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              氫能源的重要應用——燃料電池
              2021年01月29日

                  燃料電池汽車是氫能源利用極具成長性的下游行業。雖然氫燃料電池汽車( FCEVs )在我國目前處于起步階段,但燃料電池汽車性能的優秀不可否認,目前國外大規模銷售的 FCEVs 各方面性能與內燃機汽車不相上下,有些遠優于電動汽車(BEVs)。

               

              一、我國氫能源發展利用前景廣闊

              1、氫能源:下一代基礎性能源材料

                  國際能源轉型一直沿著從高碳到低碳、從低密度到高密度的路徑進行,而氫氣是目前公認的最為理想的能量載體和清潔能源提供者。氫氣無毒無害,反應物為水,綠色清潔,熱值高, 相當于汽油的三倍,被譽為“21世紀的終極能源”。

                  短期:降低汽車尾氣排放,城市環境保護。以北京市為例,機動車排放了全市 58%的氮 氧化物、40%的揮發性有機物和 22%的細顆粒物。氫能源自柴油發動機應用的車輛市場具有推廣價值,而柴油發動機車輛在港口/碼頭、城市公交、跨城貨運等領域帶來顯著的污染。

                  中長期:降低石化能源對外依賴。中國石油集團經濟技術研究院發布《2018 年國內外氣行業發展報告》中提到,2018 年中國的石油進口量為 4.4 億噸,石油對外依存度升至 69.8%;天然氣進口量 1254 億立方米,對外依存度升至 45.3%。


              2、我國具有全球最大規模的氫資源

                  工業氫氣提純具備充足的氫資源,我國氫氣產能規模全球最大。從氫氣生產來源來看, 化石資源制氫居主導地位,全球主要人工制氫原料的 96%以上都來源于傳統化石資源的熱化學 重整,僅有 4%左右來源于電解水。從地域分布上看,亞太地區的氫氣產能最大,而我國是目 前氫氣產能最大的國家,也是氫氣生產分布最廣的國家。目前國際制氫年產量 6300 萬噸左右, 我國每年產氫約 2200 萬噸,占世界氫產量的三分之一,是世界第一產氫大國。

                  我國的煤炭和天然氣資源儲備豐富,以上兩者也是我國人工制氫的主要原料,占比分別 為 62% 19%。隨著煤制合成氣、煤制油產業的發展,煤制氫產量逐年增多,其規模較大、成 本較低,制氫成本約 20 /kg,煤氣化制氫具有較大發展潛力。電解水制氫在我國氫氣占比中 僅占約 4%,但在日本氫工業中占有特殊的地位,其鹽水電解制氫的產能占日本所有人工制氫 總產能的 63%。


                  我國氫能資源在全球范圍具有一定性價比優勢。目前我國加氫氣成本大約在 70 /kg, 較美國和日本在成本上仍較高,然而我國的汽油成本顯著高于美國,從氫油比(氫氣成本/汽 油成本)角度考慮有一定性價比優勢。

                  我國氫能源的使用仍有極大待開發潛力。當前我國大部分氫氣應用于工業領域,主要被 合稱氨、合成甲醇、石油煉化、回爐助燃燈消耗,屬于自產自消的模式。每年僅有不到 500 噸的氫氣對外部市場供應和銷售,氫資源利用潛力巨大。


                  各類氫氣來源存在一定的技術和成本差別,電解制氫與煤炭、天然氣制氫成本仍有較大 差距。氫氣的制備主要可分為制取氫氣和提純氫氣兩大類,煤炭制氫成本最低,為 0.81.1 /立方米,天然氣制氫成本為 0.91.5 /立方米,我國的電解制氫發展仍處早期,成本在 3 /立方米左右,未來還有較大下降空間。


                  地方政府和能源企業對于工業氫氣的利用有切實的發展意愿。我國每年棄光、棄風、棄水等大約有 1000 億度電,工業副產氫也有 1000 萬噸以上,對于這兩個“1000”的利用,全國多地政府和能源企業都已積極開展相應布局。

                  我國氫能利用已具備一定技術基礎,從航天、軍用逐漸向民用推廣,在華北、華東和華南等地區形成了氫能源區域產業集群。

                  航天領域:航天科技集團六院北京 11 所研制的 YF-75 氫氧發動機。迄今為止,YF-75 發 動機已參加 97 次飛行任務。2004 年探月工程正式開展后,YF-75 發動機是嫦娥系列任務 中主力裝備。2019 年嫦娥四號探測器首次在月球背面預選區域著陸,也由來自裝備 YF-75 氫氧發動機的長三甲系列火箭完成。

                  軍用領域:中國船舶重工集團開發的燃料電池潛艇,從斯特林發動機替換為氫燃料電池,基于質子交換膜燃料電池和金屬儲氫技術。

              先進技術的民用化推廣。航天科技集團六院長期致力于氫能在火箭發動機領域的研究和 應用,在燃料電池技術領域,擁有質子交換膜燃料電池系統動力應用、可再生能源儲能 應用及泵閥關鍵部件技術,具備了百千瓦級氫氧/氫空及再生燃料電池系統研制能力。中 船重工七一二所研發的首臺 58 千瓦燃料電池發動機, 2019 5 月順利通過中汽中心天汽車檢測中心的強制性檢驗,這款型號為 CSIC712-FCE58A 的發動機,采用氫空質子交 換膜燃料電池電堆,是七一二所面向城市客車開發的燃料電池發動機。



              二、燃料電池是氫能源的重要應用

              1、氫能源的重要應用-燃料電池

                  氫能源為電力能源的重要載體。電能替代是社會能源消費的長期趨勢 ,氫能源最終通過電力能源實現。合理利用氫能,一方面能提高能源利用效率,減少能源浪費,另一方面可以控制環境污染,降低大氣污染和溫室氣體排放。從中長期來看,加大氫能的發展利用將進一步保障我國能源安全。氫能源的單位熱值遠高于汽油、柴油、焦炭等,將滿足電力能源的供給需求錯配。

                  氫能源的熱值較高,通過大型移動的運輸設備,未來將會使能源消耗錯配做到極致。氫能既可作為化學能源形式的長周期儲備,又可于交通領域應用在長途運輸、大卡車、海洋運輸等環節,還 可以應用在高溫加熱的工藝產業上。清華大學教授毛宗強在氫能行業會議上表示,氫能的應用是多方面的,也是未來有望代替石油和天然氣的清潔能源。

                  燃料電池汽車是氫能源利用極具成長性的下游行業。雖然氫燃料電池汽車(FCEVs)在我國目前處于起步階段,但燃料電池汽車性能的優秀不可否認,目前國外大規模銷售的 FCEVs 各方面性能與內燃機汽車不相上下,有些遠優于電動汽車(BEVs)。燃料電池具有環境友好、 發電效率高、噪音低、可用燃料范圍廣等優點,當前我國燃料電池產業的主要發展瓶頸在于生產成本高(鉑催化劑價格高昂)、技術水平較國際落后以及氫產業鏈配套設施不夠成熟,遠期的發展空間巨大。

                  燃料電池汽車具有能源補給的時間優勢和經濟性劣勢,運營市場將會是起步階段重點發展領域。燃料電池汽車的續航里程普遍在 500 公里以上,和目前中高端純電動汽車續航相當, 而從能源補給時間角度,燃料電池汽車加氫僅需不到 3 分鐘,遠低于插電混動或純電動汽車。由于目前燃料電池汽車產業發展仍處于初期階段,加氫站等基礎設施投入以及整車制造成本都 較高,短期來看燃料電池汽車比較適合的應用場景預計會是運營市場。

                  質子交換膜燃料電池對我國氫能產業發展更具有現實意義。氫燃料電池按不同電解質可分為堿性燃料電池、磷酸燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固體氧化物燃料電池和質子交換膜燃料電池(PEMFC)。其中,質子交換膜燃料電池的工作溫度最低,還具有響應速度快和體積小 等特點,目前最契合新能源汽車的使用,被認為是未來燃料電池汽車最重要的發展方向之一。

                  鋰電池在乘用車領域更具優勢。鋰電池產品較燃料電池有更簡單的產品結構,更清晰的 發展路徑和更成熟的產業化分工,當前產品系列性能也區域豐富。鋰電池性能的不斷提升,正逐漸蠶食眾多原本燃料電池具有領先優勢的應用領域。在 2019 年燃料電池行業會議中,上海捷氫科技有限公司系統開發部總監表示,他們對比了純電動車型和氫燃料電池汽車型在未來的競爭優勢,從成本上來說,乘用車續航里程 400 公里以下,燃料電池相對純電動是沒有優勢的。


                  燃料電池的產業化應用,尚處于中長期能源戰略布局的地位。

                  商用車領域燃料電池驅動定位為輔助能源:濰柴動力董事長譚旭光表示:發展新能源車并不是要完全取代柴油車,而是應用在適合采用新能源車輛的工況中。比如城市公交、港口牽引車等,推廣新能源車輛,使其與柴油車搭配工作,能夠兼顧經濟效益與社會環保。他甚至預言,未來 20-30 年,氫將成為能源結構的重要組成部分, 但市占率不會超過 10%。

              當前船舶動力 95%是柴油體系,尚未實現天然氣化,燃料電池中長期或存增長空間。受成本、安全、壽命等多種因素影響,燃料電池在民用船舶領域目前尚不具備大規 模商業化應用的條件,但是隨著國際公約法規對船舶排放要求的日益嚴格,燃料電 池系統卓越的排放性能有可能將其推向船舶動力市場的新風口,尤其是豪華游輪在船舶行業逐漸崛起的今天,燃料電池系統噪音低的優勢完美滿足了豪華游輪對舒適度的要求。


              2、氫能源利用涉及到的關鍵技術

                  氫能源制取-混合氣體的變壓吸附技術(PSA)。

                  基本原理:變壓吸附的基本原理是:利用吸附劑對氣體的吸附有選擇性,即不同的 氣體(吸附質)在吸附劑上的吸附量有差異和一種特定的氣體在吸附劑上的吸附量 隨壓力變化而變化的特性,實現氣體混合物的分離和吸附劑的再生。

                  當前應用:變壓吸附技術在石油化工、醫藥、食品飲料等行業具有廣泛應用,四川 天一科技、上?;ぱ芯克捅贝笙蠕h公司是國內領先的變壓吸附系統設計建設機 構。在石化領域,PSA 法得到的氫氣純度可達到 99.9%以上水平(燃料電池需求純度 為 99.99%)。上市公司:天科股份(西化院下屬)。


                  氫能源運輸-從拖車輸送到管道輸送。目前鋼企副產氫氣是加氫站氫氣的主要來源,其被使用高壓氫氣瓶集束拖車運輸。舉例來說,若 1 輛拖車裝有 18 個高壓氫氣瓶,每次可以以 20MPa 的壓力運送 4000Nm3的氫氣。平時站區里停泊 2 輛拖車,另有 1輛拖車往返加氫站和氫源之間,運送氫氣,并替換站內空車?;?span> 200km 左右運輸距離和每天 10 噸的運輸規模來測算,氣氫拖車的成本可以達到 2.02 /kg。

                  氫能源運輸-從高壓氣罐到管道輸送。

              高壓氣罐:依托 LNG 產業基礎,一般長管儲氫壓為 1520MPa,一般單管儲氫量為 1720k,將 CNG 儲氣管進行產品升級可實現。

              液氫儲罐:依托航天工業技術基礎,單次送氫量為氣罐 10 倍以上。額外增加氫氣液 化和液氫罐成本,目前測算單日加氫量達到 1000kg 以上具有比較經濟性。

              管道運輸:依托天然氣產業基礎,瓶頸在成本。在美國,現有的氫氣管道系統約為 2400 公里,而在歐洲已有近 1600 公里,中國的管道運氫量在 400 公里。中石油管道 局 2014年完成國內最大氫氣管道建設施工:投資1.54億,長度25km,設計壓力 4Mpa, 年輸氫量 10.04 萬噸。單位投資為天然氣管道 2 倍左右。

              氫能源儲存加注:加氫站內的儲氫罐通常采用低壓(2030MPa)、中壓(3040MPa)、高 壓(4075MPa)三級壓力進行儲存。有時氫氣長管拖車也作為一級儲氣(1020MPa)設施,構成 4 級儲氣的方式。國外市場大多采用的 70MPa 氫氣,國內大部分采用了 35MPa 氫氣壓力標準。目前中國的加氫站加氫能力最高的為 1000-2000kg/d,最低的為 100kg/d。

              站內制氫:原材料為天然氣,重整制氫氣。單個站投資規模會在 300~500 萬美元的 水平。

              外供加氫:中國主要的加氫站方式。單個站投資規模在<200萬美元的水平。

              根據中國電池聯盟網報道,加氫量在 500kg/天時,高壓儲氫加氫站比液氫儲氫加氫站設備投資方面更有優勢;加氫量規模超 1000kg/天時,液氫儲氫加氫站比高壓儲氫加氫站設備投資要低 20%左右。


              氫能源儲存加注-高壓儲氫罐:國內高壓儲氫最大壓力為 75MPa,海外部分加氫站可達到 100MPa 以上。全球高壓儲氫罐主要生產企業有美國 AP 公司、CPI 公司,國內 75Mpa 加氫站依 賴進口。國內企業包括巨化裝備(45MPa 98MPa 產品已經應用)、安瑞科(中集集團下屬,45MPa 已開始應用,85MPa 產品剛剛通過技術認證)等。

              氫脆:長期在高壓和常溫氫氣環境中工作,儲氫容器材料可能會產生高壓氫環境氫 脆,導致塑性損減、疲勞裂紋擴展速率加快和耐久性下降。

              金屬低周期疲勞:由于儲氫管壓力波動較大(設計壓力的 20%~80%),容易使得儲氫罐使用壽命縮短。

              儲氫特殊材料:目前加氫站儲氫罐用的主要材料有為 Cr-Mo 鋼、6061 鋁合金、316L 等。對于 Cr-Mo 鋼,我國常用材料為 ASTM A519 4130X(相當于我國材料 30CrMo)、 日本為 SCM435 SNCM439、美國為 SA372Gr.J。

              氫能源儲存加注-隔膜壓縮機:隔膜壓縮機是氣體壓縮領域最高級別壓縮方式,海外生產隔膜壓縮機企業包括美國 PDC,PPI 等。PPI 隔膜式壓縮機是兩個系統的結合——液壓油系統和氣體壓縮系統,通過金屬膜片將兩個體系的完全隔離開。北京天高自主生產隔膜壓縮機已應用于國內近 10 個加氫站項目,最近產品已達到 100MPa 水平。國內與海外設備性能差別主要包括隔膜(金屬膜)使用壽命,以及設備故障率等,但國產設備具有良好的性價比和售后服務能力,國產化替代可將壓縮機設備成本降低超過 50%。

              氫能源儲存加注-加注設備:氫氣加注機加注原理與天然氣加注類似,只是加注壓力有所 區別:天然氣加注壓力 25MPa,國內加注壓力 35MPa,海外 70MPa。所以對密封性、安全性等有更高要求。為了降低壓縮機功耗,加氫站一般通過分級加氫方式,從低壓罐加氫到高壓罐加氫,最后到壓縮機加氫,所以加氫機可看作是對各級加氫設備的加氫功率分配。加氫機上裝有壓力傳感器、溫度傳感器、計量裝置、取氣優先控制裝置、安全裝置等。全球氫氣加注機生產企業有德國林德(Linde)、美國 AP 等。國內企業中,富瑞氫能可實現 45MPa 環境下的的加氫功 能,設備已應用于數個加氫站;上海舜華新能源 75MPa 加氫機應用于大連加氫站;其他還有厚普股份等公司。氫能的使用-催化劑。燃料電池催化劑價格較高是影響電堆成本的一個重要因素,但鉑的 單位用量將持續降低。目前電堆成本 120 美金/kw,美國能源局預測,當達到 50 萬臺規模時將降至 19 美金/kw 的水平。從鉑的需求來看,短期資源不稀缺,鉑合金在尾氣處理裝置中扮演氣體反應催化劑角色,每年汽車用量鉑量約 110 噸。燃料電池汽車用鉑量將逐步降至 0.2g/kW,10 年下降 75%-80%,單車用量未來將降至 20g 左右,和燃油車相當。

              氫能的使用-車載儲氫。由于“氫氣很輕”,其質量能量密度很大,但反過來說,如果從單 位體積燃氣釋放的能量來看,氫氣的熱值是常見燃料里最低的,僅為 12.74MJ/Nm^3,是甲烷 的 1/3,汽油的 1/10。這就意味著,如果要釋放同樣的能量,汽車需要消耗巨量體積的氫氣,因而氫燃料電池車上都有高壓儲氫罐來壓縮儲存氫氣。車載高壓儲氫罐一般可以儲存 6kg 左右高壓氫氣,總體積在 150L-200L 上下,有些大的儲氫罐甚至會擠壓車內空間。目前對于 70Mpa 的車載儲氫罐,只有豐田和挪威 Hexagon 具備商業化生產能力。


              三、國內外政策不斷釋放,燃料電池汽車處于爆發前夕

              1、主要發達國家和我國都對燃料電池汽車提出了積極的發展規劃

                  世界主要發達國家積極推進氫能和燃料電池產業發展。日本、美國、韓國、歐洲等國家氫燃料電池汽車的研發與商業化應用發展迅速,各國均制定了燃料電池行業中長期發展規劃并投入巨額補貼,日本由于其自身的資源匱乏,甚至將發展氫能和燃料電池技術提升到了國家戰略層面。


                  國內政策對燃料電池汽車持續加強戰略支持。我國自 2002 年起即確立了以混合動力汽車、純電動汽車、燃料電池汽車為“三縱”,以多能源動力總成控制系統、驅動電機和動力電池為 “三橫”的電動汽車“三縱三橫”研發布局。從 2012 年的節能與新能源汽車產業發展規劃起, 持續加強對于燃料電池汽車的戰略支持與產業引導。各項科技發展規劃或綱要明確提出加強燃料電池電堆、發動機及其關鍵材料核心技術研究,提出重點圍繞燃料電池動力系統等 6 大創 新鏈進行任務部署,支持燃料電池全產業鏈技術攻關。在財政補貼方面,2016-2020 年持續實施燃料電池汽車推廣應用補助政策,根據 2020 年發布的后續通知,將對燃料電池汽車的購置 補貼調整為選擇有基礎、有積極性、有特色的城市或區域,重點圍繞關鍵零部件的技術攻關和產業化應用開展示范,中央財政將采取“以獎代補”方式對示范城市給予獎勵。

                  多個氫能示范城市在相關發展規劃中明確了未來燃料電池汽車推廣的階段性目標。自上 海市發布第一個氫燃料電池汽車發展規劃以來,各地政府密集出臺氫能與燃料電池產業規劃。包括張家口、成都、蘇州等地均積極發展氫燃料產業并推廣燃料電池汽車運營。根據部分省市的燃料電池規劃,2025 年燃料電池汽車有望達到 10 萬輛以上。

                  2020 9 月,財政部等五部委發布關于開展燃料電池汽車示范應用的通知,有望推動國內燃料電池汽車產業快速發展。燃料電池汽車支持政策,將對符合條件的城市群開展燃料電 池汽車關鍵核心技術產業化攻關和示范應用給予獎勵。今年新政策對適合燃料電池汽車示范的 應用場景提高要求,已推廣燃料電池汽車從此前的 50 輛提高到 100 輛,已建成并投入運營加氫站數從此前 1 座提高到至少 2 座,且單站日加氫能力不低于 500 公斤。

                  我國規劃到 2030 年燃料電池汽車保有量達到 100 萬輛。根據中國《節能與新能源汽車產業技術路線圖》,到 2025年氫燃料電池汽車保有量推廣規模將達到 5萬輛,其中商用車 1萬輛、 乘用車 4 萬輛,加氫站超過 300 座。2030 年,將實現大規模商業化推廣累計 100 萬輛,燃料電池系統產能超過 10 萬套/企業,整機性能達到與傳統內燃機相當。


              2、燃料電池產業發展依賴于產品成熟和成本降低

                  燃料電池使用壽命難以滿足運營車輛全生命周期使用,膜電極翻新延長電堆使用壽命。燃料電池通常具有 5-10 年的使用壽命,巴拉德領先的膜電極和雙極板技術,為老化的燃料電 堆更換新的膜電極(在整個電堆成本中占比 27.5%左右),并循環使用原雙極板和硬件。翻新后的燃料電堆將具備最新的膜電極和一套新的密封組件,并送還原始用戶。翻新后的燃料電符合與新電堆相同的規格要求,但建造成本卻低很多。

                  燃料電池成本是限制燃料電池汽車行業發展速度的主要因素,當前燃料電池汽車產業鏈各個環節成本構成如下:

              氫氣制備:1)當前氫氣制備成本在 20-30 /kg 水平。2)氫氣運輸成本平均在 2 +/kg200 公里以內)。

              氫氣加注:1)當前 1 個加氫站建設成本為 1000-1500 /個(500kg/d 水平)。2)國內氫氣銷售價格為 70 元左右/kg。

              燃料電池:當前燃料電池售價為 800~1000 /kw。

              燃料電池汽車整車:1)當前在售燃料電池乘用車為 45-50 萬元/輛。2)當前在售燃 料電池商用車為上百萬/輛。

                  氫能源成本降低將帶動燃料電池汽車使用成本下降。目前的幾種主流制氫路線中,采用棄風棄光的電力回收電解制氫成本最低,其次為發電側直接用于電解制氫,用電側采用谷電價制氫成本仍較高。我們預計隨著化工制備的規?;?、以及電力成本持續降低,將驅動氫能源制取的成本不斷降低。

                  氫燃料電池汽車能源使用成本略高于傳統燃油車,隨著制氫成本下降有極大下降空間。以目前氫燃料約 70 /kg 的售價、百公里消耗 0.8kg 計算,氫燃料電池的能源使用成本為 56 /100km,按 6.7 /L 的汽油價格、8L/百公里測算,燃油車能源使用成本為 53.6 /100km, 氫燃料電池能源使用成本略高于燃油車,有較大下降空間。預計幾年后氫燃料電池的使用成本就將低于燃油車,全生命周期成本的比較主要將取決于購置成本。

              規模效應將帶來燃料氫能源利用綜合成本降低。目前電堆成本 120 美金/kw,美國能源局預測,當達到 1 萬臺規模時,電堆成本將降至 50 美金/kw 以下。當達到 50 萬臺規模時,燃料電池電堆及發動機成本可分別下降至 19 美元/千瓦及 45 美元/千瓦。


              3、燃料電池汽車處于爆發前夜,有望復制純電動汽車發展路徑

                  全球燃料電池的應用場景正由以清潔電站、輔助電源向車用電源轉變。燃料電池根據其 應用場景不同可大體分為交通運輸用、固定式、便攜式燃料電池,近年來需求量均呈現爆發式增長。2019 年全球燃料電池出貨量達 1129.6MW,2015 -2019 年復合增長率達到 39.52%。其中,交通運輸領域需求上升尤為顯著,年復合增長率達 68.13%,2019 年占比 80%以上。

                  2015-2019 年我國燃料電池汽車產量在政策扶持下迎來快速增長。2015年,我國燃料電池汽車上牌數僅 10 輛,在燃料電池汽車補貼政策的帶動下,過去四年行業產銷量迎來高速增長,2019 年我國燃料電池汽車上牌數達到 2737 輛,同比增長 79%。我國燃料電池汽車產業已經由過去政府主導的技術探索、示范運營階段,逐步過渡到商業化初期階段,預計今年及“十四五”期間燃料電池汽車仍將延續快速增長態勢。

                  我國純電動汽車 2009 年開始導入,2013-2015 年迎來爆發增長,燃料電池汽車有望復制純電動汽車發展。2009 年,“十城千輛”計劃發布,標志著我國純電動新能源汽車產業化的開端。在經歷了初始導入階段后,2013 -2015 年純電動汽車進入爆發階段。2013 年純電動汽車銷量僅 1.46 萬輛,2014、2015 年分別實現了 200% 400%以上的增長,2015 年銷量達到 24.75 萬輛。目前燃料電池汽車也處于爆發前的導入階段,未來五年有望迎來爆發臨界點。

                  商用車是短期燃料電池汽車發展重點。由于目前我國加氫站建設數量仍較少、燃料電池汽車的購置成本較高,商用車尤其城市公交將會是短期最重要的燃料電池汽車應用場景。一方 面,城市公交車、重卡等運營車輛的行駛路徑較為固定,對加氫站數量的依賴較低;另一方面, 我國商用車有較大的保有量基數,在燃料電池汽車發展初期,通過政府補貼、獎勵示范等應用 等方式先實現燃料電池汽車的規?;a,有望復制此前純電動汽車領域“以公帶私”的模式, 推動氫燃料電池產業鏈的成本下降。目前我國商用車頭部企業如宇通、福田、中國重汽等車企均已在燃料電池領域積極布局。

                  燃料電池乘用車領域目前以日韓車企為主。在乘用車領域,全球燃料電池汽車銷量主要由豐田、本田和現代 3 家日韓企業貢獻。目前燃料電池乘用車售價遠高于傳統車或純電動汽車,豐田的全新第二代 Mirai 已在德國正式開售,售價 6.39 萬歐元(約合人民幣 50.5 萬元)。國內目前生產的燃料汽車幾乎全部是客車以及專用車的重型車,乘用車還沒有規?;牧慨a。短期我國燃料電池乘用車的產銷量增長速度,一是受限于車輛購置成本,二是乘用車適用的加氫站數量。


              四、氫能源及燃料電池產業鏈

              1、氫能產業鏈:加氫站網絡是燃料電池汽車發展重要條件

                  我國加氫站稀少是阻礙燃料電池汽車量產的原因之一,在政策扶持下,加氫站將加快建設腳步。截止 2020 2 月,我國累計建成加氫站 66 座,其中主要集中在山東(6 座)、江蘇 (6 座)、上海(10 座)、廣東(17 座)。根據國家規劃,2020 年我國將建成 100 座加氫站,到 2030 年實現建成 1000 座加氫站的目標。我國加氫站建設成本較高,燃料汽車市場保有量較少, 疊加較高的氫氣成本后,加氫站在沒有進一步政策扶持的情況下基本均處于虧損狀態。加氫站的數量主要與各地補貼政策力度直接相關,政府補貼是刺激各地建設加氫站的一個主要動力。

                  加氫站核心裝備需要進口導致建設成本高。加氫站分為外供氫加氫站和站內制氫加氫站 兩種,我國目前主要以外供氫高壓加氫站為主。過去幾年加氫站建設成本總體呈下降趨勢,然而其中壓縮機、儲氫罐、加注設備三大核心裝備卻仍需依賴進口,直接導致建設加氫站成本高企。未來加氫站的建設成本將通過擴大規?;可a逐步降低。


              2、燃料電池的核心部件:電堆

                  國內電堆企業核心技術較國外仍有一定差距。電堆被稱之為燃料電池發動機系統的心臟, 是燃料電池發動機的動力來源,是整個燃料電池產業鏈中成本和技術的核心,主要由多層膜電 極和雙極板堆疊而成。燃料電堆的研發和生產具備較高的技術壁壘,以豐田汽車為代表的國際 知名車企大多自行開發或與合作伙伴共同開發電堆,一般不對外開放;以 Ballard、 Hydrogenics 為代表的國際知名電堆生產企業在燃料電池領域深耕多年,具有較強的技術積累和產業化能力,可以對外單獨供應車用電堆。國內電堆生產技術整體而言距離國外還有一定差距,但有多個企業在積極研發屬于自己的電堆技術專利,提高國產電堆性能并減少成本,代表 企業有大連新源動力、神力科技、東方氫能、氫璞創能、武漢眾宇、明天氫能等,還有部分企業主要依靠引進國外先進技術生產電堆,例如 2016 年與加拿大 Ballard 簽訂戰略合作協議的國鴻氫能。

                  國內電堆企業裝機正快速提升。衡量電堆性能的指標有耐久性、比功率和啟動溫度,我國電堆及電堆內部零件企業在這幾項指標方面努力向國際優秀乘用車企業看齊。在政策的扶持下,目前國內電堆市場裝機量已經由此前的先進國外技術為主轉變到以自主技術為主。隨著國內研發團隊專利數量快速增加,未來國產電堆實力不容小覷。

                  國外整車企業如本田、豐田以及現代都擁有自己的電堆研發技術和生產線,電堆在額定功率、功率密度,啟動溫度等方面都處于乘用車頂尖水平,但生產出的電堆僅供品牌內部裝車供應,這也是其品牌旗下的燃料電池車型占據市場主導地位的重要原因。在第三方乘用車電堆制造商中,我國很多企業如上海神力(億華通子公司)和新源動力,通過與大學/科技研究院等合作,自主研發出的電堆及電堆組件產品水平已經達到國際一線水準。但在金屬雙極板電堆技術方面,因為沒有下游乘用車規?;瘧?,我國技術情況仍落后于國外先進水平。


              3、催化劑是減少電堆成本的關鍵

                  燃料電池的催化劑,對于催化的活性、穩定性和耐久性的指標有較高要求,而為滿足要求 大量使用的貴金屬鉑(Pt)就是催化劑成本居高不下的原因,燃料電池商用車的單車用鉑量達 到 40g 以上。在保證催化質量的前提下減少鉑的用量是減少電堆成本的關鍵。目前我國研究的主要方向是鉑炭催化劑,近年來也開始研發鉑鈷催化劑。

                  除了自身成本高以外,鉑催化劑還面臨壽命考驗,在使用過程中,催化劑并不是理想狀態 下完全不損耗的狀態,長期在陽極反應產生的 CO 下,催化劑會與其產生反應而導致“中毒”失效,這也是未來技術上需要克服的難點。


              4、雙極板對電池性能影響較大

                  雙極板是燃料電池電堆的核心結構件,為正反均帶有氣體流道的石墨或金屬薄板,被置于 膜電極兩側,起到支撐機械結構、均勻分配氣體進行陰陽極反應、導熱、導電的作用,其性能 優劣將直接影響電堆的體積、輸出功率和壽命。雙極板按材料可分為石墨雙極板和金屬雙極板, 石墨雙極板電堆具有耐腐蝕性強等特點,主要應用于商用車領域,代表性企業為 Ballard、 Hydrogenics ;金屬雙極板電堆以其體積小、易于批量生產等特點,主要應用于乘用車領域, 代表性企業為豐田汽車等。目前石墨雙極板已實現國產化,金屬雙極板尚未實現國產批量供應。


                  金屬雙極板板性能優秀,為燃料電池行業發展趨勢。傳統的石墨雙極板因體積大等問題只能應用于客車等大型車,隨著乘用燃料電池車的發展,體積小、成本低且強度高的金屬雙極 板成為了我國燃料電池技術發展的新趨勢。高工鋰電數據,2019 年氫燃料電池電堆裝機中,雙極板材料采用石墨板(含復合板)占比 91%,金屬板占比 9%。因為我國燃料電池汽車走的是 “先商后乘”的發展路線,未來雙極板也將實現由石墨板主流市場到金屬板主流市場的演變。這意味這率先掌握金屬板國產批量化生產的企業將在燃料電池乘用車市場搶占先機。



              來源:新能源汽車信息網,化工新材料

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