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新能源汽车产业链分析:燃料电池(上)
 ASAM 投资研究部          2019-09-23

燃料电池作为未来新能源汽车的发展方向之一,将在该文对于技术环境及发展趋势进行分析和阐述。

 

1. 为何要发展燃料电池?

 

目前在市场上所能看到的新能源汽车中,近乎全部采用锂电池技术,根据动力电池正极材料的不同,可分为如钛酸锂、钴酸锂电池等。在目前的应用中,最为主要的为磷酸铁锂及三元电池两类,三元电池即镍钴铝、镍钴锰材料等。


磷酸铁锂的优势在于价格低廉,安全性高,循环寿命高,则多用于微速电动车或电动公交车等,但缺点为能量密度不足,续航能力差。


三元电池的主要优势为能量密度高,可提供高续航,但技术要求及成本更高。


然而,就算三元锂电池具有高能量密度的特点,但是其在向上提升上仍然面临能量密度的天花板。与之相对比,燃料电池的能量密度更高,同时能量转换效率可到到五到七成,被普遍认为是延续百年的内燃机车的绝佳代替品。除此之外,燃料电池还具备充能迅速、循环寿命高的特点,使其成为清洁能源动力的主要发展方向之一。


 

根据目前的技术环境,在已有的燃料电池中,并非所有都能满足于汽车驱动的要求。在目前主要可选的技术方案中,多数所含电解质具有腐蚀性的问题,如碱性燃料电池、磷酸型燃料电池等。另外,如熔融碳酸盐燃料电池及固体氧化物燃料电池所需的启动时间高达10小时以上,也无法应用于汽车动力的解决。在所有方案中,质子交换膜燃料电池(PEMFC)具备最强的可行性,也是目前的主流方案。但是,该方案也同样面临着技术要求高,成本不经济的困难。

 

 

基于现今技术能力,目前所采用的质子交换膜燃料电池堆包含多个类似于锂电池单元体的结构,每个单元结构都具有膜电极组件及双极板,膜电极组件包括则电解质层、催化剂层、气体扩散层等部分,是电化学反应以对外供能的发生场所。燃料电池系统集成为发动机后,可驱动汽车行进。当前具备完全燃料电池电堆生产能力的企业包括丰田、巴拉德、普拉格等国际先进厂商。其中,丰田Mirai的燃料电池电堆经过十余年的技术优化,功率密度和比功率为行业最为出色。

 

 

2. 燃料电池的市场现状

 

市场规模:

2018年全球燃料电池出货量为803.1MW,2011-2018年复合增长率约33%。按应用领域区分,燃料电池主要在固定电站、便携电源和交通运输领域方面有所采用。而交通运输用途的燃料电池占比逐渐提升,增长迅速。2018年,用于交通运输的燃料电池按规模达562.6MW,同比增长约29%,占全球燃料电池出货总量的七成。


按品类区分,2009-2018年PEMFC出货量从60MW增加至589.1MW,复合增速29%。2018年全球PEMFC出货量589.1MW,占比73.4%。出货台数方面,PEMFC出货台数从2013年略有下滑,但是单台容量持续提升推动了增长。

 

 

在国内,2018年国内产出的氢燃料电池车仍以客车和专用车为主,没有乘用车产出,其中客车产出710辆,专用车产出909辆,二者合计同比增加约27%。2018年销量共计833辆,同比减少20.5%。截至2018年全球除中国以外的其他国家累计销售11149辆燃料电池汽车,中国累计销售3447辆燃料电池汽车。


国内发展:

随着国内燃料电池产业的持续技术赶超,电堆产业链国产化已经程度达50%,系统关键零部件国产化程度达70%左右,其他关键零部件也在持续研发投入中,但是国内尚未具备完全燃料电池电堆生产能力的企业。

 

 

量产车型:

燃料电池汽车发展至今,在所销售的燃料电池乘用车中,75%以上为丰田Mirai,本田Clairty及现代ix35平分剩下的份额。


数十年前,由于传统电池技术的限制,丰田高层认为燃料电池车是终极环保车,在持续的研发投入中,于1996年10月发布了首款燃料电池汽车FCEV。发展至目前,丰田已成为燃料电池领域的核心技术掌握者与市场参与者。2014年12月,丰田汽车在日本发布全球首款量产氢燃料电池汽车Mirai,是为世界上首款投入量产的燃料电池汽车。


丰田燃料电池汽车Mirai性能优异,能量密度达350Wh/Kg,功率密度大3.1Kw/L,售价约合人民币26万元,在不考虑基础设施的条件下,运营成本仅稍高于纯电动汽车。

 

 

据测算,目前全球氢燃料电池汽车Mirai销量已超过9000辆,在日本国内销量为2983辆。但即使在日本,受制于加氢站和政策等因素,丰田Mirai销量持续下滑,2016年后日本国内Mirai年销量平均每年降低200辆左右,至2018年年销仅575辆。则可知,燃料电池汽车的发展目前已不单纯受制于电池技术。


发展核心:

目前而言,燃料电池虽然相较锂电池具备较多优势,同时已经在一定程度上突破了量产技术壁垒及整车制造成本经济上的困境。但是,燃料电池仍然不具备广泛普及应用的条件,而其中最核心的因素在于基础设施建设的缺失。


将汽车作为用能终端考虑,对应能源的生产、储存、运输和加注各个环节发展是整车技术路线的关键因素。正如传统燃油车辆对公路交通的统治地位和采油、炼油、成品油运输、加油站全环节的成熟发达密不可分,动力电池车辆的发展依托于电力生产、电力输配、充电桩对应的基础设施配套。而氢燃料电池车辆的推广应用前景,除了取决于整车技术的先进性、成熟度与成本外,也和包含制氢、储氢、运氢和加氢站在内的氢能源链发展的完备程度及发展潜力密切相关。


◾制氢:制氢技术包括燃料制氢、工业(氯碱)副产氢利用、电解水制氢等。在诸多制氢技术中,煤制氢以及天然气转化制氢为较为成熟的方式。针对我国而言,因煤制氢具备成本优势,并且一次能源利用效率也较高,则该方面并非难点。


◾储氢:储氢技术包括高压存储气态氢、低温储液氢、物理吸附储氢、金属储氢、液体化合物储氢等类型。储氢的核心在于提升其体积百分比,同时确保氢气纯度,确保释放安全,并且靠虑成本。


◾运输:长距离氢气运输无论采用高压管束车方式,专用管道方式或者天然气管道混氢再分离方式,成本均较高,这一环节使得氢气在能源利用的经济效率大打折扣。


◾加注:最终,氢气的加注于加氢站实现,当前全球加氢站的总量不足,建设成本很高,日加氢量400kg(单车单次加注5/6kg)的加氢站建设成本在1000万元以上。


鉴于燃料电池自身的性能优势及发展中的核心问题,行业的未来发展趋势必将有别于新能源汽车行业以能量密度提升为主的政策刺激模式,而应是以基础设施建设及相关配套技术难点突破为核心的发展模式。如前所述,这一行业发展推论可具体体现为基础设施建设先行,对于行业政策趋势及发展路径的具体分析,将在《新能源汽车产业链分析:燃料电池(下)》中予以详述。

 

 



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