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产业新闻

燃料电池,需要努力,值得等待

2016-6-24 9:41:05浏览:2213

导语近期随着国家能源局以及发改委颁布《能源技术革命创新行动计划2016-2030年》,同时下发《能源技术革命重点创新行动路线图》,将氢能和燃料电池作为未来重点鼓励和发展的新能源创新技术之一,以及近日福田汽车获得欧辉100辆燃料电池汽车订单,燃料电池汽车的字眼再次点亮了市场的视野。作为未来五年后新能源汽车有可能发展的重要路线之一,燃料电池的技术原理是什么,燃料电池汽车的应用如何,其成本结构是否经济,产业是否到达了投资临界点,产业链是否存在投资机会,本篇报告我们将依次从这些方面对燃料电池汽车行业进行全面梳理和解答,以此作为投资判断的依据。

一、燃料电池概况

1.1燃料电池概念

燃料电池技术就是通过电化学反应,将常见的可燃气体和液体如氢气、甲烷、天燃气、沼气、乙醇、甲醇等燃料,在催化剂的作用下与氧气发生氧化还原反应,将化学能转化为电能,无需燃烧。

1.2燃料电池技术类型

根据电解质类型的不同,共分为5种不同的燃料电池生产技术。其中质子交换膜燃料技术是继碱性、磷酸性以及熔融碳酸盐以及固体氧化物燃料电池之后,迅速发展起来的温度最低,比能最高、启动最快、寿命最长,应用最为广泛的第五代燃料电池,也是现阶段国际燃料电池汽车厂商普遍采用的燃料电池技术。

1.3氢燃料电池技术原理

以质子交换膜燃料电池(PEMFC:Proton Exchange Membrane Fuel Cell)为例,采用固体聚合物作为电解质,含有铂或者铂合金催化剂的多孔碳为电极,由于其主要采用氢气为燃料,又被称作氢燃料电池。其主要原理是让进入燃料电池的氢分子在阳极催化剂作用下分解成氢离子,释放出电子,氢离子穿过质子交换膜到达阴极,电子通过外电路输出电能;进入燃料电池的氧分子在阴极催化剂作用下,与氢离子和通过外电路到达的电子反应生成水和热。氢燃料电池具有密度高,启动快,比功率大,输出功率可随时调整等优点。


1.4氢燃料电池的核心优势

以质子交换膜技术为代表的氢燃料电池技术是目前发展最好的燃料电池技术,作为清洁能源的一种,具有零污染、能量转化效率高、无资源和能源瓶颈等核心优势。


在其重点应用的燃料电池汽车领域,氢燃料电池技术以其清洁环保、零排放、无噪声、无污染等优点,被誉为新能源汽车发展的终极目标。相比锂电池等新能源汽车技术,燃料电池汽车启航加速快,续航里程高,以及充电时间短,成为众多国际巨型车企、科研院所、零部件厂商竞相增加研发资本投入的对象。

二、燃料电池汽车的应用

2.1行业现状及预测

2.1.1全球市场

从世界范围来看,汽车用燃料电池动力系统是目前关注度最高的燃料电池的应用领域。因其现有市场规模还比较小,在新能源汽车中占比仍然较低,未来爆发最迅猛,可能的市场容量最大,目前许多大型汽车厂商已将氢燃料电池列入发展计划,因此也最值得期待。

据研究机构Navigant、国际能源署IEA以及日经BP清洁技术研究所等多方面报告,2011年和2012年世界燃料电池汽车的发货量不足500辆,有望在2015-2017年后出现爆发,并预计未来呈几何级增长:

1、到2030年全球燃料电池汽车销量将达到350万辆,占电动汽车销量的10%;

2、2030年之后,燃料电池汽车继续抢占纯电动汽车市场份额;

3、到2050年,纯电动、插电式混合电动、燃料电池汽车销量占比均达到30%,形成三分天下之势。

2.1.2国内市场

相比日本、美欧等国家在燃料电池汽车上的前期的先发布局和技术积累,国内燃料电池汽车技术尚处于研发阶段,产业整体落后于世界先进水平十年。我国在燃料电池汽车方面技术储备有限,仅上汽集团等少数企业涉足,整体尚未实现真正的生产,商业化几乎空白。但随着丰田等国际整车厂商技术专利的开放,以及自身研发水平的不断提高,不排除国内企业后起追赶的可能。

2.2政策趋势

实现商业化前,良好的政策是发展燃料电池汽车应用的重要推手。随着全球气候大会致力于对世界范围的碳排放限制的推动,以及能源安全约束框架下建立的应对机制的实施,各国加紧对代表新能源解决方案的燃料电池汽车技术的扶持。

1) 日本、美欧争相对燃料电池汽车研发及产业化加紧财政扶持

日本对燃料电池汽车产业的重视程度在世界范围无疑是最强烈,也是行动最积极的。过去30年先后投入上千亿元用于支持燃料电池汽车和氢能的基础科学研究,从2009年起对购买燃料电池的家庭用热电联供企业给予50%的费用减免。随着燃料电池汽车产业技术的成熟,日本给予加氢站的建设提供高达投资成本50%的大规模补贴,到2015年初,日本已有45座加氢站投入使用,标志着日本燃料电池汽车技术已进入实质商用化阶段。


整车补贴方面同样丰厚,丰田Mirai上市时,日本政府给予每辆燃料电池汽车高达200万日元(相当于1970美元)。日本政府对燃料电池产业的持续补贴、税收减免和各类研发投入,使得日本在全球燃料电池汽车领域具有一定的垄断,除了建立起强大的技术储备,还获得了庞大的专利数量。


美欧在燃料电池领域也保持着先行者的地位,相关扶持动作和补贴税收政策不断出台。2012年美国颁布法案,根据能源转换效率给予氢能基础设施高达50%的税收抵免。数据显示,2012年全球燃料电池产业80%的投资发生在美国。总体来说,在政策扶持推动下,美国的燃料电池产业发展较快,通用、福特、戴姆勒奔驰等车厂都在美国进行了燃料电池汽车的技术示范运行,并培育了联合技术公司UTC、巴拉德Ballad、普拉格Plug等国际知名的燃料电池厂商。欧盟也是最早涉足燃料电池的地区之一,一直致力于燃料电池产业的发展。政府方面则早在2008年成立欧盟燃料电池与氢联合行动计划项目,给予燃料电池的研发以及加氢站等商业化基础设施的建设提供了大量的投资和财政补助。

2)国内政策明确,扶持信号不言而喻

我国在十二五期间就将燃料电池技术纳入新能源汽车产业政策体系,鼓励市场对燃料电池汽车产业化的探索和研究。2015年《中国制造2025》对燃料电池的发展战略提出了三个方面,其中第三是方面是要实现燃料电池汽车的运行规模进一步扩大,达到1000辆的运行规模,到2025年,制氢、加氢等配套基础设施基本完善,燃料电池汽车实现区域小规模运行。


2016年5月24日,能源局和发改委联合颁布了《能源技术革命创新行动计划2016-2030年》和《能源技术革命重点创新路线图》,重点提到了氢和燃料电池技术未来发展的方向,希望积极推动PEMFC技术、MFC技术,实现PEMFC电动汽车及MFC增程式电动汽车的示范运行和推广应用。

落实到具体财税补贴方面,新能源汽车产业政策考虑到燃料电池技术相对于锂电池动力汽车所处的发展阶段,给予了大大高于以锂电池动力汽车标准的高额补贴,未来五年补贴不退反升。


锂动力电池乘用汽车补贴未来五年逐步下降:

2.3发展难点

燃料电池汽车产业在我国的发展起步相对较晚,与国外世界先进水平相比较为落后。客观来看,我们认为发展我国燃料电池汽车产业,到可商业化还有较长的距离,除了自身技术储备相对落后之后,本身在氢燃料电池存在技术和成本上方面存在以下难点:


1)   氢燃料电池汽车目前的造价较高,主要源自燃料电池系统成本过高。这其中包括占比较高的质子交换膜、催化剂Pt等成本较高。以能量密度计算的生产成本1000美元/kw远高于内然发动机可比水平30美元/kw。


2)   氢的生产和储运的技术及安全问题等方面仍然是其商业化的主要难点。


3)   充氢费用高。一次充氢所需费用50美元的平均水平仍显不经济。


4)   国内加氢站的匮乏。目前尚未实现燃料电池汽车产业化的当下,国内仅成立北京、上海(安亭)、郑州和深圳四地的城市加氢站。


5)   寿命的衰减性,耐用性不长:

  • 电极结构的改变,外部物质包括CO或是水的堆积都可能引起PEM膜的衰减。

  • OH—自由基会引起膜的降解,或氢渗透,或是气体流道和电极的损害。

  • Nafion(全氟磺酸膜)在100度以上的高温下有可能被破坏,透析性能受到影响。

  • 催化剂Pt在高温下容易与质子交换膜发生粘连等问题,影响催化反应。

  • 电解质、电极在使用后如何进行恢复处理,如何进行循环利用的问题。

三、燃料电池汽车产业链及成本结构分析

从外部环境来看,燃料电池汽车产业需要配套的加氢站的供应,这包括前端氢气的生产、储存和运输产业。从汽车自身构造来看,燃料电池汽车整车结构包括燃料电池系统、电机、电控、动力电池系统、车载储氢系统几大部件。其中质子交换膜燃料电池技术主导的燃料电池系统构成了燃料电池汽车产业链的价值核心部分。



以上图丰田上市Mirai为例,燃料电池堆栈、燃料电池升压器、高压储氢罐、驱动电机、动力控制单元以及动力电池组件构成其关键部件。燃料电池动力系统是燃料电池汽车成本高昂的主要原因,一辆燃料电池汽车总成本约2/3比例来自于燃料电池系统。


据有关数据统计,现今汽车用燃料电池系统成本高达1000-2000美元/KW,是汽油、柴油发动机成本(50美元/kW)的10~20倍,尽管上市Mirai使用自己的电池系统,电池成本已达到大概200美元/KW,是2008款汽车的1/10,但距离目标水平还是有较大差距。未来五年随着全球燃料电池汽车出货量成几何级数增长,预计规模化效应将会推动成本数量级出现大幅下降。美国能源部按照年产50万台的批量规模生产折算,燃料电池系统的成本将下降到40美元/kW。业界预计到2020年下一代燃料电池系统发布时,成本有望下降到50美元/KW,届时市场化应用程度将有望与锂电池看齐。而最终目标是希望将成本下降到30美元/KW,这样才有机会通过市场化手段取代传统内燃汽车的业界地位。


下面我们对燃料电池系统进行逐一拆解:

3.1汽车用燃料电池系统

汽车用燃料电池动力系统构成拆解如下左图所示:燃料电池堆栈67%、燃料处理器24%、空气压缩机+加湿器3%、功率调节器3%。


如下右图所示,而成本最大的占比来自于电池堆栈:其中双极板24%、质子交换膜11%、催化剂+电极46%、气体扩散层5%、膜电极骨架及垫片6%、电堆平衡装置8%。其中双极板、质子交换膜、催化剂和电极板是决定燃料电池系统成本的最大占比部分。

3.2电机、电控和动力电池系统

燃料电池汽车9%成本来自于驱动电机、动力控制单元和辅助发动用动力电池系统(可采用铅酸、镍氢或锂动力电池),多用已有的成熟技术。


3.3高压储氢罐

车载储氢系统采用加固的特殊材料制成,密闭性要求强,储氢质量比为大概在1-10%。大体来看,一辆燃料电池汽车的燃效与汽油车等同,换言之,1.6L排量的轿车燃烧一升汽油可以支持10-15km里程,与燃烧1Nm3(代表标准大气压下1m3氢气)氢气可支持的续航里程数大概在14km(=700 km /50Nm3,加满一辆燃料电池汽车所需的氢气量在50Nm3,可支持续航里程700km)水平相当。


四、燃料电池企业

4.1国际企业

世界范围内较有名的燃料电池生产企业是主营质子交换膜技术的燃料电池组件及系统生产厂商巴拉德Ballard、普拉格能源等。

巴拉德动力:Ballard Power,1979年成立,世界公认的国际氢质子交换膜燃料电池(PEMFC)生产先锋,至2015年年底燃料电池累积出货量接近150MW。专注于商用市场(电信备用电源、物料搬运和工程服务)和开发阶段市场(公车、分布式发电和连续发电)。2015年以来,与Wan Hool汽车公司有关提供客车氢燃料电池模组,以及与向德国大众出售车用燃料电池专利及相关工程服务等车用燃料电池合同大单不断。

普拉格能源:Plug Power,全球较大的燃料电池集成系统商,用于物料搬运叉车的燃料电池系统的供应。上游供应商为巴拉德,燃气供应商包括BASF、AirLiquide,下游客户包括雀巢、可口可乐、沃尔玛、宝洁、奔驰、联邦快递等大型物流及零售商。主要产品为GenDrive,产品销售遍及世界,主要集中于北美。


4.2国内企业

就我国国内企业具体情况来看。燃料电池汽车产业处于萌芽初创期,参与企业数量较少,技术、成本和规模是进入的主要门槛,产业链相关企业大多处于不盈利状态,国家政府补助是产业可持续发展的必要支持。现有行业的重点企业主要是依托学校、科研院所长期研发积累,建立了较好竞争优势的“大连新源动力”系和“上海神力科技”系企业。

1)质子交换膜技术

大连新源动力:成立于2001年,国内第一家专业化燃料电池生产研发股份制企业。公司将建成可年产5500KW燃料电池堆用关键部件的批量生产线,成为我国第一个燃料电池材料及部件的产业化生产基地。公司依托中科院大连化物所自有知识产权的质子交换膜燃料电池技术,承担了国家科技部863燃料电池重大专项燃料电池轿车发动机系统研制、燃料电池技术国内标准的制定和中科院“质子交换膜燃料电池的开发”等国家重大项目,在车用燃料电池系统集成安装、调试、运行等方面拥有优势地位。

上海神力科技:成立于1998年,是国家科技部重点培育、上海市各级政府重点支持的民营新能源高科技企业。神力科技是以氢质子交换膜燃料电池技术、全钒液流储能电池技术研发和产业化为发展目标。该公司氢动力项目系国家863项目,产品已进入生产阶段,已拥有270项专利成果,主要科研产品包括燃料电池轿车发动机,燃料电池大巴发动机(均为国家863重大专项成果)等,是目前中国燃料电池技术研发和产业化的领先者,其低压燃料电池技术已具有世界先进水平。

中科同力化工材料:公司由中科院上海有机化学研究所、上海神力科技以及同济科技(600846)合资成立于2002年。质子膜事业部主要致力于质子交换膜燃料电池关键材料与部件的研发,包括质子交换树脂和质子交换膜、膜电极等。质子膜事业部接续承担了多项国家科技攻关任务,研制出具有我国自主知识产权的低成本质子交换树脂和质子交换膜。

同济科技上海安亭加氢站是由同济大学等公司参与共同研发并建设,为上海首座燃料电池汽车服务加氢站,其规模在全球数一数二。

2)制氢及储氢

富瑞特装:旗下合资子公司江苏氢阳能源,进行氢能源领域内的技术研发、技术转让、技术咨询及相关技术服务等业务。2016年5月公告称拟合资成立子公司张家港富瑞氢能装备有限公司,主要业务为提供氢能基础设施(液氢生产、储运设备;加氢站;高压供氢系统等)相关技术、装备和一站式解决方案,促进氢能基础设施的推广和燃料电池车辆的产业化。涉及氢燃料的储运等业务仍属概念阶段。


3)电极、催化剂

贵研铂业:生产质子交换膜燃料电池用催化剂铂Pt。目前尚未与燃料电池生产企业达成实质性合作,仍属概念阶段。

4)燃料电池系统

亿华通(834613):公司主营产品为燃料电池车有动力系统解决方案、新能源汽车智能交通信息管理平台和氢能基础设施,主要应用领域为燃料电池商用车、燃料电池有轨电车、燃料电池乘用车等,依托清华大学科研背景,目前客户已有宇通、福田、金龙、申沃、飞驰等国内主流整车厂。国内与神力、新源动力领先的燃料电池电堆厂商合作,国外与巴拉德、Hydrogenics等进行技术合作。

弗尔赛(834626):新三板上市,国内领先的燃料电池技术产品设计、开发和应用集成企业。


5)整车生厂商

上汽集团:持有新源动力股份有限公司34.2%的股份,计划于2016开始量产燃料电池车1500辆。集团确定了“以混合动力为主,以燃料电池为前瞻”方向,同时推动代用燃料和纯电动产品的研发”的技术路线。

福田汽车:2016年5月接获有车(北京)新能源汽车租赁有限公司购买100辆欧辉氢燃料电池电动客车的订单。该订单产品采用最先进的氢燃料电池技术,且为目前全球最大批量的氢燃料电池电动客车订单,也是第一个实现国家863计划重点项目闭环(实现批量商品化生产)的订单。

金龙汽车:收获燃料电池汽车订单。

南都电源:建设储能基地


五、未来投资机会总结

不论是从能源安全角度,还是从节能环保角度考虑,新能源汽车都将成为未来的长期发展趋势。氢燃料电池技术作为目前排放标准最高,环保性最强的新一代新能源动力汽车技术,在新能源汽车产业化发展之路中无疑具有里程碑意义。相比于现阶段锂动力电池技术,氢燃料电池汽车启航加速快,充氢时间短,续航里程大,能量密度及功率密度均具有最优异性能,我们认为在未来具有极高的应用价值和商业化前景。


从政策规划来看,各国政府纷纷提出了适合本国国情的燃料电池汽车的产业发展路线。美国能源局提出到2018年燃料电池的生产成本下降到30美元/KW,到时可以达到与内燃机动车相匹敌的水平。我国能源局和发改委2016年5月27日发布的《能源革命创新技术行动计划2016-2030年》以及《能源革命重点创新技术路线图2016-2030年》明确将燃料电池技术列为未来五年重点发展的新能源技术路线。同时,相比于锂电池技术路线而言,燃料电池技术未来五年仍然是受益于政府扶持的技术,未来五年的补贴额度并没有出现大幅下降的迹象。


无论如何,就目前来看,我国在燃料电池汽车产业化方面的起步较晚,相比日美等国外发达国家,技术水平仍有较大差距,如同2008年的锂离子动力电池汽车一样,氢燃料电池汽车离成本下降至经济水平,氢的生产、储运等技术达到成熟可靠,以及加氢站等外部硬件基础设施的配套等方面还有较远的距离,未来产业化之路仍需较长的时间等待。我们寄希望于燃料电池汽车产业化前期政策的强力扶持和推动,市场层面诸如上汽、福田、金龙这样的燃料电池汽车小批量试产订单及后续的研发、上市进展等能够如雨后春笋般不断萌发涌现,使得未来五到十年燃料电池汽车技术得以快速发展、生产成本大幅下降。这样从商业化角度,创投资本方可见到切实的投资机会。