燃料電池深度研究報告：新能源行業(yè)爆發(fā)的前夜

荷葉3638 2016-11-22

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綜述:材料工藝進步+規(guī)?；寗尤剂想姵剀嚱当?規(guī)模量產后將降 60%

燃料電池深度研究報告：新能源行業(yè)爆發(fā)的前夜

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關鍵材料和部件的成本和耐久性是燃料電池實現(xiàn)商業(yè)化的基礎,。綜合分析燃料電池車(FCV)各個環(huán)節(jié),我們認為:
(1)整體來看,現(xiàn)階段(FCV 規(guī)模<1 萬輛)降本空間最大的是空氣供應系統(tǒng),成本降幅可達到 50%;長期來看(FCV 規(guī)模>1 萬輛),主要結合材料、工藝進步以及技術路線的選擇來降低電堆系統(tǒng)的成本,降幅可達到70%以上,從而降低燃料電池整車成本,。
(2)具體到各個環(huán)節(jié)來看,氣體擴散層,、空壓機、儲氫瓶,、電機電控系統(tǒng) 和其他常用零部件(管路,、連接部件等)降本主要由規(guī)模化效應驅動;而質子交換膜,、催化劑,、雙極板和其他較為關鍵的零部件(氫氣電池閥等) 降本則需技術和材料工藝的進步加以推進。

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關鍵材料和部件的成本和耐久性是燃料電池實現(xiàn)商業(yè)化的基礎

質子交換膜燃料電池具有多種性能優(yōu)勢,占據(jù)市場主導地位

燃料電池是把燃料中的化學能通過電化學反應直接轉換為電能的高效發(fā)電裝置,。常用的燃料電池按其電解質不同,可以分為質子交換膜燃料電池 (PEMFC),、固體氧化物燃料電池(SOFC)、熔融碳酸鹽燃料電池 (MCFC),、磷酸燃料電池(PAFC)和堿性燃料電池(AFC)等,。其中質子交換膜燃料電池操作溫度低、啟動速度快,是一種環(huán)保,、高效與高功率密度的發(fā)電方式,特別是在零排放交通動力應用方面具有及其誘人的前景,。

從件數(shù)角度來分析各類燃料電池的出貨量,質子交換膜電池(PEMFC)仍占據(jù)統(tǒng)治性地位,從這一點上可以看出,質子交換膜技術廣泛適用于各個領域,包括交通、備電和移動領域;相對而言,其他種類的燃料電池技術更傾向于專注于單一領域的使用,例如:MCFC 和 PAFC 適用于固定式燃料電池電站、家用熱電聯(lián)產;SOFC 使用于固定式和便攜式電源;甲醇重整燃料電池(DMFC)多用于移動設備,、小型交通工具和小型備用電源設施,。

以瓦數(shù)統(tǒng)計各類燃料電池的出貨量,我們發(fā)現(xiàn) PEMFC 電池出貨量從 2014年的 60-70MW 上升到了 2015 年的 180MW,且超過了其他幾種燃料電池的總和。

2015 年以來 PEMFC 出貨量(以瓦數(shù)計)的暴增一方面得益于豐田 (功率 114kw)和現(xiàn)代(功率 110kw)等燃料電池車的產量增長;另一方面是因為日本和歐洲等地的小型熱電聯(lián)產項目持續(xù)增加,在這方面,日本和加拿大的企業(yè)占據(jù)主要市場,。

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結合各方面來看,質子交換膜燃料電池在市場中占據(jù)主導地位,。因此,我們后文對于成本方面的分析也主要基于質子交換膜燃料電池(PEMFC)進行展開:

新一輪 FCV 商業(yè)化浪潮正在迫近,關鍵在于其成本和耐久性

車用燃料電池在世界各國的不斷研發(fā)下,在能量效率、功率密度與比功率,、低溫啟動等功能特性方面取得了突破性的進展,新一輪的燃料電池車產業(yè) 化浪潮正在迫近,。

商業(yè)化方面:(1)歐美的燃料電池汽車研究和產業(yè)化都是在各大汽車公司的主導下進行的:GM 新一代 Hydrogen 4 預計將于今年年末上市;VW 現(xiàn)階段的戰(zhàn)略重點是 PHEV,注重技術儲備,已經有數(shù)款 PHEV車型問世,未來將會分別推出奧迪 A7、帕薩特和高爾夫三款 FC 車型; 福特和奔馳都計劃 2017 年實現(xiàn)商業(yè)化,。(2)日韓政府及產業(yè)界對燃料電池未來期望較高,企業(yè)掌握領先技術:TOYOTA 是當之無愧的電動汽車領頭羊,計劃 2020 年燃料電池車達到 700 臺/年的銷量;HONDA在今年上市,開始實現(xiàn)商業(yè)化,燃料電池技術與 GM 共同研發(fā);尼桑新一代燃料電池汽車在 2015 年底上市,。

能量效率方面:Hyundai-Kia 開發(fā)的燃料電池發(fā)動機能量效率在 25%額定功率(DC 輸出電能與輸入氫燃料 LHV 的比值);

功率密度與比功率方面:PEMFC 模塊的功率密度大幅提升,日本豐田Sedan 燃料電池汽車用 PEMF 模塊的功率密度達到 3kw/L;英國Intelligent Energy 的新一代 EC200-192 模塊的功率密度達到 5kw/L; 日產 2011modelPEMFC 模塊比功率達到 2kw/kg;

低溫啟動方面:豐田燃料電池汽車和本田燃料電池汽車分別實現(xiàn)了-37°C和-30°C啟動。

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燃料電池車的商業(yè)化最終取決于購置成本和使用成本;

其中,購置成本的降低主要有幾條途徑:

(1)開發(fā)新材料;

(2)制備工藝的集成創(chuàng)新;

(3) 推進關鍵零部件和材料國產化進程;

(4)加速商業(yè)化進程實現(xiàn)規(guī)模效應等;

降低使用成本的途徑主要包括:

(1)降低燃料成本(制氫,、氫氣儲運);

(2) 加氫站的布局和運營的合理化;

(3)提高燃料電池耐久性(即使用壽命) 等,。

使用成本中涉及到氫氣上游產業(yè)鏈的部分,我們在之前的燃料電池產業(yè)鏈系列報告 1~3 中曾對于制氫成本、儲運成本和加氫站建設運營進行過系統(tǒng)的分析和研究,我們認為:

氣氫拖車+氯堿副產氫是目前的最優(yōu)選擇,成本和環(huán)保方面都已經成熟;未來液氫罐車+大規(guī)模工業(yè) 制氫將是解決燃料電池普及之后的能源需求,。相對于產業(yè)鏈的其他環(huán)節(jié),加氫站投資規(guī)模不算大,對應單車基礎投資約為 5 萬元/車(考慮加氫站補貼的情況),。

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燃料電池工作方式與內燃機相類似,除了燃料電池電堆之外,還包括燃料

供應子系統(tǒng)、氧化劑供應子系統(tǒng),、水熱管理子系統(tǒng)及監(jiān)控子系統(tǒng)等,。

車載空壓機是車用燃料電池重要部件之一,其作用是提供燃料電池發(fā) 電所需要的氧化劑(空氣中的氧氣),要求空壓機能夠提供最高功率所需要的空氣。如果按照空氣化學計量比 2.0 計算,100kw 的燃料電池系統(tǒng)大約需要 300Nm3/h 的空氣,。

增濕器是燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的另一重要部件,這是因為質子交換膜傳導質子需要有水的環(huán)境,反應氣通過增濕器把燃料電池反應所需的水帶入燃料電池內,。

氫氣回流泵的作用是是燃料電池發(fā)電系統(tǒng)氫氣回路上把未反應氫氣從燃料電池出口直接泵回燃料電池入口,與入口反應氣匯合后進入燃料電池。

氫瓶在燃料電池汽車上相當于傳統(tǒng)汽車的油箱,。為了達到一定的續(xù)駛里程,目前國內外開發(fā)的燃料電池汽車大多采用 70Mpa 高壓氣態(tài)儲氫技術,其中高壓氫瓶是關鍵技術。

在對目前氫氣上游產業(yè)鏈進行分析和研究后,我們認為氫氣來源和加氫站的建設運營的商業(yè)化進程正在逐步提速,、成本經濟性也逐漸合理化,因此, 本篇報告將聚焦于燃料電池車的購置成本降低路線和燃料電池的耐久性問題(以 PEMFCV 質子交換膜燃料電池汽車為例),。

燃料電池車的購置成本主要取決于燃料電池系統(tǒng)成本,包括燃料電堆成本和系統(tǒng)主要部件成本。燃料電池系統(tǒng)成本約占燃料電池車成本的 64%,其中,燃料電堆的成本約占整個燃料電池系統(tǒng)成本的 47%,。

美國能源部(DOE)氫和燃料電池項目對每年氫燃料電池系統(tǒng)的成本進行了測算,以 80kw 的質子交換膜電池為樣本,以大規(guī)模生產(50萬個/年)為測算條件,。結果表明,氫燃料電池系統(tǒng)成本已經從 2006年的 124 美元/kw 降至 2015 年的 53 美元/kw(下降近 60%)。