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2018年燃料电池产业链分析报告

作者:中国储能网新闻中心 来源:东兴证券 发布时间:2019-05-16 浏览:
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▌燃料电池产业初步进入商业化阶段

质子交换膜燃料电池最适用于车载领域

燃料电池是燃料中的化学能通过电化学反应直接转化为电能的装置,单体电池主要有正负两个电极(燃料电极、氧化剂电极)以及电解质组成。理论上燃料电池的能量转化效率可达90%,实际应用中一般可以达到40%-70%,具备环境友好、能量转换效率高,燃料来源多样,低噪音等特点。

根据电解质的不同,可以将燃料电池分为质子交换膜燃料电池(PEMFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、磷酸燃料电池(PAFC)和碱性燃料电池(AFC)等。

质子交换膜燃料电池以其能量密度高、无运动电机部件、低腐蚀、低运行温度、快速启动等特点,是目前最适宜应用于车载领域的燃料电池系统,也被认为是最具备商业前景的燃料电池系统。

根据氟含量,可以将质子交换膜分为全氟质子交换膜、部分氟化聚合物质子交换膜、非氟聚合物质子交换膜、复合质子交换膜4类。

全氟质子交换膜最先实现产业化,产能主要集中在美国、日本、加拿大和中国。20世纪80年代初,加拿大巴拉德公司将全氟磺酸质子交换膜用于PEMFC并获得成功以来,全氟磺酸膜成为现代PEMFC唯一商业化的膜材料普通全氟化质子交换膜。

从整个产业链条看,燃料电池汽车的推广和应用涉及面广,无论对车辆本身还是对氢的制备、储运、应用等,都有较高要求。

根据美国能源部(DepartmentofEnergy,DOE)对燃料电池汽车的成本的系统分析,目前电堆及储氢瓶成本仍为燃料电池汽车的主要成本构成。电堆成本当中,催化剂、双基板、电解质膜是主要的成本来源。

根据高工产研氢电研究所的数据,2018年氢燃料电池领军企业分别为巴拉德、国鸿氢能、松下、丰田、本田。考虑到国鸿氢能主要为引进巴拉德的技术路线,巴拉德及其相关公司占全球燃料电池电堆生产的主流。

全球氢燃料电池电堆企业总数仍相对较少且规模普遍偏小,2018年Ballard的氢燃料电池营收9660万美元,约6.47亿元人民币,同比下滑20%。

Hydrogenics的燃料电池业务营收1558.8万美元,约1.04亿元人民币。丰田的燃料电池电堆销售收入约为2.7亿元人民币,本田的燃料电池电堆销售收入约为2.3亿元人民币,现代的燃料电池电堆的销售收入约为1.1亿人民币。

2018年国内燃料电池汽车生产1527辆,未来成长空间巨大根据中汽协的数据,2018年国内氢燃料电池产量达到1527辆,其中主要集中在12月份,其中燃料电池客车占主流,产量达到1418辆,占比为93%。

2018年全球燃料电池汽车销量为5177辆,同比增长14.21%,国外市场以美国、加拿大、日本和韩国为主,车型主要以丰田、本田、现代等燃料电池乘用车为主。

目前日本和美国是全球燃料电池市场的主要参与者。根据日本制定的《氢能与燃料电池战略路线图》,计划到到2025年普及氢能利用市场,再用5年时间建立大规模的供氢体系,最终在2040年建成无碳排放的氢燃料电池供给体系。

美国2005年在联邦政府发布的《能源政策法案》中提出了氢能基础设施和燃料电池的研究和开发计划,要求到2020年氢燃料电池汽车必须具备经济性和较低的排放量,且对2020年之前的氢能基础设施和燃料电池技术拨款。

根据此前国家发布的燃料电池技术路线图,燃料电池产业要发展以城市私人用车、公共服务用车的批量应用为主,逐步实现燃料电池汽车产业的商业化推广。根据规划,氢燃料电池汽车要在2020年实现5000辆规模示范应用,2025年达到5万辆的规划,2030年实现百万辆规模的商业推广。

国外燃料电池技术进步明显,初步具备商业化条件

丰田Mirai的燃料电池电堆功率密度已经达到3.1kW/L,较2008年的1.4kW/L提升了一倍。此外,国内车用燃料电池系统功率密度也已经达到2.0kW/L,并掌握了-10°C低温启动技术。

从成本端来看,国外燃料电池系统规模化成本已经降至45美元/kW,接近40美元/kW的战略目标,根据DOE的规划,到2020年燃料电池系统成本降至40美元/kW以下,最终商用需要成本降至30美元/kW左右。此外,新一代的燃料电池发动机100kW铂用量小于10g,基本达到内燃机排放后处理铂用量水平。

基于2020年的技术水平,在年产50万套80kW电堆的规模下,质子交换膜燃料电池系统成本可降低到40美元/kW(约合260元/kW),即80kW燃料电池汽车的电池系统总价约2万元。而按照国际能源署预测,2030年锂离子电池系统成本有望降低至100美元,同等水平的60kWh动力电池车电池系统总价约为4万元。

燃料电池功率和储能单元彼此独立,增加能量单元对车辆成本和车重影响相对较小,氢燃料电池在重型交通领域相比锂电池具有更强的技术适应性。随着车重和续航的提升,燃料电池汽车成本将逐步接近甚至低于纯电动汽车。

从全球燃料电池出货量来看,近年来呈稳步提升态势。2017年全球燃料电池出货量达到7.26万件,其中大部分为固定式(主要为燃料电池固定发电)应用,车辆领域成长迅速,有望成为未来主流的应用场景。

▌制氢储氢技术亟待突破,相关设备成长空间巨大

制氢储氢技术及相关基础设备亟待发展

我国已具备一定氢能工业基础,全国氢气产能超过2000万t/a,但生产主要依赖化石能源,消费主要作为工业原料,清洁能源制氢和氢能的能源化利用规模较小。

国内由煤、天然气、石油等化石燃料生产的氢气占了将近70%,工业副产气体制得的氢气约占30%,电解水制氢占不到1%。

从消费结构来看合成氨、合成甲醇及石油炼化为主要的氢气消费领域,燃料电池汽车消费量仍处于极低的水平。

在目前技术条件下,水电解制氢虽然成本较高,但其氢气纯度较高,对燃料电池电堆的损耗更小。国内外能源企业结合其各自优势选择不同技术路线,纷纷布局氢能源生产与供给,煤制氢、天然气制氢、碱性电解水制氢技术和设备已具备商业化推广条件。

以目前的能源消费结构(煤电占比为69%)来看,水电解制氢在燃料电池全生命周期仍不具备排放优势,根据国家发改委能源研究所测算,若未来国内煤电比例降至20%,水电解制氢全生命周期排放将显著低于汽油车排放。

以目前燃料电池的购车和使用成本来看,经济性和节能减排优势不明显仍是限制燃料电池汽车大规模推广的主要软肋。除了燃料电池系统等车辆相关部件成本有较大下降空间外,制氢储氢环节的技术进步和基础设施的推广也是推广燃料电池汽车的重要把手。

制氢储氢设备发展任重道远,具备较大成长空间


自从1999年5月全球第一座加氢站在德国慕尼黑机场建成以来,各国相继推动加氢站建设。截止2017年底,全球正在运营的加氢站达到328座,其中日本、美国、德国分别有95座,39座和31座,并对未来加氢站建设有具体规划。

国内截止2018年上半年在运营的加氢站仅有14座,其中6座位撬装式,占世界加氢站总数的2%。主要为示范项目为基础存续下来的加氢站,日加注量主要是500kg以下,且加注压力主要为35Mpa,仅大连新源动力加氢站加注压力为70Mpa。

加氢站网络化分布是氢燃料电池技术大规模商用化的基本保障,而解决加氢站网络化分布的关键是解决氢气运输问题。氢气输送方式主要有气氢输送、液氢输送等。气氢输送分为管道输送、长管拖车和氢气钢瓶输送。

管道输送一般用于输送量大的场合,长管拖车运输距离不宜太远,用于输送量不大的场合;氢气钢瓶则用于输送量小且用户比较分散的场合。液氢输送一般采用罐车和船,可进行长距离输送。目前氢气输送网络系统技术尚不成熟,不利于氢燃料电池技术大规模商用化应用。

储氢也是制约氢燃料电池发展的重要问题,目前主要的办法有高压气态储氢,低温液态储氢,金属储氢,有机液储氢等。目前国内外主要以高压气态储氢(35MPa和70MPa)和低温液态储氢为主。

目前气态储氢逐步向高压发展,70MPa的IV型储氢瓶成为了燃料电池汽车储氢设备未来发展的重点。I型和II型普通钢制高压储氢气瓶自身太重,且存在氢脆问题,难以在车载领域应用。目前国内车载高压储氢主要采用轻质复合容器III型瓶。

目前美国、加拿大、日本实现已经实现70Mpa储氢瓶量产。美国通用汽车公司主要通过增强碳纤维缠绕层结构,加拿大Dynetek公司通过改进缠绕层和过渡层技术,加强了碳纤维/树脂基体复合增强外包层的强度,均将35Mpa储氢瓶升级为70Mpa,且已投入工业化生产,获得广泛应用。

浙江大学在国家高技术研究发展计划(863计划)的资助下,建立了纤维全缠绕高压储氢气瓶结构-材料-工艺一体化的自适应遗传优化设计方法,成功研制了70MPa储氢气瓶。

此外,沈阳斯达林公司、北京科泰克和北京天海也陆续研制并进行70Mpa气瓶的型式试验。博肯节能旗下兰天达突破了70MPa车用储氢系统,同济大学的70MPa加氢站用储氢系统项目也受到验收。

▌燃料电池受政策持续扶持,国内企业布局积极推进

燃料电池汽车受国家和地方政策积极扶持

近年来,随着氢燃料电池技术的突破、新能源汽车的快速发展,以及国家对清洁能源的日益重视,中国开始加大对氢燃料电池领域的规划和支持力度,出台了相应的政策,将氢燃料电池的发展提升到了战略高度。

除中央层面的政策外,各地方政府也出台了对于燃料电池的规划和相关补贴。截止目前,广东、上海、武汉、重庆、西安、河南、海南、青海等8个省市已经出台了地方补贴政策。

国内企业积极布局燃料电池汽车产业链,远期市场空间近万亿根据公开数据显示,2017年国内氢燃料电池投资项目(2020年投产)就已达1000多亿,产能为17万套氢燃料电池发动机。

目前国内加氢站建设成本约2000万元/座,较加油站和充电站相比成本偏高。按照规划2030年国内加氢站建设1000座,对应市场空间约200亿元。

国内2030年燃料电池汽车商业推广计划超过100万辆,预计对应市场空间超过5000亿元。按照电堆成本占比40%,储氢瓶成本占比15%,电机成本占比10%计算,预计2030年国内燃料电池电堆、储氢瓶、电机对应市场空间分别超过2000亿元、750亿元和500亿元。

2018年发布的6-12批新能源汽车推荐目录中,燃料电池汽车共有72款车型入选,其中客车54款,占比达到75%。2018年入选的车型中,燃料电池系统额定功率达到30-40kw的车型有45款,达到40-50kw的车型有13款,50kw以上的车型有14款。目前国内燃料电池水平总体与国外差距较大,日本的燃料电池车型额定功率基本在120-200kw。

目前燃料电池产业链市场关注度较高,各类资本投资较为积极,政策催化不断。但也应正视国内燃料电池水平与国际的差距,目前国内燃料电池仍处于发展前期,在产业链环节正在推进商业化的进程中,二级市场更多的表现为扶持政策、行业事件及舆情热点驱动,产业链相关公司的技术进展和最近布局,以及国家层面的补贴将会对市场情绪带来较大提振。

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