近日,受隆基股份等多家上市公司积极布局的刺激,氢能源板块接棒碳交易板块,成为碳中和概念当中新的市场宠儿。

为何是氢能源?按照分析师们的说法,氢能是替代化石能源实现碳中和的重要选择,将成为我国能源转型的关键补充。

从技术角度来说,氢能是世界上最干净的清洁能源,具有燃烧热值高的特点,其热值(142KJ/g)约是石油的3倍、煤炭的4.5倍。目前相关技术已经趋于成熟。

从产业化角度考虑,中国是全球最大制氢大国,生产和应用已经具备产业化条件。尽管短期国内氢能生产应用尚处于初始期,但随着氢能在冶金、汽车等领域加快应用,未来氢能的消费需求前景大好。

从政策层面看,氢能产业已被写入“十四五”规划。一些传统的能源企业巨头也纷纷进军氢能源。

中国氢能联盟在其《中国氢能源及燃料电池产业白皮书》中测算,到2050年,预计氢能在中国能源体系中的占比约为10%,氢气需求量接近6000万吨,年经济产值超过10万亿元。

“政策扶持和技术进步是下一阶段氢能大规模商业化的关键 ,”国联证券分析师吴程浩在研究报告中这样写道。

从产业链条看,氢能产业链分为制氢、储运、加氢站、电池应用等环节;从终端应用来看,氢能源在能源、交通、工业、建筑等领域具有广阔的应用前景。

其中,氢燃料电池汽车是氢能在初期应用的突破口与主要市场。

国联证券分析师吴程浩表示,与锂等储能电池产业链相比,氢能源与燃料电池产业链更长,复杂度更高,理论经济价值含量更大。

与最大竞争对手锂电池相比,尽管锂电池市场发展很成熟,但氢燃料有一个不能比拟的优势:能量远超电池,并且没有工作温度限制(电池工作温度范围在-20℃~60℃)。

氢燃料电池的原理是氢与氧结合生成水的同时将化学能转化为电能和热能,过程不受卡诺循环效应的限制,理论效率可达90%以上,具有很高的理论经济性。吴程浩表示:

不同于铅酸、锂电等储能电池,燃料电池类似于“发电机”,且整个过程不存在机械传动部件,没有噪声和污染物排放。

2019年中国新能源汽车整体产销受补贴退坡的影响出现大幅收缩,但燃料电池汽车却呈现高速增长的局面,当年燃料电池汽车销量为2737辆,同比增加79.2%。由于目前燃料电池汽车在我国仍处于试点示范阶段,订单来自政府采购,且以商用为主,保有量相比同为新能源的纯电动车的基数仍处较低水平。

按照燃料电池发展白皮书, 到2030年,我国燃料电池汽车保有量达到 200 万辆水平,到2050年,保有量达到 1000 万辆水平。 

尽管当前我国氢能产业链已初具雏形,且燃料电池系统性能已满足商业化需求,但是,燃料电池汽车的大规模商业化应用依然受经济性及实用性制约。

吴程浩认为,燃料电池系统成本的不断下降以及性能的不断提升是大规模商业化应用前首要解决的问题。

在产业发展的初期,政策扶持显得尤为重要。政策扶持下,产业进入规模化-降本-开拓市场的良性内循环。此外,持续的技术进步也将反哺解决各环节核心技术的成本制约,进一步提升商业化竞争力。 

规模效应将对燃料电池及燃料电池汽车的成本形成重要影响。吴程浩表示,基于2020年的技术水平,在年产50万套80kW电堆的规模下,质子交换膜燃料电池系统成本可降低到40美元/kW,即80kW燃料电池汽车的电池系统总价约3200美元(约2万人民币)。

未来,燃料电池车成本有望比动力电池汽车更低。”吴程浩写道。主要是基于以下理由:

  • 锂离子电池产业成本下降速率已趋于稳定,而燃料电池产业仍处在发展初期,成本具有巨大下降潜力;
  • 燃料电池电堆中除铂催化剂外,其他材料包括石墨、聚合物膜、钢等,几乎不存在类似于锂、 钴、镍等稀缺材料对锂电池成本的刚性限制。同时单位功率铂用量大幅下降,丰田Mirai 燃料电池铂含量仅约 0.2g/kW,未来有望降低至 0.1g/kW 以下,且铂可以回收利用,可以有效降低电堆成本。

燃料电池堆占整个燃料电池系统一半成本

在燃料电池车中,燃料电池系统由燃料电池组和辅助系统组成。其中,燃料电池堆是核心部件,它将化学能转化为电能,为汽车提供动力。四个辅助系统为供氢系统、供气系统、水管理系统和热管理系统。

从成本端来看,根据DOE对80KW系统的成本测算,在年产50万套的规模化条件下,燃料电池电堆已占据燃料电池系统约一半成本,空压机占比超过四分之一。这两部分是降低燃料电池系统综合成本的关键。

国内电堆技术水平仍落后于国外

造成燃料电池电堆成本居高不下的主要原因就是我国技术存在短板,国内电堆在核心材料与关键技术方面仍落后于国外。

其中,膜电极层的三大关键材料P/t催化剂、质子交换膜、碳纸主要依赖进口,因国产材料尚无法满足高性能燃料电池电堆使用需求;集流体双极板方面,石墨双极板经过多年开发已与国外技术水平相当,但低成本、轻薄的金属双板开发仍为空白。

其中,催化剂作用是降低反应的活化能,促进氢、氧在电极上的氧化还原过程、提高反应速率。目前,燃料电池中常用的商用催化剂是Pt/C催化剂。

吴程浩表示,在降低催化剂成本的方面目前有两条路径,一条是降低铂的使用量,另一条是研发非铂催化剂,两者都已有所进展。虽然无铂催化剂尚未进入工业应用的阶段,但很可能是未来大幅降低燃料电池成本的关键。

日本、英国、比利时等国外供应商的催化剂制备技术处于绝对领先地位,已经能够实现批量化生产(>10 公斤/批次),而且性能稳定,可靠性高。国内目前几乎没有产业化制造催化剂的企业,催化剂产品也比较单一。

气体扩散层位于流场和催化层之间,其作用是支撑催化层、稳定电极结构,具有质/热/电的传导功能。

气体扩散层通常由支撑层和微孔层组成,支撑层材料大多是憎水处理过的多孔碳纸或碳布;微孔层通常是由导电炭黑和憎水剂构成,作用是降低催化层和支撑层之间的接触电阻,使反应气体和产物水在流场和催化层之间实现均匀再分配,有利于增强导电性,提高电极性能。

国外大多数制造厂商都已实现气体扩散层的规模化生产,且都有多款适应不同应用场景的产品销售,包括日本东丽、德国 SGL 和加拿大 AVCarb 等。国内气体扩散层还处于初级碳微孔层的制备阶段,性能均一性和稳定性尚未得到实际验证。

在金属双极板基材方面,目前是以不锈钢和钛合金板为主。不锈钢基材开发钢铁企业为代表,而国内金属极板专用基材的发开方面仍为空白。 

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