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燃料电池汽车全产业链深度剖析

燃料电池汽车全产业链深度剖析

01.背景

我国减排压力大。 仅从 CO2 排放量看,我国自 2006 年绝对值就已超过美国,成为世界第一排放大国。从趋势来看,未来一段时间排放量还将保持较快速度增长。

能源方面,我国石油、天然气的消耗量和对外依存度均呈现逐年增长趋势。石油对外依存度在 2009 年首超 50%的警戒线,到 2013 年该数据上升到了58.10%,能源安全备受关注。天然气的对外依存度在近几年则呈现更快的增长,从 2009 年的 5.00%上升到 2013 年的 31.60%。寻找替代能源和节能成为我国当前的重要任务。

图:我国石油,天然气对外依存度

中长期来看,不耗油的电动汽车(包括纯电动汽车和燃料电池汽车)替代传统内燃机汽车成为未来发展趋势,其中零排放及行驶里程可与传统汽车媲美的燃料电池汽车或将成为电动车市场的重要角色。

02.产业链简介

燃料电池汽车产业链与传统汽车有相同类似的地方。其独特的地方在于:上游燃料电池、电机及电控系统尤其是燃料电池作为燃料电池汽车产业链中最关键、最核心环节,占据了整个产业价值链的高端部分。 在燃料电池汽车的成本构成中,电力驱动系统(包括燃料电池系统和电机驱动系统)的占比最高,是当前发展燃料电池汽车的最大掣肘,其产业链上的任何一个技术突破都将带来整个燃料电池汽车产业的发展。另外,燃料电池汽车产业的氢系统也与传统燃油汽车的油系统有很大不同。

图:燃料电池汽车产业链示意

03.燃料电池产业链分析

燃料电池汽车的心脏是燃料电池。其寿命、成本在很大程度上影响了燃料电池汽车的整体性能和整个行业的商业化进程。目前在燃料电池汽车上运用最多的电池为质子交换膜燃料电池(PEMFC),其关键部件为膜电极组件(MEA),包括质子交换膜、催化剂、扩散层、 双极板(阴、 阳极板)。

(1)质子交换膜

质子交换膜作为 PEMFC 的核心部件,是一种选择透过性膜,主要起传导质子、分割氧化剂与还原剂的作用。其不仅起到隔膜作用,也是电解质和电极活性物质(电催化剂)的基底。目前,市场上应用最广泛的是由美国杜邦公司研制的 Nafion 系列全氟硫酸型膜。

(2)催化剂

在质子交换膜燃料电池中对催化剂的要求包括:高催化活性、高稳定性、大比表面积、适当的载体以及好的导电性。由于反应分子在催化剂表面的吸附是发生催化的先决条件,铂(Pt) 具有的优良分子吸附、离解行为使得铂系材料始终是催化剂的研究重点,早期采用镍(Ni)、钯(Pd),后来使用铂黑,但由于铂黑的粒度较大,分散性较低,导致铂的利用率较低。目前多采用 Pt/C 作为阳极反应的催化剂。由于 Pt 价格昂贵、资源短缺的问题日益突出,降低 Pt 的用量,探索非铂系催化剂一直是该领域研究的重点。如果成功,将大幅降低燃料电池制造成本,加速氢燃料电池汽车商业化进程。

(3)扩散层

扩散层是质子交换膜燃料电池的核心部件之一,起着非常重要的作用。主要包括支撑催化层,使气体反应物通过扩散层扩散到催化层,同时传递由催化层产生的电流。其主要材料包括碳纤维纸、碳纤维编织布、无纺布、炭黑纸。特殊的功能对扩散层提出了很多要求,除了要具有透气/ 透水性好、导电/导热性好、机械强度高、化学稳定性和热稳定性好以外,还应满足易于规模生产、制造成本低等商业化方面的要求。目前市场上的碳纤维纸/布等材料已经能很好的满足性能需求。近几年,主要研究的方向在于如何进一步降低价格。

(4)双极板(阴、阳极板)

实际使用的燃料电池是由多个单电池通过串联而成的电池堆,因此单电池的阴极板就会与另一单电池阳极板接触,阳极板与另一燃料电池阴极板接触,从而形成双极板。双极板的作用是通过流道向电极提供反应气,向膜电极组件提供结构支持,防止液体冷却液及气体外漏,协调水与热的管理,同时将电流从一个电池单元传到另一个电池单元已组成电池组。作为质子交换膜燃料电池的关键组件之一,双极板占整个燃料电池重量的60%,成本的 45%。其性能优劣直接影响电池的输出功率和使用寿命。目前常用的双极板材料有石墨、带涂层/无涂层的金属板、碳基复合材料,具有良好的导电性能和耐腐蚀性能,但其易碎、质重、强度和加工性较差。未来,高性能、低成本模压成型的热固性树脂/石墨板和具有优异性能的金属板是双极板的发展趋势。

04.氢产业链分析


图:燃料电池汽车制氢加氢流程

(1)制氢

a)电解水

通过电解水制取氢气的方法历史悠久,工艺简单,转化效率可达75%~85%,适用于小规模和现场化制氢,但由于耗电量大,因此发展受限。当电是由可再生能源,如风能、太阳能或核能产生时,则可以保证过程中没有碳排放。

b)甲烷蒸汽重整

甲烷蒸汽重整目前在工业规模生产中占主导地位,转化效率高达 80%,该方法产生的 CO2 副产品可通过 CO2 固定装置捕获和封存,而原材料甲烷可通过沼气获得。此外,还有一种已经被开始使用的可持续工业化制氢方法是将生物质和废弃物气化,然后重整制氢。

表:制氢方法对比


(2)储氢

氢气具有极高的质量能量密度,但体积能量密度却很低,使用过程中必须通过压缩的形式进行储存,因此其储存装置必须满足耐高压、高强度和气密性要求。目前,日本和欧美等国家燃料电池汽车上装载的储氢罐,承受压力均为70MPa。基于此储氢技术,燃料电池汽车的续驶里程已达到传统汽车水平,且加氢时间在 5 分钟之内。

(3)加氢站

燃料电池汽车的市场化需要氢能的基础设施——“加氢站”及时跟进。基础设施建设滞后是当前制约燃料电池汽车快速发展的主要因素之一。而随着各大车企不断推出新的燃料电池示范车以及量产计划的临近,美日欧等国家纷纷加快了加氢站的建设以满足商业销售之初的需要。

目前,修建一个加氢站的成本大约为 400-500万美元,费用高昂