、沃尔玛等企业的较大规模订单；Bloom Energy 的 SOFC 固定式燃料电池发电站不仅被 Apple 选用
为位于北卡的 iCloud 服务器提供电源，还得到了 Google、Microsoft、Adobe、eBay 等 IT 巨擘以及可口
可乐、FedEx 等传统产业龙头的青睐；FuelCell Energy 在北美和亚洲各建立了 100MW 燃料电池产能(亚
洲计划扩产到 200MW，作为参照，2013 年全球燃料电池出货量约为 215MW)，为浦项制铁等工业企业提
供电力供应。
虽然尚不及日本和美国的成就耀眼，欧洲、加拿大和韩国在燃料电池工业&商业化进程中也扮演着不
可忽略的角色：欧洲国家和欧盟制定了一系列推广氢能源汽车和固定电站、建设相关基础设施的政策（关
于各国政策，笔者将在后文中单独深入讨论）。产业界，奔驰公司早在 1997 年即推出了首款氢气循环燃料
电池车，在随后的年代里也始终未曾放弃对燃料电池汽车量产的努力。
图：松下 ENE-FARM 家用热电联供系统 图：Bloom Energy 的固定式燃料电池发电站
图：Plug Power 第三代 GenDrive 叉车在沃尔玛中的应用 图：FuelCell Energy 的大型固定式燃料电池发电站
资料来源：Toyko-Gas，Bloom Energy，Walmart，FuelCell Energy
加拿大 耀眼的莫过于 Ballard 公司，作为全球领先的 PEMFC 电池的设计和制造商，Ballard 为电信、
交通、分布式发电、叉车和公交车等下游提供燃料电池系统以及整体解决方案，Plug Power 亦为其客户之
一。2013年公司输送设备燃电系统发货量达到 2325套，当年四季度单季公司EBITDA转正，成为NASDAQ
上市公司中首个实现经营性盈利的燃料电池企业。同时近年来，加拿大在燃料电池公交等市场的商业化推
广节奏也实现了与美国接近同步。
韩国亦占一席之地，如前所述，契合其技术消费者的身份，浦项制铁已经成为美国 Fuel Cell Energy
的重要股东和 大的工业客户。技术原创方面，三星集团以已经跻身燃料电池领域技术专利数全球前十；
现代集团自 1998 年着手开发氢燃料电池汽车，并于 2000、06 年以来高歌猛进，陆续推出圣达菲、途胜
的燃料电池版产品。
图：Ballard 业务涵盖燃料电池工业化的主要方面 图：韩国燃料电池汽车价格和保有情况 单位：辆；千韩元
资料来源：Ballard 资料来源：Korea Institute of Energy Research
与在锂电池汽车方面的努力和地位不相称的是，我国在燃料电池工业化领域建树寥寥，与国际水平差
距明显，基本还停留在技术示范阶段。从燃料电池汽车相关领域看，当下国内主要研究机构包括大连化物
所和同济大学，但均偏重实验室阶段。近年来的主要工业化尝试是 2008 年奥运会和 2008 年上海世博会
的氢燃料电池大巴（分别由清华大学和同济大学研发）。
图表：清华大学奥运会用氢燃料电池汽车及其示范情况 图表：同济大学世博会燃料电池汽车及示范情况
指标 具体内容 指标 具体内容
设计/生产 清华大学/北汽福田 设计/生产 同济大学/上汽集团
动力系统 上海神力 动力系统 上海神力
累计行驶里程 75460km 累计行驶里程 2101196km
累计载客里程 60198km 累计载客里程 26261km
燃料消耗量 5753kg 燃料消耗量 20281kg
运送乘客人次 39995 运送乘客人次 106040
氢气单耗 9.56kg/100km 氢气单耗 11.6kg/100km
资料来源：中国环境科学学会学术年会论文集(2013)
在燃料电池系统及配套产业领域，我国也仅有少量企业涉足。系统集成方面，新源动力成立于 2001
年依托中科院大连化物所技术背景，初步建成了关键材料、部件和电堆系统相关产能，基本属于国内 高
水平；神力科技从事质子交换膜和质子交换膜燃料电池技术开发及产业化（热电联供、车用动力等），为
清华大学和同济大学燃料电池试验车提供动力系统，公司总经理曾就职于 Ballard，但近年业务似有力分则
弱之势；基础材料方面，东岳集团(港股上市，0819.HK)与奔驰福特合作开发 PEMFC 用氟膜及膜电极用
聚合物，并在山东淄博建立了生产基地。
图：新源动力组织结构和业务覆盖 表：神力科技主要产品及其适用范围
资料来源：新源动力 资料来源：神力科技
碧空氢能等部分企业作为 Ballard 等国际龙头在的合作伙伴，计划将国际一流的技术引入中国，在国
内建设生产线，实施部分产能转移并逐渐推动工业示范和产品销售，预计 2014-15 年将是碧空氢能源的产
能建设和项目推进密集阶段。
图：碧空新能源 2014-15 在国内的业务发展计划
资料来源：碧空新能源
虽然在部分细分领域和产品上，我国燃料电池具备或曾经具备与世界先进水平一争高下的实力，但总
体而言，我国在燃料电池工业化&商业化的道路上落已经显著落后（这从国内燃料电池企业简陋的公司网
站界面和宣传资料亦可见一斑——相应公司或许就没有认为会有多少非行政采购的潜在客户），除了政府
直接采购项目之外，工、商业推广领域绩寥寥。倘若再不奋起直追，中国或许将永远错失在燃料电池领域
弯道超车的机会，在这场竞逐中长久陷于遥望尘嚣的尴尬境地。
2.3 温饱渐无忧：电站与叉车已初步工业化，燃电汽车引而待发
2.3.1 固定燃电：春风催燕子，渐入百姓家
成本的可比性是燃料电池工业化的重要门槛之一，正是基于这一因素，燃料电池的商业化从固定电站
与叉车角度切入。其中，固定式燃料电池是工业化确定性 高的领域。目前，基于 MCFC、PAFC、SOFC
和 PEMFC 的燃料电池系统均有工业化实例；燃料也涵盖了包括氢气、天然气和甲醇在内的较丰富的能源
种类；同时，功率规模分布于从家用的数十千瓦到工业用的数千千瓦的宽泛范围。2008-13 年，全球燃料
电池出货量保持了 47.7%的高速复合增长，其中，固定电站无论从套数还是功率角度都献了主要份额，并
且从增长的确定性看，过去 5 年唯有固定应用保持持续增长（便携和交通运输都存在很大增速波动，某些
年份出货量同比下滑）。
图：全球燃料电池分领域出货量：按套数 单位：万套 图：全球燃料电池分地区出货量：按功率 单位：MW
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80%
100%便携应用 固定应用
交通运输 综合增速
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2009
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0%
20%
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60%
80%
100%便携应用 固定应用
交通运输 综合增速
资料来源：FuelCellToday 资料来源：FuelCellToday
补助基础上的经济性的可接受/可替代是固定式燃料电池系统得以实现工业化的根本原因。基于其在
2012 年的成本和性能水平，Ballard 现有的、用于备用电源的固定电站燃料电池系统解决方案的的经济性
作了评估。评估以 2-5kW 发电需求、10 年运行周期为标准，考虑燃料电池 30%的税费补贴（ 大不超过
3000 美元/kWh），无论使用基于氢气还是甲醇的燃料电池系统替代传统的电池+柴油系统，都能在 3 年左
右收回投资成本。
图：氢燃料电池&传统固定电站资本开支 单位：美元 图：甲醇燃料电池&传统固定电站资本开支 单位：美元
资料来源：Ballard 资料来源：Ballard
从日常运营成本的角度看，目前燃料电池热电联供的成本也足以与传统电网供电相较，研究机构
Jonathan Lewis Consulting 对比了各国的“燃气价格-燃料价格×燃料电池发电效率”参数，发现在绝大多
数发达国家，燃料电池供电系统的燃料成本都低于电价。根据对日本 ENE-Farm 系统的成本和收益拆解模
型，综合考虑节能减排带来的经济性和补贴，虽然初始购置费用较高，但从全生命周期的角度看，燃料电
池系统的实际成本可以被控制在其售价的一半左右，从结构上看，目前对于燃料电池电站经济性贡献 大
的是节能优势和政府补贴。
图：各国电价-燃气×燃电效率多数>0 单位：欧元分/kW 图：ENE-Farm 系统项目经济性 单位：千日元
资料来源：Jonathan Lewis Consulting 资料来源：Jonathan Lewis Consulting
在美国，固定燃料电站在工业领域初步崭露头角，工业领域前文已经述及，Bloom Energy 和 Fuelcell
Energy 的燃料电池电站已经被多家 IT 和传统制造业、服务业企业选择作为供电电源（主电源或备用电源
均有）。从 Fuelcell 的经营数据观之，2010 年以来，公司订单数量持续增长，同时其购置成本逐年下行，
目前已经达到 2500 美元/kW 的水平，同时其输出参数亦符合预期。公司的中期目标是将成本降低到 2000
美元/kW 的水平。
FuelCell Energy 主要面向工业客户，且集中度很高（2013 年其客户占比是韩国浦项制铁 54%、
Dominion Bridgeport 燃料电池公司 29%以及美国能源署 5%，其中浦项制铁是公司股东），足见燃料电池
电站其确然已经得到了工业界的部分认可——虽然仅仅是小范围内的。
图：FuelCell 订单数量逐年增长 单位：百万美元 图：FuelCell 单位千瓦成本逐年下降 单位：美元/kWw
资料来源：FuelCell Energy 资料来源：FuelCell Energy
公司财务数据同样透出较好趋势：虽然公司持续亏损，但 2009 年以来净亏损逐年减少、毛利相应增
长，2012 年，公司毛利转正。根据公司预期，当燃料电池的年出货量达到 80-90MW 区间时有望实现正的
净利润，而 2013 年公司在北美的产量已达到 70MW 水平（当然，2012 年公司也曾乐观预期 2013 年有望
实现盈利但 终未能实现，因此对于相关预期仍应适当谨慎看待）。
图：FuelCell 年化产量逐年向盈利区间逼近 单位：MW 图：FuelCell 利润水平逐渐改善 单位：百万美元
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预期盈利区间2013201220112010 -100
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20132012201120102009
收入 毛利 营业利润 净利润
资料来源：FuelCell Energy 资料来源：FuelCell Energy
日本固定式燃电在中小规模 CHP 领域更加抢眼。2008 年，日本推出名为 ENE-Farm 的燃电 CHP 系
统，采用 PEMFC 或 SOFC，以高度完善的管道天然气为燃料(SOFC 直接使用， PEMFC 需先转化为氢)。
福岛地震后，约束核电的呼声和家庭紧急备用电源需求提升；日本政府提供补助，确保产品到手价格+安
装费用不超过 250 万日元；同时，产业界不断降低成本和价格（2013 年底，东燃和松下的 新产品建议
零售价降至 199.5 万日元），ENE-Farm 推广得到加速。
图：燃料电池热点联供能够实现 90%能源效率 图：ENE-Farm 价格与增长预期
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2005
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2013E
2015F
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800
900销量 价格
资料来源：Imperial Colleague 资料来源：IPHE，日经能源环境网
从经营模式上看，日本已经建立了比较完善的产业链系统：燃气公司（东京燃气等）提供燃料、材料
生产商（田中贵金属等）提供原材料、电气制造商（松下、东芝等）提供系统集成、电网公司提供电力融
通解决方案，政府在安装和运行阶段提供补助。日本 ENE-Farm 系统的推广可以视作是新旧能源体系合作
发展的经典案例。日本政府的 终规划是使燃料电池系统提供 42%的家庭能源。
图：基于 ENE-Farm 的电力融通 图：日本政府 终目标是燃料电池提供 42%家庭能源
资料来源：日经技术在线 资料来源：JX 吉坤日矿日石能源
2008-12 年，在政府补贴日益下滑的背景下，ENE-Farm 系统在日本的销量逐年提升，可以认为其产
业化进程已经逐渐走上正轨（顺带一提，CHP 在日本的高度普及也与日本人酷爱泡澡，对热水的需求量颇
大有一定关系）。 新一代 ENE-Farm 系统已经可以在没有启动电源的情况下独立工作（此前的系统启动
过程需要供电，一定程度上失去了备用电源的意义），功率达到 700W，足以供电视、电脑等中低能耗电器
使用（冰箱等高能耗电器尚无法驱动）。虽然补贴春风渐歇，但固定式燃料电池飞入工业界与百姓家的趋
势已经较高程度地确定。
图：补贴日益下降情况下，ENE-Farm 销售逐年提升 图：美国商业办公支撑固定式燃料电池增长 单位：MW
资料来源：Fuel Cell Today 资料来源：DOE
2.3.2 叉车系统：鸡鸣天欲晓，槛外数枝发
叉车市场的普及程度略逊于固定电站，主要因素在于小型燃料电池的成本控制难度相对更高。全球叉
车行业年出货量接近100万辆，其中美洲超过20万辆。传统叉车一般以柴油或铅酸电池为动力，美国6-70%
的叉车在室内工作，通风条件较差，柴油尾气对人员健康构成威胁；另外，北美生鲜食品物流较为普遍，
尾气对食品污染亦是必须考虑出的问题；而对于铅酸电池而言，废旧电池的污染和处理成本以及电池排出
酸雾的威胁也不容忽视。这就为燃料电池叉车市场提供了特性层面的突破口。
近年来，燃料电池叉车成本不断下降。Ballard 曾经对分别拥有大中小型叉车 180/40/10 台的虚拟企业
进行了经济性测算，假设燃掉电池叉车每次加注氢气后可工作 8 小时，铅酸换电后的工作时间 4 小时，
终结果是用燃电方案取代铅酸电池方案的投资回收率在 1 年以内，项目 NPV 为 360 万美元。
表：Ballard 对铅酸和燃料电池成本测算的关键参数 图：Ballard 测算的燃料电池叉车净折现现金流
项目 单位 铅酸 燃电
电池成本(小) 美元/套 2600 14000
电池套数 套 3 1
充电设备成本 美元/台车 2300
税费减免 美元/kW 3000
年均维护成本 美元/台车 1000 2800
电价 美元/kWh 0.01
氢气价格 美元/kg 8
平均电池寿命 年 3 10
换电/加氢时间 min 20 3
工人工资 美元/小时 25 25
资料来源：Ballard 资料来源：Ballard
当然，这一结果是建立在几个较强的假设约束之下的：首先是政府对燃料电池 30%的税费减免（ 高
3000 美元/kW），这存在较强的退出风险（Ballard 的预期是 2016 年之前会持续）；其次是燃料电池叉车系
统长达 10 年的寿命，这建立在电堆 10000 小时的预期寿命之上，似乎略嫌乐观；再者，换电和加氢时间
被折算为 25 美元的工人小时工资，进一步地，还考虑了铅酸电池放电电压不稳定会导致其在放电后半程
效率降低。考虑到 Ballard 从事燃料电池商业推广，其假设参数难免向燃料电池倾斜，但至少说明在目前
的水平下，燃料电池确实有了初步与传统叉车在经济性方面一较长短的可能。
在美国工业车辆协会（Industrial Truck Association, ITA）的一份针对叉车客户的问卷中就燃料电池叉
车提了两个很有意思的问题：第一个问题是“请用 0-10 的数字表示影响燃料电池叉车工业化进程的因素”，
针对这一问题的投票结果表明，过去年中初始成本、客户接受、碳排放和电池安全的因素敏感度在下降，
全周期成本和氢气储运两大问题敏感度基本持平或略有提升，而政府补助则一直是 核心的影响因素。
不过在另一个关于“2-3 年后燃料电池叉车能够占叉车总量的比例”问卷中，2013 年的结果却远较
2012 年冷静：几乎所有的被调查者都认为其比例难以超过 1/3。笔者认为这代表了下游客户对于燃料电池
叉车的态度：成本很重要、虽然有改善但仍高度依赖补贴，今后的发展还待继续观察。
图：ITA 关于燃电叉车工业化影响因素重要性的调查结果 图：ITA 关于未来三年燃料电池叉车占比预期的调查结果
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初始成
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度
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全
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惠
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Class I Class II Class III
<33 34-66% 67-100%
2012
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100%
Class I Class II Class III
<33 34-66% 67-100%
2013
资料来源：ITA 资料来源：ITA
微观企业层面，集中于北美和欧洲市场，无论生产商抑或 终用户近年来都似乎渐成规模，龙头企业
身影晃动、数枝渐发：以占据北美燃电叉车市场 80%以上的 Plug Power 为例，公司多年摸索，终于选定
以 GenDrive 系列叉车及相关服务为核心业务。目前，Plug 已经得到包括 Walmart（超过 500 套）、Kroger
（超过 160 套、2014 年还计划部署 200 套以上）、BMW（323 套）、Benz（195 套）等各领域巨头订单。
按 CEO Andy Marsh 预期，2014 年 2 或 3 季度，Plug 将实现 EBIDA 层面盈利（虽然此公之前的预期曾
落空多次），为此公司需要实现超过 5800 万美元的年化收入，而公司 2013 年的销售收入仅 2660 万美元。
图：Plug Power 的年终订单和发货情况 单位：套 图：Plug Power 的销售收入和营业利润 单位：百万美元
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1500
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2013201220112010200920082007
发货量 订单量
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-100
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2002
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2000
收入 营业利润
资料来源：Plug Power 资料来源：Plug Power
虽然截至 2013 年，公司仍未实现盈利，且订单和发货数量也存在波动，并且其实现盈利的预期也一
再拖后，但基于对燃料电池叉车发展前景的看好，2014 年初的市场仍毫不吝啬地给予其万千宠爱。其重
要原因之一在于公司沿着成本控制的道路持续推进的趋势未曾改变，近 4 年来，公司基本保持着每年降低
10%成本的节奏，沿这一趋势，2014 年叉车平均成本有望下降到 2 万美元/辆以下，这一水平对于下游客
户而言已经有了一定可接受性。
图：Plug Powe 单位成本下降预期 单位：美元/套 图：Plug Power 服务成本下降预期 单位：美元/套/季度
图：Plug Powe 原料成本下降情况及预期 图：Plug Powe 服务成本逐季度下降趋势
资料来源：Plug Power
根据 DOE 统计，目前全美国有超过 4000 套燃料电池叉车订单或潜在订单是在没有基于财税补贴的
基础上给出的。可以认为，燃料电池在叉车领域的应用处于工业化的初期，部分趋势呈现了较为明显的向
好迹象，但行业盈利对于财税补贴的依赖度较之固定电站而言仍显略高，下游客户的认可度还没有得到大
规模普及。整体行业鸡鸣欲晓，先锋企业与下游数枝渐发，不过天下大白尚需静候。
2.3.3 燃电汽车：千帆辞白帝，何日到江陵？
燃料电池汽车（FCV）无疑是当下燃料电池应用中 令人激动和遐想的领域。一方面，汽车拥有远胜
于叉车和家用乃至商用储能的市场容量；另一方面，从产业配套、系统集成和性能要求水平看，车用燃料
电池无疑是工业&商业化领域中综合要求 高的一类；更关键地，对于车企而言，技术路线的选择与战略
地位的奠定可能决定着未来数十年的全球汽车领域竞争格局。几乎可以认为，FCV 的大规模应用才是燃料
电池工业&商业化的终极堡垒。
图：全球汽车产量及其增速 单位：万辆 图：FCV 系统结构复杂，对系统集成能力的要求很高
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2013
-15%
-10%
-5%
0%
5%
10%
15%
20%
25%
30%产量 产量增速
资料来源：Wind 资料来源：china-hydrogen.org
因此，虽然坎坷不断，主流汽车厂商仍然纷纷推出和持续更新着其 FCV 概念车型；以日本三大车企
（丰田/本田/日产）为首组织的全球燃电汽车技术与商业联盟陆续成立；并雄心勃勃地计划在 2015-20 年
逐渐实现燃料电池轿车的初步商业化（虽然，这已经是被一再调后的日程表了）；千帆竞发，其势若成。
表：部分国际汽车企业及企业集团推出的燃料电池车型及推广的基本情况
企业 新车型 推出年份 续驶里程 预期推广 基本情况和推广概况
奔驰 B 级 F-Cell 2010 400km 2017
2010 年推出、2011 年达到百辆级量产，2012 年完成环球万公里
测试，有望在 2014 年实现量产，2017 年或将真正在市场上进行
推广
丰田 FCV-R 2011 500km 2015-16计划在 2015 年投放市场，宣称其氢燃料电池 SUV 在 2015 年价格
可由 13 万美元降低至 5 万美元
本田 FCX
Clarity 2008 620km 2015-16
以 Honda 燃料电池为核心，能在-30 度启动，以租赁为主要推广
模式，目前在加州有 20 辆 FCV 作为租赁服务用
通用
EquinoX 2008 320km 2015-16作为上海世博会贵宾用车推广，据通用预测，2015-16 年将迎来燃
料电池车商业推广的关键节点
Provoq 2008 480km 2015-16凯迪拉克品牌，搭载通用第五代燃电技术，“电-电”混合方案，电堆
体积较前一代小 50%， 高车速 160km/h，0-100km 加速 8.5s
日产 Terra 2012 - 2020 之
后
采用日产专利燃料电池技术（同时亦应用于戴姆勒、福特 新车
型），但目前看主要是概念车型
大众 领驭 FCV 2008 300km - 概念车型，曾用于北京奥运会，但大众随后对燃料电池汽车的观点
纠结
现代 途胜 ix 2010 650km 2015 1998 年开始研发，已向欧洲政府机构和公共机关发售，计划到
2015 年在海内外共销售 1000 辆氢燃料电池车
奥迪 Q5 HFC 2010 - - 锂电、燃电复合车型，以概念车为主，2013 年奥迪又开始研发具
基于 A7 的然留澳电池车型
菲亚特 Panda 2008 200km - 概念车型为主，随后菲亚特表示了对燃料电池汽车的看淡
福特 Explorer 2006 560km 2017 2006 年洛杉矶展会上展示此产品，随后持续进行性能改善，和美
国能源部门共同推出
资料来源：笔者整理
一如在锂电池汽车领域的积极态势，丰田同样成为了燃料电池汽车的推广先锋，2011 年推出的 FCV-R
型燃料电池汽车性能参数明显优于目前全球累计销量 大的纯电动锂电池汽车——日产 Leaf，足以中端内
燃机车媲美，所差者唯价格而已。根据丰田雄心勃勃的计划，2015 年之后将逐渐把 FCV-R 的价格降低到
5-10 万美元的区间（为此必须从高点削减 90%的成本），直逼 Tesla 的水平，届时，或许亦将是丰田乃至
整个汽车行业大张旗鼓，推进燃料电池汽车正式工业&商业化的元年。
图：丰田 FCV-R 氢燃料电池车 表：丰田 FCV-R 基本参数及其与纯电动 Leaf 对比
参数 FCV-R 纯电动 Leaf
动力提供 100kW FC 33.1Ah 锂电池
充能耗时 加氢 3min 快充 15-20min
大功率 100kW 80kW
续驶里程 480km 200km
高时速 161km/h 145km/h
长 4745mm 4445mm
宽 1790mm 1770mm
高 1510mm 1550mm
轴距 2700mm 2700mm
车重 - 1700kg
(预期)价格 5-10 万美元 3-4 万美元
资料来源：Toyota，Nissan
奔驰 B-Class 燃料电池轿车亦为个中明星，该车型采用高压钢瓶储氢，加满燃料仅需 3 分钟，起步加
速动力高达 100 千瓦/136 马力，能够轻松产生 290 牛米的 大扭矩，足可与 2.0 升汽油发动机相媲美，
且其每次的续航里程高达 400 公里；奔驰公司为相应车型安排了环球行驶实验，充分验证了其在极端环境
（主要是低温环境）下的良好表现。
公交车方面，北美、欧洲、日本和我国都有相应试运营。目前，北美地区运营的燃料电池公交约 4-50
辆，并以每年 3-5 辆的速度缓慢增加，目前仍主要以收集数据供研究为主；近年来北美相应燃料公交的每
月运营里程数正缓慢向其各自的对标车型靠拢；但电池过热、设备故障以及加氢站关停等因素仍不时困扰
着燃料电池公交的正常运营。虽然表现较为突出的 SunLine AFCB 已经略微超过了 3000 英里/周的目标运
营里程数，与传统大巴接近，但就目前的状态看，燃料电池大巴还不具备大规模推广的基础。
图：北美地区运行中的燃料电池公交数量 图：北美燃料电池公交每月运行里程数 单位：英里
资料来源：NREL 资料来源：NREL
各主流车企因为分别制定了详细的燃料电池车战略路线图的规划，2015-20年的主要任务是市场导入、
实现量产和成本控制。因此，未来 10 年中，我们应当有机会见到相对成熟稳定的预商业化车型（而非概
念车型）的大量涌现。
图：各车辆企业近年燃料电池车型工业化规划
资料来源：Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH
与车企遥相呼应的是各国家和地区的普及预期，美国市场研究机构派克公司认为，2020 年后之后燃
料电池汽车有望达到锂电池汽车目前的水平。在 2015-20 年阶段行业的变化趋势逐渐趋于明显，基础设施
的完善和私人需求的增长加速构成了这一阶段的主要特征。
表：美国派克公司对车用燃料电池发展阶段的时间预期
时间 阶段 发展计划和状况
2010-14 预商业化 1 万辆燃料电池车进入市场，售价高、基础设施不完备，私人需求增长缓慢
2015-20 商业化 5.7 万辆燃料电池车进入市场，售价仍高于普通汽车，基础设施逐渐完备，私人需求增长加速
2020- 普及化 普及速度与目前纯电动汽车类似，基础设施比较完备，私人需求快速增长
资料来源：《科技创业家》
和美国的预期保持一致，日本、欧洲等跻身潮头浪尖的国家也基本都将 2015-20 年视作 FCV 商业化
的推广启动期，2020 年之后将迎来大规模普及阶段。不过值得注意的是，在 2005 年之前的市场预测资料
中，市场对于启动阶段的预期还是 2010-15 年。
图：日本 FCV 普及期从 2015 年开始 图：英国计划 2020 年后大规模推广 FCV 单位：辆
资料来源：www.d1ev.vom 资料来源：UK H2Mobility
与车企千帆和竞发及各国踌躇满志之势略显不谐的是，事实上燃料电池的产业化还面临重重问题，不
考虑燃料供给问题，仅燃料电池车本身面临包括稳定、安全、性能等在内的一系列问题（当然，大部分问
题到 后都化简成了成本问题）。
表：燃料汽车工业化过程中面临的主要问题
问题 具体情况
氢气储存 PEMFC 储氢材料储氢重量比至少要到 5-7%才有实用价值，而传统不锈钢储罐罐仅能达到 1%左右，目前具有商
业化应用前景的材料仅能达到 4-5%左右，并且氢气的加压存储具有较大危险性
贵金属 催化剂在燃料滇池系统中成本占比 40%，其主要成分为 Pt，产业化后，量化生产会导致贵金属的资源短缺问题，
价格水平高，而其他金属替代催化剂目前性能较难达到 Pt 的水平
质子交换膜 质子交换膜成本占比 35%，并且质子交换膜的寿命是燃料电池寿命的核心控制步骤之一
稳定性 轿车/公共汽车的寿命必须分别达到 3000-5000h、20000h+，在寿命后期，燃料电池的性能会显著下降，重要原
因是纳米铂电催化剂的铂晶粒长大、碳担体腐蚀与铂流失
低温性能 燃料电池体系使用和产生水，低于零度时，水结冰将导致汽车无法启动，必须配备单独的保温设备
体积 燃料电池组因为带加湿、排水等一系列设备，其系统体积远大于普通电池
环境敏感 空气内的 SOx、氮氧化合物、烃类会使催化剂中毒，导致电池性能大幅下降，尤其是 SO2；当北京 SO2含量为
0.02×10-6时，燃料电池电压衰减为每小时 180mv，相当于燃料电池系统工作 5.5h 电压即降低 1V
启动速度 启动速度不及内燃机引擎，单纯提升启动速度会降低寿命和稳定性，反应性与稳定性是一对矛盾
能源耗费 采用液化存储的燃料电池的，其氢气储存系统约有 1/3 的电能必须用来维持槽体的低温,使氢维持于液态,且从隙缝
蒸发而流失的氢气约为总存量的 5%
资料来源：《商用汽车新闻》、
行业数据同样证实着担忧：在经历了 2009-10 年的短暂热情之后，近年来交通运输用燃料电池的出货
量及其在整体中的占比一直未见起色。从功率角度看，交通运输用产品出货量从 2010 年 高的 62%下降
到 2013 年的 13%，且其绝对值同样在波动中逐年下挫，趋势未成。这也是笔者何以认为目前车用领域是
燃料电池商业化领域中发展程度 低的一个分支（不考虑便携设备用燃料电池）。
图：全球交通运输用燃料电池出货量：按套数 单位：万套 图：全球交通运输用燃料电池出货量：按功率 单位：MW
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80%交通运输 交运占比
资料来源：FuelCellToday 资料来源：FuelCellToday
一个小插曲颇能说明市场期待与产业现实的差异，2014 年 3 月初，Plug Power 曾宣布未来几周内可
能获得车企大订单，这一消息曾经颇让市场兴奋了一阵，公司股价亦在消息宣布当天暴涨 49%；但很快在
4 月初的电话会议中，公司 CEO Andy Marsh 澄清仅仅是车企采购生产用叉车，而非燃电汽车用系统，市
场应声而落。来自业内的质疑和看淡声也一直存在，Tesla CEO Elon Musk 就毫不掩饰地将燃料电池称为
Fool Cell；2010 年以来，大众、通用、日产、菲亚特等推出过燃电车型的传统巨头也都难免在某一阶段
乃至或持续地对燃料电池汽车的商业化前景表示过悲观。究其所虑，主要集中在国家政策、系统成本、氢
气供应、基础设施和安全性几大问题上（对此，我们会在后续章节中讨论）。
综上，笔者对于燃料电池汽车的前景暂持保守态度，燃料电池汽车得商业化进程较之锂电池汽车慢
5-10 年（这与国内燃电与锂电研究的主流观点和认识是基本一致的）。2015 年的 FCV 新品爆发式推广很
可能只是燃料电池车辆领域产业化的开幕致辞，甚或仅仅是预演彩排，未来五年我们将有幸目睹未来，但
真正的触摸或许还要更久的等待。在充分解决成本、配套等问题之前，再度遭遇曲折的概率事实上颇为不
小，对于即将启幕的电动车产业化浪潮，市场不妨镇之以静，谨慎而观。
2.4 荣华尚遥瞰：空间确定，时间不定，且望且疾行
2.4.1 雄心固勃勃，可得终几何？
尽管燃料电池在不同子行业中的商业化进程参差不齐，趋势也并不算明显，但从国家规划与市场预期
的角度，这场未至的荣华仍然吸引了足够多的目光与热情。前文已经述及，以美国、日本和欧洲为核心的
主要发达国家和地区的规划和展望中，燃料电池工业化启动时间基本都被锁定在了 2015-20 年的区间内。
为了从政府和产业层面推动规划的如期实现，各国家和地区纷纷推出各自版本的燃料电池发展规划，
从基础科学研究、产品补贴、基础设施建设、战略联盟建立等各个方面对行业的发展进行推动，即使 2008
年的全球性经济危机导致多个项目及相关企业资金紧缺、推进进程放缓，全球各界对于燃料电池商业化繁
荣的遥瞰也从未中绝。
表：部分国家和地区的燃料电池商业化规划及相关支持计划
国家/地区 政策情况
美国
H2USA 计划，由美国能源部提出，涉及了多个公共和私营部门及氢能和 FC 企业，计划共投资 25 亿美元，其中国
家拨款 15 亿美元，三大汽车公司投资 10 亿美元，致力于推进美国氢能基础设施的建设
2005 年出台《能源政策法》，将发展氢能和燃料电池技术的有关项目及其财政经费授权额度明确写入；2012 年 9
月再次修订，对清能和燃料电池的补贴仍然持续有效
在发展的第一/二/三阶段，5000/4000/3000 美元/kWh 的燃料电池系统，分别实现超过 70/60/30%的效率转换，即
可分别享受 50/40/30%的税收抵免
英国
在 2030 年之前使英国氢燃料电池车保有量达到 150 万辆，并在 2050 年之前使其市场占有率达到 30%-50%
H2 Mobility 计划，到 2015/25/30 年之前，分别在国内建设 65/330/1150 个加氢站，并配备建设相应氢气输送管道，
基本实现全国覆盖
德国 H2 Mobility 计划，到 2023 年将目前在德国的 15 个加氢站扩大到约 400 个，确保高速公路沿线每 90km 有一个、
每个大城市至少有 10 个加氢站
欧洲其他
2008-2013 年，欧盟将从 EU 第七框架计划(FP7)中花费相当 37.13 亿的人民币支持氢燃料电池技术的研发和示范
荷兰、瑞典、法国、丹麦、德国与英国六国达成有关共同开发并推广氢能源汽车的协议，共同建设一个欧洲氢气设
施网络，并负责协调能源传输；2013 年欧盟新增 14 亿欧元继续推广 FCH JU 项目，同时开展 En-Field 项目，推
广家用热电联产燃料电池产品 CHP；
2014-2024 年，欧盟致力于开发一系列可引入市场的 FC 以及氢领域技术。将作为交通工具的 FC 系统成本降低 10
倍；将 FC 的功率效率提高 10%；示范利用可再生能源电力大规模产氢的可行性
欧盟 2005 年提出欧洲氢能发展战略展望，2007 年在新能源政策中的战略能源计划中增加 50％的能源科研经费，
并在 2007-15 年投入 74 亿欧元的氢能和燃料电池技术研究实施计划
中国 “十五”期间提出发展燃料电池，《节能与新能源汽车技术政策研究》指出 2020 年前研究出新型动力系统汽车发展
的技术路线, 并作为中国纯电驱动汽车产业技术转型战略的重要组成
韩国 颁布氢基础设施建设法案，并建成了世界 大的总容量近 20MW 的熔融碳酸盐燃料电池电厂，同时政府开展补贴
力度高达 80%的“绿色家园项目”，旨在推广家用 CHP 产品
日本
于 2015 年以东京、中京、关西、福冈四大城市圈为中心开始燃料电池汽车销售,经产省明确支持并首次提出建立
100 所加氢站、在四大城市圈实现集中普及；
政府对安装基于燃料电池的 ENE-FARM 家用热电联供系统的机构和家庭提供补贴
资料来源：《新能源汽车》、《太阳能》、《电源技术》、《汽车安全与节能学报》等
从政府规划的角度看，以美国 H2USA 计划 新、所涉也 广。H2USA 计划 早于 2013 年 5 月份提
出，由美国能源署（DOE）主导，参与者涵盖了以 DOE 为首的多个国家机构、全球范围内的主要汽车生
产商、氢气生产和供应商、各州政府、研究机构及其他与燃料电池汽车相关的多家公共和私人部门实体。
H2USA 计划的的主要任务包括建立必要的氢气设施和氢源、推广燃料电池汽车、提高美国能源安全并减
少温室气体排放及开发和推广新技术等，已经吸引越来越多的企业和机构陆续加入。
日本政府对燃料电池的鼓励与刺激从力度上看较之美国政府犹有过之，在过去 30 年时间内，日本先
后投入上千亿日元用于支持燃料电池汽车和氢能的基础科学研究、技术攻关和示范推广。日本国内燃料电
池商业化组织(FCCJ)先后与 2009 年 7 月和 2010 年 7 月发布了《燃料电池汽车和加氢站 2015 年商业化
路线图》明确指出 2011 年-2015 年开展燃料电池汽车技术验证和市场示范，随后进入商业化示范推广前
期。
图：截至 2013 年美国燃料电池基础设施推广情况 图：截至 2013 年日本燃料电池基础设施推广情况
资料来源：DOE，IPHE 资料来源：IPHE
H2 Mobility 是横跨欧洲 有影响力的燃料电池基础设施规划之一，英国、德国、斯堪的纳维亚半岛、
荷兰、瑞士、葡萄牙等国家均有参与，该计划致力于在欧洲各国建立起系统性氢气供给系统。其中，英国
和德国参与热情 高。根据其规划，到 2025-30 年左右，各国的氢气基础设施将基本完成对全部人口和交
通道路的覆盖。
图：英国的 H2Mobility 加氢站推广规划
2015 年，65 个加氢站
覆盖主要国内大城市
2025 年前，330 个加氢站
覆盖 50%居民和长途道路沿线
2030 年前，1150 个加氢站
基本完成全国范围内的覆盖
资料来源：UK H2 Mobility
图：德国的 H2Mobility 加氢站推广规划
2015 年，5000 辆 FCV，100 加氢站
覆盖 20%人口
2020 年，15000 辆 FCV，400 加氢站
覆盖 60%人口
2025 年，18000 辆 FCV，1000 加氢站
覆盖 100%人口
资料来源：IPHE
2.4.2 荣华堪遥瞰，且作姑妄观
根据日本方面预测，到 2025 年全球燃料电池市场规模将达到 5.2 万亿日元（约合 500 亿美元，基本
相当于 2015 年全球锂电池市场的规模，这也从侧面印证了行业内“燃料电池工业化进程落后锂电池 10
年”的经验性判断）。这一数字意味着未来 10 年，燃料电池内行业将享受超过 30%的复合增长率。从市场
组成上看，燃料电池汽车的占比将达到一半以上。相应地，燃料电池主要配件和材料市场到 2025 年亦将
获得接近 80 亿美元的市场规模。
图：日本对全球燃料电池市场的预测 图：燃料电池主要配件材料市场容量预测 单位：亿美元
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2010 2015 2020 2025
膜 油墨/催化剂 双极板/收集器 气相扩散层/碳
资料来源：日经能源环境网 资料来源：化工新型材料
500 亿美元的体量对于涵盖汽车、固定电站这样大型下游的行业而言，只能算得上差强人意的温饱，
远未可称荣华，而真正的规模飞跃预计会出现在 2025 年之后。根据美国对不同类型能源汽车的市场份额
预期，2025-30 年，锂电池混合动力车的市场占有率见顶，燃料电池汽车开始真正的飞跃，到 2050 年左
右实现 90%以上的占有率，再考虑成本下降和市场总量的变化，预计届时市场容量将是 2025 年的 5 倍以
上。日本政府对 ENE-Farm 燃料电池 CHP 系统的推广预期较此为早。
综合考虑，固定电站、叉车等其他应用的进程略快于汽车，但全球燃料电池推广的速度又低于美国，
预计到 2050 年，粗略估计燃料电池市场规模将不低于 2500 亿美元（这就意味着 2025 年后的 25 年中，
燃料电池领域的平均增速回落到 6-7%的水平），如彼，方堪称荣华。当然，从目前的时间点看，这场荣华
还只可遥瞰。
图：美国预计 FCV 市场份额从 2015 年开始增长 图：日本 ENE-FARM 系统导入期在 2013-15 年
资料来源：Greene and Leiby 资料来源：IPHE
当然，来自其他机构的预期还有很多。但考虑到燃料电池市场的真正爆发点在 2020 年以后，对于未
来的预测包含了太多不确定性，而市场空间的计算方法无论其逻辑如何繁复精巧，个中拍脑袋的因素依然
太多，一一赘述没有必要。燃料电池的工业化和商业化进程还面临着来自政策、成本、安全与基础设施配
套各个方面的近忧和远虑（这也正是我们在下一节中要展开讨论的）。于目前的市场而言，渺远的荣华或
可为激励，其数字倒不妨暂且姑妄观之；于行业中奋战的诸君，期许兑现的时间猜测远不如点滴积累的技
术进步来得重要，燃料电池所许的荣华空间确定，时间不定，且望且疾行。
3.从近忧到远虑：政策、成本、安全、配套，道阻且长
3.1 政策支持：襁褓难离终须离
毋庸置疑的一点是，无论近年来燃料电池在技术与市场领域取得了和取得着怎样的飞速进步，从行业
整体而言，其商业化程度还远未到能够离开政策襁褓独立发展的程度，而种种迹象表明，能够继续安享襁
褓的日子或许并不多了。以美国为例，政策的支持主要来自三个方面：
其一是对燃料电池研究机构的经费支持，在美国主要通过能源署实施，2004 年以来，整体补贴额度
达到 20 亿美元，主要来自能源效率与可再生能源办公室(EERE)；针对燃料电池及其配套领域的工程和工
业化研究（也包括对企业研究的直接补贴，Plug Power 等企业均曾获得过百万美元级的补助），集中在燃
料电池与氢燃料的研发领域。2008 年经济危机以来，补贴幅度呈逐年减少之势（而 DOE 对于风能和生物
能研究领域的补贴却持续增长，足见燃料电池在美国政府心目中的地位并不超然）。
图：美国燃料电池相关补贴逐年下降 单位：百万美元 图：2006-13 年 EERE 燃料电池补贴方向 单位：百万美元
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2006
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2011
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2013
2014E
2015R
EERE 其他补贴
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2006
2007
2008
2009
2010
2011
2012
2013
燃料电池研发 氢燃料研发 生产研发系统研究 技术验证 安全规范市场转型 教育
资料来源：DOE 资料来源：DOE
其二是对燃料电池消费者的资助，其主要形式包括联邦投资税费减免（Federal Investment Tax Credit，
ITC）、购置税减免和州政府的直接补助。其中联邦税费减免额度为 30%， 高不超过 3000 美元/kW，州
政府补助较高水平的加州为热电联供系统提供每 kW 2500 美元的补贴。DOE 提供了基于加州补贴政策的
300kW 热电联供系统经济性估算，州补贴和 ITC 可以分别提供 33%和 23%的成本覆盖，如果采用 10 年
期服务协议的模式，还将获得近 40 万美元的现值节约。Ballard 在 2014 年初的投资者电话会议中亦坦陈，
税费减免对于客户采购的意义非常重大，但目前的补贴政策期限是 2016 年底，随后变革方向未知，但
Ballard 的观点是中长期下降趋势不可避免。
图：获得 DOE 补贴的生产企业研究领域分布 表：加州 300kW 燃料电池热电联供 DOE 补贴细节 单位：万美元
购买安装 服务协议
采购安装 208.4 208.4
销售税金 0.0 10.5
财务费用 0.0 6.0
合计安装成本 208.4 224.9州补贴 -75 -75
联邦投资税费减免 0 -67.5ITC费用 0 20
净安装成本 133.4 102.4初始投资 133.4 0.0
维护与燃料 3.6 3.6
财务费用 0.0 11.7
净运维成本 3.6 15.310年累计运维成本 36.0 153.0
总成本冲击 169.4 153.0
总成本冲击，现值 152.5 112.6 服务协议模式现值低39.9万美元
维护成本+燃料费用-能源节约
财务费用
ITC服务的相关费用
服务协议模式逐年付费，免安装费
服务协议收取财务费用
州补贴降低33%成本
ITC，服务协议模式可申请
电池购置成本
购买电池享受免税
说明
资料来源：DOE 资料来源：DOE
销售环节的补贴对于美国燃料电池商业化的意义非常重大，根据 DOE 统计，到目前为止的价格补贴
刺激至少使叉车和备用电源燃料电池系统的销量提升了 5倍，商业化进程对于补贴政策的敏感性不言而喻。
无庸讳言，美国应当是全球燃料电池政策支持退出较快的国家（这或许也恰对应其更深入的商业化进程）。
不过放眼欧洲，来自欧盟（每年数千万欧元）及各国自行实施的补贴对于产业发展同样不可或缺，而同时
其同样存在较为显著的波动性。
日本的情况亦与此类似，补贴额度已经由 2009 年之前的 150 万日元、50%的额度下降到 2013 年的
50 万日元、不到 25%。虽然补贴的下行与成本的下行一定程度上互相匹配，但政策错配带来的发展受挫
风险仍然不可忽略。
图：价格补贴使美国燃电系统销售大幅增长 图：欧洲燃电系统补贴范围及其额度波动 单位：百万欧元
资料来源：DOE 资料来源：New IG，
其三是来自政府的直接采购订单，这对于企业而言，政府采购对成本的敏感度较低，一方面这将是工
业化准备期货工业化早期，燃料电池成本尚不能被市场接受阶段的第一批客户，确保产业的初始生存，另
一方面在工业化推进初期，政府采购可可以有效提高生产规模、摊低平均成本。美国的 Clean Cities 计划
就将燃料电池汽车列入政府采购范围。
有研究者以我国的产业现状对三类补贴的 优化构成进行了模拟测算，假设从 2012 年开始每年投资
100 亿元，第一个五年周期年递增 10%，其 优化结果是财政贴息、科研拨款与政府采购比例 1:5:4。在
这一比例的补贴下，则我国燃料电池市场有望在 2028 年进入飞跃式发展阶段。
图：政府采购预计将使美国燃料电池成本快速下行 图：优化财税政策假设下的我燃电汽车产值 单位：亿元
资料来源：DOE 资料来源：《促进我国燃料电池汽车产业发展的财税政策研究》
终究，我们无法期待来自各国政府的长期持续、又足够丰厚的馈赠。资源总量的约束下，更有燃料电
池与锂电池、氢能与风能和太阳能的路线之争的进一步的瓜分。当然，对于政策的退出亦无须过度担忧，
毕竟一般情况下这与行业自身的发展程度会是相对匹配的。但统而言之，襁褓难离终须离，这将成为燃料
电池商业化进程中的第一重近忧。
3.2 成本控制：大河将济犹未济
3.2.1 电堆成本：将济的近忧
工业化和商业化的绝大多数问题都可以归结到成本之上，燃料电池亦不例外。近 10 年来，燃料电池
的成本控制一直是研究机构和实业界 重要的目标之一。孜孜不倦的努力也取得了回报，根据 DOE 的估
算，基于 2013 年的技术水平，在年产 50000 套的规模下，车用 80kW 功率的 PEMFC 燃料电池成本降低
到 55 美元/kW（请注意上述各种约束条件！），较之 2002 年的 275 美元/kW 下降了 80%，距离 2017 年
30 美元/kW 的目标仅数步之遥（对此需要指明两点：其一，30 美元/kW 的成本在 2008 年左右还是 2015
年计划实现的目标；其二，2012 年成本估算曾经低至 47 美元/kW，但基于更严格的热排放指标和 新的
Pt 金属价格，这一估算在 2013 年被调高了）。
图：DOE 测算的燃料电池成本趋势 单位：美元/kW 图：不同生产规模下的电池成本及拆分
30
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91106
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2017T201320122011201020092008200720062002
资料来源：DOE，Fuel Cell System Cost 2013 资料来源：DOE，Fuel Cell System Cost 2013
不过必须指明的是，55 美元/kW 的成本估算源自美国 Argonne 国家实验室的模型估算而非工业企业
的实际情况，这一点在国内市场经常受到误解。可作为工业参照的是，Ballard 目前 新的动力燃电系统售
价 1.5 万美元左右（应当是 80-100kW 电池系统），考虑其合理利润需求，实际成本应当不会显著低于 100
美元/kW。
进一步地，我们对燃料电池成本模型的下降路线进行略微深入的分析：2010 年之前，催化剂 Pt 密度
的降低对于成本下降的贡献非常明显，但 2010 年之后似乎到达了极限（0.2g/kW），甚至有所回升，燃料
电池成本下行的速度也明显减缓，此后的成本压缩基本都来自系统成本中非催化剂方面的压缩，而 2013
年 Pt 价格假设大幅上调之后，燃料电池成本显著反弹。足见通过降低 Pt 含量压缩成本的路径可能暂时遭
遇了阻碍，在没有显著技术突破之前，2017 年实现 30 美元/kW 的电池成本挑战不小。
表：燃料电池系统成本估算中的细节参数
项目 单位 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013
电堆功率 kWgross 90 90 88 88 89 88 89
系统功率 kWnet 80 80 80 80 80 80 80
电池功率密度 mW/cm2 583 715 833 833 1110 984 692
Pt 密度 Mg/cm2 0.35 0.25 0.15 0.15 0.19 0.20 0.15
总 Pt 含量 g/kWnet 0.68 0.39 0.20 0.20 0.19 0.22 0.25
Pt 成本 $/oz 1100 1100 1100 1100 1100 1100 1500
系统成本 $/kWnet 50 34 27 25 22 20 27
厂家利润 $/kWnet 42 37 33 25 26 26 27
测试与组装 $/kWnet 2 2 1 1 1 1 1
系统总成本 $/kWnet 94 73 61 51 49 47 55
资料来源：DOE, Fuel Cell System Cost 2013
固定式燃料电池系统成本显著高于车用燃料电池，DOE 为小型 CHP 系统燃料电池设定的成本目标是
到 2020年实现 1500美元/kW。而基于 2013年的水平，只需要通过扩大生产规模即可能将成本控制到 2000
美元/kW 以下，根据估算，如果能够将制造控制在 1000 美元/kW 以下，固定式燃料电池就足以在没有任
何补贴的情况下获得推广（热电联供系统和辅助电源的推广成本区间分别在 450-650 美元和 500-700 美元
/kW）。
表：固定式燃料电池成本
成本项目 单位 10kW 系统 25kW 系统
100 套/年 1000 套/年 10000 套/年 100 套/年 1000 套/年 10000 套/年
总安装成本 美元/套 4357 3974 3422 8815 8068 6851
固定资产折旧 美元/套 2825 283 74 2825 307 121
辅助设备 美元/套 27272 21079 17856 44517 34571 29114
系统安装测试 美元/套 279 267 266 279 267 266
总成本 美元/套 34733 25603 21618 56436 43213 36352
单位成本 美元/kW 3158 3158 3158 2052 1571 1322
销售价格 美元/套 52100 38405 32427 84654 64820 54528
消费者成本 美元/kW 4736 3491 3948 3079 2357 1983
资料来源：DOE，FY 2013 Annual Progress Report 注：销售价格基于 50%的利润率水平
占总成本近半的 Pt 催化剂是影响燃料电池成本的核心因素。目前领先的工业化水平下每 100kW 燃料
电池催化剂消耗 Pt 在 30g 左右（略高于 DOE 测算的理论水平）。以汽车为例，按功率 100kW 计，单车
Pt 的需求量为 30g，合单车催化剂成本超过 8000 元人民币。
不过不应当忽略的一点是燃油车的尾气清洁催化剂同样对 Pt 存在需求，目前的水平大约在 5-10g/辆。
因此在目前技术水平下，使用燃料电池汽车取代燃油车的 Pt 消耗增量在 20-25g/辆。2020 年全球 100 万
辆燃料电池车保有量预期对应 20-25 吨 Pt；中长期看，若燃电汽车实现 10%的保有率和 20%的年产量占
比，对应的 Pt 保有需求超过 2000 吨，考虑固定电站等其他应用，总需求量不低于 4000 吨，超过全球 Pt
资源量的 1/4；而燃电汽车生产的年 Pt 需求将达到 4-50 吨（插一句闲话，这还比不上中国一年用来做首
饰的 Pt 消耗多，2013 年这个数字是 59 吨，爱美之心是环保大敌），差不多也占全球年消费的 1/4 左右；
无论从经济还是资源的角度都难以承受。
图：全球 Pt 供给及消费 Vs 燃电汽车消费假设 单位：吨 图：伦敦现货 Pt 价格 单位：美元/盎司
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2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
2009
2010
2011
2012
2013
供应量 回收量 需求量
25g/辆
200万辆0
500
1000
1500
2000
2500
1999
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
2009
2010
2011
2012
2013
资料来源：Wind 资料来源：Wind
目前，减少燃料电池 Pt 含量的手段主要是改进催化剂结构（例如使用包覆 Pt 的颗粒取代纯 Pt 颗粒）
或者改进催化剂配方。其 终优化目标是在 2020 年左右将催化剂 Pt 需求量控制在 5g/100kW，一旦实现
这一单耗目标并解决报废系统 Pt 回收问题，则燃电和燃油车对 Pt 的消耗基本在同一水平，产品替代不再
产生 Pt 需求增量，Pt 的成本和资源限制将不再是问题。
图：燃料电池催化剂 Pt 减量技术路线图及成本控制预期
资料来源：www.rsc.org
催化剂决定了电池组系成本的主要部分，而对于由电池组及压缩机、加湿器及其他配件构成的整体燃
料电池系统而言，以压缩机为主的其他组件同样尚有成本压缩空间。从 49 美元/kW 到 30 美元/kW 的成本
下降预期路径中，电池组和其他组件成本基本各占一半。 后，在量产假设下的充分摊薄成本构成中，材
料以外的成本约占 1/4。燃料电池成本的下行依赖从基础科学到工程优化的系统努力，任重道远。
图：燃料电池成本降低路径 单位：美元/kW 图：充分摊薄后的电堆成本构成
资料来源：DOE 资料来源：Battelle
3.2.2 燃料成本：未济的远虑
除了固定式燃料电池能够使用天然气等燃料气、自带重整设备的燃料电池可以间接使用甲醇外，氢是
目前有工业化前景的燃料电池的主流燃料，其生产和存储是燃料电池商业化需要克服的另一成本高峰。燃
料成本体现于生产和储运两个环节，考虑到碳排放引入的可再生氢源需求，其问题较之电池成本远为宏观
和复杂，并且其中颇有一部分事实上并不掌握在燃料电池研究者的手中——例如光伏和风电的成本——这
也是笔者何以认为燃料成本更具有“远虑”的特征。
从车用的角度，氢能经济性的核心就是与传统燃料比拼成本，综合考虑能量效率，从单位里程的成本
角度看，8 美元/kg 的氢气价格基本与 3-3.5 美元/gal 下的柴油成本持平。考虑氢气生产、储运和销售等环
节的合理利润，则其产业链的成本总和不应当超过 6 美元/kg。
目前，已经成熟的氢气生产工艺是天然气重整，而未来将承担主要氢源的工艺包括煤炭气化和太阳能
热化学制氢。同时，由于氢源中可再生能源的比例决定了 终碳排放，因此只有不断提高可再生氢源比例，
才能够彰显燃料电池取代传统能源的减排意义。可再生能源制氢工艺包括生物质气化（计划 2015-20 年工
业化）、风能和太阳能电解水（计划 2020-30 年工业化）、太阳能热化学及光电化学制氢（计划 2030 年之
后工业化）等。
图：US DOE 对于未来氢气的生产方式及规模预期
资料来源：DOE
传统工艺制氢的生产环节成本在需求总规模不大幅增长的情况下已经比较稳定，在我国，以天然气、
煤和其他石化原料为主的制氢工艺已经能够将成本控制在 5 美元/kg 以下。而在以天然气重整制氢为主要
工艺的美国，由于近年北美天然气价格下降显著，天然气制氢的成本已经下降到 1-2 美元/kg 的水平，即
使考虑 1 美元左右的净化费用（燃料电池对于燃料气中的硫含量等杂志指标要求非常严格，不超过个位数
ppm 级别），也已经足够便宜（况且作为比较成熟的技术，在原料成本不显著下降的前提下也很难大幅降
低了）。因此，基于化石燃料的存量制氢成本事实上已经不是问题。
图：中国国内不同工艺下制氢成本 单位：美元/kg 图：美国不同天然气成本下的制氢成本 单位：美元/kg
2.592.98
3.47 3.56
4.324.84
6.94
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
8.0
煤 焦炉气 天然气 干气 重油 甲醇 电解水
原料 其他 净化
资料来源：中国石化，西南化工研究院，神马集团 资料来源：DOE
注：美国的成本统计中未含氢气净化成本，一般在 0.5-1.5 美元/kg；中国成本中电解水工艺按电费 0.55 元/kWh 计
对于潜在的增量供给——新能源制氢而言，其核心成本是生物质和电力成本，据 DOE 的预期，希望
能够在 2020 年左右将可再生能源制氢的成本控制在 10 美元/gge（gge=gallon gasoline eqivalent，等效
加仑汽油）以下的水平（作为近似估算，1 美元/kg 氢气≈2 美元/gge），而其终极目标是 1-2 美元/gge。但
事实上这已经不属于燃料电池研究者所涉及的范围。考虑到可再生氢源的大规模普及预期集中在 2020-30
年，甚至更晚的时间，目前看其不确定性非常强，足为远虑。
图：美国不同类型工艺下的制氢成本 单位：美元/kg 表：美国制氢成本控制目标 单位：美元/kg
工艺2012水平
2015目标
2020目标
终目标
电网电力 4.2 3.9 2.3
生物乙醇 6.6 5.9 2.3
可再生电力 4.1 3 2
生物质气化 2.2 2.1 2
光热化学 NA 14.8 3.7
光电化学 NA 17.3 5.7
生物法 NA NA 9.2
1-2
集中式
分布式
资料来源：DOE 资料来源：DOE
氢气的集中仓储、运输和分配是构成 终燃料成本的第二个环节，在目前的技术水平基础之上，对于
氢气的运输采用的主要是是“短途+小规模用罐车、长途+大规模用管线”的方式。由于目前市场规模较小，
主要采用加压或液化储运，相应设施的投资成本很高。
从产业化路径看，2015 年之前主要是传统压缩、液化和储运技术的初步工业化过程；2015-20 年的
成本降低主要依靠对现有技术和设备的改进以及规模经济，基于管网的气化储运设施将逐渐兴起，随着管
线设施的持续建设，到较高的基础设施建设成本将被氢气从液化到压缩的成本节省对冲；2020 年以后则
依靠新兴技术提升效率、降低成本，电化学压缩、高效液化、地质存储等技术将实现商业化，进一步降低
氢气的储运成本。
图：US DOE 对于未来氢气的储运方式及规模预期
资料来源：DOE
由于无论是罐车、液化、管道、压缩还是仓储设施都面临着很高的资本开支。因此基于现有的技术路
线下，降低固定资产的单位投资是降低氢气储运成本的核心手段。通过引入复合材料技术、多通道摩擦搅
拌焊接技术以及改善压缩机等手段，氢气储罐和压缩机的成本尚有 20-40%的下降空间，而这一成本压缩
有望在 2015-20 年逐渐实现。
目前，氢气的存储系统所能够实现的 佳能量的质量密度和体积密度分别在 1.8kWh/kg 和 0.8kWh/L，
这一水平较之汽柴油体系远为逊色。在这一水准下，燃料电池汽车的氢气存储系统成本在 13-17 美元/kWh
之间（约合 7-13 美元/kg，这还是在年产量超过 50 万套的较充分规模经济假设下得到的数字，在较小的
生产规模下，如 1 万套，则成本还要提高 1 倍以上）。
图：储罐和压缩机的成本下降预期 图：车载储氢成本 单位：kWh/g;kWh/L;美元/kWh
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
700Bar 350Bar 2017E 极限状态
0
4
8
12
16
20质量密度 体积密度
储氢成本(右)
目前水平
资料来源：DOE 资料来源：DOE
规模经济对于氢气的储运成本降低非常重要。根据美国能源部的测算，目前水平下，在一个人口为 150
万左右的中小型城市中，少量氢气从生产厂区输送到周边的成本在 3-5 美元/gal（约 10-20 美元/kg），而
20%以上市场渗透率（1250kg/天，足以供应超过 1000 辆汽车行驶 80-100 公里）下，氢气的储运总成本
可以下降到 4 美元/kg 以下。而从时间周期看，各环节成本的降低（主要依靠压缩、仓储和运输成本的下
降）有望在 2020 年将整体储运成本控制在 2 美元/kg 的水平。
图：不同市场渗透率下氢气储运成本 单位：美元/kg 图：美国氢气运输成本测算及降低路径 单位：美元/kg
资料来源：DOE 资料来源：DOE
后一个环节是燃料电池汽车的储氢成本。目前，预商业化的燃料电池汽车基本采用碳纤维增强的高
压钢瓶储氢，个人轿车的单车储氢量在 5kg 左右（基本可以满足 4-500km 行驶里程需要），其原理与成本
基本和氢气储运类似，领先的商业化技术基本可以实现 7-13 美元/kg 的车载储氢成本，根据预期，未来还
有 4-50%的下降空间。
表：两种储罐的其本情况
储罐类型 系统质量 储氢 总体积 氢气质量比 氢气密度 储氢成本 质量密度 储氢成本
kg kg L wt% g/L 美元/kWh kWh/kg 美元/kg
350bar 104.4 5.6 316.4 5.4% 17.7 13.0 1.8 7.2
700bar 127.5 5.6 224.0 4.4% 25.0 17.0 1.5 11.3
资料来源：DOE，Onboard Type IV Compressed Hydrogen Storage Systems – Current Performance and Cost
综上，我们考虑一个中性假设，为一个氢能源渗透 10%左右的中等规模、距离制氢厂中等距离的地区
提供氢燃料保障的的整个供应链的成本：生产环节 1-2 美元/kg、储存环节 7-11 美元/kg、输送环节 4-5 美
元/kg，其总成本高达 12-18 美元/kg（燃料电池汽车自身得储氢成本由汽车承担，不计入氢气供应成本），
这一结果与满足氢气-汽柴油比价目标的 6 美元/kg 相去甚远。因此，目前条件下氢气燃料成本仅能满足就
地或就近产氢使用的情境（存储和输送环节成本大幅节约），而大规模推广氢燃料尚存远虑。
MC Kidnsey 对于欧洲氢燃料推广规划预期也给予了良好的佐证（从结构上看，相较于与我们对美国
的研究，欧洲的生产成本更高一些，并且储运成本应当被生产和零售环节部分分摊了）。从其时间表上看，
综合氢能降低到 6 美元/kg 左右将是 2020 年之后的事情了。
图：欧洲氢燃料成本及其下降通道规划 单位：欧元/kg
资料来源：MC Kidnsey
必须指出的是，氢能供应问题主要影响的是基于 PEMFC 的汽车和叉车等移动设备的燃料成本。对于
固定式电站及备用电源等领域而言，由于 SOFC 等系统可以使用供应体系成熟的成熟的天然气作为燃料，
其成本远虑并不明显。对于氢燃料而言，目前亦有不少变通的尝试，例如 Ballard 就开发出了自带重整制
氢装置 ElectraGen™-ME 系列，可以使用甲醇为燃料，单套售价较之氢燃料电池系统高 7-8000 美元
（80-100kW 传统氢燃料电池系统 1.7-1.8 万美元/套）。当然，如果 终能够实现直接甲醇或甲烷燃料电池，
氢气燃料成本的问题信可迎刃而解，但这就不是本文由篇幅深入讨论的话题了。
3.3 系统安全：其危如许休自许
系统安全很大程度上也是针对汽车、叉车等需要移动携带氢气的设备特有的安全问题。氢气是自然界
难以驯服的气体之一：无色、无味、易燃、易爆，且爆炸极限很宽；氢气在常压下仅 0.09kg/m3，作为
密度 小的气体，较之一般可燃气体更易于扩散；氢气常压下的液化温度为-252℃，液态下密度也仅有
0.07kg/L，为汽油的 1/10；同时，高温高压下氢气对金属有很强的腐蚀作用（氢脆）。目前，金属储氢、
生物质储氢等技术还远未能达到商业化应用的水平，冷冻液化+高压在可预见的将来都将是主流储氢手段，
无论对于加氢站还是氢燃料电池汽车而言，氢气的存储和运输都面临较大的安全挑战。
表：氢气系统的安全型问题
问题 具体描述
易燃性 氢气的燃烧范围宽，当氢体积比浓度为 4%-74% 时都能燃烧，而其他可燃气体的爆炸极限则窄的多
泄露性 氢气分子更小，在扩散/层流/湍流情况下氢气的泄漏率为天然气 3.8/1.26/2.83 倍
扩散性 由于氢气具有更大的浮力以及扩散性，如果发生泄漏氢气将会迅速扩散
氢脆 氢在常温常压下并不会对钢产生明显腐蚀，但超过 300 ℃和 30 MPa 时，会对金属产生较为明显的服饰
资料来源：CFACP
高压存储一般采用多层复合材料储罐：内胆是防止氢气泄漏的高分子材料，其外包覆以环氧树脂、金
属、玻纤、碳纤维等复合加强材料，实际应用时还配有硬质防撞的外壳。但即便有复杂周到的保护，由于
氢气密度小，要达到足够的能量体积密度就必须在超高压力下储藏，因此氢气的存储压力高于一般压力存
储水平，增加了潜在的泄漏与爆炸危险。
图：氢气和其他气体的存储压力比较 单位：大气压 图：包覆碳纤维的高压氢气储罐
0
100
200
300
400
500
600
700
800
高压储氢
中压储氢
低压储氢
工业气体
喷漆气罐
天然气
医用氧气
灭火器
资料来源：Quantun 资料来源：MathyTec
液态氢气存储方式虽然降低了压力和爆炸危险，但由于氢液化温度很低，需要配备非常好的绝热装置
和温压监控系统。一方面系统成本、能耗和总体积大幅增加，另一方面系统复杂程度的提升事实上也增加
了某环节失灵，导致体系事故的风险。
氢气加注系统也是潜在的安全隐患之一，虽然氢气加注器的外观酷似加油手柄，但其加注的是高压气
体，手动操作中的风险系数远大于加油乃至液化/天然气（压力更高），同时，目前加注手柄和管道的循环
寿命不超过 10000 次，一旦加注过程中发生爆裂，其后果不堪设想。
图：液态氢气储罐 图：液态氢气储罐
资料来源：Linde 资料来源：www.thegreencarwebsite.co.uk
基于对燃料安全问题的担忧和重视，汽车企业及企业联盟对于燃料电池汽车的安全性制定了详细标
准。从氢气泄漏、触电、碰撞和燃料储罐强度等多个方面对燃料电池汽车安全的方向提出了方向性指导。
表：联合国世界汽车法规协调论坛指定的氢燃料电池标准
标准 具体内容
防止泄漏 防止氢燃料泄漏，排出气体中氢燃料浓度不得超过 4%
防止触电 为避免直接触摸到高电压电气设备，必须对高电压电器设备表面进行覆盖
碰撞安全 车辆发生碰撞后，60 分钟内氢燃料每分钟泻出量不得超过 118NL
燃料罐强度 氢燃料罐应当通过 22000 个周期的压力耐久实验
资料来源：《商用汽车新闻》
与企业联盟的行动相对应地，全球各大车企业也纷纷为自己的燃料电池汽车系统打造系统安全策略，
包括氢气泄漏检测和报警系统（这一点尤其重要，因为氢气无色无味，一旦泄漏极难被直观感受到）、碰
撞检测系统、紧急状态下的自动停车锁定系统、基于温度和压力监测的的氢气弛放系统以及针对公交车的
灭火装置等。同时，在燃料电池车结构设计中确保管道与设备隔离、电路与燃料隔离、氢气储罐的位置置
于尽可能难于被撞击破坏的位置上。
图：Honda FXC 燃料汽车安全系统 图：氢气储罐位置设计 大程度防止撞击损坏
资料来源：Honda 资料来源：Quantun
必须指出的是，氢气的物理化学特征也并非全都会导致更加危险的情景。由于氢气重量轻、扩散快，
如果仅是出现燃料泄漏（而非储氢设备本身的爆炸），逸出系统的氢气着火后会迅速向上空升起，形成长
条状的火舌，并且避免燃烧过程集中在车身周围，一定程度上反而保证了车身及司乘人员的安全。而汽油
常温下为液态，难以在大气中上升，往往聚集在地面和车身附近燃烧，使整车迅速着火、报废。当然，燃
料泄漏仅仅是车辆事故中的一个方面，在碰撞安全、电路安全等方面，燃料电池车的安全性能尚颇不及传
统内燃机车。
图：氢燃料汽车（左）与汽油车（右）燃料泄漏后 15s/1min/1.5min 的着火模式
资料来源：www.40fires.org
统而观之，氢燃料电池汽车的整体安全性目前还远逊于传统气柴油车，其核心在于高压或液化的氢气
储运方式。虽然各大汽车厂商不遗余力地宣传自身产品高度可靠的安全性能，但事实上，以高压或液化氢
气储运为基础的燃料电池系统，有待解决的关键安全问题尚非常之多。在金属储氢等技术取得革命性突破
之前，系统和车辆工程意义上的小修小补恐难治本。在系统安全性能的道路上，燃料电池汽车还有待时间
的雕琢与考验，如今尚远未及自许之时。
3.4 配套完善：荣华相期会有期
对于固定式燃料电池而言，充分完善的天然气管线是其大规模推广的坚实支持，这也是固定电站和热
电联供系统能够领先商业化的核心原因之一。而必须使用氢气的移动式燃料电池就远没有如此幸运，即便
在燃料电池技术与商业化发达程度 高的美国，基础设施的发展脚步也远远未能支撑未来燃料电池体系的
需要。在预商业化阶段，市场关注的焦点是电池系统本身的成本，而一旦商业化启动，对氢气的需求规模
膨胀，配套设施瓶颈将会迅速彰显。
图：遍布全美的天然气管道 图：美国现有的氢气生产厂
资料来源：EIA 资料来源：DOE
氢燃料电池配套系统涵盖从生产到零售的环节，具体包括氢气的集中和分布式生产、输送罐车和管线、
加氢站等设施。以加氢站为例，氢气的压缩/液化与存储是 关键的环节，占据了总成本的 3/4。
图：燃料电池氢气供应配套设施结构及技术路线 图：加氢站的成本构成
压缩 存储
冷藏 加注
电力 其他
资料来源：DOE
在氢燃料电池发展早期，市场对氢气供应体系的关注焦点在其成本和投资需求上，而加氢站与燃料汽
车孰先孰后、大规模建设阶段由谁主导建设与经营等进一步问题尚未凸显。在显著的规模效应作用下，配
套设施的完善与燃料电池的普及形成显著的自我强化效应。但在目前水平下，基础设施的回报率并不足以
刺激主动进入。以加氢站为例，目前，研究用建设的加气站成本数几千万元人民币，却只能供几十辆车使
用，而一个天然气加气站可以供应 200 多辆公交车。正反馈的起始推动依赖外生力量。
图：欧洲加氢站投资需求及计划 图：加氢站规模经济 单位：kg/天
资料来源：WIS 资料来源：Argonne National lab
在燃料电池产品尚未能实现有效市场突破的背景下，能够刺激配套设施建设的核心因素基本包在与来
自政府的支持推动及其带来的相关设施投资成本的下行。各国具体措施的相关的内容在前文章节已有所涉
及，这里毋须赘述。在大多数国家的规划中，基础设施的问题预计会在 2030 年左右，或者更晚一些完善
解决。
图：英国燃料电池加氢站及规划
资料来源：UKH2 Mobility
一言以蔽，配套设施是燃料电池这场相期的荣华中所需要解决的 后一个远虑。一定意义上，我们也
可以认为这也算不得是一个阻碍。因为一旦我们成功解决了成本与安全的难题，而政策有能够保持足够的
强度，在规模效应的作用下，配套设施的问题亦将不再成为问题——道阻且长，然云散则月出，一旦行至
此间，荣华可相期，荣华会有期。
4.在更远的未来：油气以后、核能之前，不二之选
初，我为这篇研究报告所准备的标题是“生也无忧，荣也无涯”。
随着研究一点点深入，燃料电池的世界层层叠叠揭开她的面纱，虽然所知仍旧是沧海之一粟，却已足
够令自己为初时的盲目乐观和对所识的自大心生羞惭，惕然警醒。
初生的婴儿，人只见其粉雕玉琢，便觉前途无量，渐长渐成，栉风沐雨，方知为人不易。一门技术总
要在工业化的前夜或起点才倍觉艰难——当心态从憧憬转而务实，眼光从亮点移向困难，新的问题如泉涌
出，手段和方法却总捉襟见肘。燃料电池荆棘遍地的工业化&商业化之路，或许只走完了 开始的一小段。
然而，我们因一时的渺小与困厄否定和忽略的那些丰厚巨大的成就的例子，还少么？
丈夫未可轻年少。过去 500 年人类创造的物质与精神财富，胜于由此前而及更前的 500 万年，未来
50 年功绩之辉煌灿烂，谁又敢说不会超越这之前的所有？在自今日往后的无数岁月里，我们终将征服并掌
握这个宇宙中越来越多的规则与力量。生而为人，生于此世，得见，得知，得享，得与，何其幸运。
因此凭借少得可怜的知识和或许多得过剩的信心，我始终相信，燃料电池必将拥有属于他的未来——
虽然这个未来会比我们想象得更远一些，但在战胜和驾驭能源的漫长征程里，人类日常能源的提供者名单
中，油气之后，核能之前，燃料电池将是不二之选。
所以， 终我将这篇报告改名为“更远的未来”。
或许，这篇有些不伦不类的研究想要呈现的，并不仅仅是陈述、分析和预测，更多的，是一种期待吧。
胡彧 2014 年 5 月于清华园
