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制储运加,燃料电池汽车商业化元年到来

2019-11-09 03:18

电工电气网】讯

电气设备行业氢能源系列专题:燃料电池产业链潜在规模测算及核心标的梳理

燃料电池全面分析系列第二篇,上篇是市场分析,下篇是产业分析。

未来燃料电池车用系统在我国将主要应用在商用车领域。基于较常见的“电电混合”方案——30kw燃料电池系统搭配40kwh锂电,天风证券在年产1000台、5万台和50万台3种情景下,对燃料电池车的成本进行详细拆解,其结论是:①目前一套燃料电池系统售价大约在60万左右,小型物流车整车成本约80万元,其中电堆成本超过一半,气体循环系统占总成本的20%;②年产5万台时,电堆和气体循环系统成本可大幅下降,整车成本可降至30万元以下,其中电堆成本将降至10万元以下;③年产50万台时,电堆与气体循环系统总成本将降至不足整车成本的1/3,合计成本不超过5万元。

天风证券 2019-04-26[] [] []

技术路线

车用燃料电池在整个产业链条中,我国已掌握大部分零部件的核心技术,各环节均有不少优质企业,但仍缺乏量产经验。目前我国企业较为擅长的环节包括:系统集成、质子交换膜、催化剂、储氢瓶。而根据天风证券行业空间测算,价值量较高的环节包括:系统集成、电堆、膜电极、储氢瓶和氢气供应。

燃料电池商用车成本拆解 我们判断,未来燃料电池车用系统在我国将主要应用在商用车领域。基于较常见的“电电混合”方案--30kw燃料电池系统搭配40kwh锂电,我们在年产1,000台、5万台和50万台这3种情景下,对燃料电池车的成本进行详细拆解。 主要结论: 1)目前一套燃料电池系统售价大约在60万左右,小型物流车整车成本约80万元,其中电堆成本超过一半,气体循环系统占总成本的20%。 2)年产5万台时:电堆和气体循环系统成本可大幅下降,整车成本可降至30万元以下,其中电堆成本将降至10万元以下。 3)年产50万台时:电堆与气体循环系统总成本将降至不足整车成本的1/3合计成本不超过5万元。 车用燃料电池系统各环节市场空间测算与核心国产供应链梳理 车用燃料电池在整个产业链条中,我国已掌握大部分零部件的核心技术,各环节均有不少优质企业,但仍缺乏量产经验。目前我国企业较为擅长的环节包括:系统集成、质子交换膜、催化剂、储氢瓶。而根据我们行业空间测算,价值量较高的环节包括:系统集成、电堆、膜电极、储氢瓶和氢气供应。 根据我们梳理,优质国产供应链企业包含: 1)车企方面,上汽、潍柴、宇通等在燃料电池车领域布局较为深入。 2)电堆核心部件方面,也有不少领先企业:东岳集团质子交换膜技术成熟,美锦能源参股的鸿基在膜电极领域较为领先,贵研铂业具备生产催化剂能力。 3)诚然国产气体循环设备仍有进步空间,但成本优势显着,不少企业已选用国产空压机、氢气循环泵和储氢瓶。 4)随着保有量的提升、燃料电池车性能的提升,对氢气需求的增长也十分显着。加氢站设备企业厚普股份、具备制氢能力的鸿达兴业、滨化股份等也将大有可为。 投资建议: 我们认为2019年将成为燃料电池汽车商业化元年,行业产销量将在2020年超过1万辆。板块投资将从主题投资转向基本面驱动,因此在本文中我们对产业链的各个环节进行成本拆分及规模量化测算,为投资者提供更具价值的结论。 测算结果显示,电堆和膜电极等核心零部件价值量最大,此外,考虑到燃料电池车的推广对加氢站依赖极大,加氢预计是整个产业链最先启动的环节建议关注:1)关键零部件领域的美锦能源、东岳集团、潍柴动力、雄韬股份;2)前端氢能源环节的厚普股份、鸿达兴业、滨化股份;3)其它环节的雪人股份、科恒股份、蠡湖股份等。 风险提示:政策推广力度不及预期;国内技术进步不及预期;国内企业量产进度不及预期。

5. 技术原理:氧化还原反应

天风证券挑选出了优质国产供应链企业。车企方面,上汽、潍柴、宇通等在燃料电池车领域布局较为深入。电堆核心部件方面,也有不少领先企业:东岳集团质子交换膜技术成熟,美锦能源参股的鸿基在膜电极领域较为领先,贵研铂业具备生产催化剂能力。随着保有量的提升、燃料电池车性能的提升,对氢气需求的增长也十分显著。加氢站设备企业厚普股份、具备制氢能力的鸿达兴业、滨化股份等也将大有可为。

燃料电池主要由正极、负极、电解质三部分组成,原理是氧化还原反应,反应实质是燃料和氧气发生反应生水或者其他产物。

天风证券认为,2019年将成为燃料电池汽车商业化元年,行业产销量将在2020年超过1万辆。板块投资将从主题投资转向基本面驱动,建议关注:①关键零部件领域的美锦能源(000723.SZ)、潍柴动力(000338.SZ)、雄韬股份(002733.SZ);②前端氢能源环节的厚普股份(300471.SZ)、鸿达兴业(002002.SZ)、滨化股份(601678.SH);③其他环节的雪人股份(002639.SZ)、科恒股份(300340.SZ)、蠡湖股份(300694.SZ)等。

6. 分类:6 大类,PEMFC 质子交换膜为主

根据工作温度、电池内载流子和前端燃料的不同,燃料电池分为以下6 大类。

按照使用温度分类如下

受益交通应用拉动,PEMFC 质子交换膜燃料电池出现跨越式发展,详细数据请关注本公众号(史晨星 shichenxing1)参照上篇市场分析。

PEMFC 质子交换膜燃料电池具有高比功率、可快速启动、无腐蚀性、反应温度低、氧化剂需求低等优势,是当前燃料电池汽车的首选。

AFC碱性燃料电池:成本偏高,主要应用于航天领域

PAFC磷酸燃料电池:效率较低,小型电站应用

MCFC熔融碳酸盐燃料电池:运行温度高,大型电站应用

SOFC固体氧化物燃料电池:运行温度高,未来潜力较大

制储运加,燃料电池汽车商业化元年到来。PEMFC质子交换膜燃料电池:低温运行,主要应用于交通领域

DMFC甲醇燃料电池:运行温度适中,主要应用于消费电子

7. 产业链:上游氢气制备运输储存,中游燃料电池,下游应用

8. 技术路线图:功率密度 > 2kW/kg,耐久性 > 5000h

欧阳老师的《节能与新能源汽车技术路线图》为我国燃料电池汽车的发展指明了方向:电堆的比功率和寿命是主要的技术参数目标,全产业链均有技术创新需求。

实施路径图:系统→发动机→电堆→膜电极→催化剂&质子交换膜

采取“剥洋葱模式”,层层深入,将技术链逐环解耦

第一个层次,研发燃料电池的混合动力系统,发动机外协;

第二个层次,研发了燃料电池发动机,燃料电池的电堆外协;

第三个层次,研发燃料电池电堆,燃料电池膜电极外协;

第四个层次,研发燃料电池膜电极,核心是质子交换膜和催化剂。

9. 5 种制氢方法:煤气化/焦炉气副产成本最低 10 元/Kg,电解水环保 30 元/Kg

制氢主要分为5 种技术路线

全球来看,目前主要的制氢原料96%以上来源于传统能源的化学重整,日本盐水电解的产能占所有制氢产能的63%

各种制氢方式成本如下

10. 储氢:高压气态为主,固态合金是未来方向

储氢方式有三种,分别是气态储氢、液态储氢、固态储氢。

各种储氢方式对比如下

11. 运氢:大量气态管道运输,小量固液车船运输

常见的运输方式有液化汽车运输、高压气体汽车运输和管道运输,目前各国正在研发氢载体方式运输氢,采用各种基本运输方式的组合运输形式。

12. 加氢站:三站合一,站内制氢为主,中央制氢补充

加氢站的技术路线有站内制氢技术(电解水制氢、天然气重整制氢)和外供氢技术,我们看好站内制氢加氢方案发展前景

皇家国际官网,加氢站、加油站、加气站三站合建,解决城市用地难和安全管理问题。

氢气压缩机、高压储氢罐、氢气加注机是加氢站系统的三大核心装备。

截至 2017 年底,全球共有328 座正在运营的加氢站。

到 2020 年,中国规划建成100座加氢站。

13. 燃料电池汽车:燃料电池系统/发动机 辅助电池系统 储氢瓶 电机 电控

14. 燃料电池系统/发动机:电堆、DC/DC、空气系统、氢气系统

15. 燃料电池堆:占系统成本 50%,核心是膜电极、双极板

原理:利用质子交换膜技术,使氢气在覆盖有催化剂的质子交换膜作用下,在阳极将氢气催化分解成为质子,这些质子通过质子交换膜到达阴极,在氢气的分解过程中释放出电子,电子通过负载被引出到阴极,这样就产生了电能。

燃料电池堆是电池系统的心脏,成本占电池系统一半以上

单体燃料电池由双极板、膜电极组件、密封圈等部件组成,其中膜电极组件成本占燃料电池堆的60%,主要是由质子交换膜、催化剂层、气体扩散层组成。

16. MEA 膜电极:催化剂、质子交换膜、气体扩散层

膜电极(membrane electrode assembly,MEA)是质子交换膜燃料电池发生电化学反应的场所,是传递电子和质子的介质,为反应气体、尾气和液态水的进出提供通道,膜电极是质子交换膜燃料电池的心脏。膜电极通常由5 部分组成,即中间的质子交换膜、两侧的阳极催化层和阴极催化层,最外侧的阳极气体扩散层和阴极气体扩散层。

催化剂:单车铂用量 < 10g,国内可小规模生产

催化剂作用于氢气,使电子离开氢原子。目前Pt/C 载体型催化剂是 PEMFC 最常用的催化剂 剂,由纳米级的 Pt 颗粒和支撑这些 Pt 颗粒的大比表面积活性炭构成。

质子交换膜:全氟磺酸膜是主流,国内具备量产能力

质子交换膜的主要作用有两个:一方面为电解质提供氢离子通道,一方面作为隔膜隔离两极反应气体。此外,质子交换膜还需要对催化剂层起到支撑作用。

质子交换膜类型主要包括全氟磺酸质子交换膜、非全氟化质子交换膜、无氟化质子交换膜、复合膜以及高温膜。

全氟磺酸膜成型工艺可分为三类:PESIM挤出成型工艺、溶液浇铸成型工艺和复合成型工艺。

GDL 气体扩散层:核心是碳纸,国内小规模生产

气体扩散层通常由基底层和微孔层组成,基底层通常使用多孔的碳纤维纸、碳纤维织布、 碳纤维非纺材料及碳黑纸,主要起到支撑微孔层的催化层的作用,微孔层主要是改善基底层孔隙结构的一层碳粉,目的是降低催化层和基底层之间的接触电阻,使得流道气体以及产生水均布分配。

17. 双极板:石墨板应用广泛,金属板能量密度高,国内小规模生产

双极板是电堆的核心结构零部件,起到均匀分配气体、排水、导热、导电的作用,占整个燃料电池60%的重量和20%的成本。

双极板材料主要包括石墨、金属以及复合材料三类。

18. 空气循环系统:核心是涡轮/螺杆空气压缩机

空气循环系统主要由空气压缩机、膨胀机、电机、连接管道等组成,总成本占燃料电池系统的 22%,工作能耗占燃料电池输出功率的 20~30%。

工作原理:空气通过压缩机增压之后,经过加湿处理送入到燃料电池反应堆,在那里和来自于氢源的氢气发生电化学反应,输出电能用于动力输出。输入气体在消耗了部分氧气之后,排出反应堆,通过分水,去雾之后,通过膨胀器从压力气体中回收部分压力能,将其转化为机械能反馈到空气压缩机,从而节省供气单元所需要的电能。

19. 氢气供给系统:核心是储氢瓶

车载供氢系统包括压力流量调整元件、氢气泄漏传感器、供氢管路、控制系统、 氢气再循环系统等,核心是储氢瓶

储氢瓶:70 MPa 是未来趋势,国内已有样品

储氢瓶是车辆续航里程的决定因素,常用的储氢瓶分为5 种类型。

70 MPa储氢瓶 是未来趋势

20. 专利

专利技术经历高速增长后的回落过程中

日本引领技术发展,中国国际排名第三

车企掌握产业技术话语权,丰田、日产、本田、松下、东芝居前。

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