燃料电池市场规模远期可达万亿级别,动力锂电池和氢燃料电池互相补充,不直接竞争。
目前市场上仍对燃料电池存在较多疑惑,本篇报告主要对于市场上对氢燃料电池主要问题进行解答：
1、氢燃料电池技术是否成熟？
2、氢燃料电池市场规模可以看到多大？
3、中国氢燃料电池产业发展水平？
4、动力锂电池和氢燃料电池之间关系,会彼此竞争吗？
5、中国为什么发展氢燃料电池？
6、氢的安全性如何？
7、燃料电池产业存在稀有金属资源短缺问题吗？
8、加氢站成本较高,基础设施如何铺开？
9、中国氢源是否充足,成本低廉？
10、国家对氢燃料电池补贴力度如何,补贴是否会花费天量资金？
——国金燃料电池团队
目前燃料电池汽车在速度、加速时间和续航均满足日常使用,商业化瓶颈主要是在耐久性、低温启动和铂金需求方面,目前电堆性能达到商业化需求。
■ 耐久性,乘用车领域,丰田和新源动力轿车用电堆寿命超5000h；商用车领域,美国和伦敦均有燃料电池巴士运营时间超过3万小时,电堆没有大的维修或者。
■低温性能,可以应对全球绝大部分地区和气候,实现-30℃启动。
■燃料电池汽车驾驶性能媲美传统汽油车。以乘用车为例,最高车速普遍达到160km/h以上,续航在500km以上,氢气加满时间为3分钟,续航、百公里加速在10秒左右。
我们预计随着成本的持续下降,产业规模将得到迅速扩大,到2030年车用燃料电池规模预期可以达到1200亿,行业将在未来十年迎来百倍增长。
■ 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,系统成本可达到5000元/kW左右,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,燃料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169万辆,燃料电池应用拓展至乘用车,分布式热电联产也开始爆发。
燃料电池市场规模远期可达万亿级别。氢燃料电池的应用场景不仅仅是汽车,还可以应用于轮船、潜艇、分布式热电联产和备电系统等,基本可以应用于任何能源应用场景。我们认为氢能不仅是新能源的下一个确定性投资机会,更重要的是掀起能源革命,可以让国家实现能源自主。
燃料电池产业国产化程度快速提升,电堆产业链国产化程度达到50%,系统关键零部件国产化程度达到70%左右,其他核心零部件也处于快速追赶进程。
电堆产业链国产环节：(1)电堆,商用车电堆,广东国鸿和潍柴动力分别引进巴拉德9ssl电堆和LCS电堆技术,商用车电堆通过技术引进方式,短期与国际领先水平持平；乘用车电堆,新源动力在东京燃料电池展上展出的电堆体积功率密度突破3.3kW/L,低温-30℃启动,性能上可以媲美丰田Mirai电堆。(2)膜电极,苏州擎动自主研发的“卷对卷直接涂布法”膜电极生产线于2月23日正式投产,广州鸿基核心技术成员拥有多年知名燃料电池公司工作经历,在膜电极研发和产业化生产上具备丰富成功经验。(3)双极板,石墨双极板方面,中国一直有较多企业可以提供,金属板方面,上海治臻已经开发了多款量产金属双极板。
系统国产环节：(1)系统集成,国内系统集成独角兽上海重塑装车量近千台,系统企业数量逐年增多；(2)空压机,雪人股份并购基金收购瑞典SRM,拥有了全球领先的空压机技术；其他企业汉钟精机和广顺新能源等也自主研发出燃料电池空压机；(3)DCDC,国内自主提供,性能快速提升；(4)电堆,国内企业自主提供电堆,技术或是自主或是引进吸收。
储氢瓶环节：目前国内储氢瓶重点发展III型瓶,国内储氢瓶企业可以量产销售35MPa储氢瓶,技术和产品均成熟；70MPa储氢瓶具备研发能力,目前处于推广初期。代表企业有富瑞氢能、北京科泰克、北京天海、沈阳斯林达和中材科技等。
目前阶段,动力电池和氢燃料电池并不直接竞争,而是互相补充替代传统内燃机。在车用领域里面,动力电池适合乘用车；燃料电池当前适合于商用车,双方主流应用场景不一样,较长一段时间都会处于互补状态。
乘用车领域,锂电池汽车全生命周期具备经济性优势。燃料电池汽车当前面临成本较高和加氢站较少的制约瓶颈,未来随着燃料电池乘用车成本显着降低、加氢站普及,燃料电池乘用车才会迎来发展契机。
商用车领域,燃料电池汽车未来可替代柴油车,氢替代柴油。燃料电池汽车具备高功率密度、无污染、加氢快和续航长等优点；传统柴油机汽车污染大；锂电池能量密度低,在商用车上载重效率较低。
中国发展氢燃料电池和锂电池战略意义一脉相承,具备3方面战略意义：
(1)减少石油依赖。中国石油对外依存度较高,2018年中国进口原油4.6亿吨,原油产量1.9亿吨,进口量和生产量之比为2.44；柴油消费辆高于汽油,2018年柴油表观消费量约为1.55亿吨,汽油表观消费量约为1.27亿吨。氢燃料电池的下游应用包括商用车、乘用车、火车、热电联产和备电系统等场景,基本覆盖所有日常需求,氢燃料电池的推广可以减少石油需求,改善能源结构。
(2)抓住下一代汽车动力技术。氢燃料电池汽车具备加氢快、无污染和长续航等优点,极有可能成为汽车的下一代动力来源。目前中日韩欧美等大国都有相应技术储备,车企巨头也在不断推出燃料电池汽车产品。
(3)减少污染,燃料电池运营时候排放物是水,无污染；制造和回收过程污染非常小。
我们从氢气的特性、储运过程、燃料电池车辆的安全设计、事故和极端情况下的车辆安全、加氢设施的安全规范这5个角度来全面分析氢气的使用安全问题,详细可见相关报告(《燃料电池车用氢安全性分析-氢气安全吗？》)。
氢气特性安全：氢气不易形成可爆炸的气雾,且其泄露能量和爆炸当量较低。
氢气的扩散速度是天然气的3.8倍,但泄露能量仅约为天然气的40%；
氢气具有最大的浮力和扩散性,泄漏的氢气将会很快上升并向各个方向快速扩散,使得浓度难以达到爆炸所需浓度；
氢气的爆炸能量是常见燃气中最低的,仅为汽油气的1/22；
目前燃料电池车用的储氢瓶都选用铝内胆碳纤维缠绕,并且燃料运输管道大多采用316不锈钢材质,可避免氢脆产生的安全风险。
氢气作为工业气体已有很长的使用历史,安全规范完整,有标准的操作规程。现阶段是以氢气长管拖车为储运氢气的主流方式,从氢气的充装到运输,都配有完善的安全装置和详细的操作规范,有效降低储运危险性。
燃料电池车辆的设计也考虑了氢气安全性。
车载供氢系统：从技术设计与材料选用两方面下手,实现用氢安全多重保障。通过完整的安全辅助装置实施良好的过温过压保护,并选择合适的材料以及保护结构建立全套储氢系统；
燃料电池整车：严格的出厂测试与密切的氢气监控体系确保运行安全。
面对事故和极端试验环境,车辆依然保有良好的安全性能。以丰田提供的案例,无论是子弹贯穿还是泄漏点火,车载储氢瓶都没有出现炸裂或者爆炸现象发生。并且由于氢气的强扩散性,即使在相对密闭的地下停车场或者隧道,氢气泄漏也较难引起爆炸事故。
加氢基础设施已有相关技术规范,行业标准体系正在加快健全。加氢站作为构建未来燃料电池汽车网络的重要环节,包括我国在内已有多国出台了相应的安全设计规范,只要遵循设计规范操作,安全性可以得到有效保障。
国内外着名的燃料电池车厂商都针对储氢瓶的安全性在各类条件下做了多方面实践测试,多角度的展示了在现在氢气储备和使用技术下氢能的安全性是十分有保障的。通过实际的安全试验和模拟,不难看出氢气实际上有着可以与传统燃油比肩的安全性,甚至更加安全。现实条件下氢气爆炸并非想象中的那么容易实现。
■ 储氢瓶子弹贯穿试验：丰田公司首先对所有可能的破坏风险进行了理论评估,然后进行了严苛的实际验证,对所有可能的破坏方式进行了验证,包括了射击试验、长期高压下的充气放气试验、极端温度环境测试、化学品浸润试验等等。近期公布的视频展示了其车载储氢罐在大口径来复枪射击时的安全性能,结果显示并没有出现观众预期的起火甚至爆炸。结果表明,实验条件下罐体并没有损坏,而氢气则在15至30秒时间内完全排除,这不会引起大的灾难。结果还表明,只有5mm口径的子弹才能贯穿现有的储氢罐,这是大口径狙击步枪所用的子弹。
■ 国内的厂商也做过类似的测试,用子弹打穿35MPa储氢瓶的45秒照片,可以得出：当储氢瓶被子弹击穿时没有发生氢气爆炸,当子弹击穿储氢瓶时氢气是向上喷射,氢气喷射的速度极快,整瓶氢气通过一个子弹孔45秒就排放完成。
■ 储氢瓶火烧试验：将储氢瓶进行火烧,氢气燃烧前一秒火焰最大,一秒之后火焰骤降,基本5-15秒后火焰熄灭,最重要的一点,即便是火烧氢瓶,储氢瓶依旧没有出现爆炸。
■ 储氢瓶泄漏点火试验：以氢燃料电池汽车为例,与燃油车对比进行燃料泄露点火试验。氢燃料电池汽车火焰是从后备箱向上窜,燃油车是油向下流淌,导致火焰从整车下部着火；一分钟后氢燃料电池汽车依旧只是氢气向上燃烧,对汽车基本没有损坏,而此时燃油车早已成为一个大火球,只剩下燃烧后的车架。
密闭空间氢气泄露试验：在日本政府推进氢燃料电池的过程中,对于氢气的安全性,有关方面进行了大量的试验。其中对在相对密闭场所,如地下停车场和隧道当中发生氢气泄漏的情况做过试验模拟,总体来说即使在相对密闭空间由于氢气的扩散性强,发生爆炸的可能性不大。
燃料电池唯一需要的金属是铂金,用于铂金催化剂上,铂金需求不会引起资源短缺。目前铂金催化剂发展趋势是低铂和无铂路线,目前本田电堆铂金载量已经低至0.12g/kW,本田Clarity单车催化剂铂耗降至10g左右,低铂路线处于持续发展中；无铂方面,巴拉德2017年发布过无铂催化剂电堆。预计随着技术进步,未来燃料电池汽车催化剂铂耗与传统柴油车尾气催化剂铂耗相当,单辆传统柴油车尾气净化催化剂需要铂金3-8g。并且燃料电池铂金回收率可以达到95%以上,燃料电池汽车替换柴油车不会引起铂金资源短缺。
随着产业发展,加氢站投资回报周期持续缩短,将吸引大量具备副产氢的能源化工企业和社会资本参与加氢站建设运营。加氢站投资回报周期缩短,主要有3方面原因：(1)燃料电池汽车增加,氢气成本下降；(2)建站成本在快速下降；(3)国家给予加氢站建设运营补贴。
燃料电池产业发展,规模化带来氢气降价。当前全国燃料电池汽车保有量规模较小,加氢站氢气采购价格较高,普遍在32元/kg以上；未来随着燃料电池汽车数量持续增加,加氢站氢气议价能力增强,制氢规模提升,氢气价格将持续下降。
设备国产化和规模化,加氢站建站成本快速下降。2017年佛山丹灶瑞晖加氢站单站投资额1550万左右,加氢能力350kg/d；2018年佛山佛罗加氢站投资额1250万左右,加氢能力500kg/d；2019年500kg/d加氢能力的加氢站投资降到1000万左右。
国家开始补贴加氢站建设运营,地市加氢站建站补贴政策持续出台。3月26日,财政部、工信部、科技部和发改委联合发布《关于进一步完善新能源汽车推广应用财政补贴政策的通知》,广东佛山市2019年加氢站建站补贴最高可达500万/座,安徽六安加氢站建站补贴最高可达400万/座,更多地方政府在出台加氢站地方补贴细则。
我国氢气来源广泛,是全球第一大产氢国,《中国氢能产业基础设施发展蓝皮书(2018)》数据显示,2016年中国氢气产量约为2100万吨,其中煤制氢占比62%,为主要的氢气来源；天然气制氢其次,占比19%。
我国制氢成本较低,制氢路线包括化石燃料制氢、电解水制氢、工业副产氢、可再生能源制氢以及其它清洁能源制氢方式,各路线制氢成本如下图。
副产氢丰富,并且副产氢产能持续增加。传统的炼焦行业、氯碱行业,以及近几年大量新建的丙烷脱氢、乙烷制乙烯项目,都会副产大量氢气。使用副产的氢气,不需要投入过高的固定成本,仅需投入分离提纯成本和运输成本,即可直接采用。根据测算,目前副产氢年产能可达1806万吨,其中炼焦副产氢1695.8万吨,氯碱副产氢82.1万吨,PDH副产氢26.6万吨,乙烷制乙烯副产氢1.4万吨。
当前燃料电池补贴力度较大,当前燃料电池汽车单车补贴金额较高,以中重卡为例,2018年国补50万/辆,2019年过渡期国补40万/辆；很多地方补贴比例达到1:1,如上海、深圳、武汉和佛山等地。
燃料电池补贴总金额可控,可以在政府接受范围内逐步放大。一方面,单车补贴在快速下降,燃料电池国产化开启,成本快速显现,补贴随之相应退坡。2019年燃料电池汽车补贴在过渡期退坡20%,参照锂电池补贴政策,后续会根据每年成本下降速度相应退坡；另一方面,燃料电池汽车推广离不开加氢站建设,加氢站建设审批国家可以做好统筹规划,从而保障燃料电池健康发展,补贴可控。
（文章来源：国金证券）
