1、氫燃料電池技術(shù)概述
氫燃料電池是一種非燃燒過程的能量轉(zhuǎn)換裝置,通過電化學(xué)反應(yīng)將陽極的氫氣和陰極的氧氣(空氣)的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。燃料電池結(jié)構(gòu)單元主要由膜電極組件和雙極板構(gòu)成,其中膜電極組件是由質(zhì)子交換膜、催化劑與氣體擴散層組合而成的,為反應(yīng)發(fā)生場所;雙極板是帶流道的金屬或石墨薄板,其主要作用是通過流場給膜電極組件輸送反應(yīng)氣體,同時收集和傳導(dǎo)電流并排出反應(yīng)產(chǎn)生的水和熱。
氫燃料電池工作原理示意
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燃料電池工作時發(fā)生下列過程:1)反應(yīng)氣體在氣體擴散層內(nèi)擴散;2)反應(yīng)氣體在催化層內(nèi)被催化劑吸附后被離解;3)陽極反應(yīng)生成的氫離子穿過質(zhì)子交換膜到達陰極與氧氣反應(yīng)生成水,而電子通過外電路到達陰極產(chǎn)生電。質(zhì)量能量密度高、能量補充速度快、清潔低碳是燃料電池的主要優(yōu)勢。燃料電池電堆是氫氣和氧氣發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)及產(chǎn)生電能的場所,是燃料電池基本原理得以實現(xiàn)的核心物質(zhì)載體。鑒于單個燃料電池單元輸出功率較小,實踐中通常通過將多個燃料電池單元以串聯(lián)方式層疊組合構(gòu)成電堆來提高整體輸出功率。因此,電堆是由雙極板與膜電極交替疊合,各單體之間嵌入密封件,經(jīng)前、后端板壓緊后用螺桿拴牢,構(gòu)成的復(fù)合組件。
氫燃料電池電堆示意圖
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除電堆以外,燃料電池發(fā)動機還需要一系列輔助系統(tǒng)才能實現(xiàn)其功能。其中控制系統(tǒng)通過高精度調(diào)節(jié)反應(yīng)氣體的壓力及流量等使得電堆中的反應(yīng)始終維持在輸出功率、溫度、濕度均合適的水平,保證發(fā)動機穩(wěn)定可靠工作;氫氣和空氣供給系統(tǒng)是為電堆提供合適壓力、溫度、濕度、流量的氫氣與空氣;水熱管理系統(tǒng)用于保持燃料電池內(nèi)部水平衡和熱平衡。此外,燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)配備由車載高壓儲氫瓶和配套閥件組成的車載氫系統(tǒng)用于儲存燃料,以及用于實現(xiàn)燃料電池與整車高壓之間解耦的DC/DC變換器。
所以,最終發(fā)揮發(fā)動機作用的燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)主要由燃料電池發(fā)動機、電壓變換器(DC/DC)、車載氫系統(tǒng)等構(gòu)成,其中燃料電池發(fā)動機主要部件包括電堆、發(fā)動機控制器、氫氣供給系統(tǒng)、空氣供給系統(tǒng)等。相較于傳統(tǒng)燃油車或純電動汽車動力系統(tǒng),燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。
燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意
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目前的燃料電池從壽命、性能、資源和成本等方面已經(jīng)達到產(chǎn)業(yè)化條件,滿足下游交通和備電等領(lǐng)域應(yīng)用:(1)燃料電池車輛壽命和運營里程達到傳統(tǒng)汽柴油車水準,在英國和美國均有燃料電池公交車(FCEB)運營壽命超過2.9萬小時,無需大修或更換燃料電池組;(2)低溫啟動溫度可以達到-30℃;(3)鉑金催化劑用量較小,未來不會引起鉑金資源短缺,目前國際先進催化劑耗鉑水平可達到0.125g/kW,未來單車鉑金用量可以低于5g,與傳統(tǒng)柴油車尾氣催化劑鉑用量相當,并且催化劑在往低鉑和無鉑方向發(fā)展;(4)成本快速下降,日韓燃料電池汽車預(yù)計2025年能達到傳統(tǒng)內(nèi)燃機車成本水平;(5)氫耗與油耗成本持平,并且隨著規(guī)模擴大,氫氣成本存在較大下行空間。
氫燃料電池具有零排放、零污染的特性,被認為是未來清潔環(huán)保的理想技術(shù),是終極新能源動力解決方案。燃料電池本質(zhì)上是發(fā)電機,下游應(yīng)用場景廣泛,可以應(yīng)用于交通領(lǐng)域和發(fā)電領(lǐng)域等。我們認為燃料電池發(fā)展將掀起一輪能源革命,氫將取代一部分石油,成為能源體系中的重要一環(huán),未來氫燃料電池市場規(guī)??蛇_萬億級別。
燃料電池下游應(yīng)用場景廣泛
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2、氫能產(chǎn)業(yè)概述
車用氫能產(chǎn)業(yè)鏈
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產(chǎn)業(yè)鏈上游主要包括各類途徑的氫能制取。制氫技術(shù)包括燃料制氫、工業(yè)(氯堿)副產(chǎn)氫利用、電解水制氫等。燃料制氫多指從化石能源出發(fā)制取氫氣的技術(shù),其中煤制氫、天然氣轉(zhuǎn)化制氫是技術(shù)成熟度較高的燃料制氫手段,對我國而言煤制氫更具成本優(yōu)勢與可實現(xiàn)性,同時依托熱化學(xué)循環(huán)的一次能源利用效率也較高。但煤制氫本身并未擺脫化石能源依賴,氫中混雜的少量一氧化碳等氣體多導(dǎo)致催化劑中毒,對后續(xù)燃料電池的壽命有不利影響。
工業(yè)(氯堿)副產(chǎn)氫利用和電解水制氫均采用電解方式制氫,區(qū)別在于前者電解氯化鈉,主要產(chǎn)品是氫氧化鈉與氯氣,氫氣是待利用副產(chǎn)品;而后者主要產(chǎn)品是氫氣,氧氣是待利用副產(chǎn)品。氯堿工業(yè)副產(chǎn)氫利用,氫氣成本較低。電解水方式制氫技術(shù)成熟度也較高,故電的成本就決定了氫氣的成本。富余可再生能源電力(水電、風(fēng)電、光伏等)的平均成本較低,邊際成本更低,制取氫氣理論成本低廉;常規(guī)網(wǎng)電以火電為主,成本較高,一次能源利用效率也不及煤制氫。
產(chǎn)業(yè)鏈中游、下游主要包括氫氣的儲運和加注。
儲氫技術(shù)包括高壓存儲氣態(tài)氫、低溫儲液氫、物理吸附儲氫、金屬儲氫、液體化合物儲氫等類型,需求重點是增加儲氫的質(zhì)量百分比、體積百分比,保證氫氣純度,使得存儲與再釋放的環(huán)境盡可能溫和,及儲氫成本低廉、自放率(隨時間增加的氫氣損失率)低等。得到相對廣泛運用,且規(guī)模擴大同時邊際成本較低的儲氫方式是高壓存儲氣態(tài)氫和低溫儲液氫,且二者的自放率均大幅低于電能在各類電池中的儲存;其余儲氫方式還在研究、成熟過程中。
氫氣運輸技術(shù)和儲氫技術(shù)關(guān)注點類似,但長距離氫氣運輸無論采用高壓管束車方式,專用管道方式或者天然氣管道混氫-再分離方式,成本均較高,大幅高于輸電后電解水制氫對應(yīng)的“氫氣運輸(電力/能量運輸)”成本。最終,氫氣的加注于加氫站實現(xiàn)。低壓氫氣加壓至燃料電池乘用車所需的70MPa或商用車所需的35MPa后,對相應(yīng)車輛進行加注。
3、全球氫能-燃料電池產(chǎn)業(yè)進展概述
20世紀60年代,NASA(美國國家航空航天局)將燃料電池應(yīng)用于雙子星航天飛船,開啟了燃料電池的現(xiàn)代發(fā)展史。20世紀70年代,石油危機引起了能源恐慌,氫能作為一種新興清潔能源開始受到各國政府的關(guān)注。20世紀90年代,包括奔馳、福特在內(nèi)的國際知名車企紛紛推出燃料電池概念車型。進入21世紀后,氫能與燃料電池技術(shù)發(fā)展逐漸成熟。全球范圍內(nèi)的氫能-燃料電池產(chǎn)業(yè)進展主要包括整車端的燃料電池整車進展和加氫站建設(shè)進展等。整車端,豐田Mirai,本田Clarity,奔馳F-cell,現(xiàn)代Nexo等車型驗證了燃料電池為高性能乘用車提供動力的可實現(xiàn)性。
部分燃料電池乘用車性能
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加氫站端,2018年全球加氫站新增48座,截止到2018年底,全球加氫站數(shù)目達到369座。其中歐洲152座,亞洲136座,北美78座,其他地區(qū)3座;全球擁有10座加氫站以上的國家分別是日本(96座)、德國(60座)、美國(42座)、中國(23座)、法國(19座)、英國(17座)、韓國(14座)、丹麥(11座)。
4、我國氫能-燃料電池產(chǎn)業(yè)概述
我國氫能來源廣泛,既有大量的工業(yè)副產(chǎn)氫氣,又有大量的棄風(fēng)棄光電、低谷電等可供制氫的存量資源。燃料電池是氫能的重要應(yīng)用方式,車用氫能產(chǎn)業(yè)亦是燃料電池產(chǎn)業(yè)大規(guī)模推廣的基礎(chǔ)。包括制氫、氫氣儲運和加氫站在內(nèi)的氫能產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展,對燃料電池汽車的推廣普及具有重要影響。我國氫能-燃料電池產(chǎn)業(yè)總體處于起步階段。已有多家上市/非上市公司涉及產(chǎn)業(yè)鏈諸多環(huán)節(jié),但關(guān)鍵環(huán)節(jié)不同程度有待突破。
燃料電池電堆及相應(yīng)組件的代表性公司
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燃料電池汽車數(shù)量方面,2016-2018年上牌數(shù)分別為629輛、1275輛和1527輛;2019年1-6月,我國燃料電池汽車產(chǎn)銷分別完成1170輛和1102輛,同比增長均在7倍以上。產(chǎn)業(yè)發(fā)展的相對滯后亟需政策端發(fā)力。國家、地方對氫能-燃料電池產(chǎn)業(yè)予以大力扶持。國家層面的扶持政策多以補貼、雙積分等經(jīng)濟調(diào)節(jié)和產(chǎn)業(yè)規(guī)劃、技術(shù)進展等宏觀指導(dǎo)為主。
國家層面的氫能-燃料電池扶持政策(部分)
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另外,補貼、雙積分等扶持政策對燃料電池汽車的友好程度最高,體現(xiàn)為補貼額度高、積分數(shù)值高;新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021-2035年)的編制工作啟動,燃料電池車輛也是發(fā)展重點。地方層面的扶持政策涉及產(chǎn)業(yè)多方面。
地方層面的氫能-燃料電池扶持政策(部分)
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5、氫能-燃料電池產(chǎn)業(yè)前瞻
氫能-燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的前景主要包括燃料電池的技術(shù)進步、成本下降、規(guī)模增加,氫源供應(yīng)的豐富化,加氫站數(shù)量的增長等。美國能源部估計,燃料電池電堆及發(fā)動機成本隨規(guī)模增加迅速下降。
燃料電池發(fā)動機、電堆成本-規(guī)模關(guān)系
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制氫成本至遠期降至10元/公斤;儲氫密度提升至6.5wt%;電堆比功率提升至6.5kW/L,壽命大幅延長,成本急劇下降。
氫能及燃料電池產(chǎn)業(yè)技術(shù)路線
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氫能源比例至遠期將達10%;產(chǎn)值將達12萬億元;加氫站、燃料電池車、固定式電源、燃料電池系統(tǒng)等相關(guān)裝備保有量不同程度增加,其中燃料電池車是裝備的主要組成部分。
氫能及燃料電池產(chǎn)業(yè)總體目標
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氫能及燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展總體目標(路線圖)
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6、中國燃料電池浪潮開啟,遠期萬億規(guī)??善?/p>
中國對于燃料電池發(fā)展支持處于循序漸進狀態(tài),我國從2001年就確立了“863計劃電動汽車重大專項”項目,確定三縱三橫戰(zhàn)略,以純電動、混合電動和燃料電池汽車為三縱,以多能源動力總成控制、驅(qū)動電機和動力蓄電池為三橫。近期隨著燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展逐漸成熟,中國在燃料電池領(lǐng)域的規(guī)劃綱要和戰(zhàn)略定調(diào)已經(jīng)出現(xiàn)苗頭,支持力度逐漸加大,政策從產(chǎn)業(yè)規(guī)劃、發(fā)展路線和補貼扶持全方位支持燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
產(chǎn)業(yè)規(guī)劃:2016年11月29日,《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》提出系統(tǒng)推進燃料電池汽車研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。加強燃料電池基礎(chǔ)材料與過程機理研究,推動高性能低成本燃料電池材料和系統(tǒng)關(guān)鍵部件研發(fā)。加快提升燃料電池堆系統(tǒng)可靠性和工程化水平,完善相關(guān)技術(shù)標準。推動車載儲氫系統(tǒng)以及氫制備、儲運和加注技術(shù)發(fā)展,推進加氫站建設(shè)。到2020年,實現(xiàn)燃料電池汽車批量生產(chǎn)和規(guī)?;痉稇?yīng)用。
發(fā)展路線:2016年10月,汽車工程年會發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》中指出,到2020年燃料電池汽車在公共服務(wù)領(lǐng)域的示范應(yīng)用要達到5000輛的規(guī)模;到2025年,實現(xiàn)氫燃料電池汽車的推廣應(yīng)用,規(guī)模達到5萬輛;到2030年,實現(xiàn)氫燃料電池汽車的大規(guī)模推廣應(yīng)用,氫燃料電池汽車規(guī)模超過1百萬輛。
補貼扶持:2016年12月30日財政部、科技部、工業(yè)和信息化部和發(fā)改委發(fā)布的《新能源汽車推廣補貼方案及產(chǎn)品技術(shù)要求》中規(guī)定除燃料電池汽車外,各類車型2019-2020年中央及地方補貼標準和上限,在現(xiàn)行標準基礎(chǔ)上退坡20%,對燃料電池汽車補貼延續(xù)至2020年不退坡,對于燃料電池乘用車,給予20萬元/輛補貼;對于燃料電池小型貨車、客車,給予30萬/輛補貼;對于燃料電池大中型客車,中重型貨車,給予50萬/輛補貼。2018年發(fā)布《關(guān)于調(diào)整完善新能源汽車推廣應(yīng)用財政補貼政策的通知》,燃料電池汽車補貼基本保持不變。
燃料電池頂層規(guī)劃循序漸進
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地方政府中,富氫優(yōu)勢、棄電較多或者產(chǎn)業(yè)領(lǐng)先為代表的地區(qū)重視燃料電池發(fā)展。多地市興建氫能產(chǎn)業(yè)園區(qū),氫能小鎮(zhèn)和產(chǎn)業(yè)集群等,推動燃料電池公交、物流車示范運營,截至目前超過20地市明確推動氫燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展。目前僅上海、武漢、山東、蘇州、張家口、佛山、鹽城和大同等地規(guī)劃顯示,到2020年燃料電池汽車數(shù)量將超過1.5萬輛。
地方政府積極推動
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中國燃料電池產(chǎn)業(yè)目前與2012年鋰電池極為相似,政策自上而下支持,技術(shù)達到產(chǎn)業(yè)化條件,產(chǎn)業(yè)鏈國產(chǎn)化進程開啟,企業(yè)加快布局速度,資本市場投融資熱度持續(xù)上升。
中國燃料電池汽車發(fā)展路徑明確:前期通過商用車發(fā)展,規(guī)?;档腿剂想姵睾蜌錃獬杀?,同時帶動加氫站配套設(shè)施建設(shè),后續(xù)拓展到私人用車領(lǐng)域。
優(yōu)先發(fā)展商用車的原因在于:一方面公共交通的平均成本低,而且能夠起到良好的社會推廣效果,形成規(guī)模后帶動燃料電池成本和氫氣成本下降;另一方面商用車行駛在固定的線路上且車輛集中,建設(shè)配套的加氫站比較容易。當加氫站數(shù)量增加、氫氣和燃料電池成本降低時,又會支撐更多燃料電池汽車。
2017年是中國燃料電池汽車元年,全國燃料電池汽車產(chǎn)量達到1272輛。2018年燃料電池汽車商業(yè)化運營的元年,產(chǎn)量達到1619輛,目前國家補貼到2020年不退坡,在國家和地方補貼的支持下,燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)開啟以補貼為基石的內(nèi)生性增長時代。
商用車帶動產(chǎn)業(yè)起步,乘用車奠定未來
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中國燃料電池汽車產(chǎn)量
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截止2018年底,全國投入運營車輛約694輛,其中公交234輛左右,物流車約300輛,輕客160輛。其中,燃料電池物流車在上海已經(jīng)開展商業(yè)化運營,目前在運營數(shù)量達到300輛左右,運營里程超過400萬km,用戶包括京東、申通快遞、盒馬鮮生、宜家等物流用戶。
燃料電池汽車運營現(xiàn)狀
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我們預(yù)計隨著成本的持續(xù)下降,產(chǎn)業(yè)規(guī)模將得到迅速擴大,行業(yè)將在未來十年迎來百倍增長,到2030年燃料電池汽車市場規(guī)模達到5000億,車用燃料電池市場規(guī)模達到1200億,遠期燃料電池汽車和熱電聯(lián)產(chǎn)等市場規(guī)??蛇_萬億。
2017-2020,燃料電池產(chǎn)業(yè)處于商業(yè)化運營的導(dǎo)入期,產(chǎn)業(yè)在政府補貼扶持下實現(xiàn)盈利。同時燃料電池成本與氫氣成本隨著規(guī)模擴大而穩(wěn)步下降,預(yù)計到2020年,系統(tǒng)成本可低于6000元/kW,富氫地區(qū)氫氣售價可達30元/kg,燃料電池汽車產(chǎn)銷量達到萬輛。
2021-2025,燃料電池進入快速增長期,產(chǎn)業(yè)在合理補貼退坡情況下實現(xiàn)盈利。到2025年系統(tǒng)成本達到2000元/kW,氫氣售價降低到28元/kg,燃電池汽車產(chǎn)銷量達到25萬輛。
2026-2030,燃料電池進入爆發(fā)期,產(chǎn)業(yè)無需補貼可以實現(xiàn)內(nèi)生性增長。到2030年系統(tǒng)成本不高于1000元/kW,氫氣售價23元/kg,燃料電池汽車產(chǎn)銷量達到150萬輛以上,燃料電池汽車市場規(guī)模達到5000億。
FCV銷量和車用燃料電池系統(tǒng)市場規(guī)模預(yù)測
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燃料電池成本預(yù)測
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相關(guān)報告:智研咨詢發(fā)布的《2019-2025年中國氫燃料電池行業(yè)市場分析預(yù)測及投資方向研究報告》


2024-2030年中國氫燃料電池行業(yè)市場供需態(tài)勢及發(fā)展趨向研判報告
《2024-2030年中國氫燃料電池行業(yè)市場供需態(tài)勢及發(fā)展趨向研判報告 》共八章,包含氫燃料電池行業(yè)細分產(chǎn)品市場分析,中國氫燃料電池行業(yè)重點企業(yè)分析,中國氫能源電池行業(yè)投資前景及策略分析等內(nèi)容。



