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【原创研究】氢燃料电池发展的挑战与机遇
2020 12 01

【原创研究】氢燃料电池发展的挑战与机遇

注:本文系天堂硅谷智能制造事业部原创作品,作者为陈兆华团队投资经理叶伶俐


国内氢燃料电池产业目前进入市场导入期,下游应用主要为政府引导示范类的客车和商用车。2016-2019年氢燃料汽车市场发展迅速,实现累计销量6165辆, 但2020年1-7月氢燃料电池汽车销售403辆,同比下降63.4%,一方面来自于新冠疫情对产业上游的冲击,另一方面由于行业大部分订单为政府示范类项目,政府部门精力牵制于疫情防控的情况下,氢燃料电池的订单受到较大的影响。


氢燃料电池产业在进入大规模市场化仍存在诸多瓶颈,但从长远的角度看不影响氢燃料电池长期向好的趋势。随着关键部件成本的下降、车辆规模的增加和加氢站等基础设施的不断完善,单车成本和加氢站单位运营成本将会逐步下降,后面可较快实现放量突破,整体会呈现一个先难后易的过程。


目前行业发展过程中存在的制约瓶颈


燃料电池成本高


目前制约氢燃料电池规模化因素之一是氢燃料车辆高昂的购置成本。燃料电池系统成本在整车中占比50%,其中核心材料燃料电池电堆成本在系统中占比达到61%,电堆中关键部件膜电极、双极板成本高,是未来成本降低的主要突破点。

质子交换膜作为膜电极的核心组件,性能的优劣直接影响电池的寿命。目前市场主流采用的是全氟磺酸型膜,具备优异的稳定性、较好的机械强度和导电性能。质子交换膜成本在73.75美元/kw以上,但当产量扩大至50万台时,相应的成本可降低至5美元/kw以下。规模化的生产将带来质子交换膜成本的快速下降。

催化剂铂是膜电极降本的关键之一,亿华通30kw的燃料电池发动机用铂量为15g,折合为0.5g/kw,上海捷氢新发布的PROME M3H铂载量也低至0.3g/kw。国外最新的研究能将铂用量下降至0.06g/kw。未来铂用量预计将继续大幅下降或者市场会出现采用新型催化剂。

双极板目前采用发展较为成熟的人造石墨方法,但是主要依靠精密机械加工,其中加工一块500cm2的双极板加工费在700元以上,加工成本占双极板费用的80%。后续新型加工方法的开发是石墨双极板降本的重要方向。

目前国内厂商包括上海捷氢、上海神力等都已自主研发电堆并配套相关车型,捷氢近日发布的PROME M3H电堆功率达到130kw,体积功率密度3.8kw/L,最低可以实现零下30度低温启动,其58个一级零部件已实现全部国产化。国内电堆已经实现初步的国产化成效,2019年国产电堆价格已下降至6000-8000/kw,降幅达到25%以上;国产膜电极关键指标也已接近海外厂商水平,将成为下一个规模国产化的突破口。

车载储氢系统包括储氢瓶及辅助系统,系统总成本在整车成本中占比达到14%,其中储氢罐的碳纤维材料成本较高。目前高端碳纤维技术为日本、美国掌握,未来随着高端碳纤维技术的国产化,碳纤维的单位成本有望进一步降低。


关键技术发展缓慢    


燃料电池电堆的技术难点主要在于性能的提升,包括能量效率、功率密度、电堆寿命等。在上述关键技术上,中国与国外先进水平仍存在一定的差距,主要因为海外氢能产业市场化程度高,产品成熟度高,而国内缺乏成熟的原材料及组件产线,无法全面支持商业化。


加氢站及其他配套设施薄弱


加氢站及配套设施的发展仍处于初期,截止2019年,国内总共建成的加氢站61座,但很大部分为场内测试站与撬装站,加氢量在500kg/天以下,无法满足后期规模化运营需求。加氢站建设成本较高,日加氢500kg,35MPa的加氢站投入在1200万元,其中包括氢气压缩机和氢气加注机等关键设备需要进口,设备成本占比超过70%,叠加氢气的成本,大部分加氢站处于亏损状态,现阶段主要依靠加氢站的补贴来缩短投资回收期。同时,加氢站建设审批流程和运营政策的不完善也阻碍了市场化运营。


受益于工业副产物制氢及规模化运输,氢气使用价格有望逐步进一步降低。目前氢气的成本较高,到站价格80元/kg,补贴后价格为50元/kg,而当氢气使用成本在30元/kg时,燃料电池的使用成本才与燃油车使用成本相近。氢气成本未来下降的空间主要在制氢和储运两方面。


燃料电池在重卡商用车领域率先发力


和电动汽车相比,燃料电池具备续航历程更长,氢气加注时间更短、耐低温、电堆无衰减现象等优势,适用于大功率重载的物流货运车或者城际交通的客车,未来有机会率先实现燃料电池规模化。


重型货运卡车


纯电动重卡目前由于电池包重量重、续航里程短、充电时间长等问题,主要集中在场地用车的短途场景。尤其是电池包的重量对卡车使用效率造成较大的阻碍。特斯拉的semi卡车电池包重量在4.5吨,续航能力在500英里,而在同等续航能力情况下,燃料电池电堆重量不超过500公斤。另外燃料电池能实现-30℃低温条件下的启动,可以适应北方冬天低温环境或者高纬度恶劣天气条件。


由于氢能重卡动力系统功率大,耗氢量大,氢气使用成本成为影响成本关键因素之一,港口码头等区域成为优先布局的区域,港口码头区域具备可以集中布局大型加氢站的基础,另外在靠近港口码头等区域有较多的钢铁焦化企业,可以从源头上保证制氢的经济性。


目前下游龙头整车企业包括上汽、重汽、一汽、陕汽均已大力发展氢能重卡。尼古拉纳斯达克上市更是掀起了氢能重卡的热潮,尼古拉成为全球首个上市的氢燃料整车企业,直接与电动车领域的特斯拉进行抗衡。尼古拉采取了捆绑式租赁,为客户提供氢能重卡、氢气使用、整车保养等全生命周期的服务,从而可以为客户提供了柴油车成本持平的使用成本。


公交客车


氢燃料产业化的初期发展离不开政府采购行为的支持,氢燃料客车是较好的切入口。首先,中国人口密度大,对公共交通需求较海外发达国家更加旺盛。其次,公交客车运营时间长,需要满足长时间的可靠运营,而纯电动公交需要装载数吨锂电池来满足公交车单日续航里程的需求。在充电效率上,电动公交车充电普遍需要3-6小时,氢燃料客车加注氢气在10分钟内。氢燃料公交纯电动公交具备明显的竞争优势。


乘用车


氢燃料乘用车对燃料电池体积、能量密度等要求较商用车高,而国内相关零部件的成熟度低,短期内无法实现高性能的要求,因此乘用车国内产业化进程发展缓慢。但目前上汽、长城、广汽等整车企业等也在加快布局氢燃料乘用车,提出量产车型上市计划。


对于乘用车来说,锂电池能量密度提升的空间有限,如果未来无法克服续航里程和充电时间的问题,氢燃料电池将有望成为乘用车的解决方案。



氢燃料电池产业未来发展


我国纯电动汽车行业逐步进入成熟化,主要得益于国家从技术、补贴、充电基础设施等各个方面政策的扶持,目前纯电动行业从“补贴时代”逐步过渡到“市场化时代”。


国内燃料电池行业发展将近20年,但产业化进程远远落后于电动行业,前期由于成本居高不下无法批量生产等问题,长期处于试验阶段,直到2014年丰田推出Mirai车型掀起了全球燃料电池的热潮并进一步传导至国内开始小规模示范运行,2022年张家口东奥会更是成为国内燃料电池行业爆发的重要催化剂。


氢燃料电池行业目前所处阶段与锂电行业发展初期相近,国内对氢能产业重视大幅提升,从国家到各地地方政府相继出台一系列政策扶持氢燃料电池产业的发展,关键部件国产化进程加快,上下游企业大力加快布局速度,资本市场投融资活跃,中国氢燃料电池产业未来有望复制锂电发展成功的路径。



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