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2.2.固定式领域:应用最为成熟,多用于分布式电站和备用电源
污染重、能效低一直是困扰火力发电的核心问题,燃料电池不仅具有零排放、高效率优势,更是在外部环境剧烈变化的条件下,可以长时间连续工作,可靠性更高,受到国内外的普遍重视。燃料电池在该领域已有不少商业化应用,目前主要在分布式电源和备用电源两大领域,广泛应用于IDC、医院等重要部门。
2.2.1.固定式分散电站:能量利用效率高
燃料电池电站不同于燃料电池汽车,没有频繁启动的问题,一般采用以下4种电池技术:磷酸燃料电池PAFC、质子交换膜燃料电池PEMFC、固体氧化物燃料电池SOFC、熔融碳酸盐燃料电池MCFC。
2.2.2.备用电源:可靠性高
将燃料电池作为备用电源,在电信、银行、医院等行业最为普遍,作为燃料电池的大生产商,BallardPowerSystems在2012年就生产了近400个ElectraGen备用电源系统。
2.3.便携式领域:尚未起飞
在三种主要的领域中,便携式领域的发展几乎处于停滞状态,便携式产品面临的环境较为简单,对电池安全性的要求较低,却对续航能力有很高要求,燃料电池恰恰符合这一领域的应用标准,虽然目前已有许多公司陆续推出氢燃料电池手机,但燃料电池在该领域一直未有实质性突破。
3.最有发展前景的燃料电池——PEMFC产业链全梳理
PEMFC产业链分为制氢、氢的运输分配、氢存储、燃料电池系统四个环节,我们根据四个环节梳理出上游、中游、下游产业链的成本下降路径和技术革新,深入的了解PEMFC发展情况。
3.1.氢的生产:天然气重整制氢成本媲美燃油,废氢利用进一步降低使用成本
氢可以用多种技术生产,包括用化石能源、核能和可再生能源重整化石燃料、电解水、生物质、高温分解等。天然气制氢成本已经媲美汽油成本,根据美国能源部测算,到2020年将新技术制氢(不包含重整法),加注站售价4美元/gge,相当于汽油价1.057美元/L。
3.1.1.分布式制氢
分布式制氢不需要大量的运输设备或投资大型制氢工厂,是目前最可行的方法。当前主要的制氢技术有两种:
(1)重整天然气或者液态燃料(乙醇等);
(2)小规模的电解水法。
蒸汽重整甲烷制氢是现今在成本上能与汽油媲美的技术。使用可再生能源,高温和生物液体重整是两种能大幅减少温室气体排放的技术,其中生物液体重整技术可广泛应用于分布式、集中式生产氢。使用风电、水电、太阳能等可再生能源电解水是零排放制氢技术。当前制氢设备、运维成本和电费成本制约该技术的大规模应用,技术上仍然有待进一步开发空间,电费价格降低到当前电价的一半时,该种方法具有经济性。
3.1.2.集中式制氢
长期来看,大型工厂化制氢可以充分利用规模经济优势满足日益增长的氢燃料需求,集中制氢的能源主要有化石能源、核能和可再生能源。随着高效的水裂解化学工艺和材料发展,采用集中式太阳能高温热化学制氢将成为一种潜在可能技术方案。
我国具有巨大的人力资源和市场容量,非重整法规模效应显着,参照风电、光伏、锂电池等产业的发展轨迹,一旦引入国内成本有30%左右下降空间。此外,我国每年大约有10亿立方米的废氢被排放掉,能产生电能约130亿度电,若能利用到燃料电池车中,产生巨大的经济价值和环保价值。
3.2.氢气的提纯:碳氢膜技术替代现有成本高昂的冷却技术
当前的氢提纯技术主要采用冷却分离技术,成本较高,限制了氢利用的商业化。美国正在开发一种碳氢膜分离系统,可以应用在大规模煤制气联合系统中用于分离氢气和二氧化碳,可替代成本高昂的冷却技术。
3.3.氢的储运和加注:国外已有成熟技术应用
常见的运输方式有液化汽车运输、高压气体汽车运输和管道运输(方法一、二、三),目前各国正在研发氢载体方式运输氢(方法四),我国的富瑞特装已经在有机物储氢技术上取得阶段性成果。同时,采用各种基本运输方式的组合运输形式。氢的加注和天然气加注方式比较相似,气态氢直接加注,液态氢经过气化后在进行加注。
氢的存储技要求高效、安全、便捷、低成本,主要技术指标有容量、加注便捷性、耐久性。物理存储氢(压缩气体、低温液体容器)技术是当前最成熟的存储技术。未来能够够使汽车商业化,主要集中在规模效应和新技术降低碳纤维成本之上。另外在研双向可逆的金属氢化物存储技术也在研发之中。
3.4.燃料电池系统:规模化、新技术降本路线清晰
燃料电池系统是燃料电动车的核心,一般由电池堆、燃料处理器、空气压缩机和组成增湿器(丰田已经省去)组成。根据美国能源部测算,2016年在年产2万台规模下成本大约280美元/kW,到2020年PEMFC效率会达到65%,铂金属用量由0.16降低到0.125g/kW,双极板成本从7美元/kW降低到3美元/kW,50万台批量成产成本40美元/kW(最终目标实现30美元/kW),国内当前成本1-1.5万/kW。
4.投资建议
国外技术的不断突破,让我们看到了氢燃料电池成本下降路径。重整法制氢成本已可媲美燃油(约合1.25美元/kg)、电池系统成本2015年约53美元/kW,2020年有望下降至40美元/kW,同时我国废氢的利用将使使用成本进一步降低。政策方面,我国给予乘用车/中型/大型车补贴20/30/50万/台的强力支持,落实到具体订单上,福田汽车斩获北京有车租赁100辆欧辉氢燃料电池电动客车的订单。
综上所述,燃料电池在交通领域(汽车、无人机)的市场导入已经开始,未来几年有望逐步放量,未来或许成为主流动力汽车能源之一,也许是二十年也许是五十年,但总归比之今天的锂电或许更具备典型意义。
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