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新疆时时彩:轉載:燃料電池產業分析報告

發表時間:2018-06-29 13:27

新疆时时彩 www.jiqas.com 燃料電池星星之火,正待燎原:

2014年11月豐田發布燃料電動車Mirai,2015年1月,豐田宣布在全球范圍內開放5680項技術專利,其中包括Mirai的1970項關鍵技術專利。豐田一些列動作表明其在燃料電池汽車技術上已趨成熟,正進入技術優化和商業生態構建階段。在我國,以國鴻氫能與Ballad合作為代表的“市場換技術”模式已經落地,并計劃在兩年內投放3000套燃料電池系統,同時福田汽車公告斬獲北京有車租賃100輛歐輝氫燃料電池電動客車訂單等消息亦顯示國內燃料電池汽車產業化已悄然開啟。

具備高能量密度特性,氫燃料電池市場潛力巨大:

氫燃料電池通過氫氣和氧氣電化學反應產生電能(核心部件為雙極板、電解質、擴散層、催化劑),具有極高的能量密度并兼具零排放特點,無疑是我們所追求的最具潛力能源利用方式。在燃料電池汽車、鋰電池增程汽車、無人機、IDC等領域潛力巨大,根據富士經濟預測未來十年燃料電池市場空間將達到3400億元以上。

工業廢氫利用可顯著降低氫使用成本,美國已規劃電堆成本下降目標:

美國計劃在2020年實現非重整法(電解法、生物法等)加氫平準用氫價格降至10美元/kWh。電堆成本方面,在50萬套80kW電池系統產量規模下,實現由2015年的53美元/kW(合3.01萬/套),下降至2020年40美元/kW(合2.34萬/套),并期望最終達到30美元/kW(合1.75萬/套)。此外,當前我國每年大約有10億立方米的廢氫被排放,能產生電能約130億度電,若將其在燃料電池側加以利用,經濟價值巨大。

政策力挺燃料電池技術,購車補貼2020年之前不退坡:

政策給予小型/輕型/大型燃料電池車補貼20/30/50萬元/臺、加氣站400萬元/個補貼。并出臺《中國制造2025—能源裝備實施方案》、《能源技術革命創新行動計劃(2016-2030)》等支持文件,制定2020年達產1000輛燃料電池汽車并進行示范運行的目標。另一方面巴黎峰會成功召開,我國到2030年GDP碳排放需較2005年下降60-65%。目前政府行政手段治理壓力大、效率低,ZEV、碳稅等經濟手段的出臺將為燃料電池車加速發展奠定基礎。

1.氫燃料電池為燃料電池主流方向,全球市場空間超3000億

燃料電池通過燃料的電化學反應直接產生電能,相當于一個小型發電裝臵(主要包括雙極板、電解質、擴散層、催化劑)。根據電解質和燃料的不同,燃料電池分為六類:質子交換膜燃料電池(PEMFC)、直接甲醇燃料電池(DMFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)、堿性燃料電池(AFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、磷酸燃料電池(PAFC)。燃料電池核心電化學方程式如下:

鑒于燃料電池仍是新興產業,多種技術路線并存(不只有氫燃料電池路線),我們對6種燃料電池分別從各自反應原理、輸出效率等方面進行了梳理,以使大家更全面的了解燃料電池產業,并通過對比思考出更為符合我國國情的技術方向。

1.1.六類燃料技術各有用武之地,質子交換膜燃料電池實現跨越式發展

1.1.1.質子交換膜燃料電池(PEMFC):低溫運行,主要應用于交通領域

PEMFC采用水基酸性聚合物(一般為全氟磺酸)作為電解質、鉑作為催化劑,是當前燃料電池汽車和物料搬運車的首選技術路線。相較其余5類電池,其特點為運行溫度相對較低(一般低于100℃),同時可以根據需要靈活調整電堆輸出功率。但因相對低的啟動溫度并采用貴金屬基電極,這類電池必須使用高純度的氫。

為克服高純度氫氣需求限制,目前PEMFC出現高溫型技術路線,其原理為將水基電解質變成無機酸基電解質,該類電池運行溫度可以高達200℃,對氫氣的純度要求較低,但有能量密度較低的弊端。

1.2.甲醇燃料電池(DMFC):運行溫度適中,主要應用于消費電子

DMFC是相對較新的技術,由美國NASA和噴氣式推進實驗室在90年代發現。與PEMFC電池一樣需要使用聚合物膜(如全氟磺酸)作為電解質,不同點為其采用鉑-釕金催化劑,燃料可以是氫也可以是液態甲醇,因此被稱作直接甲醇燃料電池。

甲醇具有相對高的能量密度,很容易運輸和存儲?;諂湓誦形露?0-130℃特點,效率60%左右,直接甲醇燃料電池主要應用方向為電子產品、移動充電寶、物料搬運車等領域。

1.3.固體氧化物燃料電池(SOFC):運行溫度高,主要應用于電站

SOFC采用固體陶瓷作為電解質(例如氧化鋯-氧化釔),運行溫度非常高,最高運行溫度高達800-1000℃,對鉑催化劑依賴較小,可采用多種碳氫化合物燃料(甲烷、煤氣等)。其能量轉換效率超過60%,如果放出的熱量能夠被回收利用,轉化率則可高達80%。但受限于啟動時間長,很難應用于汽車領域。

固體燃料電池在大型、小型固定式熱電聯產發電站中應用較多,例如Bloom的100kW離網發電站。此外,輸出功率W級的管狀固體燃料電池還成功應用在便攜式充電裝臵領域。

1.4.堿性燃料電池(AFC):可用非貴金屬催化劑,主要應用于航天領域

AFC采用如氫氧化鉀、堿性聚合物之類的堿性電解質,要求高純度氫,運行溫度70℃左右。最先被NASA應用在航天器上用于生產電能和水的電池,鮮被應用于商業領域。其優點是可采用非貴金屬作為催化劑(鎳最常見),轉換效率可高達60%。

1.5.熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC):運行溫度高,大型電站首選

MCFC采用附著在多孔陶瓷上的熔融碳酸鹽(包括碳酸鋰、碳酸鉀及碳酸鋰)作為電解質。運行溫度高達650℃,具備三大優點:1)對貴金屬催化劑的依賴較低;2)比起低溫電池,可減少催化劑中毒概率;3)可以使用多種燃料(例如煤氣、甲烷等);缺點是存在高溫腐蝕。目前,MCFC主要用在一些大型電站、熱電聯產(CHP)、熱冷聯產(CCP),轉換效率高達60%,聯產效率高達80%以上。

1.6.磷酸燃料電池(PAFC):上一代主流燃料電池技術

作為2001年之前的主流燃料電池都技術,PAFC采用磷酸或磷酸基電解質,能有效減少鉑催化劑(運行溫度180℃左右)中毒,但發電效率較低,當熱電聯產時效率可達80%。主要應用在功率100-400kW的固定式發電站中,也有少量應用在大型汽車中。

1.7.各類型電池出貨情況:受益交通應用拉動,PEMFC出現跨越式發展

2010-2015年,PEMFC、SOFC、MCFC三種類型電池占據了歷年總出貨量的90%以上,其中受交通運輸領域需求拉動,PEMFC在2015年出貨量出現了跨越式增長,同比增長高達147.04%;SOFC、MCFC在固定式電站或熱電聯產上應用較為成熟,年均復合增長率45.87%。

1.8.全球燃料電池市場空間有望達到3400億,PEMFC占多數

根據日本富士經濟預測,至2025年,全球燃料電池市場有望達到5.2萬億日元(合約人民幣3400億元)。通過分析,我們發現2015年之前,燃料電池應用以產業和商業用途及家庭用途領域為主,但因燃料電池汽車商業化不斷落地的催化,下游市場已出現結構性變化。2011年燃料電池汽車市場僅為3億日元,未來隨著技術升級、加氫站等基礎設施的完善、政策支持力度加大,預計到2025年全球燃料電池汽車市場有望擴大到2.91萬億日元(合約人民幣1900億元),占整體市場一半以上,增長潛力巨大。

2.三大應用領域,交通領域最具潛力

通過上文分析,可發現燃料電池應用主要集中在電站(含熱電聯產)、交通運輸領域。事實上,早期燃料電池的應用主要集中在潛艇、航天等特殊領域,且技術已相對成熟。而在民用領域主要包括固定式領域、交通運輸領域和便攜式領域三大類,受益各國政策支持,汽車技術上取得較大突破,豐田、本田、現代等均推出了各自的量產燃料電池汽車,商業化進程正在加速。請加工業智能化公眾微信號:robotinfo 學習工業智能化知識

從應用場景的市場結構來看,交通領域無疑最具潛力。2015年,全球燃料電池系統的出貨量為7萬多套(較2009年增長366%),但與大規模商業化仍存在一定差距。縱觀2010-2015年,燃料電池的出貨量:50%~60%集中在固定式領域,20%~30%用于便攜式領域。但在2015年燃料電池在交通運輸領域的出貨量幾乎翻倍。而從容量看,大功率燃料電池在交通運輸領域實現了快速上升,前景值得期待。

2.1.交通運輸領域:燃料汽車經濟性凸顯,無人機大有可為

2.1.1.物料搬運車試水在先

以PEMFC為動力的叉車是當前燃料電池在交通應用內最大的部門之一,國外已有大批量物流公司(如Fedex)正在使用燃料電池物流搬運車。

2.1.2.氫燃料電池汽車商業化黎明前夜

氫燃料電池車主要由燃料電池系統(包含反應堆、空氣壓縮機等)、儲氫裝臵、輔助電池、控制裝臵和驅動電機構成,續航力強、噪音低、零排放,適合我國人口密集城市的日常需求。根據巴黎峰會規則,我國到2030年GDP碳排放將較2005年下降60-65%。當前,我國城市空氣污染惡劣,行政手段治理壓力大、效率低,ZEV、碳稅等經濟手段的預期推出將為燃料電池車加速發展奠定基礎。

Mirai推出加速產業拐點到來,專利公開掀起產業化浪潮

豐田2014年11月發布Mirai燃料電池汽車,其性能已經與現有電動車領頭羊TeslaMoedls60車型媲美。2015年1月,豐田宣布在全球求范圍內開放耗時20多年、耗資上千億資金開發的5680項燃料電池技術專利,其中包括Mirai的1970項關鍵技術專利。從商業戰略的角度看,我們認為豐田此舉已經昭示其技術已經相當成熟,進入了技術優化和商業生態構建的階段。

對比三種不同化石能源利用效率(內燃機為37%,燃料電池為45.7%,鋰電池為49.2%),我們發現鋰電池和燃料電池較傳統燃油汽車都具有較大優勢。當前鋰電池車產業發展更為完善、積累的運行數據更多,但燃料電池車潛力巨大,兩種路線并重更符合我國的國情。同時燃料電池作為鋰電動車的增程手段不失為一種技術和商業上可行的過渡方案。

燃料電池車與鋰電池最大不同在于驅動力來源,燃料電池車動力來源包含電池控制器、儲氫裝臵、電池堆、輔助蓄電池、燃料處理器、壓縮機和加濕器,而鋰電池車主要包含電池控制器、電池組、車載充電器,其他部件兩種車相似。

進一步對比燃料電池和鋰電池性能參數,可見燃料電池具有非常高的能量密度(決定續航能力的因素),在其核心部件成本有望進一步下降大背景下,燃料電池的應用有大幅提升空間。但鋰電池配套設施已經開始大規模興建,并形成了一定的產業規模,同時燃料電池汽車也需要二次電池(包括鋰電池)作為輔助電源,鋰電池仍將作為我國未來電動汽車主導產業之一。

2.1.3.成熟技術可保障燃料電池車安全運行

目前,世界上已有豐田MIrai、本田Clarity等氫燃料電池車實現量產,人們對于氫燃料電池車的安全性普遍存在顧慮,但以豐田為代表的汽車制造廠商已經有周全的安全方案。

2.1.4.政策助力燃料電池加速發展

政策歷來是國家推動新興產業發展的指揮棒。我國政府對燃料電池汽車的發展規劃早在2001年就已經啟動,2001年的“863計劃——電動汽車重大專項”項目,確定了“三縱三橫”戰略,其中“三縱”即包括純電動、混合電動、燃料電池汽車。到2015年,《中國制造2025》規劃綱要出臺,提出了燃料電池汽車的三步發展戰略,最終在2020年,達到生產1000輛燃料電池汽車并進行示范運行的目標。

技術方面,科技部的《“十三五”電動汽車規劃》給出了指引,未來幾年需要攻克薄金屬雙極板表面改性技術、車用燃料電池耐久性技術、推進加氫站建設和燃料電池汽車示范運行等多項工作,關鍵基礎器件、燃料電池系統、基礎設施與示范三個方面需繼續加大研發和投入力度。為了達到上述規劃目標并攻克技術難題,中央自2009年起對燃料電池汽車持續地給予財政補貼和稅收減免,近幾年的財政補貼積極促進燃料電池汽車的市場化導入。

根據中央的補貼標準,2013-2015年,燃料電池乘用車的補貼標準逐年遞減5%,從2013年20萬元降低到2015年的18萬元,但根據《關于2016-2020年新能源汽車推廣應用財政支持政策的通知》,2016-2020年又重新恢復到20萬元,而純電動和插電混合乘用車的補貼逐漸退坡。除此之外,還給予燃料電池商用車中型30萬、重型50萬的補貼。

2.1.5.經濟性在公交車和物流搬運車側逐步凸顯

私家車使用者需要培育消費心理、汽車使用習慣不統一、利用率低、受利己驅動明顯,短期內氫燃料電池車難以大規模推廣。而公交車在國家減排政策和財政支持共同推動下段,具有經濟性。我們以一種燃料電池增程的中型物流車做分析:采用30kW+30kWh增程配臵,燃料電池系統約44萬+鋰電池系統約3.6萬+常規部件8萬=55.6萬。國補30萬,不算地方補貼成本為25.6萬,若考慮地方補助,經濟性更佳。此外,在國外物流搬運車領域應用已經非常成熟,我們認為,燃料電池汽車行業大規模商業化會在公交車和物流搬運車細分行業優先展開。

2.1.6.無人機行業需求迫切

無人機廣泛應用于航拍、巡檢、反恐、軍事等領域,發展如火如荼,無人機領域龍頭大疆創新銷售收入更是呈現跨越式增長。但電池的續航能力一直限制著無人機功能發揮,而燃料電池技術有望徹底改變這一現狀,使無人機產業進入一個全新的發展階段。

2.2.固定式領域:應用最為成熟,多用于分布式電站和備用電源

污染重、能效低一直是困擾火力發電的核心問題,燃料電池不僅具有零排放、高效率優勢,更是在外部環境劇烈變化的條件下,可以長時間連續工作,可靠性更高,受到國內外的普遍重視。燃料電池在該領域已有不少商業化應用,目前主要在分布式電源和備用電源兩大領域,廣泛應用于IDC、醫院等重要部門。

2.2.1.固定式分散電站:能量利用效率高

燃料電池電站不同于燃料電池汽車,沒有頻繁啟動的問題,一般采用以下4種電池技術:磷酸燃料電池PAFC、質子交換膜燃料電池PEMFC、固體氧化物燃料電池SOFC、熔融碳酸鹽燃料電池MCFC。

2.2.2.備用電源:可靠性高

將燃料電池作為備用電源,在電信、銀行、醫院等行業最為普遍,作為燃料電池的大生產商,BallardPowerSystems在2012年就生產了近400個ElectraGen備用電源系統。

2.3.便攜式領域:尚未起飛

在三種主要的領域中,便攜式領域的發展幾乎處于停滯狀態,便攜式產品面臨的環境較為簡單,對電池安全性的要求較低,卻對續航能力有很高要求,燃料電池恰恰符合這一領域的應用標準,雖然目前已有許多公司陸續推出氫燃料電池手機,但燃料電池在該領域一直未有實質性突破。

3.最有發展前景的燃料電池——PEMFC產業鏈全梳理PEMFC產業鏈分為制氫、氫的運輸分配、氫存儲、燃料電池系統四個環節,我們根據四個環節梳理出上游、中游、下游產業鏈的成本下降路徑和技術革新,深入的了解PEMFC發展情況。

3.1.氫的生產:天然氣重整制氫成本媲美燃油,廢氫利用進一步降低使用成本

氫可以用多種技術生產,包括用化石能源、核能和可再生能源重整化石燃料、電解水、生物質、高溫分解等。天然氣制氫成本已經媲美汽油成本,根據美國能源部測算,到2020年將新技術制氫(不包含重整法),加注站售價4美元/gge,相當于汽油價1.057美元/L。

3.1.1.分布式制氫

分布式制氫不需要大量的運輸設備或投資大型制氫工廠,是目前最可行的方法。當前主要的制氫技術有兩種:

(1)重整天然氣或者液態燃料(乙醇等);(2)小規模的電解水法。蒸汽重整甲烷制氫是現今在成本上能與汽油媲美的技術。使用可再生能源,高溫和生物液體重整是兩種能大幅減少溫室氣體排放的技術,其中生物液體重整技術可廣泛應用于分布式、集中式生產氫。使用風電、水電、太陽能等可再生能源電解水是零排放制氫技術。當前制氫設備、運維成本和電費成本制約該技術的大規模應用,技術上仍然有待進一步開發空間,電費價格降低到當前電價的一半時,該種方法具有經濟性。

3.1.2.集中式制氫

長期來看,大型工廠化制氫可以充分利用規模經濟優勢滿足日益增長的氫燃料需求,集中制氫的能源主要有化石能源、核能和可再生能源。隨著高效的水裂解化學工藝和材料發展,采用集中式太陽能高溫熱化學制氫將成為一種潛在可能技術方案。

我們認為我國具有巨大的人力資源和市場容量,非重整法規模效應顯著,參照風電、光伏、鋰電池等產業的發展軌跡,一旦引入國內成本有30%左右下降空間。此外,我國每年大約有10億立方米的廢氫被排放掉,能產生電能約130億度電,若能利用到燃料電池車中,產生巨大的經濟價值和環保價值。

3.2.氫氣的提純:碳氫膜技術替代現有成本高昂的冷卻技術

當前的氫提純技術主要采用冷卻分離技術,成本較高,限制了氫利用的商業化。美國正在開發一種碳氫膜分離系統,可以應用在大規模煤制氣聯合系統中用于分離氫氣和二氧化碳,可替代成本高昂的冷卻技術。

3.3.氫的儲運和加注:國外已有成熟技術應用

常見的運輸方式有液化汽車運輸、高壓氣體汽車運輸和管道運輸(方法一、二、三),目前各國正在研發氫載體方式運輸氫(方法四),我國的富瑞特裝已經在有機物儲氫技術上取得階段性成果。同時,采用各種基本運輸方式的組合運輸形式。氫的加注和天然氣加注方式比較相似,氣態氫直接加注,液態氫經過氣化后在進行加注。

氫的存儲技要求高效、安全、便捷、低成本,主要技術指標有容量、加注便捷性、耐久性。物理存儲氫(壓縮氣體、低溫液體容器)技術是當前最成熟的存儲技術。未來能夠夠使汽車商業化,主要集中在規模效應和新技術降低碳纖維成本之上。另外在研雙向可逆的金屬氫化物存儲技術也在研發之中。

3.4.燃料電池系統:規?;?、新技術降本路線清晰

燃料電池系統是燃料電動車的核心,一般由電池堆、燃料處理器、空氣壓縮機和組成增濕器(豐田已經省去)組成。根據美國能源部測算,2016年在年產2萬臺規模下成本大約280美元/kW,到2020年PEMFC效率會達到65%,鉑金屬用量由0.16降低到0.125g/kW,雙極板成本從7美元/kW降低到3美元/kW,50萬臺批量成產成本40美元/kW(最終目標實現30美元/kW),國內當前成本1-1.5萬/kW。

4.投資建議

國外技術的不斷突破,讓我們看到了氫燃料電池成本下降路徑。重整法制氫成本已可媲美燃油(約合1.25美元/kg)、電池系統成本2015年約53美元/kW,2020年有望下降至40美元/kW,同時我國廢氫的利用將使使用成本進一步降低。政策方面,我國給予乘用車/中型/大型車補貼20/30/50萬/臺的強力支持,落實到具體訂單上,福田汽車斬獲北京有車租賃100輛歐輝氫燃料電池電動客車的訂單。

綜上所述,燃料電池在交通領域(汽車、無人機)的市場導入已經開始,未來幾年有望逐步放量,未來或許成為主流動力汽車能源之一,也許是二十年也許是五十年,但總歸比之今天的鋰電或許更具備典型意義。


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