氢燃料电池产业链全景、技术解读和竞争格局-专家交流纪要

【核心观点】1. 氢能燃料电池简单介绍：氢燃料电池在反应过程中产物只有电和水， 零污染，能量密度高。目前燃料电池在商业领域，在车用上目前是最成熟的，很安全。2. 燃料电池的发展背景：到 2050 年，氢能在能源的占比中超过 10%。2020 年 9 月，氢能产业政策出台，首批燃料电池示范城市群确定，推动我国氢能产业化快速发展。京津冀、长三角、珠三角发展较快。3. 燃料电池产业链的发展：燃料电池的产业链非常长，包括制氢、储氢、加氢、用氢。燃料电池通过扩大规模、技术提升和国产化降本。化石燃料制氢、高压储氢是目前常用的方式。加氢站目前数量较少，实际建设要快得多。4. 燃料电池的主要原理：燃料电池最主要的两个部分是燃料是电堆和燃料电池系统。电堆包括膜电极，由催化剂、质子交换膜、碳布组成。另一个核心零部件是双极板。燃料电池电堆分为石墨板电堆和金属板电堆。5. 氢燃料电池汽车的发展：国外基本上都是以车企，例如丰田、本田、现代、通用来主导推动，而国内的推广方式主要以商用车推广为主， 例如公交、物流、重卡，可以代替柴油车。2020 年全国的数量大约是8，500 辆。2025 年达到 10 万辆，2030 年达到 100 万辆，2050 年超过3，000 万辆。6. 燃料电池的主要玩家：出货量前三的有重塑科技、亿华通，国鸿氢能、捷氢科技具有很大的潜力。嘉宾：国内某知名燃料电池产业化企业 副总经理本次介绍分为四个部分，第一，氢能燃料电池简单介绍，第二，燃料电池产业的发展背景，第三， 燃料电池产业链的发展，第四，燃料电池行业主要玩家。第一，氢能燃料电池简单介绍。能源挑战。人口增长，城市污染，道路交通安全以及化石能源枯竭，包括二氧化碳的排放，给能源带来了很大挑战。氢能源是终极能源之路。氢能与其他能源相比有很大优势。第一，储量大，污染小，效率高。第二，能量密度高，单位质量所含的能量是最高的。第三，可持续发展。第四，是未来支柱能源。燃料电池的工作原理。燃料电池是利用氢气跟空气中的氧反应，产生电的电化学装置，其在反应过程中产物只有电和水，零污染，反应速度特别快，能量密度高。安全性高，90%以上可以回收，应用领域非常广。目前燃料电池在商业领域，在车用上目前是最成熟的。内燃机是用化石能源的，污染性比较大， 同时能量转化率比较低。燃料电池车比内燃机车辆污染性小，是零污染，同时燃料电池车的转化效率要比传统内燃机效率高得多。和锂电新能源车相比，燃料电池不存在二次回收问题，同时加氢速度比充电速度要快得多。燃料电池车的行驶里程和传统车的行驶里程基本一样，远远高于锂电新能源车的行驶里程。燃料电池的环境适应性非常强，不管是低温还是常温环境，使用环境和传统车基本一样。燃料电池汽车安全性。燃料电池汽车的安全性要高于传统车的安全性，因为氢气是最轻的气体， 容易逃逸，不聚集，不会引起大面积的燃烧。 第二，燃料电池的发展背景。人类环保意识增强推动能源利用向着绿色、清洁化的方向发展。氢气利用产物是水，可以真正做到零排放、无污染，被看作是最具应用前景的清洁能源之一，或将成为未来能源使用的终极形式。未来到 2050 年，氢能在能源的占比中超过 10%，作为一个比较重要的能源结构。习主席也提出了“在 2035 碳达峰，2060 碳中和”的“双碳”目标，氢能是助力减碳、脱碳， 实现双碳目标的主要途径。这也是氢能燃料电池受到国家高度重视的一个主要因素。同时国家也出台了很多相关政策鼓励和引导氢能新能源的发展。在“3060”双碳目标的催动下，上至中央，下至地方政府均出台了鼓励和支持发展氢燃料电池汽车的相关政策，特别是超过三分之一的央企涉入，加速氢能产业的发展。2020 年 9 月，氢能产业政策（以奖代补）出台，首批燃料电池示范城市群确定，推动我国氢能产业化快速发展。截至目前，全国大约有 40 多个城市出台了氢能的相关规划，主要集中在京津冀、长三角、珠三角、华中地区。氢能产业发展背景。2018 年以后氢能发展速度非常快，氢能产业遍地开花，全国各地的发展进入高潮。氢能在国内有几个区域发展比较快，一个是京津冀。因为北京夏季奥运会和冬奥会，京津冀成为了氢能发展的一个重要厂区。奥运会、冬奥会期间，投放燃料电池汽车超过了 1，000 辆。北京也成为第一批示范城市，规划了说燃料电池汽车推广要超过 1 万台。第二个是长三角，在世博会期间，上海推广了 200 辆以上的燃料电池汽车。上海要作为首批示范市，进入燃料电池城市示范群。近期发展比较快的是珠三角，以广东的佛山、广州作为主要发展区域。佛山近年来在氢能方面出台了很多政策。珠三角目前推广的燃料电池数量基本上占到国内一半，也是进入首批示范城市的主要示范城市群。华东地区的武汉在行业里发展比较早。第三，燃料电池产业链的发展。燃料电池的产业链非常长，从制氢、储氢、加氢、用氢几个方面， 形成一个比较大的燃料电池产业链。产业链基本包含了上游的制氢、储氢、运氢、加氢，中游的燃料电池电堆系统，燃料电池零部件，下游的燃料电池整车，到固定电源的一些应用。氢能产业链最主要的、最核心的是燃料电池系统，上游、中游、下游基本上都是燃料电池系统不断的延伸。其的上游包括制氢、加氢、运氢、储氢。中游燃料电池产品包括燃料电池电堆，系统辅件为主。燃料电池的降本。降本主要是三种方式，扩大规模、技术提升和国产化。规模具有规模效应，成本就会自然降低。电堆的功率从 1，000W，变成 2，000W，到 3，000W，甚至 4，000W，同样大小的电堆随着输出功率越来越大，成本不一样。随着国产化成本大幅下降，原来以进口为主的空压机、增湿器、循环泵、DC/DC，随着这两年的发展，基本上都实现了国产化。2016 年的燃料电池系统，从 2 万-3 万元人民币/kW，降到 5，000 元人民币/kW。空压机器、增湿器、循环泵、DC/DC、电堆、双极板、膜电极都已实现了国产化。但是膜电极里的核心部件，催化剂、膜、碳纸还是进口为主，严重制约了成本。随着这些零部件和原材料国产化以后，成本还会出现明显和大幅的下降。燃料电池的应用范围。交通领域，例如燃料电池客车、轿车、特殊车辆、叉车。其他方面，包括一些固定式电源、便携式电源、船舶、分布式发电。 氢能的市场前景非常大。在车用、船舶、储能领域，氢燃料电池是千亿和万亿的市场。制氢。氢是二次能源，都是通过一次能源转化的。目前常规的制氢方式有多种，最常见的是化石燃料制氢，像天然气、甲醇制氢。第二种是工业副产氢，就是化工厂的副产物进行回收来制氢。第三种是热分解制氢。第四种是未来可能发展的核能制氢。第五种是电解水制氢。其他还有光解制氢，生物质制氢。几种制氢方式的比较。重整、煤化、电解、光催化、热化学制氢方式中，煤制氢成本应该是最低的，从环保的角度，电解水制氢是最环保的，受到国家和各方面的高度重视。使用光伏、风电这些不稳定电源，通过这些不稳定电源电解水制氢气，可以储存。储运氢。制气不是难点，储氢是目前的主要瓶颈。第一种是气态储氢，高压把氢气压缩成高压气体来储氢。第二种通过降温液化变成液体储氢。第三种是固体储氢，像合金储氢。第四种是有机液态储氢，通过一种有机物，氢能储存在有机物里。储运方式各有它的优势和缺点。高压储氢现在是市场最成熟的一种，也是车用最多的一种方式。优点是技术成熟，成本比较低，包括加氢、放氢速度比较快。其缺点是目前的体积储能密度比较低。液态储氢的储氢密度比较高，纯度也很高，可以提高氢气的运输量，降低运输成本。但是其的缺点是液化消耗的电比较高，因为在-253°C 才能够储存。储运氢主要用在航天领域。固态储氢安全性比较高，能量密度也比较高，其也可以得到高纯氢气。但是目前的缺点是在释放的时候需要一定温度来释放，释放速率也比较慢。有机储氢的储氢密度比较高，通过有机物可以把氢气吸收进去，形成简单的化合物。其储存密度比较高，运输也比较方便，同时也可以循环使用。其的缺点是成本比较高，操作条件也比较苛刻。加氢。燃料电池汽车的应用和商业化离不开加氢站。通过管路车把氢气拉到加氢站，然后增压机通过管道，用一把加氢枪加到车上。加氢站是制约这个行业发展的一个主要因素，因为现在加氢站还比较少，导致其的使用没那么方便。截止到目前，全球加氢站是 500 座左右。2021 年后，全国的加氢站已经超过了 200 座。到 2030 年，全球的加氢站应该达到 4，500 座。中石化到 2025 年会建 1，000 座以上的加氢站。由于加氢站的数量比较少，所以零部件是以进口为主，导致加氢站的建设成本比较高。 随着行业发展，加氢站的数量在增加，加氢站的建设成本会不断地降低。加氢站目前实际建设比民众预期建设要快得多。国家的规划到 2030 年，全国建成 1，000 座加氢站。加氢站的数量基本上每年的建设速度是成倍地增长。目前加氢站建设的难点。第一，审批比较难；第二，建设规范没有标准和统一，各个地方都是按照一定的规范来建设；第三，目前的建设成本比较高。燃料电池的主要原理。是氢气和氧气反应生成水，产物就是水和电，没有任何的污染，是未来交通领域理想的新能源技术。燃料电池最核心的部件是电堆。燃料电池产品主要包含了燃料电池电堆和系统。电堆包含了两种， 水冷式电堆和空冷电堆。目前车上用的基本上都是水冷式为主，因为其要求的体积比较小，都以水冷为主。小型的设备例如无人机都以空冷为主。电堆是燃料电池发电的主体。氢气和氧气进入电堆进行反应，产生电。在产生电的过程中，在膜电极上发电，氢气在膜电极表面于催化剂作用下变成氢质子，氢质子又穿过膜，然后和对面的氧气反应生成水，氢气变成氢质子以后产生电子，电子就形成回路，从而形成电流。膜电极是电堆里最主要的核心部件。膜电极最核心的是催化剂。催化剂基本上都是以贵金属铂为主，铂成本又比较高，所以为了降低燃料电池成本，那么目前的发展方式就向低铂，无铂的方式发展，这是催化剂的发展的趋势。例如丰田 Mirai 的 100kW 燃料电池，其的铂量大约是 30g。未来发展是每 100kW 用铂量低于 10g。质子交换膜。只有质子才能穿过去，比如氢离子才能穿过去，气体穿不过去，目前基本都是全氟磺酸膜为主。市场对膜的要求越来越高，膜的厚度越来越薄，从最早的 50μm，降到了 10μm，丰田用的是 8μm。为了提高其的机械稳定性和强度，现在发展一种复合膜，中间加了一层 PTFE（聚四氟乙烯膜）。这种增强膜也叫复合膜，基本上被巴拉德动力（Ballard）垄断。山东东岳也在开发燃料电池用的质子交换膜。电堆里的另一个核心零部件是双极板。双极板在电堆里的作用是把气体给输送进去，同时把产生的电流导出去，既提供了气体通道，同时又提供强度和导电的作用。双极板目前主要就分为三种，石墨双极板、金属双极板、复合双极板。石墨双极板耐腐蚀性强，导电寿命长，稳定可靠。缺点是是用雕刻加工，加工周期比较长，比较脆。金属板导电、导热非常强，同时也容易加工，冲压加工速度很快，其的缺点是耐腐蚀性不够，寿命偏短。复合双极板解决强度问题，又解决腐蚀问题。燃料电池系统辅件包括空压机，增湿器，氢循环泵和 DC/DC。随着行业的发展，进口辅件逐步实现了国产化。氢燃料电池汽车。目前燃料电池汽车的技术相对比较成熟了，也得到了市场的认可。不管是国内还是国外，都在极力推广燃料电池汽车。 2014 年底，丰田推出米莱汽车，售价只是 5 万美金，代表其的技术已成熟。丰田、本田、现代主要在日本、韩国、美国、欧洲推广，推广的燃料电池汽车接近 5 万辆，每年逐步增加。2021 年现代推广数量是最多的，推广了 9，500 辆，占全球推广量 50%以上，受到国内外车企的高度关注。氢燃料电池汽车的使用方式跟传统车基本一样，国内也在不断加大燃气电池汽车的推广。中国和国外发展主要的区别在于，国内把商用车作为主要发展趋势，国外把乘用车作为其发展的主要方式。国外基本上都是以车企，例如丰田、本田、现代、通用来主导推动，而国内的推广方式主要以商用车推广为主。因为燃料电池目前还处于初期，加氢站数量还偏少，且乘用车使用不方便，推广难度很大，所以国内基本上先从商用车方式来推导。其中公交、物流、重卡，可