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微博热点 · 2019-03-20

■ 燃料电池序幕开启,市场关注度空前高涨:两会期间,众多参会代表多次提及发展氢燃料电池产业的提案、建议等,主要包括战略地位提升、加大技术研发投入、补贴政策和完善基础实施等,市场关注度空前高涨。2018 年 8月份,潍柴动力对巴拉德进行约 1.63 亿美元的股权投资,将持有其 19.9%股权,成为巴拉德第一大股东。同时潍柴宣布 2021 年前为商用车提供至少 2000套燃料电池模组,这是全球历史上规模最大的商用车燃料电池汽车部署计划。另外 赵文琪不文雅照片2019 年有望开始实施“十城千辆”推广计划,国内燃料电池汽车产业化大幕逐渐拉开。

■ 兼具高能量密度与零排放特性,氢燃料电池市场潜力巨大:氢燃料电池通过氢气和氧气电化学反应产生电能(核心部件为双极板、电解质、扩散层、催薄荷露化剂),具有极高的能量密度并兼具零排放特点,无疑是市场所追求的最具潜力能源利用方式,2018 年预计总体出货量可达 803MW。 燃料电池的特殊优势使其在 燃料电池汽车、无人机、 IDC 、通信设备等领域潜力巨大。 根据富士经济预测 , 未来十年燃料电池市场空间将达到3400 亿元以上。

■ 政策力挺燃料电池技术,多方下游应用进程加速:国家补贴政策给予燃料电池车高补贴且 2020 年前不退坡,ZEV、碳税等经济手段的出台都为燃料电池最大的潜在市场——新能源汽车市场形成有力推动。此外,燃料电池的一系列特性使其在通信、军用等领域有着巨大的应用空间,政府也出台了相关政策给予指引。市场需求、政策双驱动,多项应用领域有望同步发展。

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■ 技术引进、投资并购助力燃料电池产业化进程加速:我国现阶段燃料电池车产业技术滞后于国外先进公司。2016 年,国鸿氢能和大洋电机引进 Ballard燃料电池核心部件(PEMFC 电池系统)技术并达成股权、制造等项目合作;2018 年潍柴动力对巴拉德进行股权投资,成为其第一大股东,同时在成立合资企业,众多的合作进展极大地促进中国商用车燃料电池汽车产业的发展。

■ 成本快速下降,促进产业发展。国外技术的不断突破,让我们看到了氢燃料电池成本下降路径。重整法制氢成本已可媲美燃油(约合 1.25 美元/kg)、电池系统成本 2015 年约 53 美元/kW,2020 年有望下降至 40 美元/kW,同时我国废氢的利用将使使用成本进一步降低。

燃料电池性能优越,市场关注度与日俱增

燃料电池 转换效率高 、排放污染小,性能优势 明显 。燃料电池通过燃料的电化学反应直接产生电能,相当于一个小型发电装臵(主要包括双极板、电解质、扩散层、催化剂)。氢燃料电池汽车通过罐装氢气,与空气反应产生电能推动车辆,具有无污染及能量转化率高的优点。

根据电解质和燃料的不同,燃料电池分为六类:质子交换膜燃料电池(PEMFC)、直接甲醇燃料电池(DMFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)、碱性燃料电池(AFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、磷酸燃料电池(PAFC)。每一种类电池特性不同,应用领域也有所区别。

1. 受益交通应用拉动,PEMFC 出现跨越式发展

PEMFC 出现跨越式发展。2011-2018 年,PEMFC、SOFC、MCFC 三种类型电池占据了历年总出货色谷量的 90%以上。其中,受交通运输领域需求拉动,PEMFC 在 2011-2017 年出货量连续出现了跨越式增长,年均复合增长率为 42.57%;SOFC、MCFC 在固定式电站或热电联产上应用较为成熟。

燃料电池应用市场出现结构性变化。2015 年之前,燃料电池应用以产业和商业用途及家庭用途领域为主,但因燃料电池汽车商业化不断落地的催化,下游市场已出现结构性变化。

2011-2014 年,PEMF顶级宠妻硬汉C 在燃料电池应用领域的占比保持在 40%左右;2015 年开始,PEMFC的应用占比快速提升。根据 E4tech 统计,2017/18 年 PEMFC 在燃料电池应用中的占比已经达到了 70%以上。

2. 全球燃料电池市场空间有望达到 3400 亿,PEMFC

燃料电池市场 增长潜力巨大 。根据 Fuji Keizai 预测,到 2025 年全球燃料电池市场有望达到5.2 万亿日(约合人民币 3,400 亿元)元,其中燃料电池汽车市场规模将超过 50%。2011 年燃料电池汽车市场仅为 3 亿日元,未来随着技香草绘术升级、加氢站等基础设施的完善、政策支持力度加大,预计到 2025 年全球燃料电池汽车市场有望扩大到2.91 万亿日元(约合人民币 1,900亿元),占整体市场一半以上。

新能源汽车应用空间广阔,新兴市场机会有待深入挖掘

燃料电池 在民用领域的 应用主要集中在电站(含热电联产) 和 交通运输领域。早期燃料电池的应用主要集中在潜艇、航天等特殊领域,且技术已相对成熟。近来来,燃料电池在民用领域的应用正在提升。在民用领域,燃料电池的应用主要包括固定式电源、交通运输和便携式电源三大类领域。

交通领域应用的商业化进程正在加速。受益各国政策支持,汽车技术上取得较大突破,丰田、本田、现代等均推出了各自的量产燃料电池汽车,燃料电池在交通领域的商业化进程正在加速。

从市场结构来看,交通运输领域成长性最强 。2018 年,全球燃料电池系统的容量预计为803.1MW,2011-2018 年间复合增长率达 32.95%。从总量上看,与大规模商业化仍存在一定差距。从应用领域来看,固定式电站领域的应用占比从 2013 年开始逐步下滑,2018 年占比约 30%;便携式领域的容量占比很小,几乎可以忽略。

然而,交通领域的应用占比在从 2013 年开始逐年出现大幅提升,2016 年首次超越固定式,达到近 60%,2018 年占比近 70%。

1. 交通运输领域 : 氢燃料电池, 新能源车未来发展方向

1.1. 氢燃料电池车的发展存在市场基础和政策基寂寞山村础

氢燃料电池汽车是我国新能源汽车发展的主要技术路径之一。氢燃料电池汽车在《国家创新驱动发展战略纲要》《中国制造 2025》《汽车产业中长期发展规划》等重要战略纲要中,均被列为要大力发展的产业。氢燃料电池车主要由燃料电池系统(包含反应堆、空气压缩机等)、储氢装臵、辅助电池、控制装臵和驱动电机构成,具备续航力强、噪音低、零排放等特点。

我国对燃料电池汽车的发展规划早在 2001 年就已经启动,2001 年的―863 计划——电动汽车重大专项‖项目,确定了“三纵三横”战略,其中“三纵”即包括纯电动、混合电动、燃料电池汽车。到 到 2015 年,《中国制造 2025 》规划纲要出台,提出了燃料电池汽车的三步发展战略,最终在 2020 年,达到生产 1000 辆燃料电池汽车并进行示范运行的目标。

技术方面 ,科技部《“十三五”电动汽车规划》给出指引,未来几年需要攻克薄金属双极板表面改性技术、车用燃料电池耐久性技术、推进加氢站建设和燃料电池汽车示范运行等多项工作,关键基础器件、燃料电池系统、基础设施与示范三个方面需继续加大研发和投入力度。

燃油电池汽车补贴 2020 年前不退坡 。为了达到上述规划目标并攻克技术难题,中央自 2009年起对燃料电池汽车持续地给予财政补贴和税收减免,近几年的财政补贴积极促进燃料电池汽车的市场化导入。根据中央的补贴标准,2013-2015 年,燃料电池乘用车的补贴标准逐年递减 5%,从 2013 年 20 万元降低到 2015 年的 咲诗织18 万元,但根据《关于 2016-2020 年新能源汽车推广应用财政支持政策的通知》,2016-2020 年又重新恢复到 20 万元,而纯电动和插电混合乘用车的补贴逐渐退坡。除此之外,还给予燃料电池商用车中型 30 万、重型 50 万的补贴。

1.2. 氢燃料车vs锂电池车:燃料补充迅速和续航里程是优势

两种新能源车的综合能源利用效率均高于传统汽车。对比三种不同化石能源利用效率(内燃机为 37%,燃料电池为 45.7%,锂电池为 49.2%),锂电池和燃料电池较传统燃油汽车均有较大优势。

当前锂电池车产业发展更为完善、积累的运行数据更多;但燃料电池更适合长续航里程的运输车辆,两种路线并重更符合我国当前的国情。中科院欧阳明高院士在多个场合明确提出:氢燃料电池更适合替代使用柴油的长途运输车辆以及客车领域,锂离子电池更适合应用于乘用车领域。

燃料电池车与锂电池最大不同在于驱动力来源。燃料电池车动力来源包含电池控制器、储氢装臵、电池堆、辅助蓄电池、燃料处理器、压缩机和加湿器,而锂电池车主要包含电池控制器、电池组、车载充电器,其他部件两种车相似。

燃料电池汽车续航及加氢时间优势明显。进一步对比氢燃料车和纯电动车性能参数,发现氢燃料电池汽车在续航里程及能量补充时间上具明显优势。续驶里程很大程度上由电池系统能量密度决定。锂电池系统的平均能量密度约为 140-160Wh/kg,PEMFC 燃料电池的能量密度高达 1800Wh/kg。

反应到具体车型上,纯电动车如比亚迪 e6 及特斯拉的等续驶里程较远的车型,续航可达400km 以上;而氢燃料车丰田 Mirai 续航里程可达 650km 以上。能量补充上,纯电池车直流快充时长在 2-3 小时,氢燃料车一次加氢只需 3-5 分钟。

1.3. 丰田 Mirai :燃料电池领跑者,专利公开掀起产业化浪潮

丰田于 2014 年 11 月发布 Mirai 燃料电池汽车,续航里程可达 500km,储氢重量约 5kg,加氢时间 3 分钟左右,百公里加速 9.6 秒,补贴后售价约 26 万人民币,其性能已经与现有电动车领头羊 Tesla Model S 车型媲美。

2015 年 1 月,丰田宣布在全球求范围内开放耗时 20 多年、耗资上千亿资金开发的 5680 项燃料电池技术专利,其中包括 Mirai 的 1970 项关键技术专利。 从商业战略的角度看,我们认为丰田此举已经昭示其技术已经相当成熟,进入了技术优化和商业生态构建的阶段。

1.4 国内外车企加大燃料电池汽车布局

全球多家车企量产氢燃料电池乘用车 。现代 ix35 FCV 于 2013 年上市,随后丰田、本田相继推出 Mirai 和 Clarity Fuel Cell。欧洲市场目前量产的主要有奔驰 GLC F-Cell(混动),奥迪h-tron Quattro 作为概念车并未上市,2018 年现代推出升级版的 NEXO Blue,续航里程和百公里加速均有大幅提升。国内市场暂无氢燃料电池乘用车上市,上汽集团开发一款荣威 950(混动)版燃料电池汽车,实现自主技术突破,并未量产。

目前已有多家国际车企公布氢燃料电池乘用车战略布局和销量规划。乘用车方面,国内上汽、长城韩石奎等车企也有明确规划;商用车方面未来会是中国燃料电池汽车发展的你轻点主力。

1.5. 全球燃料电池汽车的市场现状及未来展望

全球燃料电池乘用车销量基数较低,未来发展潜力巨大。根据 Information Trends 报告数据,2017 年全球燃料电池乘用车实现 3260 辆销售规模,同比增长超 40%。根据中汽协数据,中国燃料电池乘用车暂无产品上市,主要以燃料电池商用车为主,2018 年实现 1527 辆销售规模,同比增长 20%,未来随着“十城千辆”推广实施,销售规模未来将会有大幅提升。

美国为燃料电池乘用车主要的消费市场长春吉康 。根据 Information Trends 报告数据,美国市场由于基础实施完善,截止 2018 年底共有 42 座公共加氢站,2018 年实现 2368 辆燃料电池乘用车的销售规模,同比增长 3%左右,其中丰田 Mirai 实现销售 1700 辆,占比约 72%。韩国市场,现代 2013 年推出 ix35 FCV 以及 2018 年推出升级版车型 NEXO,续航里程超 600km,叠加国内 14 座加氢站的基础设施保障,2018 年实现了 744 辆燃料电池汽车的销售规模,未来随着加氢站以及成本的走低,美国以及韩国市场燃料电池汽车的销量有望持续创出新高。

全球各国纷纷制定燃料电池汽车的发展规划 。随着能源安全等问题的日益严重,全球各国纷纷大力推动新能源汽车的发展,燃料电池汽车相较锂离子电动汽车而言,具有续航里程长、加强时间短等优势,但是技术难度以及产业化难度大,凌惧阁已经成为各国的产业发展重点突破方向之一,纷纷制定了明确的发展规划。

日本燃料电池汽车技术全球领先 。日本丰田在 2014 年推出世界上真正具备商业化大规模量产能力的 Mirai 燃料电池汽车,随后本田推出 Clarity Fuel Cell,与 Mirai 性能接近,技术领先全球。2017蛇口集装箱公共查询 年日本经济产业省发布了《氢能基本战略》,明确了未来的发展战略:保有量方面,2020 年累计实现 4 万辆保有量,2025 年累计实现 20 万辆保有量,2030 年实现 80 万辆保有量。在加氢站方面,2018 年底日本共有 96 座加氢站,未来 2020 年实现 160 座,2025年实现 320 座,2030 年实现 900 座。

欧盟明确氢燃料电池汽车未来规划 。欧盟 2008 年出台了燃料电池与氢联合行动计划项目(FCH-JU),2019 年 2 月 11 日,FCH JU 发布“欧洲氢能路线图”。路线图提出:未来销量目标,2025 年实现 30 万年销量目标,2050 年实现 800 万年销量目标,其中包括卡车、大巴、物流车、出租车、乘用车等;加氢站规模方面,截至 2018 年底,欧盟有 19 个国家拥有加氢站,其中德国拥有 60 座公共加氢站(18 年新增 17 座),数量最多。未来规划 2025 年达到1500 座规模,2040 年达到 15000 座规模。

工信部明确提出 2030 年百万辆发展目标 。工信部 2016 年组织制定的《节能与新能源汽车技术路线图》明确提出:市场规模方面,2020 年实现 5000 辆级规模,2025 年实现 5 万辆规模,2030 年实现百万辆氢燃料电池汽车的商业化应用。加氢站建设方面,2020 年建成 100 座;2025 年建成 300 座;2030 年建成 1000 座。

多个地方政府也在大力支持氢燃料电池汽车发展 。上海是我国燃料电池汽车技术研发、产业化的先行者,北京和佛山也制定了明确的发展规划。

上海发展目标:2017-2020 年建设加氢站 5-10 座、乘用车示范区 2 个,运行规模达到 3000辆,积极推动燃料电池公交、物流等车辆试点。2021-2025 年形成有国际影响力的整车企业 1 家、动力系统企业 2-3 家、关键零部件企业 8-10 家,燃料电池汽车全产业链年产值突破 1000 亿元,建成加氢站 50 座,乘用车不少于 2 万辆、其它特种车辆不少于 1 万辆。

北京规划:北京规划到 2020 年,将建成国内最大的新能源汽车研发、应用中心,总体达到国际领先水平。《北京市“十三五”时期节能降耗及应对气候变化规划》的通知,提出到 2020 年,北京市燃料电池汽车推广要达到 5000 辆。

广东佛山:2017 年 12 月,国内首个“氢能周”在佛山南海举行了开幕式。佛山注重和云浮的战略合作,设立 10 亿元氢能产业股权投资基金及 30 亿元氢能产业发展基金促进氢能产业发展,并预计在 2019 年投入使用 10 座加氢站,力争实现千辆氢能公交车示范运营项目。南海区在新能源汽车产业发展十年规划中明确提出,到 2025 年,南海区推广燃料电池叉车 5000 辆,燃料电池乘用车 10000 辆,燃料电池客车 5000 辆。

2. 新能源车外新兴应用领域亦值得关注

燃料电池和铅酸电池、锂电池等一样,都属于电源存储设备。因此在备用电源、便携式电源等领域,燃料电池都具有很大的应用空间。燃料电池在通信备用电源应用领域已经起步,目前处于逐步摸索阶段,将来有望继续普及。三部委在引发的《装备制造业标准化和质量提升规划》中不仅提到要对燃料电池车及核心部件重点发展,还提及要提升通信用燃料电池等标准体系。此外,燃料电池安全性高、能量补充快、密度高等特点,将来除了替代燃油车郭源潮是谁这一巨大的市场外,在男的照片无人机等新型交通工具市场,都具有广阔的发展空间。

2.1. 无人机行业需求迫切

无人机广泛应用于航拍、巡检、反恐、军事等领域,发展如火如荼,无人机领域龙头大疆创新销售收入更是呈现跨越式增长。但电池的续航能力一直限制着无人机功能发挥,而燃料电池技术有望彻底改变这一现状,使无人机产业进入一个全新的发展阶段。

2.2. 备用电源:可靠性高

将燃料电池作为备用电源,在电信、银行、医院等行业最为普遍。作为燃料电池的大生产商,Ballard Power Systems 在 2012 年就生产了近 400 个 Electra Gen 备用电源系统。

技术引进+投资并购, 借鉴国外经验,突破产业制约

我国现阶段燃料电池车产业技术滞后于国外先进公司,国内真正运行的燃料电池车数量少(熊猫看书,鼻塞,礼多为示范项目)且多数采用国外进口的膜电极组件,反观国外先进公司(丰田、巴拉德等)在技术、运行数据等方面已经积累了丰富经验。通过技术引进、投资并购,能够帮助本土企业跨越高门槛,以高起点切入氢燃料电池领域。

1.成本、技术成产业重点突破口

氢燃料系统技术复杂,国内待突破。与电池电动车不同,氢反应电堆是氢燃料车的动力来源,也是氢燃料车动力系统的核心。加上车载储氢罐等,形成整体氢燃料电源系统。电堆能量密度等技术发展和成本是当前制约燃料车发展的主要因素。

燃料电池本系统占整车成本 65%,催化剂成本占据电堆成本 36% 。目前燃料电池系统和储氢系统占据整车成本的 65%,远高于锂离子纯电动汽车的电池成本占比。另外,燃料电堆催化剂主要为铂金属,且国内用量远高于国外,成本高昂,成为制约燃料电池发展的巨大瓶颈,因此,降低催化剂中的铂用量是需要重点攻克的技术难点。燃料电池系统中的阀、泵的小型精密部件的成本也有大幅下降的空间。最后,每个加氢站的建设成本在 1500 万元左右,目前国内已投建加氢站为个位数,成为燃料电池汽车发展的重要瓶颈。

工业废氢利用可显著降低氢使用成本,美国电堆成本下降已列入规划目标 。根据美国相关部门规划,2020 年,将计划实现非重整法(电解法、生物法等)加氢平准用氢价格降至 10 美元/kWh。其中在电堆成本方面,在 50 万套 80kW 电池系统产量规模下,将从 2015 年的 53 美元/kW(合 3.01 万/套),下降至 2020 年 40 美元/kW(合 2.34 万/套),并逐步达到理想的 30美元/kW(合 1.75 万/套)。此外,当前我国每年大约有 10 亿立方米的废氢被排放。若能有效的在燃料电测领域加以应用,能产生电能约 130 亿度电,经济价值巨大。

2. 燃料电池本土化生产提速

巴拉德:燃料电池电堆龙头 。巴拉德于 1979 年在加拿大成立,是从事设计、开发、制造、销售各类燃料电池产品并提供技术解决方案的全球领先企业,1993 年在多伦多证交所上市,1995 年在 Nasdaq 上市(代码:BLDP)。自 1983 年起巴拉德开始研究燃料电池,迄今为止已有 35 年,两穴累计投入研发费用高达 10 亿美元,申请超过 1500 相专利和专利使用权。

巴拉德业务广泛分布在多个国家,美国、德国、中国是前三大市场。在物料搬运市场,公司与普拉格能源(Plug Power)在 2014 年签署长期供给协议,为普拉格叉车中的 GenDrive系统提供所需的燃料电池,协议将持续至 2017 年底,并可能延长两年。

在市场方面,巴拉德已生产超过 270 万片膜电极(MEA),出货超过 270MW 的 PEM 燃料电池产品,与超过 15 家巴士制造公司建立了合作关系。2007 年至 2009 年公司开始将战略重点转向用于商业市场的清洁能源燃料电池产品。目前公司在质子交换膜、燃料电池开发和商业化领域均取得了显著成就。

巴拉德技术转让, 本土化生产的里程碑。2016 年 7 月,巴拉德宣布一项在中国本地生产燃料电池电堆的具有里程碑意义的协议,其主要内容如下:―巴拉德将获得 1840 万美元的技术转让费,内容包括生产设备,产品和采购服务,培训和调试支持,涉及在云浮建立生产线,以制造和组装 FCveloCity-9SSL 燃料电池堆,创立一家合资企业进行电堆制造业务,由广东国鸿氢能动力科技有限公司拥有 90%股份,巴拉德拥有 10%,同时,巴拉德将成为合资企业生产的每个燃料电池堆的膜电极组件(MEA)的唯一供应商;在―采购或付款‖协议中规定,在 2017 年至 2021 年的最初五年期间,MEA 最低采购量超过 1.5 亿美元。

大洋电机参股巴拉德 , 彰显本土化生产野心 。2016 年 7 月 9 日,大洋电机公告通过定向增发参股巴拉德约 9.9%的股份,并宣布合作开发燃料电池系统。同时,大洋电机与广东国鸿氢能动力科技有限公司签订了购买 1 万辆燃料电池汽车的协议,包括公共汽车和货车,所有这些都将使用巴拉德领先的 PEM 燃料电池技术。2017 年 2 月,大洋电机再次与巴拉德签署合作协议,大洋电机以 2500 万美元获取巴拉德的技术转让,并在中国三个战略地区(包括上海)组装和销售 FCveloCity30kW 和 85kW 燃料电池发动机模块;但同时,巴拉德将拥有独家权利,从任何一家大洋电机制造业务中心购买燃料电池发动机,销往中国以外的地区。这意味着,巴拉德将中国制造的燃料电池发动机直接销售海外,同时还非常好的保护了知识产权,充分彰显巴拉德的中国本土化生产的野心。

潍柴动力成为巴拉德第一大股东, 燃料电池汽车商业化领域的又一个历史性里程碑。2018 年8 月 29 日,巴拉德宣布与潍柴动力达成战略性合作,其中包括潍柴动力在巴拉德进行约 1.63亿美元的重大股权投资,潍柴动力将持有巴拉德 19.9%的股权,成为巴拉德第一大股东。潍柴动力本次参与投资巴拉德,并计划与巴拉德共同推进氢燃料电池在国内的发展与应用,运用其发动机设计、动力系统集能力、广泛的客户关系,将极大促进国内氢燃料电池的应用,有利于推进行业的发展。

最有发展前景的燃料电池 ——PEMFC产业链全梳理

PEMFC 产业链分为 制氢、氢的运输分配、氢存储、燃料电池系统四个环节,我们根据四个环节梳理出上游、中游、下游产业链的成本下降路径和技术革新,深入的了解 PEMFC 发展情况。

1. 氢的生产:天然气重整制氢成本媲美燃油,废氢利用进一步降低使用成本

氢可以用多种技术生产,包括用化石能源、核能和可再生能源重整化石燃料、电解水、生物质、高温分解等。 天然气制氢成本已经媲美汽油成本,根据美国能源部测算,到 2020 年将新技术制氢(不包含重整法), 加注站售价 4 美元/gge ,相当于汽油价 1云南啄嘴山歌酸调对骂.057 美元/L。

一系列的制氢原材料和技术改进将降低氢的生产成本,近期的研究主要集中在分布式重整液态燃料和少量电解制氢的低生产设备成本领域;远期集中在用可再生原料和能源制氢,并充分利用规模经济的优势。

  1. 分布式制氢不需要大量的运输设备或投资大型制氢工厂,是目前最可行的方法。当前主要的制氢技术有两种:(1)重整天然气或者液态燃料(乙醇等);(2)小规模的电解水法。蒸汽重整甲烷制氢是现今在成本上能与汽油媲美的技术。使用可再生能源,高温和生物液体重整是两种能大幅减少温室气体排放的技术,其中生物液体重整技术可广泛应用于分布式、集中式生产氢。
  2. 使用风电、水电、太阳能等可再生能源电解水是零排放制氢技术。当前制氢设备、运维成本和电费成本制约该技术的大规模应用,技术上仍然有待进一步开发空间,电费价格降低到当前电价的一半时,该种方法具有经济性。
  3. 长期来看,大型工厂化制氢可以充分利用规模经济优势满足日益增长的氢燃料需求,集中制氢的能源主要有化石能源、核能和可再生能源。随着高效的水裂解化学工艺和材料发展,采用集中式太阳能高温热化学制氢将成为一种潜在可能技术方案。

我国具有巨大的人力资源和市场容量,往往产业化规模效应显著; 参照风电、光伏、锂电池等产业的发展轨迹, 燃料 电池技术若能实现 国内 大规模产业化, 成本有 较当前预计会有 30%左右下降空间。此外,我国每年大约有 10 亿立方米的废氢被排放掉,能产生电能约 130 亿度电,若能利用到燃料电池车中,将会产生巨大的经济价值和环保价值。

2.氢气的提纯:碳氢膜技术替代现有成本高昂的冷却技术

在氢气制备过程中不可避免会带有杂质,氢气中带有杂质就带来了安全隐患,容易发生爆炸。因此,在制备过程中还需要用物理或化学方法除去氢气中杂质。氢气提纯技术主要包括:冷却分离、膜分离、变压吸附、金属氢化物法和分子筛等。当前的氢提纯技术主要采用冷却分离技术,但因其成本较高,也限制了氢利用的商业化。

美国正在开发一种碳氢膜分离系统,可以应用在大规模煤制气联合系统中用于分离氢气和二氧化碳,可替代成本高昂的冷却技术。

3.氢的储运和加注:国外已有成熟技术应用

常见的运输方式有液化汽车运输、高压气体汽车运输和管道运输(方法一、二、三),目前各国正在研发氢载体方式运输氢(方法四),我国的富瑞特装已经在有机物储氢技术上取得阶段性成果。同时,采用各种基本运输方式的组合运输形式。

氢的加注和天然气加注方式比较相似,气态氢直接加注,液态氢经过气化后在进行加注。

氢的存储技要求高效、安全、便捷、低成本,主要技术指标有容量、加注便捷性、耐久性。物理存储氢(压缩气体、低温液体容器)技术是当前最成熟的存储技术。 未来能够够使汽车商业化,主要集中在规模效应和新技术降低碳纤维成本之上。另外在研双向可逆的金属氢化物存储技术也在研发之中。

4. 燃料电池系统:规模化、新技术降本路线清晰

燃料电池系统是燃料电动车的核心,一般由 电池堆、燃料处理器、空气压缩机和组成增湿器(丰田已经省去)组成。

燃料电池堆兰诗金咏由电池和端极组成,其中电池单元是核心。单个毛家超张黎山歌全集电池单元产生的电压小于 1V,一个电池堆需要多个电池单元连接起来,具体数量取决于电池的类型,电池的尺寸、温度、气体压力等因素。

PEMFC 核心—— 电池单元 ,通常由质子交换膜、催化剂层和气体扩散层组成。

  1. 质子交换膜(Polymer electrolyte membrane ):是一种聚合物质薄膜,仅允许质子通过,厚度大约 20 微米,主要厂商有杜邦、WL Gore、3M 等。
  2. 催化剂层(Catalyst layers ):附着在交换膜的两侧,常见的催化剂层是在碳基载体上分布纳米级的铂金属颗粒,在负极侧,铂金使氢气分子分解为氢离子和电子,在正极铂金使氢离子和氧作用生成水,主要厂商有 3M、JM、BASF 等。
  3. 气体扩散层(Gas diffusion layers ):处于催化层的外侧,促进气体进入催化层,同时可以运离生成的水;常见的气体扩散层是部分由聚四氟乙烯覆盖的碳纤维纸,气体通过GDL的孔可实现快速扩散,同时可以调节水存留和释放量平衡,主要厂商有 SGL、Toray、Ballad。

保障膜电极单元运行 —— 辅助硬件部分

  1. 双极板(Bipolar plates) ):双极板隔开两个相邻的电池单元,并起到导电和固定作用,双极板可以采用金属、碳或复合材料。双极板中还包含了气体流通通道和冷却液通道,主要厂商有 Cellimpact、SGL、DANA 等。
  2. 密封垫片(Gaskets) ):电池堆由一系列的双极板隔开的膜电极单元连接而成,在膜电极单元周围的地方必须安装垫片,确保气体密封性能,垫片一般采用橡胶状聚合物,主要有 Henkel、ThreeBond 等。

燃料处理器:燃料处理器的主要作用是将燃料处理成能被电池使用的形式。根据不同种类的燃料和电池类型,可以是杂质处理装臵或反应器和杂质处理器的结合装臵。如果电池系统的燃料是富氢物质,传统燃料如甲醇、汽油、采油、煤气等,需要氢重整装臵将碳氢化合物转化为氢气和碳化合物的混合气体。在许多情况下,重整混合物送到反应容器中将一氧化碳转化为二氧化碳,然后进行二氧化碳和氢气分离并提纯氢气(除去硫化物等杂质)。除杂质主要是为了防止杂质使电池中的催化剂钝化(也称为―中毒‖)而降低效率和使用寿命。

空气压缩器:燃料电池的性能随着反应气体压力增加而增加,因此需要将输入的空气加压到2-4 个大气压。增湿器(丰田已省去):电池单元的膜需要在一定湿度才能正常工作,加湿器中包含薄聚合物质膜,干燥的空气通过加湿器变湿后进入电池单元中工作。

根据美国能源部测算,2016 年在年产 2 万台规模下成本大约 280 美元/kW ,到 2020年 年 PEMFC到 效率会达到 65% ,铂金属用量由 0.16 降低到 0.125g/kW ,双极板成本从 7 美元/kW 降低到 3美元/kW 。

根据美国能源部的测算,50 万台批量成产成本 将在 2020 年下降到 40 美元/kW , 最终目标 将会现 实现 30 美元/kW 。

本文作者:邓永康、吴用、彭广春、丁肖逸,来源:安信研究电力设备团队,原文标题:《燃料电池产业分析之一:政策与技术助推,商业化大幕开启》

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