氢燃料电池车行业分析

氢燃料电池行业分析1氢燃料电池车概念......................................................................22氢燃料电池车产业链..................................................................23氢燃料电池车成本构成..............................................................34氢燃料电池车优点......................................................................55氢燃料电池车问题......................................................................66氢燃料电池车当前现状..............................................................87氢燃料电池车前景分析............................................................118氢燃料电池车行业政策............................................................139氢燃料电池车相关公司............................................................1510氢燃料电池投资建议..............................................................191氢燃料电池车概念氢燃料电池，即使用氢气作为燃料，利用电解水的逆反应产电的一种燃料电池，是质子交换膜燃料电池。氢燃料电池工作原理即：将氢气送到电池的阳极板，通过催化剂的作用，氢原子变成一个正电荷的氢离子和一个负电荷的电子，其中氢离子通过电解质到达阴极板，而电子不能通过电解质，而只能通过外部电路形成电流。电子到达阴极板后，与氧原子和氢离子重新结合为水。图表1氢燃料电池工作示意图2氢燃料电池车产业链氢燃料电池主要包括电池组件和燃料两个部分。因此其上游主要是氢气供应以及电池零组件。氢气供应部分主要是为燃料氢气而准备的，主要流程包括氢气生产、输送和充气机。而电池零组件部分则主要生产燃料电池组、氢气存储设备和配件。中游则是将上述组装，形成一个完整的可投入使用的燃料电池系统，每种系统构成都依据其不同的应用领域而有所不同。下游的应用板块则主要包括了固定、交通运输和便携式三个主要领域。图表2氢燃料电池产业链图产业链的核心在于中游的燃料电池系统，系统的组成必定要对应下游的应用，而在燃料电池系统中，燃料电池模块是最为重要的。一般燃料电池由电解质、催化剂和双极板构成，在这三者中，催化剂的有无对燃料电池成本的影响最为巨大。3氢燃料电池车成本构成区别于传统汽车和锂电汽车，燃料电池汽车中的成本部分有71%与其燃料电池动力系统相关，分别是燃料电池系统（63%）和车载储氢系统（8%）。在占半数以上成本的燃料电池系统中，电极、电极板、电解质膜和反应催化剂都是至关重要的核心部件。图表3燃料电池汽车成本构成氢燃料电池成本下降空间主要来源于以下几方面：催化剂、质子交换膜、双极板、制氢、储氢。1）催化剂：目前主流是用贵金属铂，由于铂资源稀导致成本高。解决办法一方面提升铂镀层技术、减少铂用量；另一方面是研发新型催化剂代替，如今所有的替代品都处于实验室阶段，还没有有效可靠的解决方案。2）质子交换膜：质子交换膜具有足够高的机械强度和结构强度，以及膜表面适合与催化剂结合等性能。达到燃料电池汽车质子交换膜使用要求的目前只有美国杜邦公司的Nafion质子交换膜等少数几家公司的高端产品。中国国内装配燃料电池所用的质子交换膜主要依靠进口，3）双极板：目前石墨双极板是主流应用，加工成本高，约占极板成本80%，同时加工时间长，限制了大规模供应。4）制氢：目前制氢多采用电解盐水、冶炼等高碳排放技术，由于该种制氢方法成本高，效率相对较低，同时碳排放量大，也在一定程度上限制了氢燃料电池汽车的产业化。随着全球氢社会建设的加快，氢消费量也将快速增加，从2015年的小于1万亿上升到2050年的6.5万亿左右。在此期间，氢的价格也会逐渐下降。根据日本新能源产业技术综合开发机构的测算，刨除加氢站的利润，2013年的供氢成本为1立方米120日元左右，而这个价格在2015年降低到90日元，到2020年仅为60日元。图表4供氢成本下降趋势（单位：日元/立方米）5）储氢：氢气要安全储藏和运输成本相对于普通能源要高很多。丰田Mirai中设计了一大一小两个储氢罐，通过高压的方式尽可能多充入一些氢气。以目前的主流储存技术，丰田选用了700个大气压的高压储气罐，两个储氢罐一共的容量是122.4升，采用700个大气压储存，能容纳约5公斤的氢气，续航里程达到650km。目前，欧日储氢技术已达到成熟水平，但安全性问题仍没有得到可靠的解决。在汽车领域，燃料电池系统的高成本增加了整个汽车的成本，未来的主攻方向是如何在减小成本的同时延长使用寿命。降低燃料电池系统的成本从理论上讲是可行的，并且很大程度上决定了整个汽车的成本。但是高压罐的成本却很难下降，因为高压罐的成本很大程度上取决于昂贵的复合材料，所以目前的研发重点集中在降低高压罐的复合材料成本。电池和电力控制系统的成本随着技术的进步都会有一定的下降，因为材料的限制不会下降得太多，但是高技术的融入会延长电池使用寿命，从而提高整个汽车的使用性能。2015年，丰田公司宣布最新的氢燃料电池汽车在试运行期价格是6万美元，但是该价格可能主要反映的是客户的支付意愿，而不是生产汽车的成本，因为氢燃料电池汽车目前主要是针对高收入群体和汽车技术爱好者，并且要求在居住地附近有相应的加氢站。4氢燃料电池车优点（1）无污染氢燃料电池对环境（空气、土壤等）无污染，它是通过电化学反应的方式提供电力，只会产生热和水。如果氢气本身是通过可再生能源产生的（风电或光伏发电等），那么整个循环就可达到零有害物质排放。氢燃料电池同时可以减少温室气体的排放，可为“把全球平均气温升幅控制在工业革命前水平以上低于2°C之内”这一目标服务。相较于氢燃料电池，传统意义的电力来源于燃烧（汽、柴油）和储能（锂电池等）。燃烧会释放碳、氮、硫等气体氧化物和粉尘，造成空气污染；蓄电池内的化学物质（如铅）则会造成严重的土壤和水污染，并可能对身体健康造成伤害。（2）噪声小氢燃料电池运行安静，噪声大约在55分贝，相当于人们正常交谈的水平。这使得氢燃料电池适用于室内，或是在室外对噪声有限制的地方。（3）高效率传统的火力发电站燃烧能量大约有70%要消耗在锅炉和汽轮发动机这些庞大的设备上。氢燃料电池是将电化学能转化为电能，不需要经过热能和机械能（发动机）的中间变换，能量转换率可以达到60%-80%。（4）能够提高能源普及率氢燃料电池可以作为连接能源供给侧和需求侧的纽带，提高能源供需的灵活性。将氢燃料电池引入偏远地区，可在减少温室和有害物质排放的同时扩大离网型电力部署；并且在可能出现的由于供过于求产生弃光、弃电的情况下承担调电的责任。5氢燃料电池车问题（1）成本高氢燃料电池成本最高的部分是电池组，其次是氢燃料罐和电池配件。电池组中成本最高的包括铂催化剂、电解质膜和双极板。催化剂由于稀缺导致生产成本极高。未来要实现更广泛的商业化，并与内燃机汽车竞争，必须降低电池组的成本。2007年本田汽车制造公司推出了第一款“氢燃料电池车”，由于造价昂贵（每千瓦输入功率成本高达$3500），只生产了200辆。得益于技术的突破（包括用更少的催化剂产出同等功率），电池组的成本以指数级下降。如果这个降价趋势继续并且电池组能够每年量产50万台，未来其成本可降至每千瓦仅$50，这就与建造内燃机的成本相当了。与现有的燃料能源相比，液化氢的售价大概每千克$14，是汽油价格的6倍。要想引入市场，液化氢每千克售价需下降至少3倍。（2）燃料来源传统工业制氢的方法以化石材料制氢（甲烷的催化重整，效率70%-85%，技术成熟），和电解水（效率65%-78%，已商业化）为主。现阶段大部分电解水所需的能源来自于煤电，发电过程能量损耗大，并且不环保。随着对大规模制氢需求的提高，生物质氢、热化学制氢和太阳光催化光解制氢等方法也在广泛应用。如何克服成本和技术壁垒大规模、低成本制氢，任重道远。（3）配套设施阻碍氢燃料电池车的最主要因素是配套基础设施的缺失；加氢站的覆盖率小，其高昂的建设成本也使得加氢站的建设只能作为实验性经营。从图表5展示的全球主要地区现有和计划建设公共加氢站数量可以看出，欧美日韩等发达国家和地区在氢燃料电池的应用上处于领先地位。中国到2017在运营的加氢站只有6个，分别在北京、上海、深圳、郑州、大连和佛山，且主要是为研发型及示范性汽车提供加注服务，暂未实现全商业化运营。图表5：主要地区现有和计划建设公共加氢站分布加氢站的主要设备包括储氢装置、压缩装置、加注设备和站控系统等，其中压缩机占成本较高（约30%）。国内加氢站稀缺的主要原因是建设加氢站所需的关键部件没有量产的成熟产品，大多依靠进口；目前设备制造的发展方向主要是加速氢气压缩机的国产化进程，从而降低加氢站的建设成本，促进氢能产业链的发展。此外，国内建设加氢站的成本回收周期较长，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，而国内氢燃料电池乘用车保有量远远低于日韩和欧美等地区。（4）储藏与安全通常氢气以三种形态存储和运输：高压气态、液态和氢化物状态。短期内，高压罐储氢仍是主要氢气储存、运输手段。但从长期来看，需要具备高储氢容量、高安全性、吸/放氢速率快、长寿命和低成本的储氢材料。因此，轻质储氢材料、有机液态储氢材料等低压或常压储氢材料将成为未来发展的重点。图表6展示了现阶段储氢技术的成本、生命周期和成熟度等信息。图表6：储氢技术的功率、转化率、投资成本、生命周期和成熟度介绍就安全方面而言，氢燃料电池在汽车领域的应用应从储氢安全、车载供氢系统安全和汽车碰撞安全三个方面考虑。1）液氢优于气氢。多方文献分析了氢燃料电池车采用液氢、高压气氢和金属氢化物储氢3种不同储氢方案的安全性和实用性。结果表明液氢方案的加注站安全性、泄露安全性和易操作性优于气氢方案；2）车载供氢系统应包括气罐压力读数器和气罐安全泄压等，保证气罐在安全的工作范围之内；3）考虑氢气泄露和氢气罐保护。氢是最轻的元素，比液体燃料和其它气体燃料更容易从小孔中泄露。如果发生泄漏，氢气会迅速扩散。由于氢在空气中的体积比在4%和74.2%之间就可燃烧，且纯氢氧混合气在燃烧时发出的光不在可见光范围内，因此接近氢气火焰的人可能不知道火焰的存在，从而增加了危险性。高压气罐的固定支架和钢带应有足够的强度，以保证在碰撞过程中，气罐的位移不会太大，避免造成连接管路的断裂、变形，导致氢气泄漏。6氢燃料电池车当前现状1、国外：（1）北美美国和加拿大是燃料电池研发和示范的主要区域。在美国能源部（DOE）、交通部（DOT）和环保局（EPA）等部门的支持下，燃料电池技术近年来取得了很大的进步，通用、福特、丰田、戴姆勒奔驰、日产、现代等整车企业都在美国加州参加了燃料电池电动汽车的技术示范运行，并培育了联合技术公司（UTC，美国）、巴拉德（Ballad，加拿大）等国际知名的燃料电池研发和制造企业。美国在2006年专门启动了国家燃料电池公共汽车计划（NationalFuelcellCityBusProgram，NFCBP），进行了广泛的车辆研发和示范工作。2011年美国燃料电池公共汽车实际道路示范运行单车寿命最长超过11000小时；到2015年，运行的公交车平均累计运行时间已经达到9000小时（仍然在运行），最长的车辆寿命超过了18000小时。到2016年底，美国燃料电池公共汽车的