燃料电池系列深度报告之一：氢能时代开启，燃料电池应用深化.pdf

本报告由川财证券有限责任 公司 编制 谨请参阅尾页 的 重要 声明 氢能时代开启，燃料电池应用深化 证券 研究报告 所属 部门 股票研究部 报告 类别 行业 深度 所属行业 能源制造 /汽车 行业评级 增持 评级 报告时间 2019/5/10 分析师 孙灿 证书编号： S1100517100001 021-68595107 suncancczq 白竣天 证书编号 ： S1100518070003 010-66495962 baijuntiancczq 联系人 黄博 证书编号 ： S1100117080004 huangbocczq 张天楠 证书编号： S1100118060014 zhangtiannancczq 赵旭 证书编号 ： S1100117090010 zhaoxucczq 川财研究所 北京 西城区平安里西大街 28 号中海国际中心 15 楼， 100034 上海 陆家嘴环路 1000 号恒生大厦11 楼， 200120 深圳 福田区福华一路 6 号免税商务大厦 30 层， 518000 成都 中国（四川）自由贸易试验区成都市高新区交子大道177 号中海国际中心 B 座 17楼， 610041 燃料电池 系列 深度报告 之一 核心观点 氢能引领趋势， 符合 全球能源发展方向 二氧 化碳排放、化石能源枯竭、环境污染使得人类寻找一种可持续发展的燃料 ，而氢能将会是理想的能源形式。现阶段，氢能的制取、储存、运输及应用处于相对初期，各环节在技术和配套上还存在诸多问题 。然而 现有矛盾通过政策 的引导逐步解决， 未来十年将会是氢能大发展的时代， 氢能将在发电、储能和交通 等 领域发挥难以想象的作用 。 燃料电池技术日趋成熟，应用逐步拓张 燃料电池具备远超发电机 /发动机的能量使用效率，随着关键技术环节的攻克和规模效应的释放，后端应用有望逐步深化。 日本的热电联动已经证明其家庭储能领域的巨大应用潜力，将 能量利用率提升至难以置信的 80%以上，该储能系统未来有望进入千家万户；丰田 Mirai 车型的售价已经下探至 3040 万区间，按照过去成本下降的速度，与燃油车竞争的时代很快来临。 政策助力，商用车将承载应用市场 商用车被认为是大气污染的一个重要来源，部分环保承压的地区逐步开始限制柴油车的应用；另一方面，考虑到商用车的经济性，电动化趋势 已经确立，而高能量密度的燃料电池会是最优选择。长期的环保和经济特性将 驱动燃料电池车用市场的发展，在技术和成本还未形成足够竞争力的初期，政策的支持显得尤为重要。现阶段，鼓励和补贴政策 的强度依旧维持，各产业链均衡发展，国产化替代趋势明显 。 对比锂电新能源车发展的历程 ，锂电池价格从 2015 年 2.4元 /wh 下降至 2019 年的 1.1 元 /wh， 鼓励和补贴政策进入尾声，新能源车已具备和传统燃油车分庭抗礼的能 力。 产业 进入高速成长期 ，国产化需求强烈 我国的巨大商用车市场支撑着需求， 2018 年燃料电池商用车销量约 1600 辆，而今年有望实现 150%的增长， 2020 年销量目标超过万辆 ，行业开始从孕育期走向高速成长期。然而，美国和日本在该产业持续投入超过半个世纪，技术和工程化基础相对牢固，我国在关键环节 还需 加大研发力度，国产化需求强烈。 投资机会： 氢能的产业链包括制氢、储运氢、加氢站、燃料电池、汽车等环节。技术日渐成熟、规模化效 应释放、政策持续推行、国产化需求强烈是现阶段产业的特点，行业进入高速成长期 。 我们建议关注 具备前期研发和产业化基础的企业 ， 如潍柴动力、厚普股份、雄韬股份、东岳集团、 中通客车 等 。 风险提示 ： 政策执行不及预期、重大安全事故 频现 。 川财证券 研究报告 本报告由川财证券有限责任 公司 编制 谨请参阅尾页 的 重要 声明 2/38 正文 目录 一、燃料电池简介 . 5 1.1.燃料电池：燃料能量的高效释放方式 . 5 1.2 燃料电池：终极清洁能源的主力军 . 5 1.3 燃料电池：种类繁多，应用分化 . 6 二、氢气制备：因地制宜，前景广阔 . 8 三、氢气储运、加注：多种路线并行发展 . 11 3.1.氢气储存和运输主要技术路线比较 . 12 四、加氢站：方兴未艾，建设先行 . 15 4.1. 加氢站作为关键基础设施供不应求，地方政府加码提速 . 15 4.2.加氢站分类和基本工作原理 . 17 加氢站的分类及其基本工作原理 . 17 高压压缩氢气加氢站的基本工作流程和主要设备 . 21 4.3.加氢站核心技术国产化，设 备市场不容忽略 . 22 4.4.相关标的：厚普股份 . 22 五、燃料电池：储能领域再添新兵 . 22 5.1. 国外氢储能规划宏大 . 22 5.2.我国积极探索风光 +氢储能应用方式 . 23 5.3.氢储能与风光相结合可缓解弃风、弃光问题 . 24 5.4.关注氢储能在调峰调频与用户自储能方向的应用 . 25 六、燃料电池：市场应用 . 25 6.1.国际市场：欧美日韩燃料电池商业化开启，合作研 发成为趋势 . 25 6.2.中国市场：尚处发展初期，政策财政双重支持 . 30 七、结语：氢能引领能源演变，燃料电池应用持续开启 . 35 风险提示 . 37 川财证券 研究报告 本报告由川财证券有限责任 公司 编制 谨请参阅尾页 的 重要 声明 3/38 图表目录 图 1： 燃料电池示意图 . 5 图 2： 质子交换燃料电池原理 . 5 图 3： 各类燃料电池特点 . 8 图 4： 燃料电池适用领域 . 8 图 5： 全球人工制氢原料占比 . 9 图 6： 中国人工制氢原料占比 . 9 图 7： 国内氯碱副产品氢气理论产量 . 11 图 8： 高压、液态和金属氢化物储氢方式 比较 . 12 图 9： 国内各类储氢相关企业 . 14 图 10： 国内采用高压储氢路线的部分相关企业 . 14 图 11： 中国燃料电池汽车产量 “J”型 增长 . 14 图 12： 氢气长管拖车供氢 加氢站工艺流程 . 18 图 13： 液氢槽车供氢加氢站工艺流程 . 19 图 14： 管道输送供氢加氢站工艺流程 . 19 图 15： 站内电解水制氢加氢站工艺 流程 . 20 图 16： 站内天然气重整制氢加氢站工艺流程 . 21 图 17： 加氢站工作流程 . 21 图 18： 我国氢储能发展规划 . 23 图 19： 近四年全国弃风量（亿千瓦时） . 24 图 20： 近四年全国弃光量（亿千瓦时） . 24 图 21： 新能源电站储能示意图 . 25 图 22： 丰田 MIRAI 内部动力构成 . 27 图 23： 丰田 MIRAI 燃料动力电池汽车 . 27 图 24： 现代 NEXO 内部动力构成 . 27 图 25： 现代 NEXO 燃料动力电池汽车 . 27 图 26： 奔驰 GLC F-CELL 燃料电池汽车 . 29 川财证券 研究报告 本报告由川财证券有限责任 公司 编制 谨请参阅尾页 的 重要 声明 4/38 表格 1. 燃料电池分类比较 . 7 表格 2. 人工制氢技术对比 . 8 表格 3. 不同制氢工艺成本对比 . 10 表格 4. 我国氢能产业基础设施技术发展路线 . 11 表格 5. 国内近期鼓励氢能利用政策 . 11 表格 6. 各地方政府加氢站建设规化梳理 . 11 表格 7. 中国燃料电池相关政策 . 30 表格 8. 跨国车企新能源汽车在华产品战略 . 32 表格 9. 国内车企新能源汽车发展战略 . 33 表格 10. 产业链相关企业 . 36 川财证券 研究报告 本报告由川财证券有限责任 公司 编制 谨请参阅尾页 的 重要 声明 5/38 一、燃料电池简介 1.1.燃料电池： 燃料能量的高效释放方式 燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，它是按照原电池电化学原理，把贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能，因而实际过程是燃料和氧气的氧化还原反应。 燃料电池中作为燃料的物质可以很多，核心是与氧气有足 够 的电势差和较高的能量密度，比较常见的燃料有氢气、甲醇、 天然气 等。 燃料电池单体主要由四部分组成，即阳极、阴极、电解质和负载外电路。燃料和氧化气分别由燃料电池的阳极和阴极通入。燃料在阳极上释放电子 ,电子经外电路传导到阴极并与氧化物结合生成离子。离子在电场作用下，通过电解质迁移到阳极上，与燃料物反应，形成电流。 图 1： 燃料电池示意图 图 2： 质子交换燃料电池原理 数据 来源： Fuel Cell Systems Explained， 川财证券研究所 数据 来源： Fuel Cell Systems Explained， 川财证券研究所 1.2 燃料电池： 终极清洁能源的主力军 燃料电池在发电效率、环境保护、能量密度、工作噪声、可靠性上都有较大优势，是一种前景光明的发电装置。 发电效率高 ： 燃料电池发电不受传统发动机卡诺循环的限制。理论上 ,它的发电效率可达到 85% 90%，但由于工作时各种极化的限制，通电的过程中有部分化学能转化成为热能，电能的转化效率约为 40% 60%。若实现热电联供，燃料的总利用率可高达 80%以上。 川财证券 研究报告 本报告由川财证券有限责任 公司 编制 谨请参阅尾页 的 重要 声明 6/38 环境友好度高 ： 若燃料电池以氢气或者天然气等富氢气体作燃料物，二氧化碳的排放量比热机过程减少 40%以上，如果是氢气，将不会有二氧化碳的排放。另一方面，燃料电池几乎不会有硫或者氮化物产生，大大减轻了传统发电机 /发动机对环境施加的影响。 能量密度高 ： 液氢燃料电池的理论质量能量密度是是锂离子电池的 10 倍。即使受制于氢气储存技术的限制，实际应用中能量密度有所降低，但是 仍可轻松满足汽车续航 500 公里以上 的需求 。 运行噪音低 ： 相对于发动机的做工原理，燃料电池结构简单，运动部件少，工作时噪声很低。即使在 11MW 级的燃料电池发电厂附近 ， 所测得的噪音也低于 55dB。 燃料范围广 ： 对于燃料电池而言 ,材料所选范围广， 只要含有氢原子的物质都可以作为燃料，例如天然气、石油、甲醇等，因此燃料电池非常符合能源多样化的需求 ,可减缓主流能源的耗竭。 可靠性高 ： 跟其他二次电池一样，燃料电池会很快响应负载的变化。无论处于额定功率以上过载运行或低于额定功率运行，它都能承受且效率变化不大。由于燃料电池的运行高度可靠，可作为各种应急电源和不间断电源使用。 易于建设 ： 燃料电池具有组装式结构，安装维修方便，对环境的要求并不高。 1.3 燃料电池：种类繁多，应用分化 燃料电池分类形式很多，按运行机理来分类：可分为酸性燃料电池和碱性燃料电池；按燃 料的类型来分类：有直接式燃料电池和间接式燃料电池；按燃料电池工作温度分：有低温型 (低于 200 )；中温型 (200-750 )；高温型 (高于750 )。常用的分类方式是按电解质的不同来分类： 1、碱性燃料电池（ AFC）：该类电池采用氢氧化钾水溶液作为电解液，性能稳定，成本低廉，但是不足之处是能量密度非常有限，仅为质子交换膜电池的十分之一。早在 20 世纪 60 年代就成功的应用于航天飞行领域，这种具有高效、轻质的以及稳定的动力源一直是美国航天领域的首选，典型的应用是阿波罗计划的太空车。 2、磷酸盐型燃料电池（ PAFC）：该类电池以磷酸溶液为电解液，工作温度在200左右，有相对较高的反应速度。 PAFC 已经成功商用在 200-kW 储能装置，在美国、欧洲和日本有很多常年连续工作的案例。 川财证券 研究报告 本报告由川财证券有限责任 公司 编制 谨请参阅尾页 的 重要 声明 7/38 3、碳酸盐型燃料电池（ MCFC）：该类电池是由多孔的电极和电解质，配上熔融态的碳酸盐作为电解液，工作温度高达 600，成本低廉，无需使用贵金属催化剂，适用于较大型的电站储能设施 4、固体氧化物型燃料电池（ SOFC）：该类电池应用无机固态电解质，是工作温度最高的一类燃料电池，广泛适用煤气、天然气、混合气体等多种燃料气体。由于 SOFC 发电的排气有 很高的温度，具有较高的利用价值，可以提供天然气重整所需热量，也可以用来生产蒸汽，更可以和燃气轮机组成联合循环，非常适用于分布式发电。 5、质子交换膜燃料电池（ PEMFC）：该类电池是一种常温电池，应用质子交换膜作为隔膜和电解质，具有较高的能量效率和能量密度，体积重量小，冷启动时间短，运行安全可靠。该类电池早在 1965 年美国“双子星座”得到应用，早期的发展一直受着昂贵的必须结构材料和高的 Pt 覆盖量所阻碍，直到 20 世纪 80 年代，通过大量的技术改进，其才重现活力，成为汽车能源提供的有力竞争者。 表格 1. 燃料电池分类比较 类型 碱性燃料电池（ AFC） 磷酸盐型燃料电池（ PAFC） 碳酸盐型燃料电池（ MCFC） 固体氧化物型燃料电池（ SOFC） 质子交换膜燃料电池（ PEMFC） 燃料 纯氢 氢气 氢气、煤气、天然气、沼气等 氢气、煤气、天然气、沼气等 氢气、甲醇 氧化剂 纯氧 空气、氧气 空气、氧气 空气、氧气 空气、氧气 电解质 氢氧化钾 磷酸盐基质 碳酸锂、碳酸钠、碳酸基质 稳定氧化锆等薄膜或薄板 聚合物膜 迁移离子 OH- H+ CO32- O2- H+ 催化剂 无 铂 无 无 铂 工作温度 50-200 180-200 600-700 700-1000 30-100 发电效率 60% 40% 45%-50% 60% 固定式 35%运输 60% 发电能力 10-100kw 1kw-100kw 100-400kw 300kw-3mw 1kw-2mw 用途 太空、军事 分布式发电 分布式发电、电力公司 辅助电源、电力公司、分布式发电 备用电源、移动电源、分布式发电、运输、特种车辆 资料来源：川财证券研究所 川财证券 研究报告 本报告由川财证券有限责任 公司 编制 谨请参阅尾页 的 重要 声明 8/38 图 3： 各类燃料电池特点 图 4： 燃料电池适用领域 数据 来源： PERSPECTIVES， 川财证券研究所 数据 来源： PERSPECTIVES， 川财证券研究所 二、 氢气制备 ： 因地制宜，前景广阔 人工制氢依赖化石资源， 国内 煤制氢 占比 较大。 目前，全球人工制氢的主要原料以石油、天然气、煤炭等化石资源为主， 相 较其他的制氢工艺 （如：电解水制氢、光解水制氢、微生物制氢等工艺） ，化石资源制氢 的 工艺 相对 成熟、原料 成本 低廉， 产量较高， 但会排放大量温室气体 ，对环境造成负担。 2017 年，全球主要人工制氢原料的 96%以上是化石资源， 其中约 48%为天然气， 仅 4%左右来源于电解水。从国内 的制氢原料 结构看，煤炭 是 我国人工制氢的主要原料，占比 高达 为 62%， 符合我国“富煤但油气不足”的资源结构特点 ， 天然气 制氢的占比次之，约 19%。 表格 2. 人工制氢技术对比 制氢方法 反应简介 优点 缺点 化石燃料制氢 煤制氢 主要分为煤的焦化和煤的气化 产量高、成本较低，商业化技术成熟 排放温室气体 天然气、 轻质油制氢 与水蒸气反应生成氢气产物 产量高、成本较低 排放温室气体 川财证券 研究报告 本报告由川财证券有限责任 公司 编制 谨请参阅尾页 的 重要 声明 9/38 重油制氢 采用部分氧化法，重油与水蒸气及氧气反应，制得氢气产物 成本低 反应所需温度高，制得氢气纯度不高，排放温室气体 电解水制氢 将直流电通入水中而在阴阳两极引起水分解为氢和氧的非自发的氧化还原反应 环保、纯度高 成本高 光 解水制氢 利用催化剂吸收太阳光催化水分，解放出氧气 环保无污染，利用太阳能 技术不成熟，转化率低 微生物制氢 借助于微生物产生氢酶，进而催化水分解，制取氢气 环保，产量高 技术不成熟 资料来源： 氢能利用的发展现状及趋势，川财证券研究所 图 5： 全球人工制氢原料占比 图 6： 中国 人工制氢原料占比 资料来源： 人工制氢及氢工业在我国能源自主中的战略地位 ， 川财证券研究所 资料来源： 人工制氢及氢工业在我国能源自主中的战略地位 ， 川财证券研究所 化石资源制氢的成本优势明显，具备较强经济 效益 。 参考相关文献以及行业数据， 以 天然气裂解制氢（水蒸气转化法 +变压吸附净化工艺）、甲醇裂解制氢（变压吸附联合工艺）、电解水制氢（三塔流程纯化工艺） 等三种制氢路线为例，假设天然气、甲醇、工业用电价格分别为 2.6 元 /m、 2300 元 /吨、 0.6 元 /kWh，测算出天然气制氢、甲醇制氢、电解水制氢三种工艺的单位制氢成本分别为1.97 元 /Nm、 1.99 元 /Nm、 3.31 元 /Nm。与电解水工艺制氢相比，化石资源制氢成本低廉，具备较强的经济效益， 但天然气制氢的一次性投资较高，一般适合 1000Nm/h 以上的制氢 产能。 48%30%18%4%天然气醇类煤炭电解水19%15%62%4%天然气醇类煤炭电解水川财证券 研究报告 本报告由川财证券有限责任 公司 编制 谨请参阅尾页 的 重要 声明 10/38 表格 3. 不同 制氢 工艺成本 对比 资料来源： 天然气制氢、甲醇制氢与水电解制氢的经济性对比探讨 ， 川财证券研究所 工业尾气制氢为当前我国燃料电池所用氢气的主要来源，看好氯碱副产氢气。从我国氢气原料结构来看，利用煤为原料制备的氢气占全部制氢产量的 62%，但由于煤制氢气中含有的杂质较多，对于纯化装置要求较高，从而 抬高 了生产总 成本 ，因此 我国燃料电池原料主要采用氯碱工业副产品的氢气。 氯碱厂以食盐水为原料，采用离子膜或石棉隔膜电解槽，生产出烧碱、氯气、以及副产品氢气。大部分氯碱厂采用物理吸附法 PSA 法，将 其 副产品氢气提纯，可获得高纯度氢气，该工艺具备能耗低、投资少、自动化程度高、产品纯度高、无污染等优势。 目前国内氯碱厂对副产的氢气有两种利用方式，其一为与氯气反应制备盐酸或制备其它化工品，其二为燃烧释放热能（前期投资大），较高比例的氢气被直接放空，形成资源浪费。 考虑到氯碱工业副产制氢的成本只有1.3-1.5 元 /Nm，且氢气纯度可高达 99.99%以上 ，与其他制备方法相比，成本、环保优势凸显。 产量上看， 2018 年国内烧碱产量达到 3420 万吨，按 每生产 1 吨烧碱副产 270 立方米氢气计算可知， 2018 年我国氯碱工业副产氢气理论 产量 为 83 万吨 ，理论上可供应超过 250 万辆燃料电池车，足以满足国内现有需求。 项目 成本 项目 成本 项目 成本天然气等费用（万元） 1248 甲醇（万元） 1324.8 电费（万元） 2400单 耗（m /m ） 0.6 单 耗（kg/ m ） 0.72 单 耗（kWh /m ） 5制 氢规模（万m ） 800 制 氢规模（万m ） 800 制 氢规模（万m ） 800单 价（元/ m ） 2.6 单 价（元/ 吨 ） 2300 单 价（元/ kWh ） 0.6设备及土建折旧（万元） 144 设备及土建折旧（万元） 100 设备及土建折旧（万元） 133天 然气制氢及纯化设备 1300 天 然气制氢及纯化设备 900 天 然气制氢及纯化设备 1200设 备安装 52 设 备安装 36 设 备安装 48土 建工程及其他 176 土 建工程及其他 122 土 建工程及其他 162维修费（万元） 27 维修费（万元） 19 维修费（万元） 25人工及管理费（万元） 120 人工及管理费（万元） 120 人工及管理费（万元） 60财务费用（万元） 36 财务费用（万元） 25 财务费用（万元） 33合计（万元） 1575 合计（万元） 1588.5 合计（万元） 2650.9单位氢气成本（元/Nm ） 1.97 单位氢气成本（元/Nm ） 1.99 单位氢气成本（元/Nm ） 3.31天然气制氢备注：设备按10年 折旧、土建按20年 折旧；土建工程及其他、维修费分别按照设备购置及其他安装费的1 3%、 2%计 算；财务费用按总投资70% 贷款、1 0年 期6 %年 利率等额本息计算；天然气、甲醇制氢工作人员按10人 计算，电解水制氢按5 人计算。甲醇制氢 电解水制氢