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新能源汽车产业链分析:燃料电池(下)
 ASAM 投资研究部          2019-11-12

在《新能源汽车产业链分析:燃料电池(上)》中,我们提出,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部件技术难点突破为核心的发展模式。针对于此发展趋势,将在该文中予以详述。

 

政策引导方向的趋势


对于新兴产业的发展成熟,需要必要的国家政策予以扶持。对于新能源汽车的发展,先前国家以锂电池为核心促进方向,在短短数年间催生出一个体系完整、技术完善同时供需两旺的庞大产业集群。随着锂电产业的逐渐成熟,目前而言,国家政策有向燃料电池做出倾斜的趋势,从最开始对于在试点城市推行,到写入《政府工作报告》,再到燃料电池补贴政策将单独公布(财政部在官方发布的“关于进一步调整完善新能源汽车补贴政策的解读”中特别提到,为促进燃料电池汽车产业加快发展,进一步推动公交车行业转型升级发展,目前财政部等部门正在研究支持燃料电池汽车和加快推广新能源公交车的政策措施,将按程序报批后另行发布),相关政策已经逐渐深入,并且逐步落实到产业。借鉴锂电的发展路径,随着国家政策的相继出台,燃料电池将在未来获得迅速且长足的发展。

 

 

 

发展燃料电池的前提

如之前所述,氢燃料电池在众多可选方案中具备较多的优势,但是在实际应用中,价格及便利性方面的阻碍仍有待解决。而这两方面的核心就是成本问题,即购置成本与使用成本。

 

其中,对于购置成本的降低而言,最为核心的为新材料、工艺集成以及部件国产化等,借鉴于锂电池发展路径,核心部件的技术革新将非常迅速,同时叠加规模化生产,购置成本也将逐步下降。但是,对于使用成本而言,如何在保证安全性的前提下降低制氢、氢气储运成本,同时实现加氢站的布局和运营的合理化,是与锂电池的发展有所不同的地方,也是需要政策给予更多支持的领域。

 

购置成本

在前文中曾提到,燃料电池是把燃料中的化学能通过电化学反应直接转换为电能的高效发电装置,在多种燃料电池中,质子交换膜燃料电池(PEMFC)操作温度低、启动速度快,同时高效环保,为现在实际应用中的普遍选择。目前而言,对于燃料电池,其关键材料和部件的成本和耐久性是主要有待突破瓶颈,也是未来大规模应用的前提。


首先,对于部件成本来说,根据美国能源部2016年发布的《多年研究、开发及试验计划》,燃料电池系统需满足诸多基本条件以适应未来的商业化发展。

 

 

根据美国能源部,以80kw的质子交换膜电池为样本,以大规模生产50万个每年为条件进行测算。结果表明,氢燃料电池系统成本已经从2006年的124美元/kw降至2015年的53美元/kw(下降近60%),并且有望于2020年降至40美元/kw,最终目标是实现30美元/kw。


其次,对于耐用性问题,相对于部件成本的技术瓶颈更大。根据《中国制造2025》所设定的目标,到2020年燃料电池堆寿命达到5000小时,功率密度超过2.5千瓦/升,整车耐久性到达15万公里,续驶里程500公里,加氢时间3分钟,冷启动温度低于-30℃;2025年,燃料电池堆系统可靠性和经济性大幅提高,和传统汽车、电动汽车相比具有一定的市场竞争力,实现批量生产和市场化推广。中国欲实现这一目标还需要诸多细分领域的技术突破。


现阶段,实际应用中,一般80kw的燃料电池需要11.8平米的质子交换膜,核心生产企业为美国杜邦公司,每平米质子交换膜成本约为400美金以上,对应质子交换膜总成本为4720美元(单位成本59美元/kw)。按照丰田Mirai燃料电池车折合美元售价5.75万美元来计算,目前质子交换膜成本占整车成本为8.2%。要达到DOE对大规模生产(50万台/年)的成本要求,质子交换膜成本将占整车成本3%,对应成本应为1.9美元/kw。国内而言,目前电子科大教授何伟东及其团队已研发出的质子交换膜,质子传导率是杜邦产品Nafion-117的1.78倍,同时成本仅仅是后者的十分之一。预期随着政策支持与产业发展,核心部件的性能提升与成本降低将十分迅速。

 

使用成本

为了支持燃料电池汽车发展,各国积极建设氢能源燃料电池汽车配套设施,截止到2018年底,全球加氢站数目达到369座。其中,日本以90座居首,中国已23座居于第四。针对于氢能源电池未来的长久应用,各国均对于基础设施建设制定了规划,但真正实现而言恐存在一定难度。中国规划至2020年加氢站数目达100座,目前来看还存在较大距离。

 

 

对于国内加氢站建设缓慢的原因,分析认为主要源于经济效率不足,这一问题可分解为两个因素,即建设成本及成本回收周期两个因素。


1)建设成本:国内加氢气站所需的关键部件没有量产的成熟产品,大多依靠进口,则直接导致建站成本居高不下。这一问题,需要依赖于技术自主及核心器件的国产替代加以改善。对于此,国内企业在某些领域已有所建树,其它则尚需努力:


Ø 储氢装置:2014年,京城股份实现了70MPa高压储氢瓶的开发,国内储氢装置终于跳出了35MPa的瓶颈。目前我国拥有300公斤高压氢气瓶的生产资质,但700公斤高压氢气瓶仍有待努力。

Ø 氢气加注设备:国内有富瑞特装、厚普股份等企业技术相对成熟。

Ø 氢气压缩设备:国内产品关键设备的使用寿命较短,压缩机主要靠国外进口,如北京加氢站的产品氢气压缩机由美国PDC公司,而国产替代尚需时日。


2)加氢站成本回收周期:加氢站的基础设施需要依靠车辆充电、加氢规模效应平衡收支来盈利。2015年,国内仅有氢燃料电池乘用车10辆、公交大巴共3辆。到2020年,国内氢燃料电池乘用车有望达到3000辆,公交车大约为8000辆,届时加氢站的使用效率将得到有效提升。

 

 

总结而言,虽然我国的加氢站建设起步较晚,但是近年来发展较快,这主要得益于几点因素,首先,在补贴方面,2015年,中国财政部发布了《关于新能源汽车充电设施建设奖励的通知》,提出对符合国家技术标准且日加氢能力不少于200公斤的新建燃料电池汽车加氢站,每站奖励400万元。若以此再叠加地方的补贴政策,中国加氢站补贴优惠将大大超过美日等国家。其次,目前我国燃料电池关键材料的某些研发领域已经达到了国际水平,加氢站关键设备的性能也较之起步时有明显提高。再次,地方纷纷出台相关政策鼓励燃料电池汽车的应用,特别是在长三角地区,燃料电池汽车需求量较大,下设较多新能源汽车示范点,且具备加氢站建设的关键性设备生产的条件。则在可预见的未来,低成本规模化的基础设施与燃料电池的规模使用将有望到来,但在此之前,仍需实现诸多技术障碍的克服与相关政策的保障。

 

 


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