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燃料电池解码未来能源,驱动汽车市场驶入新纪元

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燃料电池解码未来能源,驱动汽车市场驶入新纪元

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【引语】

氢燃料电池是以氢气为燃料,通过电化学反应将燃料中的化学能直接转变为电能的发电装置,具有能量转换效率高、零排放、无噪声等优点,相应技术进步可推动氢气制备、储藏、运输等技术体系的发展升级。在新一轮能源革命驱动下,世界各国高度重视氢燃料电池技术,以支撑实现低碳、清洁发展模式。发达国家或地区积极发展“氢能经济”,制定了《全面能源战略》(美国)、《欧盟氢能战略》(欧盟)、《氢能 / 燃料电池战略发展路线图》(日本)等发展规划,推动燃料电池技术的研发、示范和商业化应用。我国也积极跟进氢能相关发展战略,2001 年确立了863计划中包括燃料电池在内的“三纵三横”战略;《能源技术革命创新行动计划(2016—2030)》《汽车产业中长期发展规划》(2017 年)等国家政策文件均明确提出支持燃料电池汽车发展。2020 年,科技部启动了国家重点研发计划“可再生能源与氢能技术”重点专项,将重点突破质子交换膜、气体扩散层碳纸、车用燃料电池催化剂批量制备技术、空压机耐久性、高可靠性电堆等共性关键技术。国家能源局将氢能及燃料电池技术列为“十四五”时期能源技术装备重点任务。

中国氢燃料电池定义与分类:

氢燃料电池作为一种非燃烧过程的能量转换装置,通过化学反应将阳极氢气和阴极氧气的化学能转化成电能,具有续航里程长、加注时间短和低温环境适应性更好等特点。与锂电池作为储能装置不同,氢燃料电池是一种非燃烧过程的能量转换装置,通过电化学反应将阳极的氢气和阴极的氧气(空气)的化学能转化成电能。

另外,氢燃料电池系统更为复杂,主要由电堆和系统部件(空压机、增湿器、氢循环泵、氢瓶)组成。电堆是整个电池系统的核心,包括由膜电极、双极板构成的各电池单元以及集流板、端板、密封圈等。膜电极的关键材料是质子交换膜、催化剂、气体扩散层,这些部件及材料的耐久性(与其他性能)决定了电堆的使用寿命和工况适应性。

相较于纯电动汽车,燃料电池汽车在续航里程、加注时间和低温环境适应性上可以提供更好的解决方案;从燃料电池的技术特点来看,燃料电池汽车具有更强的环境适应性,更适用于中长途、中大型等商用领域。

膜电极组件(MEA):由阴极扩散层、阴极催化剂层、电解质膜、阳极催化剂层和阳极气扩散层组成,直接决定氢燃料电池的功率密度、耐久性和使用寿命。其中,膜电极由质子交换膜(PEM)、电催化剂和气体扩散层(GDL)组成。

质子交换膜(PEM):全氟磺酸膜是常用的商业化PEM,属于固体聚合物电解质;利用碳氟主链的疏水性和侧链磺酸端基的亲水性,实现PEM在润湿状态下的微相分离,具有质子传导率高、耐强酸强碱等优异特性;

电催化剂:氢燃料电池电堆中,电极上氢的氧化反应和氧的还原反应过程主要受催化剂控制。催化剂选用需要考虑工作条件下的耐高温和抗腐蚀问题,常用的是担载型催化剂Pt/C(Pt纳米颗粒分散到碳粉载体上);

气体扩散层(GDL):气体扩散层是燃料电池的水管理“中心”。GDL 由微孔层、支撑层组成,起到电流传导、散热、水管理、反应物供给的作用。其中微孔层通常由碳黑、憎水剂构成,用于改善基底孔隙结构、降低基底与催化层之间的接触电阻、引导反应气体快速通过扩散层并均匀分布到催化剂层表面、排走反应生成的水以防止“水淹”发生。支撑层材料主要是多孔的碳纤维纸、碳纤维织布、碳纤维无纺布、碳黑纸。

在全球范围,燃料电池已有一百多年发展历史,中国产业快速发展开始于2003年,目前处于产业全面发展期,整体技术距离国际先进水平仍有一定差距:

2017年,中国重汽推出了我国首款燃料电池港口牵引车,燃料电池汽车车型进一步拓宽;2019年,中国燃料电池商用车保有量已超过6,000辆;2020年,中国“国六”排放标准正式落地,并已于2020年起分布执行。“国六”将严格控制污染物的排放,中国商用车汽车绿色化成为趋势。

为实现“2030碳达峰”等环境政治目标,中国政策大力支持氢燃料电池车发展,并从氢能生产与配套基建、氢能汽车运用场景和技术国产化三个方面着手提升整体产业环境。交通运输作为新增氢能消费的核心运用场景,推广氢燃料电池汽车是我国实现“碳达峰”必经途径。其中我国政策支持氢燃料电池汽车发展主要体现在三个方面:1、新能源汽车在十四五期间成为国家深化能源结构转型的关键战略要素,绿色氢能及氢燃料电池应用将助力新能源产业发展。2、2030/2060碳达峰、碳中和目标的提出,推动上游高耗能行业及下游应用领域转型,氢能及氢燃料等清洁能源为终极目标。3、在贸易战等国际关系变化以及国内“中国制造2025”等政策驱动下,制造业升级驱动氢燃料等高端产业加速技术突破与自主掌控。

其中以科技部2021年09月13号颁布的《国家重点研发计划 “氢能技术”重点专项2021年度定向项目申报指南的通知》为例,2021年拟在“氢进万家”综合示范技术方向,启动1个定向项目,拟安排国拨经费1.5亿元。应用示范总体要求包括:3000辆及以上燃料电池汽车、15座及以上加氢站示范运行,车辆累计运行里程不低于1亿公里、氢气使用量不低于1万吨、燃料电池热电联供的氢气使用量不低于1万吨等。

从全球政策角度,各主要国家为实现“降碳减排”目标,均将发展氢能和氢燃料电池汽车作为未来重要的能源战略发展方向。

美国:启动H2@Scale项目,将氢能作为能源体系跨领域融合发展的核心纽带;通过减税促进氢能发展;仅加州就致力在 2030 年实现1,000+ 加氢站,100万+燃料电池车。

日本:主办了首届多国氢能部长级会议; 由日本发展银行主导,在 2021年前建立~80座加氢站。着眼电解水制氢、氢供应链、氢燃料电池技术,11家企业联合签署合作谅解备忘录。

欧盟:25家氢能相关公司成立StasHH项目,开发用于重型汽车的氢燃料电池公开标准。

德国:宣布在公共加氢站、氢能汽车等领域投入14亿欧元建立基金;配合20亿欧元的私有投资。

法国:宣布了“氢能发展计划”,其中包含1亿欧元资金与2023 年、2028年的具体氢能发展目标。

氢燃料电池技术优势分析:

对比其他汽车发动机系统,燃料电池具有经济节能、加注时间短和使用场景广等产品优势,尤其对比于燃气油机,燃料电池具有高度可持续和清洁优势。

经济节能:燃料电池汽车能耗成本低,国家政策补贴大,全生命周期成本较低,经济性高;燃料电池汽车能量转换效率高。燃料电池堆的能量转换效率为62%,远高于汽油机16%~18%和柴油机20%~24%的转换效率;加注时间短:不同于锂电池需要长时间的充电,氢燃料电池使用更换氢罐的方式换电,整体加注时间接近或优于传统燃气油车;由于氢能是清洁能源,加注过程中无需担心泄漏对环境造成危害;使用场景更广:纯电池无法在零下低温环境使用,但氢燃料电池车可以在最低零下30°C环境中行驶,满足我国全域使用条件;纯电池车续航能力有限,在长途运输、重载货运等场景下,氢燃料电池汽车有优势。

对比纯电动车,燃料电池汽车优势体现在燃料能量密度高、载重轻和续航里程长等方面,在应用场景上更适用于商用车、中长途货运或者高载重卡车等场景。目前,氢燃料适用的应用场景主要为三大类:

a.固定路线:便于配套加氢站等基础设施,如矿山倒短、港口、物流园区内等相对封闭和固定路线的场景,方便氢燃料汽车布局加氢站等配套能源加注设施;

b.中长途干线:运行里程在400~800 km左右、超过纯电的续驶上限的中长途干线将成为氢燃料汽车的优势应用场景区间;

c.高载重:纯电车型由于电池能量密度提升空间有限,重卡匹配一定续驶里程的电池必然导致自重较大,因此氢燃料过渡到液氢路线后车重较纯电优势进一生放大,在载重量具有更大需求的场景上将更有优势。

中国氢燃料电池产业链分析:

目前,氢燃料电池汽车在商用车中的落地已微型、小型的客车与货车为主,未来氢燃料电池汽车将有望拓展至体量更大、场景丰富的中型和重型的商用车应用中。

氢燃料电池产业链上中下游分工明确,上游为氢气制造运输和能源基础设施,中游为氢燃料电池系统制造,下游终端应用领域为燃料电池车辆包括商用车、工程车辆和轨道等。氢燃料电池汽车行业上游为制氢、储氢、运氢、加氢等环节,中游为燃料电池系统、核心零部件研发、生产环节,下游为燃料电池汽车生产、销售环节。另外,整体产业具有产业链长、参与方众多等的鲜明特点。

中国公路货运量,亿吨,2013-2021年

中国商用车销量,万辆,2012-2020年

受中国宏观消费经济和物流行业高速发展带动,中国公路货运量2021年已达到391.4亿吨规模,商用车2020年销量达513.3万辆,整体呈现稳步增长态势。从2012年以来,受宏观消费经济和整体物流行业高速发展带动,中国公路货运和商用车行业呈现稳步增长态势。其中,中国公路货运量至2021年已达到391.4亿吨规模,年复合增长率达3.1%。另一方面,中国商用车至2020年销量达513.3万辆,自2012年以来整体增长34.7%,年复合增长率达3.8%。

中国加氢站布局统计与预测,座,2017-2025年

目前,中国加氢站数量正在以113.8%的复合年增长率飙升,从2017年的11座增加到2021年的230座。在龙头企业的积极布局和政府支持下,中国加氢站数量将持续稳步增长,预计于2025年突破1000座,2030年突破3000座,2050年分别突破10,000座。

中国氢燃料电池汽车市场规模(销售数量口径),千辆,2017-2030年

中国氢燃料电池汽车市场保有量,亿元,2017-2030年

通航货运服务行业的驱动因素:

 在交通出行产业低碳发展大背景下,氢燃料电池汽车行业的发展将会受到来自国家政策、上游发展带动、生产技术提高和氢能市场普及等多方面因素推动

a)     氢燃料电池作为零碳排的出行能源方案,发展受国内政策补贴推动:

受“2030碳达峰”环保政策目标驱动,我国政府对于发展氢燃料电池技术和推广其市场运用充满了兴趣。根据示范城市群申报,我国氢燃料电池汽车预计截至2025 年累计推广 3.3 万辆,根据各地方政府产业规划, 2025 年规划累计推广 8 万辆,整体市场发展空间巨大。另一方面,在城市示范群政策发布后,对于氢燃料电池汽车的补贴将不再沿用新能源汽车的“国补+地补”模式,而是改为由中央政府将政策奖励下发给城市示范群所在的地方政府,地方自主制定并实施产业发展奖励政策,因地制宜发展当地氢燃料电池汽车产业,整体政策实施更加自主灵活,有利于产业发展。

b)     上游基础配套设施的完善,将有效推动更多用车者选择氢燃料电池汽车:

受我国能源政策推动,氢燃料电池汽车产业链上游制氢和配套加氢站等环节逐渐发展完善,其中根据“十四五”规划,我国加氢站有望在2025年突破1000座。考虑到目前氢燃料电池汽车推广的一大阻碍在于加氢站数量少,氢能车加注不便利,未来在加氢站数量的增加下,氢能会变得更加容易获取,整体使用更加便利。总体来说,上游基础设施的发展将极大程度地改善氢燃料电池汽车的市场渗透率。

c)      随着燃料电池产业整体技术的提高,电池系统的生产成本显著降低:

氢燃料电池系统的成本必然随着技术进步、生产规模的扩大而下降,预计未来 10 年生产成本将降低至目前的 50%。美国能源部计划在 2025 年实现氢燃料电池系统(功率为 80 kW)成本目标 40 美元/kW,为远期的 30 美元/kW 目标奠定基础,进而达到与内燃机汽车的生产成本可比性。按照我国现有的技术储备条件,根据中国氢能联盟《中国氢能源及燃料电池产业白皮书》(2019 年、2020 年)预测,2035 年我国氢燃料电池系统的生产成本将降至当前的1/5(约 800 元/kW);到 2050 年降低至 300 元/kW ;届时燃料电池汽车拥有量将超过 300万 辆,加氢站数量达到 10,000 座,氢能消耗占终端总能源消耗的 10%。

d)     可持续能源使用的增多,客观地推动了氢能市场的普及:

氢能是清洁、高效的化学能源,在与氧气混合后,燃烧释放能量过程中只有水为产物,具备高度环境友好性。另外,氢具有导热良好、能量密度高等优点,在相同质量下所含热量约是汽油的3倍;氢能是二次能源,是一种重要的可再生能源储能技术,针对太阳能、风能、潮汐能等可再生能源间歇性特点,人们可以在发电高峰期将高于系统用电的多余能源通过电解水制氢的方式存储能量,以减少系统“弃风”、“弃光”的现象发生,以增强电力系统总体的安全性、可靠性和灵活性。随着未来可持续能源并网率的提高,氢能的使用会更加普及。

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