燃料电池汽车面临哪些问题 燃料电池汽车具有优势一览
按照我们了解到的数据，2015年全球燃料电池销量可能不足2000辆，其中占比最大的是丰田和现代途胜，市场总体规模依然较小。日本调查公司富士经济预测，2030年度燃料电池汽车全球市场规模将超过198万-199万辆，总金额将达4.75万亿日元，而2014年度全球市场规模约为11亿日元，潜力增长空间巨大。那么，现在制约行业发展的主要因素有哪些？解决哪些问题后，燃料电池汽车将大幅放量？ 我们调研后认为，燃料电池系统价格高、氢气储存运输难、加氢站等基础设施配套不完善、燃料电池企业研发投入大、产业化周期长都是阻碍行业发展的不利因素，但这些不利因素都在逐步发生好的变化。 一、成本较高一直是制约燃料电池汽车发展的最重要原因 影响燃料电池汽车发展最大的因素是居高不下的成本问题，使用昂贵的质子交换膜、贵金属铂作为催化剂、石墨双极板高昂的加工成本等，导致质子交换膜燃料电池成本约为汽油、柴油发动机成本10-20倍。因此，在所有商业化量产的燃料电池汽车中，最便宜的是丰田的Mirai，在日本售价是700万日元，叠加日本政府补贴后相当于500万日元，对应人民币约30万元。与传统燃油乘用车相比，依然属于价格较高的水平。 从氢燃料电池汽车动力系统成本构成来看，占比最大的是燃料电池系统，其造价约占总成本的三分之二，还有氢气储存系统和其他配件。要降低燃料电池系统成本，首要问题就是降低燃料组电池成本。现在燃料电池组的成本是1000-2000美元/kW，如果未来要取得商业化，并与内燃机汽车竞争，燃料电池的成本必须降到50美元/kW。而降低燃料电池系统核心组件成本，迅速扩大销售规模都是大幅降低燃料电池汽车总成本的主要途径。 燃料电池组中最重要、成本占比最大的是质子交换膜、电极(催化剂和扩散膜)、双极板。 1.质子交换膜是燃料电池的核心，也是成本占比最大的组件 目前国内企业主要向美国杜邦公司采购，每平米质子交换膜成本约为400美金以上，一般每辆氢燃料电池汽车需要20平米以上，整车光质子交换膜成本就需要5万元，按照丰田最新Mirai燃料电池汽车售价30万元来算，光质子交换膜就占到整车成本15%以上。 2.铂金催化剂成本较高，降低使用量或寻求替代品成为当前的重要研究主题 催化剂是发生电化学反应的关键成分，目前质子交换膜燃料电池的阴极和阳极有效催化剂仍以铂和铂碳颗粒为主，铂贵金属催化剂用量大和质子交换膜成本高是燃料电池成本居高不下的重要原因。 2014年丰田氢燃料SUV车型每辆车使用的铂金为100克，预计未来将减少到30克左右，按照GFMS预计，2016年铂金平均价格达到每盎司1,005美元，相当于每辆车的燃料电池系统仅铂金催化剂成本就有2万多元，占目前燃料电池汽车整车成本的6%以上。如果整车的催化剂用量真的能够降低到丰田预期的30克，其对应的成本就能降低到6000多元。 为了降低铂的使用量，各大公司进行了持续研究，近几十年来，膜电极上催化剂铂的负载量从10mg/cm2降到了0.02mg/cm2，降低了近200倍。比如美国能源部燃料电池技术办公室FCTO用新的d-PtNi催化剂替代了NSTFPtCoMn催化剂，使得燃料电池系统的价格下降了1.85美元/kW；丰田公司力求通过改进铂金材料的镀层技术来降低铂金催化剂的使用量。如果未来贵金属催化剂负载量能够大幅降低，或者能被其他成本更低的催化剂取代，那么燃料电池系统放量的机会也将大幅提升。 质子交换膜的大规模应用及其他燃料电池其他部件优化，都会给燃料电池系统带来较大的成本下降空间。 3.表面改性的多涂层结构金属双极板将大幅优化镀层成本 双极板是输送和分配燃料的重要组件。过去主要用石墨制作双极板，它具有良好的导电性、导热性和耐腐蚀性，但石墨的脆性造成了加工困难，因此加工费用非常高，加上比较不易减薄厚度，因此综合成本较高。 近两年，金属板如不锈钢、铝、钛、镍等材料具有强度高、加工性能好、导电导热性强、成本低等优点，开始在部分领域替代石墨双极板。不过金属板在高温及酸性环境下易腐蚀，因此主流做法是在金属双极板表面镀上金属防护层。 我们认为，表面改性的多涂层结构金属双极板具备更大的发展空间，也能解决石墨双极板存在高成本问题。比如，瑞典Impact Coatings公司推出的一种Ceramic MaxPhase陶瓷涂层，将其涂在不锈钢板上来防腐蚀，该技术在节约成本上体现出显著优势，可将燃料电池的镀层成本降低到每千瓦5美元，并有望提早达到2017年美国能源部目标的每千瓦1美元。 4.规模化生产也会使得燃料电池系统价格下降 规模生产也将大幅降低燃料电池成本，因此，成本下降和销量上升是相辅相成的关系。 根据美国能源部燃料电池技术办公室(FCTO)的研究，当生产1000套质子交换膜燃料电池系统时，燃料电池堆栈的成本为154美元/kW，燃料电池系统的成本为216美元/kW而生产10000套质子交换膜燃料电池时，燃料电池堆栈的成本大幅下降到了61美元/kW，燃料电池系统大幅下降到103美元/kW。 以丰田Mirai为例，其燃料电池系统输出功率为114kW，如果年生产1000辆燃料电池汽车，每辆车的燃料电池系统价格为2.4万美金，而生产10000辆燃料电池汽车，每辆车的燃料电池系统价格仅为1.2万美金。 总之，经过对构成主要成本的关键组件质子交换膜、催化剂和双机板进行成本优化，同时加速推动规模化生产，燃料电池汽车的成本就能大幅下降。以丰田为例，其于2014年12月15日推出的燃料电池汽车Mirai在日本的售价为700万日元左右，享受政府补贴后500万日元，折合人民币29.85万左右，已经达到初步向市场推广的基础。 二、燃料电池汽车产业配套更加完善 目前制氢成本、运输氢气成本较高，以及加氢站等基础设施不完善都对燃料电池汽车发展构成制约。 从常规认知不同的是，我们拆解用户常规加燃料成本来测算，氢气并不比汽油车贵。按照日本石油前期发布的液化氢价格1000日元/kg，丰田Mirai的氢气罐每次可以加氢气5kg，一次加满氢气罐需要5000日元，按照现行汇率相当于人民币298元。按续航力650km测算，每公里不到五毛钱。而常规2.0T汽油车每公里约花费7-8毛钱。也就是说，目前用户的日常加氢成本还会低于加油成本。如果未来制氢成本进一步下滑，燃料电池汽车给用户带来的边际成本改善就更加明显，行业发展有机会加速。 1.工业制氢已经部分得到解决，生物质及太阳能制氢值得期待 氢主要以化合物存在于自然界，例如水、天然气、石油中。目前，大约有95%的氢气来自于石油化工业。工业化氢气制备方式有很多种，目前来看，天然气转换制氢或石油化工等工业活动副产品氢气分离性价比较高。 短期内氢气制备主要靠电解水和天然气、甲醇、煤等燃料制备。 （1）以天然气、石油、甲醇为原料裂解制取氢气是当今制取氢气最主要的方法。目前，美国大部分氢气是通过大规模天然气转化而来，这是目前成本较低且环保的制备氢气的方法。 （2）在生产合成氨、合成甲醇、石油炼制等工业过程中氢气作为一种副产品可以被生产和分离出来。 （3）水电解制氢是目前应用较广且比较成熟的方法之一。但水电解制氢能耗仍高，一般每立方米氢气电耗为 4.5-5度左右，因此，工业制氢一般不用这种方式。 从中期来看，制氢技术主要基于可再生资源如生物质制氢。生物质资源丰富，是重要的可再生能源，生物质可通过气化和微生物进行制氢，目前仍比较考验转化技术。 长期来看，以太阳能为基础的零排放制氢技术将成为可能，目前这种技术的转化率还比较低，但是已经被日本厂商用作太阳能加氢站，作为临时性和补充性的一种氢燃料补给方式存在。2015年12月25日，本田技研工业设置于和光本社大厦的SHS加氢站正式开始使用，SHS加氢站使用本田独自开发的高压水电解系统PowerCreator为核心，使用太阳能发电而来的电力运转，实现无排放的氢生产。 2、氢气运输不存在明显困难 目前，氢气运输方式有低温液体油罐卡车、气体管拖车、铁路及驳船。氢气长期以来在工业中有广泛运用，加氢站氢气运输与工业应用中点对点运输类似，因此传统的氢气运输方式可以广泛应用于燃料电池汽车产业。 3、加氢站少、用户加氢难的问题将逐步改善 （1）类似加油站的加氢站建设需要政府推动——欧美及日韩政府正在加大充氢站建设 截至2013年年底，投入使用的全球加氢站总数已达到208座，计划再建造127座，加氢站的建设正逐步走向网络化。近两年，加氢站建设速度有所加快。 以德国为例，德国计划2023年之前将加氢站的数量将增加到400个，这意味着德国将成为第一个有基本加氢站网络的国家，届时加氢站将分布在德国整个高速公路的网络中，至少每隔90公里有一个加氢站，至少在每个大都市区内有10个加氢站。2013年，共有六个工业伙伴加入“氢气移动倡议”，同意在德国国内投资共3.5亿欧元建造全国的网络。 美国也在力推加氢站建设。2015年8月加州众议院通过了第八号法案，表示加州政府将一共拨款2亿美元于2024年之前建设不少于100个的公共加氢站。法案还规定加氢站的氢气来源也必须是可再生能源，如地热、水电、海浪能、海洋热能、潮汐能、太阳能、风能、生物能、城市固体垃圾转换的气体、填埋气等。目前，加州已经有十家公共加氢站，此外，加州还有48个加氢站在建。 日本此前计划在2016年3月底之前在国内建成100家加氢站，专门满足氢燃料电池车能量补充需求，促进新能源车型的发展，减少环境污染。日本政府在过去三年中拨款17.8亿美元，用于加氢站的建设与运营，计划在加氢站建设方面做到世界领先，满足丰田Mirai以及其它本土氢燃料电池车的需求。除政府之外，车厂和加油站运营商也加入到加氢站建设阵营中。2015年7月，日本三大汽车制造商丰田、日产和本田近期宣布，计划联合投资60亿日元(约合4892万美元)支持日本氢气站的建设与运营。JX日矿日石能源于2014年12月下旬在日本神奈川县海老名市的加油站内建立了第一个加氢站，并计划以东京圈为中心新建40个加氢站。 韩国贸易、工业和能源部表示，2016至2020计划将会推动新能源车的增长，届时混动车、插电式混动车、纯电动车以及氢燃料电池车在整体新车销量的份额中可达到20%。政府计划到2020年在全国建设80座用于燃料电池车的加氢站，2016年将建设13座加氢站。 （2）太阳能加氢站将成为大型加氢站的有效补充 和燃油车一样，车辆行驶在路上，突然发现快没油了怎么办？路边如果能有小型的加油站能够加一点油，使其能够支撑到大兴加油站加油即可。同样的道理，相比类似加油站的大型加氢站，SHS太阳能加氢站是大型加氢站的有效补充和扩展。它体积较小，对于建设用地和氢气储藏设施没有额外特殊要求，它可以铺设成数量更大、更广泛的临时加氢网，以便满足氢燃料电池汽车的临时性加氢需要。 前面所说的日本本田技研工业的SHS加氢站是典型的太阳能加氢站，也是世界上首个同时具备氢气的制造、贮藏、填充机能的设备，同时，也是这类设备中首个实用化的。此前，本田已经于琦玉市、北九州市与岩谷产业株式会社协力设置了由本田独自开发的SHS加氢站。 （3）移动加氢车更加灵活方便 2015年12月，丰田公司与Air Products公司合作，在加州新建设的加氢站建成前，为消费者提供氢气。Air Product公司的移动加氢车使用蓄电池以及太阳能发电制氢，加氢车每次可以为Mirai加注半个罐氢气，提供150英里的续航里程。移动加氢车的储氢能力为85kg，每罐可以满足30多辆车的加氢需求。 三、燃料电池汽车新阵营即将形成——传统车厂的弯道超车？ 几年前，燃料电池阵营非常薄弱，除了丰田、现代、通用等几家厂商，其他车厂积极性并不太高。而燃料电池厂商如加拿大Ballard等也并没有向下游燃料电池汽车领域整合。这导致了前些年燃料电车汽车一直处于相对边缘化的状态，产业呼声不高。 但是，出于对传统化石燃料储量及温室效应的担忧，以及传统车厂企图以新模式和新能源来实现对锂电池汽车的弯道超车，于是氢能+燃料电池的呼声开始走高，新阵营逐步形成。 1、对传统化石燃料储量及温室效应的担忧催生氢能+燃料电池应用渗透率提升 传统汽车是石油消耗大户，且内燃机的能效转换率低，随着世界能源短缺和对石油供需缺口将放大的担忧，汽车产业开始发生变化。有数据显示，按目前化石燃料的消费量和储量，石油只能消费45-50年，天然气只能消费50-60年，煤炭消费200-220年。因此欧美和日本都在积极寻找可再生能源替代化石燃料。氢能是储量最丰富的可再生能源之一。 传统汽车的大量使用加剧了汽车尾气的排放，这是造成全球温室效应的重要原因之一，目前世界汽车保有量已突破10亿辆，预计2020年全球汽车保有量将进一步大幅提升，二氧化碳等温室气体排放加大引起人们的担忧。如我们前文所说，2009年12月，联合国气候变化大会在丹麦哥本哈根召开，经过与会各方努力，全球主要温室气体排放国家达成了减排目标，减少化石燃料燃烧成为减排的重要途径，而燃料电池恰恰可以将燃烧变为电化学反应，提升能效转换率，减少二氧化碳或其他废弃气体的排放。氢能+燃料电池将带来清洁能源变革。 氢能被视为21世纪以来最具发展潜力的清洁能源，人类对氢能应用在200年前就产生了兴趣，到20世纪70年代以来，世界上许多国家和地区就广泛开展了氢能研究。 氢气是一种二次、可再生能源，它可以由水制取，且不产生碳排放。而且水是地球上最为丰富的资源，有数据显示，如果把海水中的氢全部提取出来，它所产生的总热量比地球上所有化石燃料放出的热量还大 9000 倍，储量惊人、用之不竭，因此不少专家认为氢气有可能形成水-氢转换、持续发展的良性循环。随着国际气候开始恶化，以及生产生活中各环节对石油石化能源依赖程度的不断加深，人们对氢能的兴趣越来越大。 2、传统车厂企图依靠燃料电池实现弯道超车 2012年特斯拉全新电动车系列“Model S”首辆电动跑车正式交付再次引发了新能源汽车的新一轮高潮，各大车厂纷纷推出新能源汽车，多个国家也大力出台各种扶持政策促进新能源汽车的发展，特斯拉引领的锂电池纯电动车进入快速发展期，包括特斯拉、中国的比亚迪、吉利等厂商均在锂电池汽车领域进行了高度垂直一体化布局，而互联网、消费电子行业新厂商如苹果、乐视等也基于对消费电子的理解去做锂电池汽车，产业火爆一时无两。 在这个过程中，欧系、美系、日系的传统车厂的准备显得相对不足，为了实现对锂电池汽 车产业的弯道超车，燃料电池技术路线开始得到关注。尤其是最近几年，锂动力电池汽车在不断放量的同时也逐步开始面临矿产资源瓶颈、回收难、可能造成的污染大等问题，而与之相伴的是燃料电池技术快速提高、氢能源存储及加氢站建设得到改善、燃料电池综合成本快速下降等各种有利于燃料电池汽车发展的条件逐步具备，有专家认为，燃料电池汽车将是汽车工业的终极目标。我们看到，传统车厂可能希望通过燃料电池汽车向锂电池汽车厂商发出挑战。 燃料电池汽车对战锂电池汽车，将是大潮流所造成的力量对垒，已经不是价格、性能等各方面因素所能囊括的因素。无论哪一方取胜，在未来很长一段时间内，我们将看到各种技术路线并驾齐驱。 四、燃料电池产业化周期长，不能靠民间投资，政策必须先行 我们研究了目前上市的几家燃料电池厂商，并结合调研国内的国内外非上市燃料电池厂商数据，发现几个有意思的数据作为参考（由于数据并不全面，仅代表我们的一些观点）。 一、相比其他技术路线和应用领域，汽车用质子交换膜燃料电池厂商近一两年收入增长加速，也侧面验证了燃料汽车行业正在发生一些微妙的好的变化，已经开始给响应的燃料电池厂商带来明显的销售增量。 二、燃料电池及核心配件厂，一般基础营业费用需要几千万-上亿美金。由于燃料电池产业涉及到材料和电化学反应、系统级应用等各类基础性关键研究，多数燃料电池厂商的基础研发投入较大，每年至少要在大几百万美金。 三、销售额超过四五千万美金的燃料电池厂商基本可以覆盖掉成本费用，规模化效应在燃料电池行业体现非常明显。小厂商一般需要承受较长时间的研发投入和市场推广期。 四、由于以上原因，燃料电池属于壁垒高、产业化周期长、对基础研究要求高的“硬骨头”，因此，近两三年燃料电池行业的民间投资积极性有所下降。我们认为，作为未来可能带来清洁能源变革的重要行业之一，在燃料电池及燃料电池汽车领域，政策必须先行。 1、近年来全球燃料电池民间投资积极性有所下滑 近年来全球燃料电池投资有所下滑。按照DOE从VC、PE、OTC和PIPE等各类投资案中拿到的数据，2012年至2014年，全球燃料电池总投资7.36亿美元，而2011年到2013年总投资为10.39亿美元，2010年到2012年总投资为8.54亿美元，这里面，2012年和2013年是燃料电池投资的高峰。 2014年燃料电池领域投资规模最大前五笔VC/PE投资分别为6,300万美元、5,000万美元、500万美元、130万美元和30万美元，总共1.2亿美元。其中，燃料电池行业最大的一笔投资是由新加坡国家投资公司完成，对香港一家质子交换膜燃料电池系统生产商Intelligent Energy Holdings投资了6,300万美元。 部分投资的数据无法获取，例如DAG Ventures LLC投资了Oorja Fuel Cells等，但无论如何，我们看到由于燃料电池产业周期长，民间投资的意愿并不明确，尤其是用于分布式发电等领域的厂商大多依靠于政府补贴。 2、乘用车燃料电池厂商融资有向好的苗头 近年来，针对乘用车市场的及小型工业移动电源市场的燃料电池厂商融资有向好的苗头。比如丰田和本田的燃料电池车型销量超预期，还比如PhystechVentures和NorthEnergyVentures此前投资了俄罗斯一家质子交换膜燃料电池企业ATEnergy，帮助这就家公司开发无人机和通信基站备用电源燃料电池系统。或许重要的原因是，这些应用能够得政府和厂商的多方面支持，且产业化周期相对较短。此外，燃料电池系统成本下降加速、规模化效应开始逐步显现也是重要原因。 3、上市或增发融资都是解决燃料电池厂商巨大投入的重要途径 为了支持巨额研发和产品的商业化推广，燃料电池厂商也不断寻求上市和增发进行融资。2014年， Fuel Cell Energy、PlugPower、Ceramic Fuel Cells Ltd.、Hydrogenics Corporation、SFC Energy和AFC Energy等公司均募集了资金，Intelligent Energy、my FC Holding、Powe rCell Sweden AB等公司也分别在伦敦和纳斯达克上市。 4、日本燃料电池产业发展的启示 日本是全球发展燃料电池，尤其是燃料电池汽车最积极的国家，也是在这个领域推动得最成功的国家。除了对环保的重视之外，我们认为还有其本身石化燃料等资源储备不丰富等原因。过去30年时间，以日本经产省为代表的日本政府先后投入上千亿日元用于燃料电池汽车和氢能的基础科学研究、技术攻关和示范推广。日本政府对燃料电池产业的持续补贴、税收减免和各类研发投入、产业化扶持使得它在氢燃料电池领域具有一定的垄断性，除了强大的技术储备，还有数量庞大的在手专利，强大的领头羊厂商丰田、本田等。 燃料电池是最环保的一种清洁能源，而且是可再生能源中唯一能够产业化地作为汽车动力源的技术路线，无论是基于环保的考虑，还是基于未来对石化燃料危机的担忧，燃料电池产业发展意义重大，而燃料电池汽车也将成为锂电池汽车的一种有效补充。 从日本在燃料电池领域的发展路径得到的启示是：对于燃料电池而言，政策必须先行，产业才能跟上。 我国从2001年的“863计划电动汽车重大专项”项目确定的三纵三横战略中就包括燃料电池汽车；2015年《中国制造2025》规划纲要出台，其中明确提出未来国家将继续支持燃料电池汽车的发展；2015年底，科技部“十三五”新能源汽车重点专项布局中再次提及燃料电池动力系统；近日，国家发改委和国家能源局在系统内部印发《能源技术革命创新行动计划（2016-2030年）》，并同时发布了《能源技术革命重点创新行动路线图》，提出15项重点创新任务，其中包括了氢能与燃料电池技术创新，战略方向包括氢的制取/储运及加氢站、先进燃料电池、燃料电池分布式发电，并且布局了重点任务、创新目标和创新行动。 或许，政策将开启燃料电池及燃料电池汽车行业发展的大潮。在产业未变待变之际，我们期待看到更多的变化。 |
