我國純電動汽車經(jīng)過近10年發(fā)展已取得初步成果，但仍然存在續(xù)駛里程和充電時間的短板，尚不能滿足如遠程公交、雙班出租、城市物流、長途運輸?shù)攘看竺鎻V的場景需求。燃料電池汽車相比純電動汽車具有高功率密度、續(xù)航里程長、加氫時間短的優(yōu)點，未來產(chǎn)業(yè)化重點預(yù)計將向燃料電池汽車拓展，搶占汽車產(chǎn)業(yè)技術(shù)競爭的制高點。
PS：我們運營的備用號 行研資本（ID：report18）為很多老朋友提供了另一處空間，歡迎大家同時關(guān)注！
來源：中信證券研究部
▌什么是燃料電池?
燃料電池(FuelCell)是一種非燃燒過程的電化學(xué)能轉(zhuǎn)換裝置。將氫氣(等燃料)和氧氣的化學(xué)能連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)換為電能。
其工作原理是H2在陽極催化劑作用下被氧化成H 和e-，H 通過質(zhì)子交換膜達到正極，與O2在陰極反應(yīng)生成水，e-通過外電路達到陰極，連續(xù)不斷的反應(yīng)就產(chǎn)生了電流。
燃料電池雖然帶有“電池”二字，卻不是傳統(tǒng)意義上的儲能設(shè)備，而是一種發(fā)電設(shè)備，這是燃料電池與傳統(tǒng)電池最大的區(qū)別。
燃料電池是理想的“內(nèi)燃機替代者”。氫氣是燃料電池主要燃料，從燃料安全性上看，氫氣無毒無害，反應(yīng)物為水，無毒無害，綠色清潔。
氫氣密度小，高壓氫氣泄漏燃燒時形成向上火炬，不向周圍擴散。因此氫氣安全性是高于天然氣和石油等化石燃料。
從性能上看，燃料電池能量轉(zhuǎn)化效率為50-70%，功率密度約3kW/L，柴油機功率密度約1.3kW/L，是理想的“內(nèi)燃機替代者”。
燃料電池的能量密度可達500Wh/kg，循環(huán)壽命4000次以上，性能優(yōu)于鋰電池。
燃料電池類型多樣，質(zhì)子交換膜氫燃料電池成未來車用主流
燃料電池根據(jù)運行機理不同可分為酸性燃料電池和堿性燃料電池。具體來說，根據(jù)電解質(zhì)的不同分為堿性燃料電池、磷酸燃料電池、固體氧化物燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池和質(zhì)子交換膜燃料電池等五大類。
其中堿性燃料電池最早成功開發(fā)，穩(wěn)定應(yīng)用于航天領(lǐng)域;磷酸燃料電池屬于第一代燃料電池，其技術(shù)最成熟、商業(yè)化程度最高，在美日廣泛應(yīng)用于大型電站;熔融鹽和固體氧化物燃料電池分別是第二、三代技術(shù)，多用于發(fā)電廠;質(zhì)子交換膜燃料電池應(yīng)用前景最廣闊，未來預(yù)計將成為汽車領(lǐng)域主流燃料電池技術(shù)。
▌氫氣如何生產(chǎn)、運輸、加注?
氫氣的生產(chǎn)
現(xiàn)階段氯堿工業(yè)副產(chǎn)氫是成本最低的氫氣來源，未來電解水制氫是主流。
氫氣是一種常見的工業(yè)氣體，主流的制氫技術(shù)主要有三種:
(1)重整化石能源(如天然氣、甲醇等);(2)電解水;(3)氯堿工業(yè)副產(chǎn)品。
在現(xiàn)階段，選擇成本較低、氫氣產(chǎn)物純度高的氯堿工業(yè)副路線，已經(jīng)可以滿足下游燃料電池車運營的氫氣需求;天然氣重整是歐美普遍采用的制氫方法，國內(nèi)也廣泛應(yīng)用于化工行業(yè);
在未來，核電及可再生能源發(fā)電成本大幅降低的情況下，電解水制氫將成為終極決方案。
以國家能源集團為例，煤炭資源是公司的優(yōu)勢，同時積極發(fā)展氫能等業(yè)務(wù)，旨在從煤炭經(jīng)銷商轉(zhuǎn)變?yōu)槭澜缫涣鞯那鍧嵞茉垂?yīng)商。
神華制氫的三路徑:風(fēng)電制氫;煤層氣及煤化工副產(chǎn)氣;及煤制氫 二氧化碳封存技術(shù)。
當(dāng)前，神華已具備充足的制氫能力，足夠提供4000萬輛燃料電池乘用車的使用。
同時配合公司的風(fēng)電制氫，及已經(jīng)成功的三十萬噸二氧化碳封存技術(shù)，為低成本低碳制氫奠定了基礎(chǔ)。
氫氣的運輸
氣氫拖車運輸是目前性價比最高的選擇，未來液氫罐車是主流。運氫的方式主要分為:氣氫拖車運輸、氣氫管道運輸和液氫罐車運輸。
拖車運輸適用于將制氫廠的氫氣送到距離不太遠而同時需求量不大的用戶，前期投資不高;而管道運輸入前期投入高，適用于大規(guī)模的輸送;液氫罐車的運輸能力強但仍存在技術(shù)難點。
從現(xiàn)階段加氫站對運輸距離(<500km，200km為宜)和運輸規(guī)模(10噸/天)的需求來看，氫氣最佳的運輸方式仍是氣氫拖車。
當(dāng)前氫的存儲和運輸(包括壓縮)費用占氫氣售價的占比超過一半，我們認為，通過分布式制氫將有效降低運輸成本，例如將大型的外供式加氫站建在大型的集中制氫基地附近，通過減少運輸距離降低成本。
氫氣的加注:撬裝式加氫站是目前發(fā)展的重點。
按照加氫站的不同形式分類，加氫站可以分為:固定式和移動式，其中移動式加氫站又可以分為移動撬裝式和加氫車兩種，移動加氫站具有機動靈活、加注能力高、性能可靠、使用簡單方便的優(yōu)點。
這幾種形式可以和站內(nèi)制氫以及站外供氫的模式進行有機混合。例如，豐田在澳洲推出Mirai時，也建設(shè)了移動式氫氣加氫站，相當(dāng)于半自動拖車，生產(chǎn)及壓縮氫氣，并輸送至冷卻的儲氫罐中。
撬裝式加氫站是目前發(fā)展的重點，其安全性要求的復(fù)雜性相較于固定式的加氫站較低，較易滿足。
撬裝式加氫站設(shè)備是指將儲氫罐內(nèi)的氫燃料經(jīng)管路、低溫泵、計量系統(tǒng)等元件注入到汽車燃料電池車用瓶中的專用裝置。主要設(shè)備包括:氫燃料儲存系統(tǒng)、管路系統(tǒng)、潛液泵、流量計量系統(tǒng)、站控系統(tǒng)等設(shè)備，并將各系統(tǒng)安裝在撬體內(nèi)。
▌目前燃料電池商業(yè)化進程幾何?
歐美日燃料電池商業(yè)化走在前列
日本:分布式發(fā)電和汽車領(lǐng)域應(yīng)用同步發(fā)展
日本燃料電池出貨量和裝機規(guī)模占全球60%以上。從2009年開始，日本政府便通過購置補貼、免費加氫、放寬行業(yè)標(biāo)準、制定長期規(guī)劃等手段，鼓勵燃料電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
根據(jù)日本2014年公布的《氫燃料電池戰(zhàn)略發(fā)展路線圖》，在2025年前的第一階段，將快速擴大氫能的使用范圍，以促進燃料電池的裝置數(shù)量在2020年和2030年分別達到140萬臺和530萬臺;
在2020-2030年的第二階段，日本將全面引入氫發(fā)電和建立大規(guī)模氫能供應(yīng)系統(tǒng)，將購氫價格降至30日元/m3;在2040年的第三階段，將通過收集和儲存二氧化碳，全面實現(xiàn)零排放的制氫、運氫、儲氫。
目前日本的燃料電池主要應(yīng)用于家用熱電聯(lián)供和汽車兩大領(lǐng)域。
日本通過家用燃料電池?zé)犭娐?lián)供(ENE-FARM)計劃，在2005-2009年建設(shè)家用燃料電池示范項目3300臺套，并在2009年進行大規(guī)模商業(yè)化推廣。
2009年后，在日本政府補貼政策和松下、東芝等廠商大力推廣下，家用燃料電池系統(tǒng)順利開啟商業(yè)化應(yīng)用階段;截至2017年，日本共安裝使用家用燃料電池系統(tǒng)約25萬套，規(guī)模效應(yīng)明顯，成本迅速降至120萬-150萬日元/套(約8萬元/套)，12年成本下降80%以上，逐步減少補貼依賴。
ENE-FARM計劃2020年、2030年分別實現(xiàn)家用燃料電池累計裝機量達140萬套和530萬套，對應(yīng)成本有望進一步下降到50萬日元/套(約3萬元/臺套)左右。
該車不含補貼售價僅約39萬人民幣，含日本政府30%補貼售價約27萬人民幣，價格已逼近與純電動汽車售價。
2015年，豐田已交付燃料電池汽車約500輛，據(jù)豐田預(yù)測，到2025-2030年，燃料電池汽車銷量將達20萬-80萬輛。
根據(jù)日本對燃料電池加氫站的規(guī)劃，將首先在東京、大阪、名古屋、福岡等人口密集的主要地區(qū)建立100座，并對加氫站建設(shè)進行50%的補貼。
目前日本已建成加氫站數(shù)量約80座，大型氫氣生產(chǎn)設(shè)施2個以上。
按照規(guī)劃方案，日本將大規(guī)模鋪開加氫站建設(shè)，到2025年預(yù)計建設(shè)加氫站800座。
截至2017年底，日本已經(jīng)建成了91座公用加氫站。
美國:制定零排放目標(biāo)，燃料電池汽車增速高
燃料電池助力美國8州實現(xiàn)零排放。
美國政府對燃料電池在內(nèi)的新能源公司提供資金支持和稅收減免，其中，對于燃料電池和任何氫能基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)實施30%-50%的稅收抵免。
2012年，美國聯(lián)邦政府向能源部撥款63億美元用于清潔能源的研究開發(fā)示范，到2012年已進入第三階段，即按照3000美元/kWh補貼燃料電池系統(tǒng)，只要達到30%效率便可享受30%的稅收抵免。
2014年7月，包括加州在內(nèi)的8個州簽署了“零排放車輛合作協(xié)議”，力爭到2020年區(qū)域內(nèi)330萬輛機動車尾氣排放目標(biāo)為0，零排放機動車占比汽車總銷量達22%。
歐洲:重視燃料電池汽車，著力完善加氫站布局
歐洲出臺政策支持加氫站建設(shè)。歐盟2008年出臺了燃料電池與氫聯(lián)合行動計劃項目(FCH-JU)，2008-2013年共投入9.4億元歐元用于燃料電池和氫能的研究和發(fā)展;2011年又啟動“H2movesScandinavi”和歐洲城市清潔氫能項目(CHIC)，出臺CPT項目，投入1.23億歐元建設(shè)77個加氫站，并針對15個已有加氫站的國家，實現(xiàn)國與國之間的互通互聯(lián)。
2017新增加氫站數(shù)量居首，德國成為歐洲燃料電池發(fā)展標(biāo)桿。德國是歐盟中加氫站建設(shè)最多的國家，2017年已建設(shè)56座以上，其中45座為公用加氫站，預(yù)計到2018年將達100座，2020年將達400座，2025年將1000座。此外，英國等國家也將加快加氫站建設(shè)。
2017年奔馳又推出了GLC級F-CELL，氫燃料儲量4.4kg，最大續(xù)航里程達到437公里。
▌燃料電池汽車:從技術(shù)驗證步入商業(yè)化推廣
相較純電動車，氫燃料電池車(FCV)續(xù)航能力更強、行駛成本降低空間大。
相比燃油車，氫燃料電池車和鋰電池車兩種路線都具有轉(zhuǎn)化率高、環(huán)保無污染等優(yōu)點，而氫燃料車在續(xù)航里程及能量補充時間上具明顯優(yōu)勢。
續(xù)航里程上，鋰電動車中表現(xiàn)較優(yōu)的BYDe6及特斯拉可達400km;而豐田Mirai續(xù)航里程可達650km。
能量補充上，電動車重新補充能量的過程是一次將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲蓄的過程需要耗費大量的時間，但是對于燃料電池車而言，重新獲得能量的過程則是一次氫燃料加注的物理過程。
純電動車直流快充時長在2-3小時，氫燃料車一次加氫只需3-5分鐘。
行駛成本方面，純電動車百公里能耗在15至20度電左右，以目前北京地區(qū)運營的充電站為例，充一度電充電費用以及服務(wù)費用總價在1.5元/度電，行駛成本約0.3-0.4元/公里;氫燃料電池車方面，豐田Mirai的5kg氫氣行駛650km，根據(jù)氫成本和售價得知行駛成本0.2-0.8元/公里，下降空間大。
按照出貨規(guī)模統(tǒng)計，2017年全球燃料電池出貨7.3萬套( 12%)，共670MW( 40%)，功率增速比系統(tǒng)數(shù)量增速高，說明單體容量提升;2012-2017年累計出貨量約37.3萬套，累計規(guī)模2511MW，CAGR為32%。
從地區(qū)分布來看，2016年亞洲、北美的燃料電池出貨量分別占世界的83%、11%，相較2011年的燃料電池出貨量分別增長了217%、121%，其增長勢頭迅猛。目前全球燃料電池主要集中在亞洲、北美和歐洲。
2016年，亞洲、北美、歐洲及其他地區(qū)燃料電池系統(tǒng)出貨量分別為53.9、7.3、3.5和0.5千件，裝機規(guī)模分別為245.9、209.1、22.0和1.6MW，可以看出亞洲與北美是燃料電池市場的絕對主力。其中由于應(yīng)用領(lǐng)域的差異，亞洲地區(qū)在出貨量上遙遙領(lǐng)先，而出貨規(guī)模與北美地區(qū)相差不大。
日本三款燃料電池車型已投入市場量產(chǎn)，豐田Mirai、本田Clarity銷量向好。現(xiàn)已投入市場量產(chǎn)的燃料電池車有豐田Mirai、本田Clarity、現(xiàn)代ix35FCV，截至2018年其銷量分別為7518、1277、255臺，占比83%、14%、3%。其中2018年銷量分別為2300、1277、225臺。
歐洲/美國車企采取與日本合作，三大聯(lián)盟漸形成。
雖然在燃料電池核心技術(shù)研發(fā)進展上與日本齊頭并進，但在規(guī)模化量產(chǎn)的決策上，歐美的確落后了一步。
但由于擁有龐大的潛在市場，豐田的Mirai燃料電池車、現(xiàn)代途勝的燃料電池車，以及本田的Clarity燃料電池車都不約而同將美國尤其是加州作為車型推廣的前沿陣地。
歐美各大汽車廠商也不甘落后，紛紛采取和日車廠合作的模式，盼后來居上。
在燃料電池汽車的研發(fā)推廣過程中，市場上逐漸形成三大汽車集團聯(lián)盟:戴姆勒/福特/雷諾-日產(chǎn)聯(lián)盟、寶馬/豐田聯(lián)盟、通用/本田聯(lián)盟。
燃料電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展可以分為三個階段。
1)對燃料電池在汽車上的應(yīng)用展開基礎(chǔ)理論研究;
2)主要針對燃料電池能量密度、功率、可靠性及耐久性的研究;
3)降低鉑催化劑、制氫成本，同時加快配套基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)。從目前國際上主流車企的研發(fā)和車型推出速度來看，我們認為其基本處于第三階段:關(guān)于燃料電池的主要技術(shù)限制已被解決，正著手降低各項成本以正式商業(yè)化。
▌未來燃料電池的成本在哪些方面能下降?
燃料電池成本下降主要來自規(guī)模效應(yīng)和技術(shù)水平的提升。
具體到各個環(huán)節(jié)來看，氣體擴散層、空壓機儲氫瓶電控系統(tǒng)和其他常用零部件(管路、連接等)降本主要由規(guī)?；?yīng)驅(qū)動;而質(zhì)子交換膜、催化劑雙極板和其他較為關(guān)鍵的零部件(氫氣電池閥等)降本則需技術(shù)和材料工藝的進步加以推動。
燃料電池系統(tǒng)及儲氫系統(tǒng)占到整車制造成本近70%
燃料電池系統(tǒng)及儲氫系統(tǒng)占到整車制造成本近70%，其中僅燃料電堆就占到整車成本的30%，儲氫系統(tǒng)占到整車成本的14%。
燃料電堆是燃料電池系統(tǒng)的核心，燃料電堆中的核心材料又分為膜電極(MEA)、雙極板及其他部件;
膜電極是電化學(xué)反應(yīng)的核心部件，由催化劑、質(zhì)子交換膜、氣體擴散層組成。催化劑(36%)、質(zhì)子交換膜(12%)和雙極板(23%)合計占到燃料電堆成本的近70%，是成本降低的主要突破點。
過去十年來技術(shù)突破帶來燃料電池成本顯著降低
鉑催化劑價格高昂、非鉑基催化劑短期難以走出實驗室，降低鉑用量是重點攻克方向。
在電堆成本中，催化劑的成本占比高達36%，主要原因是當(dāng)前常用的鉑催化劑價格高昂。
據(jù)美國能源部統(tǒng)計，2015年每輛80kW的燃料電池汽車平均鉑用量約為100克，遠高于傳統(tǒng)燃油車的鉑用量。
鉑金目前全球探明的儲量只有1.4萬噸，而中國的鉑金儲量不到90噸，每年開采量僅兩噸左右。由于鉑金儲量的稀缺性，市場需大于求的狀況難以改變，其價格勢必長期維持在高位，因此改善催化劑性能和開發(fā)新型非鉑催化劑成為當(dāng)前燃料電池領(lǐng)域急需攻克的難題。美國能源部規(guī)劃到2020年單車鉑用量將降至50克左右，而最終目標(biāo)將降至每車20克，直接帶動成本下降30%左右。
規(guī)模效應(yīng)在產(chǎn)業(yè)化初期帶來的成本下降效果最為顯著
規(guī)模效應(yīng)提升加速成本下降。燃料電池的價格下降與生產(chǎn)規(guī)模效應(yīng)的提升密切相關(guān)。
據(jù)美國能源部報告，以功率為80kW的質(zhì)子交換膜燃料電池乘用車為例，在燃料電池年產(chǎn)量分別為1000輛、1萬輛、3萬輛、8萬輛、10萬輛和50萬輛時，其生產(chǎn)成本分別為2.2萬美元、8500美元、6500美元、5500美元、5200美元和4400美元，對應(yīng)的單瓦成本分別為273美元、106美元、82美元、69美元、66美元和55美元。
在燃料電池系統(tǒng)量產(chǎn)初期，價格下降幅度最大，年產(chǎn)量從1000系統(tǒng)/年增加至10000系統(tǒng)/年，可帶動燃料電池系統(tǒng)成本下降幅度高達60%以上，主要依靠儲氫瓶、空壓機、質(zhì)子交換膜等零部件的成本降低實現(xiàn);當(dāng)產(chǎn)量超過1萬臺/年之后，成本下降幅度隨著產(chǎn)量增大放緩。
聯(lián)系客服
