燃料电池行业深度研究报告.docx

燃料电池行业深度研究报告前 言：燃料电池公认的高效、清洁的绿色能源装置，是内燃机的理想替代者。其中，氢能燃料电池被认为是实现车辆使用阶段“零排放”、全生命周期“低排放”的重要技术路径。我国纯电动汽车经过近 10 年发展已取得初步成果，但仍然存在续驶里程和充电时间的短板，尚不能满足如远程公交、双班出租、城市物流、长途运输等量大面广的场景需求。燃料电池汽车相比纯电动汽车具有高功率密度、续航里程长、加氢时间短的优点，未来产业化重点预计将向燃料电池汽车拓展，抢占汽车产业技术竞争的制高点。中国氢能来源广泛，是全球第一产氢大国，具备充分发展氢能燃料电池的能源基础。我国已针对氢能汽车开展了大量技术攻关和产业化示范应用研究，上汽、潍柴、福田、长城等骨干企业已经启动燃料电池商业化。背靠电动汽车上已取得的三电技术突破，形成自主特色的电电混合技术优势。2019 年 1 月的“中国电动车百人会论坛(2019)”上，全国政协副主席万钢、中国电动汽车百人会执行副理事长欧阳明高、中国工程院院士衣宝廉等等多位重要人物均表达了对燃料电池产业的看好与倡导。地方如深圳、佛山等相继出台氢能和燃料电池相关政策。预计至 2030 年，我国有望成为全球最大的燃料电池汽车市场。目前国内初步掌握了氢燃料电池堆及其关键材料、动力系统、整车集成和氢能基础设施的核心技术，基本建立了具有自主知识产权的氢燃料电池汽车动力系统技术平台，已经具备商业化基础，2018 年是氢燃料电池汽车元年，在国家产业规划和地方政策支持的双重利好下燃料电池产业已步入加速上升通道。上游方面重点关注燃料电池电堆核心材料膜的国产化突破和氢能产业链布局，中游方面重点关注燃料电池系统集成和辅件环节，下游方面重点关注燃料电池率先应用的商用车领域。▌什么是燃料电池?燃料电池(FuelCell)是一种非燃烧过程的电化学能转换装置。将氢气(等燃料)和氧气的化学能连续不断地转换为电能。其工作原理是 H2 在阳极催化剂作用下被氧化成 H+和 e-，H+通过质子交换膜达到正极，与 O2 在阴极反应生成水，e-通过外电路达到阴极，连续不断的反应就产生了电流。燃料电池虽然带有“电池”二字，却不是传统意义上的储能设备，而是一种发电设备，这是燃料电池与传统电池最大的区别。燃料电池是理想的“内燃机替代者”。氢气是燃料电池主要燃料，从燃料安全性上看，氢气无毒无害，反应物为水，无毒无害，绿色清洁。氢气密度小，高压氢气泄漏燃烧时形成向上火炬，不向周围扩散。因此氢气安全性是高于天然气和石油等化石燃料。从性能上看，燃料电池能量转化效率为 50-70%，功率密度约 3kW/L，柴油机功率密度约 1.3kW/L，是理想的“内燃机替代者”。燃料电池的能量密度可达 500Wh/kg，循环寿命 4000 次以上，性能优于锂电池。燃料电池类型多样，质子交换膜氢燃料电池成未来车用主流燃料电池根据运行机理不同可分为酸性燃料电池和碱性燃料电池。具体来说，根据电解质的不同分为碱性燃料电池、磷酸燃料电池、固体氧化物燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池和质子交换膜燃料电池等五大类。其中碱性燃料电池最早成功开发，稳定应用于航天领域;磷酸燃料电池属于第一代燃料电池，其技术最成熟、商业化程度最高，在美日广泛应用于大型电站;熔融盐和固体氧化物燃料电池分别是第二、三代技术，多用于发电厂;质子交换膜燃料电池应用前景最广阔，未来预计将成为汽车领域主流燃料电池技术。▌氢气如何生产、运输、加注?氢气的生产现阶段氯碱工业副产氢是成本最低的氢气来源，未来电解水制氢是主流。氢气是一种常见的工业气体，主流的制氢技术主要有三种:(1)重整化石能源(如天然气、甲醇等);(2)电解水;(3)氯碱工业副产品。在现阶段，选择成本较低、氢气产物纯度高的氯碱工业副路线，已经可以满足下游燃料电池车运营的氢气需求;天然气重整是欧美普遍采用的制氢方法，国内也广泛应用于化工行业;在未来，核电及可再生能源发电成本大幅降低的情况下，电解水制氢将成为终极决方案。以国家能源集团为例，煤炭资源是公司的优势，同时积极发展氢能等业务，旨在从煤炭经销商转变为世界一流的清洁能源供应商。神华制氢的三路径:风电制氢;煤层气及煤化工副产气;及煤制氢+二氧化碳封存技术。当前，神华已具备充足的制氢能力，足够提供 4000 万辆燃料电池乘用车的使用。同时配合公司的风电制氢，及已经成功的三十万吨二氧化碳封存技术，为低成本低碳制氢奠定了基础。氢气的运输气氢拖车运输是目前性价比最高的选择，未来液氢罐车是主流。运氢的方式主要分为:气氢拖车运输、气氢管道运输和液氢罐车运输。拖车运输适用于将制氢厂的氢气送到距离不太远而同时需求量不大的用户，前期投资不高;而管道运输入前期投入高，适用于大规模的输送;液氢罐车的运输能力强但仍存在技术难点。从现阶段加氢站对运输距离(<500km，200km 为宜)和运输规模(10 吨/天)的需求来看，氢气最佳的运输方式仍是气氢拖车。当前氢的存储和运输(包括压缩)费用占氢气售价的占比超过一半，我们认为，通过分布式制氢将有效降低运输成本，例如将大型的外供式加氢站建在大型的集中制氢基地附近，通过减少运输距离降低成本。氢气的加注:撬装式加氢站是目前发展的重点。按照加氢站的不同形式分类，加氢站可以分为:固定式和移动式，其中移动式加氢站又可以分为移动撬装式和加氢车两种，移动加氢站具有机动灵活、加注能力高、性能可靠、使用简单方便的优点。这几种形式可以和站内制氢以及站外供氢的模式进行有机混合。例如，丰田在澳洲推出 Mirai 时，也建设了移动式氢气加氢站，相当于半自动拖车，生产及压缩氢气，并输送至冷却的储氢罐中。撬装式加氢站是目前发展的重点，其安全性要求的复杂性相较于固定式的加氢站较低，较易满足。撬装式加氢站设备是指将储氢罐内的氢燃料经管路、低温泵、计量系统等元件注入到汽车燃料电池车用瓶中的专用装置。主要设备包括:氢燃料储存系统、管路系统、潜液泵、流量计量系统、站控系统等设备，并将各系统安装在撬体内。▌目前燃料电池商业化进程几何?欧美日燃料电池商业化走在前列日本:分布式发电和汽车领域应用同步发展日本燃料电池出货量和装机规模占全球 60%以上。从 2009 年开始，日本政府便通过购置补贴、免费加氢、放宽行业标准、制定长期规划等手段，鼓励燃料电池产业的发展。根据日本 2014 年公布的《氢燃料电池战略发展路线图》，在 2025 年前的第一阶段，将快速扩大氢能的使用范围，以促进燃料电池的装置数量在 2020 年和 2030 年分别达到 140 万台和 530 万台;在 2020-2030 年的第二阶段，日本将全面引入氢发电和建立大规模氢能供应系统，将购氢价格降至 30 日元/m3;在 2040 年的第三阶段，将通过收集和储存二氧化碳，全面实现零排放的制氢、运氢、储氢。目前日本的燃料电池主要应用于家用热电联供和汽车两大领域。日本通过家用燃料电池热电联供(ENE-FARM)计划，在 2005-2009 年建设家用燃料电池示范项目 3300 台套，并在 2009 年进行大规模商业化推广。2009 年后，在日本政府补贴政策和松下、东芝等厂商大力推广下，家用燃料电池系统顺利开启商业化应用阶段;截至 2017 年，日本共安装使用家用燃料电池系统约 25 万套，规模效应明显，成本迅速降至 120 万-150 万日元/套(约 8 万元/套)，12 年成本下降 80%以上，逐步减少补贴依赖。ENE-FARM 计划 2020 年、2030 年分别实现家用燃料电池累计装机量达 140万套和 530 万套，对应成本有望进一步下降到 50 万日元/套(约 3 万元/台套)左右。日本丰田在 2015 年率先推出 Mirai 燃料电池汽车，其能量密度达 350Wh/kg，功率密度达 3.1kW/L，加氢时间仅 3 分钟，容量约 5-6L，对应续航里程达 500-600km。该车不含补贴售价仅约 39 万人民币，含日本政府 30%补贴售价约 27 万人民币，价格已逼近与纯电动汽车售价。2015 年，丰田已交付燃料电池汽车约 500 辆，据丰田预测，到 2025-2030年，燃料电池汽车销量将达 20 万-80 万辆。根据日本对燃料电池加氢站的规划，将首先在东京、大阪、名古屋、福冈等人口密集的主要地区建立 100 座，并对加氢站建设进行 50%的补贴。目前日本已建成加氢站数量约 80 座，大型氢气生产设施 2 个以上。按照规划方案，日本将大规模铺开加氢站建设，到 2025 年预计建设加氢站800 座。截至 2017 年底，日本已经建成了 91 座公用加氢站。美国:制定零排放目标，燃料电池汽车增速高燃料电池助力美国 8 州实现零排放。美国政府对燃料电池在内的新能源公司提供资金支持和税收减免，其中，对于燃料电池和任何氢能基础设施建设实施 30%-50%的税收抵免。2012 年，美国联邦政府向能源部拨款 63 亿美元用于清洁能源的研究开发示范，到 2012 年已进入第三阶段，即按照 3000 美元/kWh 补贴燃料电池系统，只要达到 30%效率便可享受 30%的税收抵免。2014 年 7 月，包括加州在内的 8 个州签署了“零排放车辆合作协议”，力争到 2020 年区域内 330 万辆机动车尾气排放目标为 0，零排放机动车占比汽车总销量达 22%。欧洲:重视燃料电池汽车，着力完善加氢站布局欧洲出台政策支持加氢站建设。欧盟 2008 年出台了燃料电池与氢联合行动计划项目(FCH-JU)，2008-2013 年共投入 9.4 亿元欧元用于燃料电池和氢能的研究和发展;2011 年又启动“H2movesScandinavi”和欧洲城市清洁氢能项目(CHIC)，出台 CPT 项目，投入 1.23 亿欧元建设 77 个加氢站，并针对 15个已有加氢站的国家，实现国与国之间的互通互联。2017 新增加氢站数量居首，德国成为欧洲燃料电池发展标杆。德国是欧盟中加氢站建设最多的国家，2017 年已建设 56 座以上，其中 45 座为公用加氢站，预计到 2018 年将达 100 座，2020 年将达 400 座，2025 年将 1000 座。此外，英国等国家也将加快加氢站建设。奔驰推出性能优异的新款燃料电池车。奔驰 2014 年推出的 B 级 F-Cell 是欧洲燃料电池汽车的代表车型，采用其研制的第三代燃料电池电堆，燃料电池系统体积和形状与传统发动机相当，可直接在现有燃油汽车车型上替代发动机，为燃料电池汽车的设计提供便利。2017 年奔驰又推出了 GLC 级 F-CELL，氢燃料储量 4.4kg，最大续航里程达到 437 公里。▌燃料电池汽车:从技术验证步入商业化推广相较纯电动车，氢燃料电池车(FCV)续航能力更强、行驶成本降低空间大。相比燃油车，氢燃料电池车和锂电池车两种路线都具有转化率高、环保无污染等优点，而氢燃料车在续航里程及能量补充时间上具明显优势。续航里程上，锂电动车中表现较优的 BYDe6 及特斯拉可达 400km;而丰田Mirai 续航里程可达 650km。能量补充上，电动车重新补充能量的过程是一次将电能转化为化学能储蓄的过程需要耗费大量的时间，但是对于燃料电池车而言，重新获得能量的过程则是一次氢燃料加注的物理过程。纯电动车直流快充时长在 2-3 小时，氢燃料车一次加氢只需 3-5 分钟。行驶成本方面，纯电动车百公里能耗在 15 至 20 度电左右，以目前北京地区运营的充电站为例，充一度电充电费用以及服务费用总价在 1.5 元/度电，行驶成本约 0.3-0.4 元/公里;氢燃料电池车方面，丰田 Mirai 的 5kg 氢气行驶650km，根据氢成本和售价得知行驶成本 0.2-0.8 元/公里，下降空间大。出货规模快速增长，亚洲北美为主要力量。按照出货规模统计，2017 年全球燃料电池出货 7.3 万套(+12%)，共670MW(+40%)，功率增速比系统数量增速高，说明单体容量提升;2012-2017 年累计出货量约 37.3 万套，累计规模 2511MW，CAGR 为 32%。从地区分布来...