氫燃料電池汽車—高功率清潔能源車

氫燃料電池汽車簡介

氫能汽車:是以氫作為能源，將氫反應所產生的化學能轉化為機械能的汽車，分為氫內燃機汽車及氫燃料電池車。

氫燃料電池車:使儲氫系統中氫或含氫物質與空氣中的氧在燃料電池中反應產生電力推動電動機，由電動機推動車輛。

燃料電池電堆:由多個單體燃料電池組合成的電池組。其中單體燃料電池包括雙極板、密封圈和膜電極,而膜電極又包括質子交換膜、以鉑為主的催化劑層和氣體擴散層。

燃料電池汽車動力系統:由燃料電池、輔助系統(BOP)與驅動電機等組成。其中燃料電池部分由電堆與DC/DC轉換器組成;BOP包括氫氣循環系統、加溼器以及空氣壓縮機等。

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行駛性能一般影響因素

電驅動車具有高效率、低汙染及低噪聲等特點。燃料電池車能量轉化效率理論值為85%-90%，目前實際水平為40%-60%。

對於電動車來說，影響汽車性能的技術來源於“三電”，即電池、電機、電控。在進行整車佈置以及集成方案設計時，需根據汽車空間佈置等要求仿真分析計算燃料電池發動機、動力電池、電機的功率及DC/DC轉換器參數等。

負載重量、製冷系統運轉、汽車所受外部阻力大小等也具有一定影響。

電池:其他條件相同，電池容量越高，單次續航里程就越長。但因汽車空間及總重量限制電池數量難以大幅增加，提高電池的能量密度至關重要，這意味著技術難度及製造成本上升。部分氫燃料電池汽車同時搭載鋰電池以改善輸出功率瞬態特性並降低成本。

電機:功能類似於內燃機中的發動機，是利用電池電量並驅動車輛的重要部件。其他條件一致時，電機功率越大續航里程越短，但從靜止加速至同一水平所用時間越短。

電控:監控和管理動力電池(特別是溫度)，提高電池效率及可靠性並延長使用壽命。

影響續航里程的三要素—氫氣儲量更為重要

儲氫量、電池動力系統效能、汽車總成與續航里程

影響燃料電池車續航里程的三要素:儲氫量、燃料電池動力系統效能、燃料電池汽車總成。

儲氫量:指燃料電池汽車車載供氫系統的儲氫量，是決定汽車行駛里程的重要指標。由儲氫瓶、組合瓶閥、溢流閥、減壓器、壓力傳感器、管道及管道連接件等組成。

若為了滿足汽車480公里續航能力的要求，一次需儲氫大約4到7千克，耗時3-5分鐘。

國內外主流儲氫瓶為高壓氣態瓶，國內使用III型瓶(金屬內膽碳纖維全纏繞氣瓶)，國外使用IV型瓶(塑料內膽碳纖維全纏繞氣瓶)。

電池動力系統效能、車輛總成與續航里程

燃料電池動力系統最終輸送給汽車驅動系統的電能能力稱為輸出效能。相同供氫前提下，燃料電池與輔助系統電能輸出越多，輸出效能越高、續駛里程越長。

影響燃料電池動力系統效能的因素包括氫氣轉化率及電能輸出率。

氫氣轉化率:即燃料電池將氫氣的化學能轉化為電能的工作效率。取決於燃料電池本身的氫氣轉化能力，轉化率高，產生電能越多。

電能輸出率:生成的電能中一部分用於維持BOP運轉，其餘輸送至汽車驅動系統。

車輛總成指由若干零件、部件、組合件或附件組合裝配而成，並具有獨立功能的汽車組成部分，如電機、前橋、後橋、車身、車架等。其他條件相同時車輛總成技術的不同也會導致續航能力存在明顯差異。

燃料汽車儲氫量及性能比較

氫燃料電池需求—擴張期即將到來

全球燃料電池汽車銷量預測

未來氫燃料電池汽車的需求和銷量將大幅增加。預計2030年氫燃料電池汽車在世界汽車銷量中的比重有望達到2%-3%，2050年，氫燃料電池汽車在世界汽車銷量中的比重將進一步提高到15%左右。

隨著科技進步、政府重視和資金投入，困擾氫燃料電池汽車發展問題將會逐步得到解決，氫燃料電池汽車的成本將會進一步降低，規模效應帶來的產業紅利更加明顯，更多的消費者將瞭解並接受氫燃料電池汽車。

氫氣製備主要來源現狀

氫氣製備方法主要分為電解水制氫、氯鹼廠副產氫、生物制氫、石化資源制氫、化工原料制氫等方法，按成本從高至低排序為水電解、甲醇裂解、天然氣制氫、煤炭氣化。

2017年全球氫氣產量約為6000萬噸，96%來源於熱化學重整。

我國產氫法目前以煤氣化為主，未來中遠期的主要制氫技術路線為電解水制氫與煤制氫。

我國氫氣產業鏈趨於完善，制氫企業主要有神華集團、香河華瑞、首鋼央企、華能集團、華昌化工等。

氫燃料電池氫氣純度要求

燃料電池對氫氣純度要求高:燃料電池最理想的燃料是純氫，如將含有其他氣體的氫燃料應用於低溫燃料電池時，燃料電池鉑電極催化劑可能會發生中毒，電池性能急劇下降。

不同制氫過程雜質有所不同:通過碳氫化合物或醇類重整反應得到的氫氣中一般含有水蒸氣及未完全反應的原料，如CO、CO2、N2;以天然氣、石油等為原料製備還會含有H2S等硫化物;若通過甲烷重整制氫，在自熱重整或部分氧化重整過程中會生成NH3。

國內行業標準:《質子交換膜燃料電池汽車用燃料氫氣》標準將於2019年7月1日起開始實施。該標準規定了質子交換膜燃料電池(PEMFC)汽車用燃料氫氣的術語和定義、氫氣純度、氫氣中雜質含量要求及其分析試驗方法等。適用於聚全氟磺酸類質子交換膜燃料電池汽車用燃料氫氣的品質要求。其中對於氫氣純度(摩爾分數)的技術指標規定為99.97%，非氫氣體總量不超過300μmol/mol.

氫氣製備方法提純技術對比

氫氣製備:氫氣的來源比較廣泛，主要制氫方式包括電解水制氫、氯鹼工業副產氫、化工原料制氫(甲醇裂解、乙醇裂解、液氨裂解等)、石化資源制氫(石油裂解、水煤氣法等)和新型制氫方法(生物質、光化學等)。

氫氣提純成本高，:目前常見的氫氣純化方式包括吸收法、吸附法(吸附乾燥、低溫變溫吸附、變壓吸附)、催化反應法、鈀合金擴散法、金屬氫化物等，其中變壓吸附主要針對40%的粗氫提純，其他方法多針對99%以上純度氫氣，脫除不同雜質。當前上述提

純方法多需要昂貴的吸附劑或催化劑，成本較高，因此結合當前狀況我們判斷，可在生先機。同時，目前制氫成本相對較低的制氫企業(裂解脫氫)有較大的成本空間，亦將產環節獲得純度較高的制氫企業(氯鹼工業)將在未來氫氣需求快速釋放的階段中獲得具備強勁競爭能力。

全球加氫站建設計劃

全球加氫站:加速佈局，規模效應降低成本

2018年全球正在運營的加氫站達369座。歐美國家加氫站供應鏈已初具規模，多個國家正在積極部署加氫站的建設，大力推廣清潔能源的使用。

加氫站建設進入商業化早期，單位燃料的建設成本和氫氣成本均可大幅度下降

現有的加氫站的加氫能力為160kg/天，可以滿足300輛燃料電池轎車加氫;進入商業化早期加氫能力提高到450kg/天，利用率提高到74%，建設成本預期提高5.7%。

早期運行階段，加註450kg氫氣時，相應氫氣成本為5.9美元/kg;大規模運行階段，氫氣的成本為3.49美元/kg，成本降幅超過40%。（報告來源：中信證券）