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氢燃料电池:下一代新能源车核心动力

钜大LARGE  |  点击量:1042次  |  2020年11月27日  

11月2日,国务院办公厅印发《新能源汽车产业发展规划(2021—2035年)》。


规划提出,加快车用操作系统开发应用。围绕车用操作系统,构建整车、关键零部件、基础数据与软件等领域市场主体深度合作的开发与应用生态。还要求攻克氢能储运、加氢站、车载储氢等氢燃料电池汽车应用支撑技术。


从扶持力度上看,近年来我国对燃料电池汽车补贴力度较大,且短期内没有退坡。


从扶持方法上看,我国目前一方面通过购置补贴来降低价格、刺激需求端;另一方面,频频发布氢能与燃料产业战略规划,并投入大量资金作为研发支持,不断为供给端释放积极信号。


据高工产业研究院(GGII)统计,截至今年2月,国家重点研发计划“新能源汽车”重点专项项目公示清单达到四批,其中对于燃料电池汽车的研发支持资金近8.27亿元。


近年来全球燃料电池汽车高速发展:


2013~2017年全球氢燃料电池汽车销量仅为6475辆,其中大部分为丰田的Mirai系列。


2018年销售量有了较大幅度的增长,合计销售5525辆;2019年全球销量增至7500辆,其中主要增量来自于中国。


国内的燃料电池汽车从2016年的629辆迅速扩张到2018年1527辆,在2019年实现2737辆,同比增长80%,增速明显。


根据规划来看,我国氢燃料电池汽车的发展愿景是到2030年实现百万辆氢燃料电池汽车上路行驶,到2050年与纯电动汽车共同实现汽车零排放。


燃料电池(FuelCell,FC)是一种能有效控制燃料和氧化剂的化学反应,并将其中的化学能直接转化为电能的电化学装置,是一种把燃料中的化学能转换成电能的能量转换器。


被誉为继火电、水电及核电之外的第4种发电方式,其下游应用广泛。


燃料电池能量密度高、效率高,同时不改变用户习惯的燃料电池汽车,长期来看很可能取代目前的燃油车,及纯电动汽车。


在车用场景中,燃料电池可解决锂电池里程焦虑,且燃料电池充氢时间短,在重载、长距离场景中优势明显。但目前燃料电池仍存在成本高、循环衰减性能差、加氢站建设不足等问题,仍处产业化初期阶段。


图表来源:电动邦


从燃料电池汽车产业链来看,主要是由燃料电池系统、储氢瓶、驱动电机、辅助系统等构成,其中燃料电池系统为核心部分。


燃料电池系统由电堆和辅助系统两部分组成,目前燃料电池系统和储氢系统占据整车成本的65%,远高于锂离子纯电动汽车的电池成本占比。


辅助系统还包括空压机、控制器、氢循环泵等,系统中最核心的部分是燃料电池电堆和空压机,其在燃料电池系统中的占比最高,分别为49%和21%。


也就是说,目前来看加强燃料电池电堆和空压机的研发,可以大幅降低燃料电池的整车成本,其技术的进步尤为重要。


燃料电堆催化剂主要为铂金属,且国内用量远高于国外,成本高昂,成为制约燃料电池发展的巨大瓶颈,因此,降低催化剂中的铂用量是需要重点攻克的技术难点。


在燃料电池全产业链核心技术方面,我国除了石墨双极板、石墨板电堆在性能价格方面当前可与国外产品媲美外,其余产品差距还较大,国内普遍处于小批量,样品阶段,原因主要是早期国内产业链企业较少;研发基础弱;技术积累时间短。


图表来源:方正证券


从氢燃料电池全球格局来看,日本和美国对氢燃料电池技术研发处于主导地位。


1998~2005年日本和美国的相关专利数量迅速增加,分别达到峰值2783件和1285件。


日本的增长趋势明显,得益于其1993年开展的WE-NET项目,该项目投资2亿美元,将日本氢能发展分成了1993~1998年和1999~2002年两个阶段,一定程度上促使了日本氢燃料电池技术专利数量的增长。


2006~2018年,由于前期技术积累,日本和美国的专利申请数量呈下降趋势。


目前国外氢燃料电池汽车已经完成了整车的技术、性能研发工作,整车性能已能接近传统汽车水平,部分领先车企产品的成熟度已接近产业化阶段。


如日本丰田、本田和韩国现代汽车,其中丰田Mirai汽车销量处于领先水平。


中国燃料电池技术起步较晚,但市场潜力巨大,吸引巴拉德、Hydrogenics、Nedstack等国外电堆企业在国内布局。


中国于1993年开始持续出现相关专利;后期专利数量上升明显,分别在“十一五”、“十二五”期间各有一次增长高峰,可见与专利数量上升与国家氢能及燃料电池政策规划息息相关。


从增长趋势看,中国后续专利数量会继续增长,或超过日本、美国,其潜力较大。


我国氢燃料电池汽车初期以公交及商用车为主,在新能源汽车高速发展的大背景下,国内汽车企业积极参与前瞻部署。


2019年上海申龙完成903辆燃料电池客车,中通客车686辆,上汽大通307辆,稳居前三甲。


2017~2019年累计产量居市场前三强为中通客车、上海申龙与佛山飞驰,分别对应1476、937、704辆。总体而言,基数较小,后续增长潜力大。


根据我国氢燃料电池发展路线图,加氢站的规模需要与氢燃料电池汽车相匹配。


我国当前主要以35Mpa加氢站为主,2020年后,氢燃料电池轿车开始推向市场,70Mpa加氢能力的加氢站显著增加。同时,随着加氢站数量的增加,加氢站与加油站、充电站的混合形式能源站成为主要形式。


从汽车行业的生命周期来看,目前传统燃油车处于相对成熟阶段,在新能源汽车高速发展倒逼下,传统车企加速转型,部分国内外领先车企持续加码氢燃料电池汽车的开发与应用。


目前,在我国中东部沿海经济、技术实力较强的珠三角、长三角和北京等地区,聚集了我国燃料电池发展的主要企业。


近几年燃料电池投资热情持续升温,由几年前的数十家发展到现在的近千家燃料电池企业。


从终端来看,燃料电池汽车面临购置成本与使用成本的“双高”局面,一方面加氢站等基础设施的缺失推升了使用过程之中的隐性成本,需求难以释放,另一方面燃料电池系统因其国产化难度大,制造成本高企,导致整车售价仍高。


据中国汽车工业协会预测,到2035年,我国氢燃料电池汽车将会形成428万辆保有量规模。未来十余年,燃料电池汽车将有望成为全球汽车市场增速最快的细分领域。


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