复制特斯拉：氢燃料电池的能源革命

作者：邓宇编辑：董指导支持：远川研究所科技组
2020年最火的公司莫过于特斯拉，疫情之下，也仅用半年多时间，股价就上涨了2倍多，市值直逼三千亿美元，坐稳了全球最大车企的位置。 然而，刚坐上“前浪”宝座，“后浪”就杀了过来。 今年6月，氢电车企尼古拉（Nikola）登陆纳斯达克。上市才5天，市值就涨到340亿美元，甚至超越福特，仅排在特斯拉和通用之后，荣升美国车企探花。 尼古拉和特斯拉，名字联合起来正好是交流电发明者Nikola Tesla。所以也有人戏称，nikola是在碰瓷。而从经营上来看，也确实有“嫌疑”：一辆车都没真正卖出去，仍处于没有营收的“画饼”阶段，2019年亏损高达8870万美元。 市场给予高市值，是因为尼古拉宣称已拿下超过14000辆氢燃料重卡的订单，总价达102亿美元。氢燃料电池，一直被认为是“终极能源”，每一轮能源革命都是投资人的最爱。

而对氢燃料电池的喜爱，不仅仅在海外。国内氢燃料电池产业，也在顶层设计和产学研结合的共振中逐渐成长起来，成为新能源热点领域。而在7月14-15日，由高工产业研究院主办的“2020氢电产业峰会”也在上海举办。 我们作为新兴产业观察者，也受邀参加了会议，一览氢燃料电池的发展前景。一个感受就是，很有潜力，值得关注。 

01. 行业概览：产业链和主要玩家

特斯拉、蔚来、比亚迪、宁德时代这些新能源汽车的弄潮儿，均在“纯电”的赛道上一路狂飙。 锂电是纯电动汽车的主流方案，诞生于上世纪中后期。1976年开始，英国、美国和日本的三位科学家推动了锂离子电池的诞生和应用，并在2019年被共同授予诺贝尔化学奖。1997年，日产推出了第一台锂离子电池汽车：Prairie Joy EV，正式宣告纯电动汽车步入锂电时代。 之后，马斯克的特斯拉彻底引爆了纯电动汽车市场，传统车企也踊跃入局。不过，新能源汽车可不止锂电一条道，更理想化，更面向未来的氢燃料电池，也在近些年逐渐火了起来。 氢电汽车产业链相比纯电动汽车更长，但具体格局也不算复杂，可以分为上中下游三部分：上游氢气环节，中游燃料电池，以及下游的各大整车厂。

不同于特斯拉从车库里拉根线出来就能充电，氢燃料电池汽车需要加注氢气作为燃料。因此，氢电汽车必须以上游氢气环节为支撑，具体包括化工产业，氢气储运网络，以及末端的加氢站。 首先，上游是制约氢电汽车发展的最大因素之一，用一句话概括就是“规划大，方案多，落地慢”。尽管顶层设计已经到位，但大家还在纠结到底是电解水制氢气，还是使用化石燃料，而储运网络和加氢站覆盖也还有很大提升空间。 中国现在有多少加氢站呢？运营中59座，建设中53座，规划中20座。推动慢，还有个传闻，就是大家担心会爆炸。而在会议中，产业专家也多次强调，安全保障没问题。 其次，产业中游主要是燃料电池系统。氢燃料电池，从某种意义上而言，其实不能叫作电池。因为它并不储存能量，而是对能量进行转化、利用。 以氢气为“燃料”，并不是指直接烧氢气，更不是河南南阳那玄乎的“水氢发动机”。而是利用氢气和特殊催化剂，释放电子；又和氧气结合完成电子流动，从而产生电能。 电池系统里，电堆是发生电化学反应的核心部分，“电堆”的含义，即是多个堆叠组合的单体电池。目前主流采用质子交换膜技术，原理可以在“高中化学必修二”中找寻。理科生应该还有些模糊的印象：氧化还原反应、正负电极、电子得失、2H₂+O₂=2H₂O。
 而燃料电池目前还是国外企业说了算，国产差距较大。龙头企业主要分为两类：一类是既做整车，又做电池系统，所谓“我全都要”的车企丰田、现代等，另一类则专攻电池系统，例如加拿大巴拉德、美国戈尔、英国庄信万丰等公司。 最后，整车厂位于产业链下游。日本车企领跑，丰田、本田、现代各有一款氢电乘用车面世，尽管行业规模不大，但也抢占了大部分市场份额；而商用车领域，现代的XCIENT重卡已批量出口瑞士，还有开头提到的市场焦点尼古拉；此外，氢电公交车、物流车和叉车也早已在多地投入运营。 值得一提的是，2018年，总理考察了丰田汽车北海道厂区，参观了MIRAI燃料电池轿车，并询问有关续航里程的问题。 
正如当年总设计师乘坐新干线时的感叹，总理的关注和好奇，也带动了氢燃料电池产业链的热度。不过，风口之上，也需要冷静的思考：日本、美国跑在前头，核心技术的国产化进度究竟如何？

02. 燃料电池：电堆和膜电极的国产练级之路

日本跑得快是因为布局早，早在上世纪末本世纪初就进入氢燃料电池领域。仅丰田一家企业，相关技术的专利就超过16000件。 中国则在近些年才开始发力，目前整个行业的专利数量尚不达五千件，差距巨大。同济大学教授张存满表示，国产技术落后国外达五至十年。 
关键技术不如人，行业发展势头随之落后。2019年，现代一款Nexo轿车就卖出了近五千辆，而中国整个行业有六千家企业，整车总销量才2737辆，大部分还只是试点的公交车和物流车。 不过，在下游先行带动下，国产关键技术在近几年也有了较大突破，我们下面来简单捋一捋。 以电池系统的关键部分电堆为例，国产电堆已经大批量应用在整车之上。按装机功率计算，国内电堆使用自主技术的比例已从2018年的4%上升到2019年的42%。
 自主突破主要体现在“性价比”上，分为两条主线：性能提升和成本降低。目前，国产电堆不断向高功率发展，部分企业单个电堆的额定功率已经突破100kW，正在缩小和国际一流水平的差距。同时，价格也在以每年20%-30%的速度降低。 这个领域目前连续三年国内市占率第一（据高工数据）的企业是国鸿氢能。这家公司位于广东云浮市，据说当年作为扶贫互助项目引进云浮。当地政府没有选择大热的锂电池，而是选择新兴技术，也是一种远见。 2016年，国鸿氢能出资引入了巴拉德的关键技术，之后建起全球最大的电堆生产线，年产量达到2万台。依靠着佛山地区的政策鼓励、以及整车商用验证的促进下，国鸿的市占率和技术都在改善，这也促进公司的客户群更加多样化。 国鸿氢能的燕博士也出席了会议，他介绍了国鸿的一款自主化产品“模压石墨鸿芯电堆”，寿命、可靠性、成本都有了大幅提升。 但是，和半导体设备、高端机床等被“卡脖子”的领域一样，目前国产电堆的主要问题还是商用验证期短，生产规模化程度仍较低，许多关键零部件仍然暂时依赖进口。比如被比作“燃料电池芯片”的最核心零部件：膜电极。 膜电极领域目前被巴拉德、庄信万丰、戈尔等外企掌控，不过幸运的是，国产企业也已涌现出来。 位于广东的鸿基创能则请来了前巴拉德首席科学家、加拿大工程院院士叶思宇博士，以及几个技术大牛。目前，公司自主研发的膜电极产品已打入多家外国车企。值得一提的是，这家公司和国鸿氢能背后有几个共同股东（佛汽集团和美锦能源），产业协同有助于双方发展。 而武汉理工、苏州擎动等公司也已实现了膜电极量产供货。与此同时，像电堆企业新源动力、系统公司上海重塑等，也在尝试自产膜电极。越来越多的企业加入，必然会加速国产化的进程。 高工产研数据显示，2019年中国膜电极市场规模约为2.28亿元，国产化占有率仅为30%，而在2025年，市场规模有望达到23亿元。  
巴拉德是氢燃料界的鼻祖，但目前正被大家可着劲儿“薅”：国鸿氢能技术引进，鸿基创能人才挖掘，而潍柴动力更是直接花11.12亿元人民币收购了19.9%的股份，同时参股的还有大洋电机等公司。 这是个略显尴尬的现象，不过 “师夷长技以制夷”，也不失为国产厂商加速追赶的有效招术。而最根本的，还是要真正实现自主化的突破。 氢燃料电池的国产大幕在“政策引导，技术突破，外企加成”的促进下，徐徐拉开。大浪淘沙之后，很有希望诞生几家氢电时代的宁德时代和比亚迪，而下游应用端又将怎样发展呢？

03. 整车展望：重卡先行，互补而非竞争

尽管总理参观的丰田MIRAI是一款乘用车，但乘用车可能并不是氢燃料电池未来的应用主体。行业目前的共识是：氢电商用车将率先发力，并占据市场主体。而且，并不是替代锂电，而是去实现锂电不能实现的场景。 锂电技术目前有两个尚未攻克的弊端：一是续航里程不足，二是充电时间过长。也许乘用车车主尚且能将就一下，在市区代步、尽量少跑长途。但对于需要长距离运行，且对成本更加敏感的商用车而言，氢燃料电池才是性价比更高的选择。 以传统汽车为参照系，载重量越小，行驶里程越短，纯电动汽车越占优；反之，氢燃料电池汽车更占优。氢能在客车、公交车、卡车、物流车、工程车辆等商用车上的应用是一大行业趋势，而重型卡车尤其是35吨以上，则前景尤其广阔，发展潜力巨大。 潍柴动力控股巴拉德的布局，正是出于氢燃料电池替代柴油机的前景。董事长谭旭光更是直接表示：氢能不太可能用于乘用车，燃料电池将成为零排放商用车的主要技术路线。

具体分析，氢燃料电池重卡有三大优势和潜力： 首先，和纯电动重卡相比，性价比优势明显。 大多数纯电动重卡续航里程仅在300公里左右，充电时间超过一小时，极大限制了运营里程，若要增加里程，就要牺牲载货量。而氢电重卡目前已能实现500公里以上续航里程，未来预期将达到800-1200公里，加氢时间却只要10-15分钟。 两份指标放在“时间就是生命”的大货司机面前，高下之分非常明显。
 
其次，和传统柴油重卡相比，环保零污染。 柴油重卡是空气污染大户，其保有量仅占车辆总量的3%，却贡献了53%的氮氧化物污染和60%的颗粒物排放。氢燃料电池以氢气和空气为原料，生成物仅有水，理论上完全零排放。 因此，以规模相对较小的重卡为切入点，可以撬动杠杆，极大改善环境状况。 最后，和氢电其它应用场景相比，趋利避害。 加氢站看齐加油站、加气站还是有希望的。重卡行驶路线相对固定，有条件集中布置大型加氢站，还能和港口、钢铁厂、化工厂等环节合作，一次性打通从氢气原料到物流运输的全产业链。 不过，这些优势均是理想中的预计。目前，氢燃料电池重卡使用成本仍高于纯电和柴油重卡，仅车辆价格就达到柴油重卡的两倍，氢气价格也较高，燃料成本甚至占到总成本的74%。 据业内专家估测，需要将车辆价格控制到20万美元以下，氢气价格要低于3美元/千克（即20元人民币左右），此时氢电重卡使用成本为0.95美元/英里，低于柴油车0.97美元/英里，这样才能在无补贴的情况下胜出，而尼古拉的高估值也才能真正兑现。 尼古拉的努力方向之一是和上下游产业积极合作，建设领先的氢燃料生态系统。根据其规划，会先配置1200座氢站以满足固定路线的需求，同时推出卡车租赁和捆绑定价等新商业模式，降低客户的购买压力和使用成本。 另外，尼古拉的内饰也是一大亮点：不像是“傻大粗”的重卡，倒像充满科幻感的飞船。 
基础设施配套+新商业模式+科技范，尼古拉确实参考了特斯拉的成功之道，也为国产厂商提供了样本。 归根结底，要想真正大规模落地，“便宜靠谱加好用”才是硬道理，否则再多能“拯救地球拯救人类”之类的口号，也是白搭。前途很光明，道路也曲折，根本还是靠真干。 

结语

其实，早在上世纪六七十年代，美国阿波罗飞船上就使用了氢燃料电池；但因为成本瓶颈，随后陷入长期停滞。直到90年代，日本和韩国接过研发大旗。而经过二十余年的发展，此时的氢燃料电池，似乎站在了2010年锂电池的位置。 而在这次峰会上，各大企业高管也对氢电产业的未来表示乐观：氢燃料电池即将复现当年的锂电池产业趋势，在近两年迎来爆发。当然，这种发展并不是将取代锂电，而是相互配合，形成互补格局。 正如大会的主题“春寒已逝万里晴，秋实迎来满城氢”，氢电产业经历迷茫与蛰伏，渡过疫情至暗时刻，即将迎来春天。下一家飙涨八倍的宁德时代，或许就会出现在参会的企业之中。 而且，氢燃料政策方面也很有亮点。锂电池时代，补贴政策可谓是大水漫灌，产生了不少骗补的现象。而对于氢燃料行业，目前政策则是“以奖代补”，即谁先完成指定目标，谁就来领走奖励。这会大幅加速行业的优胜劣汰，实现“政策呵护和自有竞争”的良性结合。 曾任奥迪高管、同济大学教授，之后成为科技部部长的“中国电动汽车之父”万钢，在担任863新能源汽车项目首席科学家时，承担的就是燃料电池轿车部分。虽然之后与马斯克的那次握手，先把特斯拉带来了中国，但他对氢电技术仍是充满期待。 去年在接受彭博采访时，万钢表示，世界最大的汽车市场，将以接纳电动汽车的方式，接纳氢燃料电池汽车。 “现在该轮到氢了。”[1] 
参考资料:[1]. “万钢：现在轮到氢了”，汽车商业评论，第一电动网。  [2]. China’s Father of Electric Cars Says Hydrogen Is the Future, Bloomberg.