报告 ∣ 燃料电池行业深度研究

2019-01-30 16:58

  前 言:

  燃料电池公认的高效、清洁的绿色能源装置,是内燃机的理想替代者。

  其中,氢能燃料电池被认为是实现车辆使用阶段“零排放”、全生命周期“低排放”的重要技术路径。

  我国纯电动汽车经过近10年发展已取得初步成果,但仍然存在续驶里程和充电时间的短板,尚不能满足如远程公交、双班出租、城市物流、长途运输等量大面广的场景需求。

  燃料电池汽车相比纯电动汽车具有高功率密度、续航里程长、加氢时间短的优点,未来产业化重点预计将向燃料电池汽车拓展,抢占汽车产业技术竞争的制高点。

  中国氢能来源广泛,是全球第一产氢大国,具备充分发展氢能燃料电池的能源基础。

  我国已针对氢能汽车开展了大量技术攻关和产业化示范应用研究,上汽、潍柴、福田、长城等骨干企业已经启动燃料电池商业化。

  背靠电动汽车上已取得的三电技术突破,形成自主特色的电电混合技术优势。

  

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  2019年1月的“中国电动车百人会论坛(2019)”上,全国政协副主席万钢、中国电动汽车百人会执行副理事长欧阳明高、中国工程院院士衣宝廉等等多位重要人物均表达了对燃料电池产业的看好与倡导。

  地方如深圳、佛山等相继出台氢能和燃料电池相关政策。预计至2030年,我国有望成为全球最大的燃料电池汽车市场。

  目前国内初步掌握了氢燃料电池堆及其关键材料、动力系统、整车集成和氢能基础设施的核心技术,基本建立了具有自主知识产权的氢燃料电池汽车动力系统技术平台,已经具备商业化基础,2018年是氢燃料电池汽车元年,在国家产业规划和地方政策支持的双重利好下燃料电池产业已步入加速上升通道。

  上游方面重点关注燃料电池电堆核心材料膜的国产化突破和氢能产业链布局,中游方面重点关注燃料电池系统集成和辅件环节,下游方面重点关注燃料电池率先应用的商用车领域。

  

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  分析师:弓永峰,陈俊斌等

  ▌什么是燃料电池?

  燃料电池(FuelCell)是一种非燃烧过程的电化学能转换装置。将氢气(等燃料)和氧气的化学能连续不断地转换为电能。

  其工作原理是H2在阳极催化剂作用下被氧化成H+和e-,H+通过质子交换膜达到正极,与O2在阴极反应生成水,e-通过外电路达到阴极,连续不断的反应就产生了电流。

  燃料电池虽然带有“电池”二字,却不是传统意义上的储能设备,而是一种发电设备,这是燃料电池与传统电池最大的区别。

  燃料电池是理想的“内燃机替代者”。氢气是燃料电池主要燃料,从燃料安全性上看,氢气无毒无害,反应物为水,无毒无害,绿色清洁。

  氢气密度小,高压氢气泄漏燃烧时形成向上火炬,不向周围扩散。因此氢气安全性是高于天然气和石油等化石燃料。

  从性能上看,燃料电池能量转化效率为50-70%,功率密度约3kW/L,柴油机功率密度约1.3kW/L,是理想的“内燃机替代者”。

  燃料电池的能量密度可达500Wh/kg,循环寿命4000次以上,性能优于锂电池。

  

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  燃料电池类型多样,质子交换膜氢燃料电池成未来车用主流

  燃料电池根据运行机理不同可分为酸性燃料电池和碱性燃料电池。具体来说,根据电解质的不同分为碱性燃料电池、磷酸燃料电池、固体氧化物燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池和质子交换膜燃料电池等五大类。

  其中碱性燃料电池最早成功开发,稳定应用于航天领域;磷酸燃料电池属于第一代燃料电池,其技术最成熟、商业化程度最高,在美日广泛应用于大型电站;熔融盐和固体氧化物燃料电池分别是第二、三代技术,多用于发电厂;质子交换膜燃料电池应用前景最广阔,未来预计将成为汽车领域主流燃料电池技术。

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  ▌氢气如何生产、运输、加注?

  氢气的生产

  现阶段氯碱工业副产氢是成本最低的氢气来源,未来电解水制氢是主流。

  氢气是一种常见的工业气体,主流的制氢技术主要有三种:

  (1)重整化石能源(如天然气、甲醇等);(2)电解水;(3)氯碱工业副产品。

  在现阶段,选择成本较低、氢气产物纯度高的氯碱工业副路线,已经可以满足下游燃料电池车运营的氢气需求;天然气重整是欧美普遍采用的制氢方法,国内也广泛应用于化工行业;

  在未来,核电及可再生能源发电成本大幅降低的情况下,电解水制氢将成为终极决方案。

  以国家能源集团为例,煤炭资源是公司的优势,同时积极发展氢能等业务,旨在从煤炭经销商转变为世界一流的清洁能源供应商。

  神华制氢的三路径:风电制氢;煤层气及煤化工副产气;及煤制氢+二氧化碳封存技术。

  当前,神华已具备充足的制氢能力,足够提供4000万辆燃料电池乘用车的使用。

  同时配合公司的风电制氢,及已经成功的三十万吨二氧化碳封存技术,为低成本低碳制氢奠定了基础。

  

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  氢气的运输

  气氢拖车运输是目前性价比最高的选择,未来液氢罐车是主流。运氢的方式主要分为:气氢拖车运输、气氢管道运输和液氢罐车运输。

  拖车运输适用于将制氢厂的氢气送到距离不太远而同时需求量不大的用户,前期投资不高;而管道运输入前期投入高,适用于大规模的输送;液氢罐车的运输能力强但仍存在技术难点。

  从现阶段加氢站对运输距离(<500km,200km为宜)和运输规模(10吨/天)的需求来看,氢气最佳的运输方式仍是气氢拖车。

  当前氢的存储和运输(包括压缩)费用占氢气售价的占比超过一半,我们认为,通过分布式制氢将有效降低运输成本,例如将大型的外供式加氢站建在大型的集中制氢基地附近,通过减少运输距离降低成本。

  

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  氢气的加注:撬装式加氢站是目前发展的重点。

  按照加氢站的不同形式分类,加氢站可以分为:固定式和移动式,其中移动式加氢站又可以分为移动撬装式和加氢车两种,移动加氢站具有机动灵活、加注能力高、性能可靠、使用简单方便的优点。

  这几种形式可以和站内制氢以及站外供氢的模式进行有机混合。例如,丰田在澳洲推出Mirai时,也建设了移动式氢气加氢站,相当于半自动拖车,生产及压缩氢气,并输送至冷却的储氢罐中。

  撬装式加氢站是目前发展的重点,其安全性要求的复杂性相较于固定式的加氢站较低,较易满足。

  撬装式加氢站设备是指将储氢罐内的氢燃料经管路、低温泵、计量系统等元件注入到汽车燃料电池车用瓶中的专用装置。主要设备包括:氢燃料储存系统、管路系统、潜液泵、流量计量系统、站控系统等设备,并将各系统安装在撬体内。

  

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  ▌目前燃料电池商业化进程几何?

  欧美日燃料电池商业化走在前列

  日本:分布式发电和汽车领域应用同步发展

  日本燃料电池出货量和装机规模占全球60%以上。从2009年开始,日本政府便通过购置补贴、免费加氢、放宽行业标准、制定长期规划等手段,鼓励燃料电池产业的发展。

  根据日本2014年公布的《氢燃料电池战略发展路线图》,在2025年前的第一阶段,将快速扩大氢能的使用范围,以促进燃料电池的装置数量在2020年和2030年分别达到140万台和530万台;

  在2020-2030年的第二阶段,日本将全面引入氢发电和建立大规模氢能供应系统,将购氢价格降至30日元/m3;在2040年的第三阶段,将通过收集和储存二氧化碳,全面实现零排放的制氢、运氢、储氢。

  目前日本的燃料电池主要应用于家用热电联供和汽车两大领域。

  日本通过家用燃料电池热电联供(ENE-FARM)计划,在2005-2009年建设家用燃料电池示范项目3300台套,并在2009年进行大规模商业化推广。

  2009年后,在日本政府补贴政策和松下、东芝等厂商大力推广下,家用燃料电池系统顺利开启商业化应用阶段;截至2017年,日本共安装使用家用燃料电池系统约25万套,规模效应明显,成本迅速降至120万-150万日元/套(约8万元/套),12年成本下降80%以上,逐步减少补贴依赖。

  ENE-FARM计划2020年、2030年分别实现家用燃料电池累计装机量达140万套和530万套,对应成本有望进一步下降到50万日元/套(约3万元/台套)左右。

  

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日本丰田在2015年率先推出Mirai燃料电池汽车,其能量密度达350Wh/kg,功率密度达3.1kW/L,加氢时间仅3分钟,容量约5-6L,对应续航里程达500-600km。


  该车不含补贴售价仅约39万人民币,含日本政府30%补贴售价约27万人民币,价格已逼近与纯电动汽车售价。

  2015年,丰田已交付燃料电池汽车约500辆,据丰田预测,到2025-2030年,燃料电池汽车销量将达20万-80万辆。

  

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  根据日本对燃料电池加氢站的规划,将首先在东京、大阪、名古屋、福冈等人口密集的主要地区建立100座,并对加氢站建设进行50%的补贴。

  目前日本已建成加氢站数量约80座,大型氢气生产设施2个以上。

  按照规划方案,日本将大规模铺开加氢站建设,到2025年预计建设加氢站800座。

  截至2017年底,日本已经建成了91座公用加氢站。

  

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  美国:制定零排放目标,燃料电池汽车增速高

  燃料电池助力美国8州实现零排放。

  美国政府对燃料电池在内的新能源公司提供资金支持和税收减免,其中,对于燃料电池和任何氢能基础设施建设实施30%-50%的税收抵免。

  2012年,美国联邦政府向能源部拨款63亿美元用于清洁能源的研究开发示范,到2012年已进入第三阶段,即按照3000美元/kWh补贴燃料电池系统,只要达到30%效率便可享受30%的税收抵免。

  2014年7月,包括加州在内的8个州签署了“零排放车辆合作协议”,力争到2020年区域内330万辆机动车尾气排放目标为0,零排放机动车占比汽车总销量达22%。

  欧洲:重视燃料电池汽车,着力完善加氢站布局

  欧洲出台政策支持加氢站建设。欧盟2008年出台了燃料电池与氢联合行动计划项目(FCH-JU),2008-2013年共投入9.4亿元欧元用于燃料电池和氢能的研究和发展;2011年又启动“H2movesScandinavi”和欧洲城市清洁氢能项目(CHIC),出台CPT项目,投入1.23亿欧元建设77个加氢站,并针对15个已有加氢站的国家,实现国与国之间的互通互联。

  2017新增加氢站数量居首,德国成为欧洲燃料电池发展标杆。德国是欧盟中加氢站建设最多的国家,2017年已建设56座以上,其中45座为公用加氢站,预计到2018年将达100座,2020年将达400座,2025年将1000座。此外,英国等国家也将加快加氢站建设。

  

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奔驰推出性能优异的新款燃料电池车。奔驰2014年推出的B级F-Cell是欧洲燃料电池汽车的代表车型,采用其研制的第三代燃料电池电堆,燃料电池系统体积和形状与传统发动机相当,可直接在现有燃油汽车车型上替代发动机,为燃料电池汽车的设计提供便利。


  2017年奔驰又推出了GLC级F-CELL,氢燃料储量4.4kg,最大续航里程达到437公里。

  ▌燃料电池汽车:从技术验证步入商业化推广

  相较纯电动车,氢燃料电池车(FCV)续航能力更强、行驶成本降低空间大。

  相比燃油车,氢燃料电池车和锂电池车两种路线都具有转化率高、环保无污染等优点,而氢燃料车在续航里程及能量补充时间上具明显优势。

  续航里程上,锂电动车中表现较优的BYDe6及特斯拉可达400km;而丰田Mirai续航里程可达650km。

  能量补充上,电动车重新补充能量的过程是一次将电能转化为化学能储蓄的过程需要耗费大量的时间,但是对于燃料电池车而言,重新获得能量的过程则是一次氢燃料加注的物理过程。

  纯电动车直流快充时长在2-3小时,氢燃料车一次加氢只需3-5分钟。

  行驶成本方面,纯电动车百公里能耗在15至20度电左右,以目前北京地区运营的充电站为例,充一度电充电费用以及服务费用总价在1.5元/度电,行驶成本约0.3-0.4元/公里;氢燃料电池车方面,丰田Mirai的5kg氢气行驶650km,根据氢成本和售价得知行驶成本0.2-0.8元/公里,下降空间大。

  

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出货规模快速增长,亚洲北美为主要力量。


  按照出货规模统计,2017年全球燃料电池出货7.3万套(+12%),共670MW(+40%),功率增速比系统数量增速高,说明单体容量提升;2012-2017年累计出货量约37.3万套,累计规模2511MW,CAGR为32%。

  从地区分布来看,2016年亚洲、北美的燃料电池出货量分别占世界的83%、11%,相较2011年的燃料电池出货量分别增长了217%、121%,其增长势头迅猛。目前全球燃料电池主要集中在亚洲、北美和欧洲。

  2016年,亚洲、北美、欧洲及其他地区燃料电池系统出货量分别为53.9、7.3、3.5和0.5千件,装机规模分别为245.9、209.1、22.0和1.6MW,可以看出亚洲与北美是燃料电池市场的绝对主力。其中由于应用领域的差异,亚洲地区在出货量上遥遥领先,而出货规模与北美地区相差不大。

  日本三款燃料电池车型已投入市场量产,丰田Mirai、本田Clarity销量向好。现已投入市场量产的燃料电池车有丰田Mirai、本田Clarity、现代ix35FCV,截至2018年其销量分别为7518、1277、255台,占比83%、14%、3%。其中2018年销量分别为2300、1277、225台。

  

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  欧洲/美国车企采取与日本合作,三大联盟渐形成。

  虽然在燃料电池核心技术研发进展上与日本齐头并进,但在规模化量产的决策上,欧美的确落后了一步。

  但由于拥有庞大的潜在市场,丰田的Mirai燃料电池车、现代途胜的燃料电池车,以及本田的Clarity燃料电池车都不约而同将美国尤其是加州作为车型推广的前沿阵地。

  欧美各大汽车厂商也不甘落后,纷纷采取和日车厂合作的模式,盼后来居上。

  在燃料电池汽车的研发推广过程中,市场上逐渐形成三大汽车集团联盟:戴姆勒/福特/雷诺-日产联盟、宝马/丰田联盟、通用/本田联盟。

  燃料电池产业的发展可以分为三个阶段。

  1)对燃料电池在汽车上的应用展开基础理论研究;

  2)主要针对燃料电池能量密度、功率、可靠性及耐久性的研究;

  3)降低铂催化剂、制氢成本,同时加快配套基础设施的建设。从目前国际上主流车企的研发和车型推出速度来看,我们认为其基本处于第三阶段:关于燃料电池的主要技术限制已被解决,正着手降低各项成本以正式商业化。

  

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  ▌未来燃料电池的成本在哪些方面能下降?

  燃料电池成本下降主要来自规模效应和技术水平的提升。

  具体到各个环节来看,气体扩散层、空压机储氢瓶电控系统和其他常用零部件(管路、连接等)降本主要由规模化效应驱动;而质子交换膜、催化剂双极板和其他较为关键的零部件(氢气电池阀等)降本则需技术和材料工艺的进步加以推动。

  燃料电池系统及储氢系统占到整车制造成本近70%

  燃料电池系统及储氢系统占到整车制造成本近70%,其中仅燃料电堆就占到整车成本的30%,储氢系统占到整车成本的14%。

  燃料电堆是燃料电池系统的核心,燃料电堆中的核心材料又分为膜电极(MEA)、双极板及其他部件;

  膜电极是电化学反应的核心部件,由催化剂、质子交换膜、气体扩散层组成。催化剂(36%)、质子交换膜(12%)和双极板(23%)合计占到燃料电堆成本的近70%,是成本降低的主要突破点。

  

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  过去十年来技术突破带来燃料电池成本显著降低

  铂催化剂价格高昂、非铂基催化剂短期难以走出实验室,降低铂用量是重点攻克方向。

  在电堆成本中,催化剂的成本占比高达36%,主要原因是当前常用的铂催化剂价格高昂。

  据美国能源部统计,2015年每辆80kW的燃料电池汽车平均铂用量约为100克,远高于传统燃油车的铂用量。

  铂金目前全球探明的储量只有1.4万吨,而中国的铂金储量不到90吨,每年开采量仅两吨左右。由于铂金储量的稀缺性,市场需大于求的状况难以改变,其价格势必长期维持在高位,因此改善催化剂性能和开发新型非铂催化剂成为当前燃料电池领域急需攻克的难题。美国能源部规划到2020年单车铂用量将降至50克左右,而最终目标将降至每车20克,直接带动成本下降30%左右。

  

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  规模效应在产业化初期带来的成本下降效果最为显著

  规模效应提升加速成本下降。燃料电池的价格下降与生产规模效应的提升密切相关。

  据美国能源部报告,以功率为80kW的质子交换膜燃料电池乘用车为例,在燃料电池年产量分别为1000辆、1万辆、3万辆、8万辆、10万辆和50万辆时,其生产成本分别为2.2万美元、8500美元、6500美元、5500美元、5200美元和4400美元,对应的单瓦成本分别为273美元、106美元、82美元、69美元、66美元和55美元。

  在燃料电池系统量产初期,价格下降幅度最大,年产量从1000系统/年增加至10000系统/年,可带动燃料电池系统成本下降幅度高达60%以上,主要依靠储氢瓶、空压机、质子交换膜等零部件的成本降低实现;当产量超过1万台/年之后,成本下降幅度随着产量增大放缓。


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