燃料电池:新能源装备产业链下一个风口

能源产业始终是人类进程发展中无可回避的问题,从哥本哈根气候峰会以来,新能源产业发展加速的势头强劲,包括燃料电池汽车在内的新能源汽车在我国也是持续的放量增长。然而“前途是光明的,道路却是曲折的”,新技术的成长总是会面临或多或少的问题,燃料电池产业如今的核心问题在于技术的稳定性和成本的可控性问题,能源供给网络的建设也是不可忽视的事。我们旨在通过燃料电池的系列报告重点讨论如今的燃料电池产业将会如何的发展,何时能遇到产业化的风口,以及相关装备板块是否会成为继锂电池装备后下一个新能源产业链风口。

一、燃料电池:新能源产业链下一个风口

1技术渐趋成熟

燃料电池是一种将燃料具有的化学能直接变为电能的发电装置,具有发电效率高、环境污染少等优点。由于其电能转换不经过燃烧这一过程,能量转化效率可以达到 60%左右,同时燃料电池的功率范围为1W ~ 100MW,可以广泛应用于交通运输、便携式设备、发电站和航空航天等领域。

与传统的石化燃料相比,燃料电池具有零排放、无振动噪声等优点,对于缓解交通运输的能源压力、降低尾气排放等都具有重要的作用;与煤炭火力发电相比,燃料电池具有负荷响应性好、高可靠度等优点,对于提高发电效率、减小环境压力等也有显著的效果。目前燃料电池技术已经比较成熟,正在逐步走向市场化,在家用市场应用较广的主要有质子交换膜燃料电池(PEMFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)等。

燃料电池的工作原理是电解水的逆过程,即燃料和氧化剂通过电极实现向电、水和热量的转化,目前技术已日臻完善,各类核心部件的性能达到稳定可靠的水平。例如,在燃料电池内部,交换膜为质子的迁移和输送提供通道,质子经过交换膜从阳极到达阴极,与外电路的电子转移构成回路,为外界负载提供电能。此外,燃料电池堆和气体供给子系统、水管理子系统、热管理子系统以及控制子系统均为燃料电池的稳定合作提供了技术保障。

2应用范围广泛

燃料电池既适宜用于集中发电,建造大、中型电站和区域性分散电站,也可用作各种规格的分散电源、电动车、不依赖空气推进的潜艇动力源和各种可移动电源,同时也可作为手机、笔记本电脑等供电的优选小型便携式电源。

燃料电池产业的技术发展趋势,主要是在三个级别上针对不同的市场需求而齐头发展,100W ~10KW电池面向民用,是移动基站、分立电源、潜艇、电动自行车、摩托车、游艇及场地车等的较佳动力源;10KW ~100KW 电池是电动汽车的首选动力源,是整个燃料电池产业发展的方向;100KW 以上电池是特殊条件下电站动力源,如军用、边远地区等用途。

按照当前的市场情况,燃料电池目前在移动式电源、固定式电源和军事电源三个方面有比较成熟稳定的应用,但成本覆盖不足以大规模产业化应用。

便携式电源。燃料电池一方面可用作便携式电源、小型移动电源、车载电源等。适用于军事、通讯、计算机等领域,以满足应急供电和高可靠性、高稳定性供电的需要,实际应用的产品包括高端手机电池、笔记本电脑等便携电子设备、军用背负式通讯电源、卫星通讯车载电源等;另一方面用作自行车、摩托车、汽车等交通工具的动力电源,以满足环保对车辆排放的要求。

固定式电源。燃料电池既可与电网系统互联用于调峰,同时也可作为独立电源,用作海岛、山区、边远地区等发供电系统电源。采用多台质子交换膜燃料电池发电机联网还可构成分散式供电系统,便可省去电网线路及配电调度控制系统,通过热电联供使燃料总利用率高达 80%以上。

军用电源。电源作为军事信息技术装备的命脉,其连续性、可靠性、安全性对于新式军事战争至关重要,它是信息技术装备密不可分的一部分。目前国外先进军事装备研究机构将燃料电池应用于单兵作战动力电源(<100 W)、移动电站(100W-500W)和军车动力驱动电源(500W-10kW),取得了良好的反馈效果,未来燃料电池电源有望开拓这部分新兴业务。

3燃料电池汽车将率先发展

目前燃料电池在3C电池领域已经有了一定示范应用。2016年1月,据腾讯科技介绍电池续航时间能够达到一周的iPhone亮相CES以及飞行时间是电池型号6倍的氢燃料电池无人机产品展示,虽未达到产业化的条件,但这已经表明智能手机和笔记本电源系统即将迎来燃料电池革命。这其中的核心在于微型燃料电池,当设备需要更多电能时,用户只需加充更多燃料即可,而无需等给设备长时间充电。

相比于3C行业的需求,汽车动力领域对燃料电池的潜在需求更为庞大,也更为迫切。目前燃料电池汽车得到世界各国政府和企业的高度重视,特别是美国、日本和德国及其企业都加大了燃料电池汽车的研发与示范,并且取得了重大进展,预计随着研发水平的提升和规模化效应,燃料电池汽车有望向着产业化的方向跨越式发展。

纵观纷繁复杂的燃料电池应用中,部分应用是先天不足难以覆盖燃料电池的研发成本,此外还会受到市场规模的影响难以发育。我们认为燃料电池汽车是未来率先爆发力的子领域,相关的原因有以下三点:

电子设备便携式电源技术未成熟,固定式电源市场规模不足。3C设备电源市场体量足够大,但燃料电池一方面是由于成本难以与目前的主流锂电池相抗衡,另一方面是便携式设备不具备高压储备氢气条件,如不被允许携带在飞机、高铁等。而固定电源仅仅是体量很小的边防、军事需求,市场难以扩张。

新能源汽车增长势头迅猛,资本更多关注锂电池汽车和燃料电池汽车。随着全世界节能减排形势的日益严峻,传统内燃机汽车因其污染大、能效低常为人所诟病,新能源汽车从14年开始放量增长。尽管包括燃料电池汽车在内的新能源汽车目前仅占汽车保有量的3%,但星星之火可以燎原,新能源汽车的起势增长有望带动燃料电池汽车的产业化浪潮。


同时,国家扶持政策也一直在推动新能源汽车产业的发展。在中国制造2025战略中,对燃料电池汽车的发展战略,提出三个发展阶段: 第一是在关键材料零部件方面逐步实现国产化;第二是燃料电池和电堆整车性能逐步提升;第三方面是要实现燃料电池汽车的运行规模进一步扩大,达到1000辆的运行规模,到 2025年,制氢、加氢等配套基础设施基本完善。不仅如此,国家对燃料汽车给予大幅度的补贴以帮助产业初期的成本覆盖问题。

二、燃料电池汽车:产业化正在形成突破

1多款车型即将量产销售

尽管锂电池汽车在近几年取得了迅猛的发展,但仍然存在一定技术缺陷,锂电池汽车面临锂金属资源瓶颈,且电池在使用不久后便会出现迅速的电量衰竭,电池组同一性大打折扣,造成较大的污染和浪费。而燃料电池稳定性不断提升,包括动力系统、燃料制备储运在内的综合成本的不断下行,使得众多国际车企巨头看到燃料电池汽车产业化的曙光。丰田、本田、奔驰、通用等国际车企纷纷推出燃料电池汽车计划,预计多款明星级燃料电池车型将在未来两年内大批次的进入市场。

从这两款燃料电池汽车的性能参数与之前传统车款的比较来看,燃料电池的性能参数丝毫不逊于经典款的锂电池汽车和传统汽车。首先在价格方面,燃料电池保持了亲民的价格区间,略低于Tesla经典款X 85Kwh,尽管这样的售价未必会激发厂商大量生产的积极性,但是借助于政府的补贴,初步的市场实验可以帮助之后更多车款的上市。此外在续航能力方面,燃料电池汽车已经能和内燃机汽车旗鼓相当,表现好于锂电池汽车,且其3分钟的充能时间符合大众的消费习惯,未来市场有望迎来更多的燃料电池汽车车款。

不仅仅是丰田、本田、现代等日韩企业的车款,未来两到三年内,包括奔驰、通用、福特在内的多家厂商将向市场投放自身的燃料电池汽车,以确立自身在这个新兴市场的先发优势。目前新能源汽车汽车在汽车总量中的比例还是偏低,在2030年会形成传统汽车、混合动力汽车、纯锂电动汽车、燃料电池汽车共同竞争的市场格局,并逐渐想能效高、污染低的方向发展。

2大型车企纷纷布局

早在2013年伊始,各大车企纷纷结盟,共同进行燃料电池的研发推进。1月,宝马与丰田签署协议,共同开发燃料电池系统;同年,戴姆勒、福特与日产三强联手,设立燃料电池技术研发中心;同年7月,通用与本田结盟,携手为燃料电池车开发通用系统。诸多研发同盟的设立,为燃料电池这几年的进展提供了保障。

丰田通过质子交换膜燃料电池领域的技术研发于14年年底推出首款燃料电池汽车Mirai,其价格和性能远远优于最早量产的现代途胜,Mirai的推出是丰田、宝马结盟来大力研发的结晶。而本田也在15年年初推出了首款燃料电池汽车Clarity,该车续航里程超700公里,已于今年3月在日本上市。

燃料电池研发的推动力量已经由最初的科技公司、科研院所交接接力棒给车企巨头,这其中变化是由三个关键因素催化而致。在资本因素、技术因素和地域因素来看,燃料电池的开发成本需要由实力雄厚的产业资本覆盖,纯科研开发性质的公司无力独自承担;从技术因素看,燃料电池开发需与动力系统开发集成协同发展,车企的大力推行可以很好的解决这一方面;此外,从区域位置来看,燃料电池的应用主要集中于人口密度较高、科技实力较强的日韩和中国沿海区域。

  • 从资本因素看,燃料电池技术处于产业化初期,无法对公司的业绩产生直接的利好,通常都是以抢占先发优势为目的,这和百度、谷歌等巨头企业投入巨量资金发展无人驾驶汽车是类似的。从营收规模看,Ballard动力等企业的业务体量不足以完全覆盖研发的成本,大多采取的是为车企进行研发辅导的工作。

  • 从业务领域看,Ballard动力、普拉格能源更多扮演供应商角色。从目前看,燃料电池最好的消费端输出是燃料电池汽车,市场空间广阔,符合节能减排的大形势。而在目前成本不断降低的情况下,车企更有动力推动产业化进程。类似锂电池汽车,Ballard动力、普拉格能源更多的扮演类似于电芯、电解液的核心部件供应商角色,对产业的推动起到重要推动作用。
  • 从产业区域看,或从人口密度大、科技水平高的区域开始发展。燃料电池汽车绝对数量和款式还是特别稀少的,目前的上市车款和研究力量主要还是日韩车企。究其原因,燃料电池汽车的特点在于能源交换便捷,对交通拥挤等问题具有天然免疫作用,适合于日本、韩国、中国沿海东部等区域率先启动。

3国内产业化进程:燃料电池装备成关键环节

目前燃料电池汽车的研发主要看日韩企业推动,国内相关产业的工作也正在推进工,正在形成燃料电池汽车整体系统的生产制造能力。部分企业已经布局诸如储氢罐和液体储氢(富瑞特装)、燃料电池压缩机(雪人股份)等核心部件,形成了多维的燃料电池开发热潮。随着燃料电池行业进一步规范化和产业化,相关企业的研发水平有望逐渐提高,拥有燃料电池动力系统的总装能力。

燃料电池模组生产。目前该领域主要还是欧美企业领先,代表性企业有加拿大公司Ballard动力和美国清洁能源龙头普拉格能源。公司研发方向主要是清洁能源燃料电池产品,迄今为止,公司氢燃料电池的出货量接近150MW,是氢燃料电池界的龙头企业,但对于燃料动力电池的研发仍无力企及,其业务布局在在燃料电池电解质、固态氧化物电解质电池、燃料电池供应设备、用于压力控制的燃料电池辅助装置或方法、质子交换膜燃料电池等方面,类似于锂动力电池中的电解质、锂电制造设备等方面。下游主要面向的客户需求是电信备用电源、叉车电源和燃料电池堆等。公司近期主要合作有与Wan Hool汽车公司签订的氢燃料电池客车燃料电池模组,与大众集团签订的8000万美元车用燃料电池专利和服务、与国内的泽禾和鸿运合作的燃料电池动力公共汽车燃料电池动力产品。普拉格能源,不同于Ballard动力公司,普拉格能源公司偏向于燃料电池的系统集成,目前主要业务在于无聊搬运叉车的动力供给。值得一提的是,普拉格能源所有GenDrive电池产品燃料电池堆均由Ballard动力提供。公司明星级产品是氢燃料PEMGenDrive产品,专供于高端机械制造类的动力需求。

燃料电池组件。国内最具代表性的企业是新源动力。新源动力全程大连新源动力股份有限公司,主要从事质子交换膜燃料电池及组件的研制生产,是目前国内燃料电池领域的龙头企业。公司已实现燃料电池关键材料及关键部件、电堆组装的小批量生产,建成可年产5500kw 燃料电池堆用关键部件的批量生产线,同时在车用燃料电池系统集成安装、调试、运行等方面拥有优势地位。

 

燃料电池相关装备。国内机械行业有涉及相关业务的企业,比如富瑞特装和雪人股份等。雪人股份入股的世界螺杆压缩机鼻祖企业瑞典OPCON公司在双螺杆压缩机的基本结构基础上开发制造了燃料电池用空气压缩机。由于燃料电池的特殊构造,目前广泛应用的工业压缩机无法满足供气循环要求,新型供气系统将伴随燃料电池产业迅速发展。

富瑞特装投资的张家港新云科技,未来将与公司合作成立富瑞氢能装备公司,主要提供氢能技术设施技术、装备和一站式解决方案。氢气储存是燃料电池产业化的关键,目前储氢材料板块有富瑞特装控股子公司江苏氢阳能源有限公司参与。