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氢燃料电池深度报告:搅局者还是颠覆者?

国际新能源网  来源:电动汽车网  日期:2019-05-27
  2014年12月15日,丰田发布Mirai,售价对标皇冠,加氢3分钟,续航500km(NEDC[1]工况,下同),预计2020年销量达到2万辆;2016年3月10日,本田推出量产Clarity,加氢3分钟,续航589公里;2017年9月,奔驰推出GLC F-Cell,续航437公里;2018年CES,韩国现代推出Nexo,续航达到609公里。国际方面,宝马、通用即将推出量产车型,国内方面,上汽领衔,长城、广汽、吉利、宇通等纷纷加入,一时间,各路人马纷纷杀入氢燃料电池汽车(Hydrogen FCEV[2],)产业,新能源汽车战场硝烟再起,中国本已明晰的电动车技术路线和竞争格局,陡增变数。

  中国自2011年大力发展纯电动汽车(BEV[3])以来,纯电乘用车在技术、产业、市场方面都获得了长足的发展,但时至今日,技术瓶颈也日益凸显,最大的痛点毫无疑问就是续航和充电速度,成为制约纯电车下一步发展的最大障碍。而氢燃料电池汽车可以做到充电3分钟,续航超过500公里,续航甚至超过燃油车,是否可以彻底解决电动车最大痛点,成为现有以BEV为代表的主流新能源汽车技术路线的颠覆者?

  一、燃料电池技术发展:产业化进度落后,迎来历史机遇期

  (一)氢燃料电池技术理论完美,产业化进度落后

  燃料电池(Fuel cell)是一种主要通过氧或其他氧化剂进行氧化还原反应,把燃料中的化学能转换成电能的发电装置。最常见的燃料为氢,其他燃料来源来自于任何的能分解出氢气的碳氢化合物,例如天然气、醇、和甲烷等。燃料电池有别于原电池,优点在于透过稳定供应氧和燃料来源,即可持续不间断的提供稳定电力,直至燃料耗尽,不像一般非充电电池一样用完就丢弃,也不像充电电池一样,用完须继续充电。主要燃料电池类型的技术特征见表一:

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  各种燃料电池技术各有优劣和适用的场景。综合考虑,最适于乘用车的燃料电池技术是质子交换膜燃料电池,也就是常说的氢燃料电池。其他类型的燃料电池,在能量密度、工作温度、燃料适应广度和材料成本等不同方面尚无法满足要求。而氢燃料电池的催化剂昂贵、催化剂中毒[4]等问题,随技术工艺发展已逐步缓解,未来有望得到彻底解决。

  同其他燃料相比,氢的最大优势是超高的质量能量密度[5]和可接受的体积能量密度[6](需压缩氢气或液化),常见燃料能量密度如表二所示:

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  更多能源的质量、体积能量密度的比较,见下面的能量密度图:

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  由图二和表二可见,氢能源有远超其他能源的质量能量密度,正是凭借此点氢能源车才能拥有长续航。早在十几年前,氢能源就凭借零污染、可再生、加氢快、续航足等优势力压燃油和锂电池,被誉为车用能源的“终极形式”。然而,氢燃料电池技术的产业化进度十分缓慢。尤其是在过去十年中,由于锂电池技术及产业化的突飞猛进,氢燃料电池技术被过度轻视。导致燃料电池的产业化进程比纯电动慢5到10年,根本原因在于氢燃料电池有几个关键问题亟待解决:

  氢能源基础设施建设:氢燃料电池车对充能基础设施的需求甚至要高于纯电动车。纯电车虽然充电慢,但除了在充电桩快充之外,还有在家、公司慢充的选项,若出行规律,也称得上方便。而氢车只能在加氢站充能,如果没有成规模的加氢站网络,氢车将寸步难行。

  车载储氢技术:从表二和图二中可以看出,氢气的质量能量密度极高,这也是它能支持长续航的基础,然而由于氢在常温下是气态,氢的体积能量密度却很低。一般的解决方案是将氢气压缩或液化以缩小储氢罐的体积(固氢方案尚未成熟)。这就需要一个能承受高压、保证安全的储氢罐。Mirai的储氢罐采用碳纤维材料,储存70兆帕压缩氢气,而目前国产储氢罐受材料工艺限制,只能做到35兆帕。

  电堆技术:主要是膜电极与空压机技术。一个是寿命问题,国内还只能做到几千小时耐久,日本丰田已经可以做到上万甚至几万小时;另外一个就是供应链问题,很多部件还依赖进口,成本大大上升。

  (二)锂电池发展遇瓶颈,氢燃料电池重回视线

  在过去十年中,由于锂电池技术及产业化的突飞猛进,氢燃料电池技术被过度轻视。而最近几年,氢燃料电池又重新引起了注意,主要原因就是锂电池发展碰到了天花板:

  人们对电动车续航的需求在提升。随着电动车行业的迅速崛起,消费者的选择越来越多,相应的,对续航也会在满足日常使用情况的要求下逐渐提高。人们需要纯电车工况续航能达到500公里以上,甚至800公里。

  而锂电池能量密度受限于物理化学极限很难提升。锂电池能量密度太低,若以多堆电池的方法增加续航,就会造成过多能量浪费在运输电池本身的尴尬情况,既不经济,也不合理。在过去十年中,锂电池的能量密度已经提高了2.5倍,但是已接近安全极限,再提升十分困难,性能与安全不可兼得。

  这一对矛盾导致新能源车主,永远处于充电焦虑之中,无时无刻不在关注剩余里程和充电桩位置。正是这种焦虑,压抑了许多潜在的新能源汽车购置需求。

  很多方面,氢燃料汽车避免了纯电车的短板,反而与传统燃油车的特性很像,例如:加氢与加油都只需要三五分钟。如此一来,车主就不必到处找充电桩,免去充电等待的时间了。

  而相对于传统燃油车,氢燃料电池车同时具有节能减排的新能源车属性:

  减排:氢燃料电池的反应方程式非常简单:氢气+氧气→水。不仅没有氮氧化物这种有毒气体,连二氧化碳都没有。当然,与电动车碳排放的争议相似,从全生命周期的角度来看,发电或制氢是免不了有碳排放的。目前的主流观点是:即便是考虑70%的火电,纯电动车的碳排放还是优于燃油车,氢燃料电池车则与纯电动相当或更好。

  可再生:相对柴油汽油,氢能源最大的优势就是可再生。除了工业副产品制氢之外,还能通过煤制氢、利用谷电电解水制氢等,全生命周期的能源效率要优于汽油柴油。氢能源作为可再生能源,对石油对外依赖很强的国家如中国、日本来说,是极具吸引力的选项。

  (三)丰田Mirai发布—氢燃料电池技术再掀浪潮

  2014年12月丰田推出世界上第一款真正实现商业化大量销售的燃料电池汽车——Mirai,这是燃料电池汽车产业的里程碑式产品,Mirai续航里程达502km,储氢重量为5kg,而加氢时间仅需3分钟,功率密度达3.1kW/L,百公里加速为9.6s。

  Mirai的核心部件和工作原理如图二所示:

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  Mirai堪称新一代氢燃料电池车的集大成者,主要创新点包括:阴极,采用3D立体精微流道技术,同时改善透气性和排水性能;阳极,电解质薄膜做得更薄,气体在扩散层的扩散性能提升,催化剂处于“超激活”状态,显著提升电极响应性能。催化剂使用铂钴合金,大幅降低(90%)铂金的使用量,降低成本;电堆,功率提升、质量体积减小;储氢罐,借助碳纤维实现外壳轻量化。

  丰田Mirai这一划时代车型的发布,掀起了新一波氢能源车造车浪潮,本田、现代、奔驰等传统大车厂纷纷加入战团。丰田也在加紧研发下一代Mirai,预定2019年上市,将搭载GA-L后驱平台下的全新氢能源动力系统。

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  二、新能源汽车技术路线比较:FCEV vs. BEV

  无论是全球还是中国,发展新能源汽车的初心都是节能减排,尽可能利用清洁可再生能源。尤其是中国,化石能源结构以煤为主,石油和天然气不能完全自给,相当程度上依赖进口,为了避免在能源上被卡脖子,在国家战略层面必须推动新能源汽车发展,摆脱对石油的依赖。我们不妨从环保、节能、成本、充能、续航、安全性、基建需求等指标对FCEV、BEV两种主要技术加以比较:

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  通过对FCEV和BEV进行多维度比较,可以看出两者各有利弊。纯电车受限于锂电池的能量密度,续航和充能速度提升困难;而氢燃料电池车虽然能量密度极高,续航、充能速度、低温性能表现优异,但受制于产业化进度落后,基础设施、成本等问题成为产业发展最大障碍。除了对现状进行比较之外,两种技术未来的发展趋势也有几点值得关注:

  纯电车电网负荷问题有待解决。纯电车充电时间长、对电网冲击太大很难解决。一辆只能跑400公里的特斯拉,即便用超级快充也要80分钟才能充满,快充不仅对电池有害会缩短寿命,需要的电流更高达192A(前半段用192A充满80%,后半段需要低电流涵养电池)。192A相当于40台家用壁挂式空调的电流。如电动汽车大规模普及,形成的超高用电负载将对现有电网造成极大冲击,电网需大规模升级满足需求。

  燃料电池成本将持续下降。铂金用量会持续下降,丰田承诺未来的Miari2代时将继续降低铂金的使用量,从而大幅拉低燃料电池的成本。FCEV除了储氢罐需要定期安检和长使用周期需要更换外,没有其他的重置成本,未来储氢罐的成本也会继续下降。

  氢能源车全生命周期排放更占优势。氢燃料电池汽车的全生命周期排放,即包含汽车制造、电池制造、燃料(汽油、氢)或能源(发电)制备、汽车行驶全部环节的排放,不仅低于燃油车,也比纯电车更低。

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  三、氢燃料电池车产业链分析

  氢能及燃料电池产业链主要包括上游氢气供应的制氢、储氢、输氢和加氢环节,燃料电池动力系统本身的各个技术环节,以及下游的氢能整车等应用环节。其中,氢气供应是保证燃料来源的关键,燃料电池堆是产业链的核心,燃料电池动力系统是燃料电池应用的重要载体,燃料电池整车为燃料电池技术发展的最终目的。氢燃料电池车产业链见图五:

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  (一)氢燃料供应:基础设施是产业发展前提

  氢燃料电池汽车的发展极端依赖于制氢、储氢、输氢、加氢等氢燃料基础设施的建设。不同于纯电车可以在家或者公司进行慢充,氢车只能在加氢站充能,对充能站的需求更为紧迫。离开完备的加氢网络,氢车产业的发展无从谈起。在氢车市场尚未培育起来的情况下,基础设施的建设很可能是没有商业效益的,一是要从国家政策层面倾斜推动,二是可借助传统油企的转型需求助力发展。

  制氢:多种制氢工艺并存。电解水制氢制备过程清洁无污染(不计发电环节),但需要先将电能转换成氢的化学能,再将氢的化学能转化回电能,只有40-60%的原始电能被最终利用,能量效率较低,且成本较高,在制氢市场仅占10%左右。其他制氢方式还包括氯碱工业副产氢,化学重整制氢(即通过化学方法对化石燃料如石油、天然气、煤、甲醇、氨等,进行高温重整或部分氧化重整制备氢气),以及新型的生物、光化学制氢方法。

  其中氯碱副产品制氢,由于是在现有氯碱工业体系中,收集原先直接排掉的副产品氢气,对资源、环境不增加任何新的负担,且成本适中(1.3-1.5元/),所制取的氢气纯度高达99.99%,是目前较为适宜的制氢方式。但此种制氢方式受规模所限,无法满足远期氢能源车放量后的需求。长期来看,综合考虑环保、成本等因素,除氯碱、电解制氢外的氢产能应由化学重整制氢工艺满足。

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  储氢输氢:短期以气氢拖车为主,长期发展液氢罐车。对于氢气的储存状态形式可分三种,分别为气态储氢、液态储氢及固态储氢,分别对应不同的运输模式。其中气态储氢和液态储氢是目前正在大规模使用的方式。

  从氢的输送距离、用氢要求及用户的分布情况来看,管道运输主要适用于用气量较大、用气场合相对集中的地区,车、船运输则适合于量小、用户比较分散的场合。从运输状态来看,液氢、固氢输运方法一般是采用车船输送,以液态氢气为主。氢气的密度小 , 将氢气加压后储存于液罐内, 用牵引卡车或船舶进行较长距离的输送。液氢罐车因其储氢罐的压力更大, 储集的氢气更多,其运输能力是气氢拖车的十倍以上,将是燃料电池大规模部署后的氢气解决方案。

  加氢站:可借助传统石油公司转型意愿推进。由于纯电动车产业链的能源端掌控在电力公司尤其是电网手中,传统大型油企如中石化和中石油等毫无话语权。新能源车代替燃油车的大势不可阻挡,传统油企面临转型,必然有意愿、有能力布局纯电动车之外的技术路线,撇开电网,掌握话语权。而传统油企在氢能源路线上具有先天的优势,一是石化产业链可随时增加制氢产能,二是部分加油站可改造成加氢站,省去布局选址环节。随汽油消费量的减少,大型油企可以逐步转型到氢能源产业链。

  (二)燃料电池汽车:技术成熟度随产业化逐步提升

  氢燃料电池车为产业链需重点攻克的环节,其核心为燃料电池动力系统,包括电堆、空气压缩机、高压储氢罐等多个零部件,而电堆又是动力系统中的核心。技术尚不完美,处于迭代发展的过程中,存在一些痛点如:需要一定量贵金属铂作催化剂,提升了成本;储氢罐体积偏大,形状刚性,对整车设计有一定影响等。这些痛点都属于工程问题,不存在理论障碍,也不会成为产业发展的瓶颈,可望随产业化程度的加深,逐步解决,或者达到商业上可接受的程度。

  铂催化剂用量持续下降,不会成为产业发展瓶颈。燃料电池铂用量已经降至产业化水平,如:丰田Mirai单车耗铂20克左右,并承诺Mirai 2代将继续降低铂金使用量,而本田Clarity单车耗铂已经可以做到10克。考虑燃料电池铂载量持续下降和非贵金属催化剂的发展,假设到2025年单车铂载量5克,燃料电池车年产100万辆,铂金总需求量为5吨。相对2017年铂金年用量244吨,边际增量只有2%,铂催化剂不会成为燃料电池产业发展的瓶颈。

  储氢罐技术持续进步,安全性高于大众想象。以Mirai为例,70Mpa储氢罐安全度很高,碳纤维罐壁可承受内部70Mpa高压,外部想挤破它至少要140Mpa。车辆在公路正常行驶,即使重型卡车撞击也无法产生这种超高挤压力。另外由于氢气的逃逸速度很高,发生泄露的情况下会瞬间逃逸至空气中。相比之下,由于液化天然气LNG和高压天然气CNG较重,泄露后沉积在现场更易爆炸燃烧。随产业化进展,储氢罐的成本、安全性、体积也将进一步进化,助力整车设计的提升。

  四、氢燃料电池汽车产业发展现状

  (一)全球氢燃料电池车市场概况

  全球来看,燃料电池车乘用车的年销量还处在千辆数量级上,与燃油车接近1亿辆和电动车(纯电加混动)200万辆的数字相去甚远。但2014年丰田Mirai面世,带来燃料电池汽车销量增速的提升,市场开始升温。2013年到2017年底,全球总计售出6475辆氢燃料电池乘用车,其中丰田Mirai占比高达75%。

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  主要国家发展情况:

  日本:两田你追我赶,技术世界领先。目前日本燃料电池出货量和装机规模占全球60%以上,氢燃料电池领域的专利数目遥遥领先于其他国家,在燃料电池汽车开发和商业化上世界领先。2014年12月丰田推出世界上第一款真正实现商业化大量销售的燃料电池汽车Mirai,成为产业的里程碑式产品。随后本田于2015年10月推出首款正式销售的燃料电池汽车Clarity,性能与Mirai不相上下。日本的燃料电池汽车技术居于世界前列。

  韩国:现代紧追两田,加氢站建设速度加快。2018年底现代推出最新一代燃料电池汽车NEXO,续航里程612km,已在韩国、美国和欧洲上市销售,根据Marklines 统计已售出796 辆。截至2018 年底韩国有14 座加氢站,规划中的加氢站有27座。

  美国:FCEV车企除本土外最大市场。美国政府对燃料电池汽车大力支持的态度使其成为各大车企的燃料电池汽车的首选海外上市地。丰田Mirai、本田Clarity FC、现代ix35 FCV、现代NEXO都已在美国上市,其中Mirai 销量为1700 辆,占比达到71.79%。美国加氢站保有量居世界第三,截至2018 年底美国拥有42 座公共加氢站,主要集中在加利福尼亚和东北部城市。

  (二)中国发展情况

  中国处于氢燃料电池汽车发展的初期,研发经过多年发展已有一定突破,一方面是续航里程有所提高;另一方面,则是整车制造成本有所下降,但在技术上和产业成熟度上和先进国家相比尚有一定差距。

  基础设施:制氢规模居世界首位,固态储氢材料技术处世界领先水平,加氢站建设缓慢。截至2018 年,中国共有25 座建成的加氢站,另有多座在建,但多数仅供示范车辆加注使用,暂未实现全商业化运营。

  政策面:国家对氢燃料电池的支持政策主要分为两大类:一类是在汽车、能源中均会提及相关的重点任务、发展规划和指标等;另一类则是在新能源汽车补贴政策中列出对燃料电池汽车的具体补贴政策。与纯电、插混不一样,针对氢能源车的补贴不会在2015年之后出现退坡,充分表明国家对燃料电池汽车的大力支持。2019年两会,发展氢能源更是被写进了政府工作报告。

  产业面:发展速度仍较慢,商用车领先乘用车。乘用车方面,仅有概念车,上汽集团曾于2017 年推出荣威950FCV,但未量产。而商用车经过多年研发已进入商业化阶段,多家车企推出了产品。2018 年《新能源汽车推广应用推荐车型目录》中有26款专用车、60款客车入榜。2018 年中国燃料电池汽车产销1527辆,包括1418 辆燃料电池客车以及109 辆燃料电池货车。

  代表企业包括:

  上汽:上汽启动氢燃料电池项目较早,与清华、同济等高校合作,在世博会上就开始试运行了。2016年的时候,推出了国内唯一一款荣威950氢燃料电池乘用车。

  爱驰汽车:为造车新势力中为数不多的燃料电池方向厂商,且选择的燃料为甲醇而非氢,采用甲醇重整制氢的技术方案。此方案增加了系统复杂度,系统集成与验证的挑战性也会更高,但在氢气的制取、运输与储存等相关产业链问题尚未解决的情况下,不失为一种可快速占领市场的短期解决方案。爱驰汽车于2019年初注资丹麦甲醇燃料电池系统开发商Blue World Technologies,双方进行深入合作将加快研发速度。

  亿华通:燃料电池核心零部件供应商。亿华通是依托清华大学于2004年成立的,专注于氢燃料电池技术十几年。在氢燃料电池市场不景气、关注度不高的情况一下一直坚持搞技术研发,终于成为了国内技术的领头羊,也迎来了氢燃料电池市场的升温。

  五、氢燃料电池汽车前景和投资建议

  (一)氢燃料电池汽车前景

  丰田公开专利,利好产业发展。丰田汽车于2015年宣布开放燃料电池技术专利的使用权,总计5680项。未来全球范围内的汽车制造商及零部件供应商均可免费使用丰田的氢燃料电池技术。

  远景可期,需要时间和投入。燃料电池汽车产业化进度落后电池车(纯电、混电)大约10年,需要时间和投入推动氢能源供应链、完善制造产业链和培育市场。要让一个如此复杂的,包括气体液体和各种易碎精密结构的装置大批量应用,需要大量的时间和努力。

  技术互有重叠,市场互为补充。几条新能源车技术路线并不是对立的,而是互补、相辅相成的。技术上有重合的部分,市场上也不会有一种路线最终一统天下,而是各有侧重。

  技术层面上,包括丰田Mirai在内,氢燃料电池车都是“锂电池”+“燃料电池发动机”的混合体,区别只是谁的成分多一点,谁的少一点。如果电池大一点、可外接充电,就成了增程式电动汽车,区别只在于增程式是烧油的,而氢燃料电池车的增程器是“烧”氢气的。所以电动车、混动车的很多技术也可以应用于氢燃料电池汽车。

  市场层面上,即使在目前氢燃料电池技术领先的丰田的远期战略规划中,各类技术也都有一

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  根据丰田的规划,车辆续航里程与尺寸共同决定了燃料(能量来源)类型:小尺寸、短续航里程车辆使用纯电动力系统;中等尺寸、续航里程的车辆使用混合/插电混合动力系统;长续航里程车辆使用氢燃料电池系统。

  类似的,根据KPMG 2018年的“全球汽车行业高管调查[8]”,高管们一致预测,不会有一统天下的解决方案。到2040年,主要技术路线将四分天下:纯电车(BEV)(26%), 氢燃料电池车(FCEV) (25%), 燃油车(ICE)(25%) ,混电车 (24%).”

  (二)投资建议

  投资基础设施技术端。基础设施建设是氢能源汽车发展的前提,而基础设施的运营端一定是国家和大型企业(如传统油企)主导的,投资能够切入的点只有技术端。值得关注的技术方向包括:工业制氢后的氢气纯化,液氢储运技术等。

  投资太阳能、风电、谷电制氢。另外一个可以考虑的方向是,利用风电、太阳能等新能源发电及电网谷电制氢的技术。风、太阳能等新能源发电,清洁无污染,但是不稳定,无法大规模并入传统电网。但是如果用来发电制氢,只要有风力、太阳能发电机的地方就可以持续制氢,不仅解决了自身电力不可预知和持续性的缺陷,同时减小制氢污染、降低制氢成本。如果能把这种技术和加氢站结合起来,甚至节省了运输环节,将是技术和商业模式上的突破。

  投资降低燃料电池成本的技术:燃料电池产业发展的最大阻碍之一即为燃料电池系统成本太高。尤其是燃料电池中的质子交换膜、铂金催化剂、双极板、储氢罐等核心技术。能降低铂金用量,减小储氢罐体积、储氢罐柔性设计等技术将非常有市场前途。

  投资电动车基础技术:氢燃料电池车有很多技术是和电动车交叉重合的,即纯电、插混、燃料电池这几类新能源车的基础支撑技术,包括:电机系统及其与发动机、变速箱总成一体化技术;电转向、电空调、电制动等在内的电动汽车电附件与电控技术;电动汽车智能化、网联化技术。投资这部分技术,应用范围更广。在初期氢能源车市场较小时,不失为储备技术,伺机介入的一种策略。

  (三)投资收购案例

  潍柴收购巴拉德

  2018年8月,潍柴以每股3.54美元的价格出资1.636亿美元,收购纳斯达克上市的加拿大公司巴拉德动力系统(Ballard Power Systems)19.9%的股权,该公司是全球领先的燃料电池解决方案供应商。同时,作为现巴拉德战略投资者和中国合作伙伴—大洋电机也投资约2000万美元以维持其在巴拉德9.9%的股权。

  潍柴和巴拉德将在山东省成立一家合资公司(潍柴占比51%),满足中国的燃料电池电动车市场需求。合资公司将生产巴拉德的下一代LCS燃料电池组和基于LCS的电源模块,用于公交车、商用卡车和叉车。

  液化空气收购Hydrogenics

  2019年1月,法国液化空气集团(Air Liquide)出资2050万美元收购加拿大Hydrogenics 公司 18.6%股权,该公司是电解制氢设备和燃料电池的领导者。液化空气集团通过这项收购表示其对氢能市场的长期承诺以及成为无碳氢供应主要参与者的雄心。
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