前 言
德勤的TCO分析展示了燃料电池车的良好发展前景。即使不考虑氢能的非定量优势（如零污染性排放等），仅就定量成本而言，在美国、中国及欧洲三个地区及各个实际应用案例中，燃料电池车的TCO均预计会在2029年之前低于纯电动车及燃油车的TCO。这一方面是由于技术进步及大规模生产带来的制造成本下降导致的，另一方面也受益于氢气价格、加氢站等运营相关的成本持续下降。因此各国政府开始投入越来越多的精力发展氢能相关技术及推动氢能的应用。
通过德勤的TCO模型测算，2019年燃料电池车的每百公里总拥有成本约比纯电动车及燃料车分别高40%及90%左右。从购买成本看，较高的燃料电池系统价格及因为缺乏规模效应导致的零部件成本加价是购买成本较高的主要原因；从运营成本来看，较高的氢气价格是当前运营成本高昂的主要原因。
然而，预计到2026年，燃料电池车的TCO将会开始低于纯电动车，到2027年，燃料电池车TCO将会开始低于燃油车。总体来看，我们预计未来10年内燃料电池车TCO将会降低50%，燃料电池系统及氢气价格下降是主要驱动因素。其中燃料系统成本预计到2029年将下降超过50%。燃料电池系统成本下降空间较大，主要是因为当前燃料电池系统价格高企是由于高技术门槛和高制造成本导致的，而不是由于原材料成本较高导致的。当前有很多观点认为燃料电池价格较高的原因是使用了铂金作为催化剂，但实际上，铂金的成本在燃料电池系统总体成本中占比不到1%。与之相反，锂电池的金属材料成本如锂和钴则在电池总体成本中占据了很大比例。因此，技术进步及大规模生产可以驱动燃料电池系统价格显著下降。运营成本方面，其下降的主要驱动因素是氢气价格，受益于更多的可再生能源将用于氢气生产（目前由可再生能源生产的氢气占比还不到5%）及相关运输及存储技术的提升，预计氢气价格将在美国、中国、欧洲等国家和地区均明显下降。
1 什么是燃料电池
广义上来讲，燃料电池是通过化学反应，将燃料及氧化剂中蕴含的化学能转换为电能的装置。最近，燃料电池这个词几乎被专门用来形容以氢作为燃料的反应堆。氢气作为汽车燃料已经有很长的历史了。在200年前，氢气就被用在第一代内燃机中作为燃料，与现在内燃机里汽油等燃料工作原理类似 。但是因为安全性及能量密度较低，氢气作为内燃机燃料并没有表现出优越性 。然而，在如今的燃料电池技术中，氢气并不直接燃烧，而是和氧气反应转换为电能 。氢气和氧气的化学反应是非常简单的，可以用如下公式表示：2H2+O2=2H2O 。在燃料电池中，氢气和氧气分别进入到电池的阳极和阴极（图1）。电池两极之间通过电解液隔离，一方面可以阻止电池两极的反应物相互接触，一方面为阳极产生的离子提供到达阴极的通道。如图1所示，燃料电池反应原理如下：氢气首先进入燃料电池的氢电极（称为阳极）（步骤1），然后氢气与覆盖在阳极上的催化剂反应，释放电子形成带正电荷的氢离子（步骤2），氢离子穿过电解液到达阴极（步骤3）。然而，电子不能通过电解液，相反，电子流入电路，形成电流，产生电能（步骤4）。在阴极，催化剂使氢离子与空气中的氧结合形成水，水是燃料电池反应中的唯一副产品（步骤5）。
燃料电池可以简单的根据电解液的不同分为几种不同的类别，主要的燃料电池类型包括：质子交换膜燃料电池（“PEM”），碱性燃料电池（“AFC”），磷酸燃料电池（“PAFC”），固体氧化物燃料电池（“SOFC”）以及熔融碳酸盐燃料电池（“MCFC”）。图2对不同燃料电池进行了对比。PEM目前是处于商业化最前沿的燃料电池，因为PEM可以在50-100摄氏度下运行，启动时间较短，同时对氧化剂要求较低，空气就可以作为其氧化剂来源 。这些特性使得PEM成为汽车能源的理想解决方案，并且使得PEM从20世纪90年代开始得到了快速发展 。
注释：1.用多种小型，连接电网的设备发电和储能； 2. 包含热和电的转换效率可以达到85%，纯电转换效率约为60%
氢燃料电池可以被广泛的应用于各个场景中，主要的应用可以被分为3类：交通、固定电源及其他（图3）。燃料电池并不是一个新产物，最早的燃料电池可以追溯到1839年，是由威尔士科学家威廉·格罗夫发明出的原型。然而燃料电池车首次成为焦点是在20世纪70年代——石油危机推动了氢燃料电池在汽车上的应用。在接下来的几十年，不同国家和地区的科学家为了推动燃料电池车的发展做了不懈的努力。在多年的研发投入下，丰田在2014年推出了全球第一辆商业化的燃料电池车。在此之后，燃料电池车在公众眼中不再是一个只存在于实验室中的车型，而是驱动未来汽车变化的主要技术之一。从2014年开始至今，中国、美国、日本及欧洲的一些国家开始着力于推动氢燃料电池技术的发展。图 4列举了关于燃料电池及燃料电池车的发展简史 。通过政府政策鼓励、技术进步及产业参与度提升等多方面的投入，燃料电池的应用已经进入了一个黄金时代。
20世纪70年代的石油危机促使全球发展替代能源，如燃料电池等。
2003年，欧盟25个国家启动了欧洲研究区项目（“ERA“），其中包括建立欧洲氢燃料电池技术研发平台。
2011年以来，中国政府先后出台了鼓励和引导氢燃料电池技术研发的计划。
2014年，日本通过了第四个战略能源计划，该计划明确指出要使用氢作为能源，并为氢气的生产、储存、运输和应用制定了战略路线图。
与大多数先进技术一样，燃料电池技术在初始研发时对政府的政策依赖较高。中国、美国、欧州、日本等国家政府出于不同的原因，都不同程度出台了相关政策及鼓励措施，促进了燃料电池产业的发展，并在燃料电池核心技术研究上进行了大量投资。上述国家对燃料电池划的发展制定了补贴政策和中长期战略规划，通过对各国政府政策及产业发展的分析，可以获得各国氢燃料及燃料电池的政策端启示。图5对每个国家的氢燃料相关政策重点进行了概括，我们将在后续的文章中进一步详细讨论。
注释：1. 哈维球表示了不同国家及地区政策的重要程度及完成度，只是代表相对次序，并不表示实际进度；2. H2@Scale是一个为了在美国多个行业实现价格合理，可靠的大规模氢气生产，运输，储存和应用的概念，同时，还整合了各种价值数十亿美元的国内产业、提高了国内竞争力，并创造了就业机会。
美 国
美国是第一个将氢能及燃料电池技术作为其国家战略的国家。由于石油危机的发生，美国政府从20世纪70年代开始对氢能研究进行了大量资助。早在1990年，美国政府就颁布了《氢能研究、发展及示范法案》，制定了氢能研发5年计划 。 2002年，美国能源部发布了《国家氢能发展路线图》，为公共提供了蓝图部门及私人部门如何协调长期发展氢能。在2012年，美国国会重写了氢能燃料电池政策，将加氢站相关资产的税收优惠从30%提升至50%，并建立了分级税收奖赏制度，加大了对高效燃料电池（如利用热电联产的燃料电池）的奖赏力度。在2014年，美国政府颁布了《作为经济可持续增长路径的全面能源战略》，在其中明确了氢能在交通运输转型中的主导作用。 10月8及燃料电池日日被燃料电池及氢能协会选为全国氢能，同年这一日期得到了参议院第217号决议的指定，标志着氢能及燃料电池的地位日益重要。如图6所示，通过美国各式氢能组织的不懈努力，美国氢能相关政策几乎已经覆盖了氢能全产业链。美国氢能和燃料电池的研发主要由能源部牵头，建立了以能源部国家实验室为主导，高校、科研机构、企业为补充的研发体系，关键技术的研发将获得资金拨款支持 。通过在氢能方面的长时间持续投入，美国已经形成了一套系统的促进氢能发展的法律、政策和科研方案 。图6标注了主要的政府政策及举措时间表。2019年3月，美国能源部发布公告，将为H2@scale1提供最多3100万美元的资助，用于实现美国多行业中氢气生产、运 输、存储及利用的规模化 。为了进一步推进燃料电池的广泛应用及解决氢气基础设施的问题，美国能源部启动了H2USA—一个和燃料电池车整车厂商合作的PPP项目，来推动氢气基础设施建设，以支持美国消费者选择氢能源驱动的交通工具 。美国在氢能源多年来的投资在实践中取得了明显成效。在燃料电池车的商业应用方面，美国拥有全球最多的氢燃料乘用车。截至2019年8月，美达到国的氢燃料乘用车销量及租用数量已经7,271辆。除此之外，截至2019年4 月，美国已经有了超过30,000辆氢燃料叉车，这些叉车主要应用于沃尔玛及亚马逊等美国企业。由于州政府及公众对可再生能源的大力支持，加利福尼亚是美国氢燃料电池车商业化程度最高的州。截至2019年6月，加州有6,830辆燃料电池车在运营，数量远超其他州。自2010年6月，加州能源委员会发放了第一笔拨款，加州已经开了35个零售加氢站，另有29个加氢站正在建设中。加州空气资源委员会和加州燃进程方面发挥了重要作用料电池联盟在推进氢燃料电池车商业化。加州已经发展出了一套完整的“规划-补助-评估”系统，成为美国最活跃及最具示范性的氢燃料电池应用范例。展望未来，加州燃料电池联盟提出了到2030年建设1,000座加氢站及达到100万辆燃料电池车的目标。
中国的第一辆燃料电池车是在1999年研发的。中国是全世界最大的氢气生产及消费市场，并拥有全世界最大的氢气生产能力，目前工业用氢气产能达到了2,500万吨/年。在消费端，自2017-2019年，中国已经卖出了3,000辆氢燃料电池车 （均为商用车），使得中国成为燃料电池车的主要市场之一。来相关的政策支持及激励措施中国巨大的氢燃料市场规模受益于多年。自2011年以来，中央政府已经接连发布了鼓励指导方案氢能及燃料电池技术发展的顶层方针及。如《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》、《能源技术革命创新行动计划（2016-2030年）》、《节能与新能源汽车产业发展规划（2012-2020年）》及《中国制造2025》。此外，为了促进新能源汽车的发展，政府对乘用车生产采取了一种“双信用管理制度”，即对新能源车的生产给予正分积分而对传统内燃机车的生产给予负积分。该系统将来也可能应用于商用车。2016年，氢能被列为《能源技术革命创新行动计划》中的15个关键领域之一。随着中国正在全国范围内努力向可再生能源过渡，氢能将在这一过程中发挥越来越重要的作用。氢能的应用有助于缓解中国能源体系中存在的许多突出问题，例如能源安全及可持续性问题。 2019年两会期间，氢能首次写入政府工作报告，表明中央政府越来越重视氢能的发展。在燃料电池车方面，自2014年以来，中国在氢燃料电池车产业上作出了重大努力，推动燃料电池技术成熟，降低氢气成本，以推动氢能在各个领域的应用。值得注意的是，氢能并不是中国唯一被关注的可再生能源，燃料电池车的发展是与电动车的推动同步进行的。与电动车的发展历程类似，中国首先关注的是燃料电池车在商用车领域的应用，因为商用车较易监管也更容易进行大规模应用。中央政府及地方政府的补贴是燃料电池车产业发展的关键驱动因素之一，补贴主要包括如下三个方面：• 对购买燃料电池车的消费者进行补贴。尽管对纯电动车的补贴正在退坡，但预计对燃料电池车的补贴将会持续到2025年。根据专家访谈，随着燃料电池车的应用规模逐渐扩大，燃料电池车的补贴将也会逐渐退坡，并提出更高的要求对购买车型所应用的技术及性能逐渐提出更高的要求。• 对加氢站建设进行补贴。目前对于加氢站的补贴没有一个全国范围的清晰指引，但一些地方政府如佛山、中山等已经设立了地方政府补贴政策。佛山市是中国氢能源发展位于前列的城市之一，佛山市为每个新建加氢站提供最高800万人民币的补贴。• 对氢气进行补贴。根据专家访谈，对氢气的补贴主要是为了降低消费者使用燃料电池车的燃料成本，使得使用氢燃料的汽车每百公里燃料费用与普通柴油车及汽油车持平或更低，但对氢气的补贴具体是给终端消费者还是加氢站仍然处于讨论中。尽管氢能源发展得到了政府支持及相关政策推动，但中国的氢能源相关产业仍有较大的进步空间，例如在相关政策和配套设施方面还有改进的空间。根据专家访谈，对行业影响较大的相关改进措施包括：对加氢站及氢气生产运输的相关政策；
将氢气从危险化学品类别中剔除；
明确加氢站审批流程；
对燃料电池的关键部件实现国产替代及批量生产以降低燃料电池车的生产成本。2019年6月，发改委关于 《促进汽车循环经济发展实施方案》获得了相关部门的批准，主要举措包括：取消地方政府对新能源车限购及车牌限制，中央政府将继续对新能源车提供补贴，及加速取消对皮卡进入城区的限制 。预计发改委的方案将在短期内刺 激新能源车（包括燃料电池车）的销量提升（图7）。
欧 洲
欧盟将氢能源视做能源安全及能源转型的重要方向。2003年，欧盟25个国家启动了欧洲研究区项目（“ERA”），这个项目台中包括要建立欧洲氢燃料电池技术研发平台，用于攻克氢能行业及燃料电池中的关键技术问题 。 2008年，欧盟成立了燃料电池及氢能联合会 （“FCHJU”），这是一个PPP项目，在欧洲发展及推广燃料电池技术的过程中发挥了重要作用。2019年2月，FCHJU发布了《欧洲氢能路线图：欧洲能源转型的可持续路径》，提出了到2030年和2050年氢能发展的路线图，为氢能和燃料电池在欧洲的大规模推广指出了路径。•这份路线图对氢能产业相关的利益方提出了重要建议：–各行各业减少碳排放制定清晰监管者及产业方应该联合起来共同为、可实现的长期路径。–欧洲产业方应该大力投入氢能及燃料电池技术的研发，以保持在氢能产业中的竞争力，抓住行业中的新机遇。•这份路线图为氢能在以下领域的发展提出了具体的关键节点目标（图8）：– 在交通领域，预计到2030年达到370万辆氢燃料乘用车，50万辆氢燃料轻型商用车，及4.5万辆氢燃料重卡和公交车的氢燃料汽车保有量。同时，到2030年，预计将有570辆氢燃料火车替代现有的火车。 – 在加氢站方面，预计2030年将有3,700个大型加氢站– 在制暖方面，预计2030年氢气可以取代约7%的天然气（以量计算）为250万户家庭供暖，到2040年，可以取代32%的天然气为1,100万户家庭供暖。– 在氢气生产方面，预计在2030年以极低的碳排放实现约三分之一的氢气生产，这些氢气可以被用于各行各业如用于石油炼制中的加氢反应，及生产合成氨等。– 在发电方面，预计到2030年氢气发电厂也可以得到大规模的概念验证。由于有大量未被利用的新能源电力（如弃风弃光等），这些新能源由于没有合适的储电设备，发出的电会被浪费，预计到2030年，这些被浪费的电力可以用于生产氢气，而这些由可再生能源生产的氢气也可以用于发电，最大程度的避免新能源的浪费。
德国是欧洲氢能及燃料电池技术的领先国家。为了推广氢能及燃料电池，德国成立了国家氢能及燃料电池组织（“NOW”），这个组织负责管理及协调国家氢能及燃料电池创新项目（“NIP”），及德国联邦国土交通省下的电动车部署项目（“BMVI”）。2006年德国联邦政府了联合研究机构代表及各个产业方共同发起NIP项目，旨在提升氢能在德国能源体系中的地位。2006-2016年期间，NIP资助了约14亿欧元用于氢能相关的研究、开发及示范项目。2009年，德国政府与法国液化空气集团、林德集团、壳 牌、道达尔及其他公司共同发起了“H2 Mobility initiative”，计划投资3.5亿欧元系统在德国建立一个全国性的氢燃料补给网络。截至2018年末，欧洲已经有了152座加氢站，其中41%都位于德国。尽管英国是最早发现氢气及制造氢燃料电池车的国家，但相较于欧洲其他国家如德国等，英国政府对氢能及燃料电池的政策支持缺乏整体性，直到2016年英国才出台了第一个氢能发展整体战略。2014年，E4tech及元素能源发布了氢能及燃料电池路线图，其中包括了氢气供应链路线图（如氢气的生产及运输）、终端消费路线图（如运输工具）等11个子路线图。这份路线图，作为零排放战略的一部分，旨在加快氢能及燃料电池的发展速度。2017年1月，欧盟的JIVE项目资助了欧洲5个国家部署139辆零排放燃料电池客车，其中56辆在英国。
在我们所研究的国家中，日本或许是最致力于建设氢能源社会的国家。由于地理位置及环境限制，可再生能源在日本非常受重视。最初日本希望依靠核能实现可再生能源战略，但福岛核电站事故迫使政府重新审视其能源战略。现在，氢能源被确立为“国家能源”，日本政府已经承诺要将日本建设为氢能社会。
在2014年，日本通过了第四个战略能源计划。这个计划明确指出要加强氢能源的利用，并公布了氢气及燃料电池战略路线图，明确了氢气的生产、储存、运输和应用的发展路径。在2015年，NEDO*发布了一份关于氢能源的白 皮 书，将氢能源定位为国家发电的第三个支柱能源。在2017年，日本政府发布《氢能源基础战略》，指出要在2030年实现氢能源发电的商用化。METI** 在2018年为氢能及燃料电池产业投入了2.6亿美元的研发费用。
日本的燃料电池商业化应用处于世界前沿，这些应用包括民用固定热电联产式燃料电池发电系统，工业用燃料电池，及燃料电池交通工具等。民用固定热电联产式燃料电池发电系统在2009年首次实现了商用化，使日本成为第一个将燃料电池引入民用领域并为住宅提供电力及热水的国家。截至目前，日本已经在商业建筑及居民住宅引入了超过了20000个固定热电联产式燃料电池发电系统。
燃料电池车是日本的又一焦点。日本汽车制造商-丰田、本田和日产从20世纪90年代起就一直致力于燃料电池车的研发。2014年，丰田推出了首款商用化的燃料电池车-Mirai，成为燃料电池车发展历史上的重要里程碑，随后本田也推出了商用化燃料电池车-Clarity。和其他国家不同，日本的燃料电池车是在乘用车领域率先发展起来的。根据日本新能源产业技术综合开发机构的数据，截至2019年6月，燃料电池车已经在日本售卖出3,219辆。除了乘用车，日本计划在2020年日本东京奥运会上至少投放100辆氢燃料公交车。
随着燃料电池车在日本的应用逐渐增多，日本的氢气基础设施建设也处于领先地位。政府资助及行业联盟共同推动了加氢站密度的增加。2018年，由日本丰田、日产等11家公司组成的财团成立了日本“H2 Mobility”公司。计划到2021年在日本建成80座加氢站。目前日本有127座加氢站，是世界上加氢站最多的国家。
根据氢能理事会，交通运输是氢能及燃料电池技术最重要的应用领域之一。从大多数已经开始探索燃料电池应用方式的国家来看，燃料电池车的应用是各国实现其能源战略及达到低碳目标的重要路径之一。
将氢燃料电池应用在交通工具中可以追溯到1966年。但由于基础设施的缺乏，这项新技术无法得到广泛应用。然而由于燃料电池技术的优势，使得各国政府持续探索如何将其作为一种清洁无排放的能源进行广泛应用。理论上来说，燃料电池可以广泛的应用于各种交通工具上，但火车、无人机和阶段电动自行车等工具目前仍处于早期开发，部署有限。
由于目前乘用车及商用车是氢燃料技术应用的前沿领域，本文将主要分析氢燃料乘用车及氢燃料商用车的应用情况。图9显示了燃料电池技术如何应用在各个车型中，而图10则从政策的角度及未来目标分地区列示了燃料电池车及加氢站的数量。
注释： *日本、美国及中国的数据截至2019年4月，欧洲数据中德国数据截至2019年7月；**因为不同信息来源中对卡车分类的定义不同，因此我们将轻卡及重卡共同在卡车中测算，具体车型的分类会在第二节中进行详细分析
以上全文节选自：德勤中国《氢能源及燃料电池交通解决方案白 皮 书系列》系列一，旨在普及氢能源及燃料电池基本知识，如有不妥，请联系微 信号：wuqingguo6544删除。
全文完~
