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【探索研究】氢能—氢燃料电池子篇

发布时间:21-06-16

一、行业背景
  
  氢燃料电池是将氢气和氧气的化学能直接转换成电能的发电装置。其基本原理是电解水的逆反应,把氢和氧分别供给阳极和阴极,氢通过阳极向外扩散和电解质发生反应后,放出电子通过外部的负载到达阴极。
  
  早在20世纪60年代,氢燃料电池就已经成功地应用于航天领域。往返于太空和地球之间的“阿波罗”飞船就安装了这种体积小、容量大的装置。进入70年代以后,随着人们不断地掌握多种先进的制氢技术,很快,氢燃料电池就被运用于发电和汽车。
  
  中国氢燃料电池在规划新能源战略之初就确立为了重点发展方向,以五年为阶段划分,“十五”是燃料电池基础研发阶段,“十一五”在结合2008年的北京奥运会、2010年的上海世博会的基础上,进行了小规模的生产应用;“十二五”时期,整车企业陆续进入; “十三五”时期,以公交车、物流车为代表的商用车,及以上汽为代表的乘用车将燃料电池产品陆续投放市场;“十四五”时期我国氢能及相关产业发展,将继续依托国家重点研发专项,持续加大国家资金投入,加快提升氢燃料电池技术成熟度,燃料电池产业将迎来快速发展的重大机遇期。

二、燃料电池的技术
  
燃料电池根据技术原理大致可以分为四代:第一代燃料电池技术碱性燃料电池(AFC)是最早开发的燃料电池技术,在20世纪60年代就成功的应用于航天飞行领域。第二代燃料电池技术熔融碳酸型燃料电池(MCFC)主要应用于设备发电。第三代燃料电池技术固体氧化物燃料电池(SOFC)以其全固态结构拥有更高的能量效率。第四代燃料电池技术质子交换膜燃料电池(PEMFC)同时具有较高的能量效率和能量密度,体积重量小,冷启动时间短,运行安全可靠。目前主流车企主流商用车/乘用车车型均采用 PEMFC 路线。从 18 年以来主要燃料电池车型看,商用车厂商主要包括丰田、戴姆勒奔驰和宇通等公司,推出的商用车均采用了 PEMFC 路线,丰田、现代、通用、奔驰等已推出乘用车型亦采用 PEMFC 路线。
  
  当前规模效应、技术突破是PEMFC 路线的燃料电池成本下降主要途径,DOE(美国能源部)测算在相同技术水平下,生产规模从 2 万辆/年提高至 20 万辆/年,燃料电池电堆成本可以下降近 37%。DOE 预计,考虑规模效应(超过 50 万辆/年后)及技术进步(新型催化剂应用及电堆结构优化等),电堆成本有望下降至 53 美元/kW,降幅接近 69%。
  
图表:氢燃料汽车系统成本生产规模关系图 (横轴单位:台)
  
  同时燃料电池性能提升主要由质子传输效率和催化活性影响,提升聚合物膜的质子传输效率和催化剂催化 活性有助于带动产品性能提升。影响寿命的因素主要包括聚合物膜层面的分解和机械损伤,以及催化剂层的碳载体腐蚀和铂颗粒粗大化,仍需通过膜跟催化剂技术进步带动行业发展。

  图表:燃料电池产业链
  
  因此膜组件成本下降也是商业化核心驱动因素,其中核心原材料成本占主导地位。据DOE估算,膜电极占据燃料电池系统成本31%,是价值量最高的原材料,目前国内仅能少量生产。当前国内公司主要通过参股和技术研发等方式,投入燃料电池建设,当前产业链主要环节均有厂商布局,在政策扶持下,国内企业有望持续推动核心技术国产化进程,促进燃料电池行业发展。

图表:我国燃料电池的技术发展路径
  
三、目前氢燃料电池及燃料电池车市场简述
  
目前,将燃料电池对比10年前锂电池发展阶段上下游、市场、政策、人才等特点,燃料电池行业与十年前锂电池行业节点类似,以“十城千辆”项目实施为标志性事件开启景气周期。在学习效应的指引下,只要解决氢能管理的问题后,燃料电池产业将迎来比十年前锂离子电池行业更加畅通、有序的发展。同时锂电池汽车从客车示范起步,再转向乘用车为增长主力。燃料电池也将采取相同的路径。我们预计2020-2025年燃料电池汽车增长主要在商用车领域,2025年后以燃料电池SUV为代表的乘用车成为燃料电池汽车应用规模加速增长主力。与锂电池类似,燃料电池也将“由点及面”推进产业化进程。因此氢能区位优、市场容量大的地区是理想选择。我国工业副产氢富足,能充分满足2025年燃料电池汽车需求,且产能分布能够覆盖高市场容量地区,短期看工业副产氢是主要的低成本氢源;长期看可再生能源制氢真正实现全周期零排放,经济效益潜力巨大。
  
  (1)国内燃料电池企业及市场
  目前我国企业名称或经营范围包含“燃料电池”的相关企业数量超过2000家。同时,燃料电池汽车行业作为新能源汽车产业的重要组成部分,以上汽集团、潍柴动力等为代表的部分下游整车厂商,逐步进入燃料电池系统、零部件生产领域,向产业链上游纵向扩张;以丰田汽车、现代汽车为代表的海外整车厂商,也通过在中国境内设立研发平台、合资公司等形式参与国内燃料电池市场竞争。
  
  根据工信部发布的《新能源汽车推广应用推荐车型目录》,2017-2020年,为燃料电池汽车推荐车型提供燃料电池系统的生产厂商数量分别为10家、30家、36家及48家,2021年一季度披露的燃料电池系统的生产厂商数量共有17家。政府推荐的燃料电池系统生产厂商数量逐年增长。综上,燃料电池汽车行业企业数量规模不断扩大,市场竞争也不断加剧。
  
  现阶段我国燃料电池企业主要分为三大类:一类是较早从事燃料电池行业且具备自主核心技术的发动机供应商,以新源动力、亿华通、弗尔赛为代表;另一类是近年来兴起的以国际技术引进与合作见长、具备一定批量化生产能力的供应商,以上海重塑、国鸿氢能为代表;此外还有一系列上市公司通过投资、产业链合作与技术引进等方式不断拓展燃料电池相关业务,以大洋电机、雄韬股份为代表。下图为各类企业对比:
  
  (2)国内燃料电池车市场
  燃料电池汽车具有零排放、高效率、长续航等显著优势,是目前氢能应用的重要领域,也是我国新能源汽车三大技术路线方向之一。近年来,在国家和地方产业政策引导、行业投资热情高涨、产业链体系不断完善、产品技术水平持续提升等系列有利因素下,我国燃料电池汽车正在从技术研发向产业化方向发展。
  
  目前我国燃料电池汽车尚处于产业发展初期,市场规模还比较小,与纯电动汽车早期市场特征相似。2020年我国燃料电池专用车销量为146辆,由于受疫情和政策变动影响,整体产销量“腰斩”,燃料电池专用车销量大幅下滑近10倍,这也导致我国燃料电池汽车销量下滑至1182辆,同比下降56.8%。

  但是从车型品类来看,燃料电池车专用车型品类结构在不断丰富。2020年燃料电池专用车以附加值较高的冷藏车和保温车为主,在上一年厢式运输车、冷藏车、保温车基础上增加了牵引车、垃圾车、洒水车,燃料电池汽车向多元化发展迈出重要一步,市场终端不同应用场景有了相应的车型供给。
  
  从经济上看,考虑补贴,燃料电池客车全寿命成本有望与纯电动客车相当。燃料电池车的全生命周期成本与购置成本和使用成本密切相关,其中购置成本与国家和地方补贴强相关,而使用成本则与氢气价格强相关。根据 2020 年 9 月 21 日财政部等五部委联合发布的《关于开展燃料电池汽车示范应用的通知》,2021 年总质量 31 吨以上的重型燃料电池货车,其国家补贴最高可达到 50.4 万元/辆,大型燃料电池客车的单车补贴也仍有 33.6 万元/辆,大幅降低燃料电池车型的购置成本。
  
四、结语
  
 2020 年中国在第三届巴黎和平论坛上提2030年实现碳达峰,2060 年实现碳中和。汽车行业紧跟碳排放目标,2020 年 10 月中 国汽车工程师协会发布《节能与新能源汽车技术路线图 2.0》,汽车产业碳排放总量先于国 家碳排放承诺于2028 年左右提前达到峰值,到2035 年排放总量较峰值下降 20%以上,提出2035 年氢燃料电池汽车保有量达到 100 万辆左右的愿景。2020 年以来电堆国产化加速,国内企业加大氢燃料电池投入。根据氢燃料电池行业研究机构香橙会统计,2020年氢燃料电池行业上市及未上市公司涉及项目31起(2015年仅5起), 融资超过100亿元,涉及领域包括核心材料、电堆、系统、装备、氢储输等。目前国内已 形成北京、上海、广东、江苏、武汉等五大氢燃料电池地区和超过 100 家企业的产业格局。伴随着国产化推进,成本的下降,可以预期,氢燃料电池产业即将快速发展。

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