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2019年中国氢燃料电池行业发展概况及未来市场发前景分析[图]

2019年08月29日 13:45:35字号:T|T

   1、氢燃料电池技术概述

    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)的化学能转化为电能。燃料电池结构单元主要由膜电极组件和双极板构成,其中膜电极组件是由质子交换膜、催化剂与气体扩散层组合而成的,为反应发生场所;双极板是带流道的金属或石墨薄板,其主要作用是通过流场给膜电极组件输送反应气体,同时收集和传导电流并排出反应产生的水和热。

    氢燃料电池工作原理示意

数据来源:公开资料整理

    燃料电池工作时发生下列过程:1)反应气体在气体扩散层内扩散;2)反应气体在催化层内被催化剂吸附后被离解;3)阳极反应生成的氢离子穿过质子交换膜到达阴极与氧气反应生成水,而电子通过外电路到达阴极产生电。质量能量密度高、能量补充速度快、清洁低碳是燃料电池的主要优势。燃料电池电堆是氢气和氧气发生电化学反应及产生电能的场所,是燃料电池基本原理得以实现的核心物质载体。鉴于单个燃料电池单元输出功率较小,实践中通常通过将多个燃料电池单元以串联方式层叠组合构成电堆来提高整体输出功率。因此,电堆是由双极板与膜电极交替叠合,各单体之间嵌入密封件,经前、后端板压紧后用螺杆拴牢,构成的复合组件。

    氢燃料电池电堆示意图

数据来源:公开资料整理

    除电堆以外,燃料电池发动机还需要一系列辅助系统才能实现其功能。其中控制系统通过高精度调节反应气体的压力及流量等使得电堆中的反应始终维持在输出功率、温度、湿度均合适的水平,保证发动机稳定可靠工作;氢气和空气供给系统是为电堆提供合适压力、温度、湿度、流量的氢气与空气;水热管理系统用于保持燃料电池内部水平衡和热平衡。此外,燃料电池发动机系统配备由车载高压储氢瓶和配套阀件组成的车载氢系统用于储存燃料,以及用于实现燃料电池与整车高压之间解耦的DC/DC变换器。

    所以,最终发挥发动机作用的燃料电池发动机系统主要由燃料电池发动机、电压变换器(DC/DC)、车载氢系统等构成,其中燃料电池发动机主要部件包括电堆、发动机控制器、氢气供给系统、空气供给系统等。相较于传统燃油车或纯电动汽车动力系统,燃料电池发动机系统结构较为复杂。

    燃料电池发动机系统结构示意

数据来源:公开资料整理

    目前的燃料电池从寿命、性能、资源和成本等方面已经达到产业化条件,满足下游交通和备电等领域应用:(1)燃料电池车辆寿命和运营里程达到传统汽柴油车水准,在英国和美国均有燃料电池公交车(FCEB)运营寿命超过2。9万小时,无需大修或更换燃料电池组;(2)低温启动温度可以达到-30℃;(3)铂金催化剂用量较小,未来不会引起铂金资源短缺,目前国际先进催化剂耗铂水平可达到0。125g/kW,未来单车铂金用量可以低于5g,与传统柴油车尾气催化剂铂用量相当,并且催化剂在往低铂和无铂方向发展;(4)成本快速下降,日韩燃料电池汽车预计2025年能达到传统内燃机车成本水平;(5)氢耗与油耗成本持平,并且随着规模扩大,氢气成本存在较大下行空间。

    氢燃料电池具有零排放、零污染的特性,被认为是未来清洁环保的理想技术,是终极新能源动力解决方案。燃料电池本质上是发电机,下游应用场景广泛,可以应用于交通领域和发电领域等。我们认为燃料电池发展将掀起一轮能源革命,氢将取代一部分石油,成为能源体系中的重要一环,未来氢燃料电池市场规模可达万亿级别。

    燃料电池下游应用场景广泛

数据来源:公开资料整理

    2、氢能产业概述

    车用氢能产业链

数据来源:公开资料整理

创世彩票开户    产业链上游主要包括各类途径的氢能制取。制氢技术包括燃料制氢、工业(氯碱)副产氢利用、电解水制氢等。燃料制氢多指从化石能源出发制取氢气的技术,其中煤制氢、天然气转化制氢是技术成熟度较高的燃料制氢手段,对我国而言煤制氢更具成本优势与可实现性,同时依托热化学循环的一次能源利用效率也较高。但煤制氢本身并未摆脱化石能源依赖,氢中混杂的少量一氧化碳等气体多导致催化剂中毒,对后续燃料电池的寿命有不利影响。

    工业(氯碱)副产氢利用和电解水制氢均采用电解方式制氢,区别在于前者电解氯化钠,主要产品是氢氧化钠与氯气,氢气是待利用副产品;而后者主要产品是氢气,氧气是待利用副产品。氯碱工业副产氢利用,氢气成本较低。电解水方式制氢技术成熟度也较高,故电的成本就决定了氢气的成本。富余可再生能源电力(水电、风电、光伏等)的平均成本较低,边际成本更低,制取氢气理论成本低廉;常规网电以火电为主,成本较高,一次能源利用效率也不及煤制氢。

    产业链中游、下游主要包括氢气的储运和加注。

    储氢技术包括高压存储气态氢、低温储液氢、物理吸附储氢、金属储氢、液体化合物储氢等类型,需求重点是增加储氢的质量百分比、体积百分比,保证氢气纯度,使得存储与再释放的环境尽可能温和,及储氢成本低廉、自放率(随时间增加的氢气损失率)低等。得到相对广泛运用,且规模扩大同时边际成本较低的储氢方式是高压存储气态氢和低温储液氢,且二者的自放率均大幅低于电能在各类电池中的储存;其余储氢方式还在研究、成熟过程中。

    氢气运输技术和储氢技术关注点类似,但长距离氢气运输无论采用高压管束车方式,专用管道方式或者天然气管道混氢-再分离方式,成本均较高,大幅高于输电后电解水制氢对应的“氢气运输(电力/能量运输)”成本。最终,氢气的加注于加氢站实现。低压氢气加压至燃料电池乘用车所需的70MPa或商用车所需的35MPa后,对相应车辆进行加注。

    3、全球氢能-燃料电池产业进展概述

    20世纪60年代,NASA(美国国家航空航天局)将燃料电池应用于双子星航天飞船,开启了燃料电池的现代发展史。20世纪70年代,石油危机引起了能源恐慌,氢能作为一种新兴清洁能源开始受到各国政府的关注。20世纪90年代,包括奔驰、福特在内的国际知名车企纷纷推出燃料电池概念车型。进入21世纪后,氢能与燃料电池技术发展逐渐成熟。全球范围内的氢能-燃料电池产业进展主要包括整车端的燃料电池整车进展和加氢站建设进展等。整车端,丰田Mirai,本田Clarity,奔驰F-cell,现代Nexo等车型验证了燃料电池为高性能乘用车提供动力的可实现性。

    部分燃料电池乘用车性能

创世彩票开户数据来源:公开资料整理

    加氢站端,2018年全球加氢站新增48座,截止到2018年底,全球加氢站数目达到369座。其中欧洲152座,亚洲136座,北美78座,其他地区3座;全球拥有10座加氢站以上的国家分别是日本(96座)、德国(60座)、美国(42座)、中国(23座)、法国(19座)、英国(17座)、韩国(14座)、丹麦(11座)。

    4、我国氢能-燃料电池产业概述

    我国氢能来源广泛,既有大量的工业副产氢气,又有大量的弃风弃光电、低谷电等可供制氢的存量资源。燃料电池是氢能的重要应用方式,车用氢能产业亦是燃料电池产业大规模推广的基础。包括制氢、氢气储运和加氢站在内的氢能产业链的发展,对燃料电池汽车的推广普及具有重要影响。我国氢能-燃料电池产业总体处于起步阶段。已有多家上市/非上市公司涉及产业链诸多环节,但关键环节不同程度有待突破。

    燃料电池电堆及相应组件的代表性公司

数据来源:公开资料整理

    燃料电池汽车数量方面,2016-2018年上牌数分别为629辆、1275辆和1527辆;2019年1-6月,我国燃料电池汽车产销分别完成1170辆和1102辆,同比增长均在7倍以上。产业发展的相对滞后亟需政策端发力。国家、地方对氢能-燃料电池产业予以大力扶持。国家层面的扶持政策多以补贴、双积分等经济调节和产业规划、技术进展等宏观指导为主。

    国家层面的氢能-燃料电池扶持政策(部分)

数据来源:公开资料整理

    另外,补贴、双积分等扶持政策对燃料电池汽车的友好程度最高,体现为补贴额度高、积分数值高;新能源汽车产业发展规划(2021-2035年)的编制工作启动,燃料电池车辆也是发展重点。地方层面的扶持政策涉及产业多方面。

    地方层面的氢能-燃料电池扶持政策(部分)

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创世彩票开户    5、氢能-燃料电池产业前瞻

    氢能-燃料电池产业发展的前景主要包括燃料电池的技术进步、成本下降、规模增加,氢源供应的丰富化,加氢站数量的增长等。美国能源部估计,燃料电池电堆及发动机成本随规模增加迅速下降。

    燃料电池发动机、电堆成本-规模关系

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创世彩票开户    制氢成本至远期降至10元/公斤;储氢密度提升至6.5wt%;电堆比功率提升至6.5kW/L,寿命大幅延长,成本急剧下降。

    氢能及燃料电池产业技术路线

数据来源:公开资料整理

    氢能源比例至远期将达10%;产值将达12万亿元;加氢站、燃料电池车、固定式电源、燃料电池系统等相关装备保有量不同程度增加,其中燃料电池车是装备的主要组成部分。

    氢能及燃料电池产业总体目标

数据来源:公开资料整理

    氢能及燃料电池产业发展总体目标(路线图)

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    6、中国燃料电池浪潮开启,远期万亿规模可期

    中国对于燃料电池发展支持处于循序渐进状态,我国从2001年就确立了“863计划电动汽车重大专项”项目,确定三纵三横战略,以纯电动、混合电动和燃料电池汽车为三纵,以多能源动力总成控制、驱动电机和动力蓄电池为三横。近期随着燃料电池产业发展逐渐成熟,中国在燃料电池领域的规划纲要和战略定调已经出现苗头,支持力度逐渐加大,政策从产业规划、发展路线和补贴扶持全方位支持燃料电池产业发展。

    产业规划:2016年11月29日,《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》提出系统推进燃料电池汽车研发和产业化。加强燃料电池基础材料与过程机理研究,推动高性能低成本燃料电池材料和系统关键部件研发。加快提升燃料电池堆系统可靠性和工程化水平,完善相关技术标准。推动车载储氢系统以及氢制备、储运和加注技术发展,推进加氢站建设。到2020年,实现燃料电池汽车批量生产和规模化示范应用。

    发展路线:2016年10月,汽车工程年会发布的《节能与新能源汽车技术路线图》中指出,到2020年燃料电池汽车在公共服务领域的示范应用要达到5000辆的规模;到2025年,实现氢燃料电池汽车的推广应用,规模达到5万辆;到2030年,实现氢燃料电池汽车的大规模推广应用,氢燃料电池汽车规模超过1百万辆。

    补贴扶持:2016年12月30日财政部、科技部、工业和信息化部和发改委发布的《新能源汽车推广补贴方案及产品技术要求》中规定除燃料电池汽车外,各类车型2019-2020年中央及地方补贴标准和上限,在现行标准基础上退坡20%,对燃料电池汽车补贴延续至2020年不退坡,对于燃料电池乘用车,给予20万元/辆补贴;对于燃料电池小型货车、客车,给予30万/辆补贴;对于燃料电池大中型客车,中重型货车,给予50万/辆补贴。2018年发布《关于调整完善新能源汽车推广应用财政补贴政策的通知》,燃料电池汽车补贴基本保持不变。

    燃料电池顶层规划循序渐进

数据来源:公开资料整理

    地方政府中,富氢优势、弃电较多或者产业领先为代表的地区重视燃料电池发展。多地市兴建氢能产业园区,氢能小镇和产业集群等,推动燃料电池公交、物流车示范运营,截至目前超过20地市明确推动氢燃料电池产业发展。目前仅上海、武汉、山东、苏州、张家口、佛山、盐城和大同等地规划显示,到2020年燃料电池汽车数量将超过1。5万辆。

    地方政府积极推动

数据来源:公开资料整理

    中国燃料电池产业目前与2012年锂电池极为相似,政策自上而下支持,技术达到产业化条件,产业链国产化进程开启,企业加快布局速度,资本市场投融资热度持续上升。

    中国燃料电池汽车发展路径明确:前期通过商用车发展,规模化降低燃料电池和氢气成本,同时带动加氢站配套设施建设,后续拓展到私人用车领域。

    优先发展商用车的原因在于:一方面公共交通的平均成本低,而且能够起到良好的社会推广效果,形成规模后带动燃料电池成本和氢气成本下降;另一方面商用车行驶在固定的线路上且车辆集中,建设配套的加氢站比较容易。当加氢站数量增加、氢气和燃料电池成本降低时,又会支撑更多燃料电池汽车。

    2017年是中国燃料电池汽车元年,全国燃料电池汽车产量达到1272辆。2018年燃料电池汽车商业化运营的元年,产量达到1619辆,目前国家补贴到2020年不退坡,在国家和地方补贴的支持下,燃料电池汽车产业开启以补贴为基石的内生性增长时代。

    商用车带动产业起步,乘用车奠定未来

数据来源:公开资料整理

    中国燃料电池汽车产量

数据来源:公开资料整理

创世彩票开户    截止2018年底,全国投入运营车辆约694辆,其中公交234辆左右,物流车约300辆,轻客160辆。其中,燃料电池物流车在上海已经开展商业化运营,目前在运营数量达到300辆左右,运营里程超过400万km,用户包括京东、申通快递、盒马鲜生、宜家等物流用户。

    燃料电池汽车运营现状

数据来源:公开资料整理

    我们预计随着成本的持续下降,产业规模将得到迅速扩大,行业将在未来十年迎来百倍增长,到2030年燃料电池汽车市场规模达到5000亿,车用燃料电池市场规模达到1200亿,远期燃料电池汽车和热电联产等市场规模可达万亿。

    2017-2020,燃料电池产业处于商业化运营的导入期,产业在政府补贴扶持下实现盈利。同时燃料电池成本与氢气成本随着规模扩大而稳步下降,预计到2020年,系统成本可低于6000元/kW,富氢地区氢气售价可达30元/kg,燃料电池汽车产销量达到万辆。

    2021-2025,燃料电池进入快速增长期,产业在合理补贴退坡情况下实现盈利。到2025年系统成本达到2000元/kW,氢气售价降低到28元/kg,燃电池汽车产销量达到25万辆。

    2026-2030,燃料电池进入爆发期,产业无需补贴可以实现内生性增长。到2030年系统成本不高于1000元/kW,氢气售价23元/kg,燃料电池汽车产销量达到150万辆以上,燃料电池汽车市场规模达到5000亿。

    FCV销量和车用燃料电池系统市场规模预测

数据来源:公开资料整理

    燃料电池成本预测

数据来源:公开资料整理

    相关报告:智研咨询发布的《2019-2025年中国氢燃料电池行业市场分析预测及投资方向研究报告》  

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