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燃料電池系統未來五大發展趨勢預測
發布時間:2019-07-08 11:32
關鍵詞: 燃料電池 趨勢預測

研究機構EVTank聯合伊維經濟研究院在相繼發布了加氫站、氫氣制取、氫氣存儲與運輸等方面的研究報告後,近日再次發布《燃料電池系統産業鍊研究報告(2019)》。在研究報告中,伊維經濟研究院從産業鍊的角度梳理了燃料電池電堆、雙極闆、膜電極、質子交換膜、催化劑、氣體擴散層等産業鍊關鍵環節進行了深度的研究和分析,并詳細梳理了燃料電池産業鍊各環節的企業的基本情況。

關于燃料電池系統,伊維經濟研究院認為其關鍵部件包括電堆、供氣系統等輔助系統,關鍵技術包括水熱管理技術、低溫冷啟動、系統的控制技術等。燃料電池電堆是這個系統的核心,包括雙極闆、膜電極、催化劑、質子交換膜、氣體擴散層等部件。其中,催化劑、質子交換膜和氣體擴散層集成在一起成為膜電極,它是堆的主要部件。

一、電堆

電堆是發生電化學反應的場所。單體電池是由雙極闆與膜電極組成。按目标負載需求,将多個單電池層疊組合,嵌入密封件,經前、後端闆壓緊後用螺杆緊固拴牢,即構成燃料電池堆(簡稱電堆)。

電堆工作時,陽極為氫燃料發生氧化的場所,陰極為氧化劑還原的場所,兩極都含有加速電極電化學反應的催化劑,質子交換膜作為傳遞氫離子的介質,隻允許氫離子通過,電子則在外部形成電流。工作時,電堆相當于一個直流電源,陽極即電源負極,陰極即電源正極。實際上燃料電池電堆不是一個儲能裝置,而是一個發電裝置。

在《燃料電池系統産業鍊研究報告(2019)》,伊維經濟研究院将全球燃料電池電堆主要供應商分為兩大梯隊,第一梯隊主要是乘用車大廠,如豐田、本田、現代等,其電堆功率均超過100千瓦,自供燃料電池汽車使用,不對外銷售。第二梯隊以巴拉德、hydrogenics等為主,歐美燃料電池商用車多采用其電堆,功率較低。同時巴拉德、hydrogenics等企業積極布局中國市場,采取技術合作、技術轉讓、合資建廠、定向采購的模式,供應國内商用車。

關于國内電堆生産企業,伊維經濟研究院在報告中歸為三大體系:規模較大屬“巴拉德系”,發展模式選擇引進巴拉德技術,通過合資建設生産線,購買巴拉德電堆組件生産,主要供應國内商用車、物流車,代表企業有廣東國鴻、大洋電機、濰柴動力等;億華通則通過産學研結合,自主研發,同時引進國外先進技術加以吸收、創新,成為國内燃料電池供應最多的廠家之一;國内純自主研發的代表企業主要是新源動力、上海神力、明天氫能等,依靠與高校合作,産學研結合以及承擔國家相關課題,經過多年技術積累,形成了一定産能。

伊維經濟研究院研究發現,目前,國内燃料電堆産業化功率密度(乘用車)已達到1.8kW/L,實驗室達到3.1kW/L,乘用車系統使用壽命普遍達到5000h,商用車達到10000h,具備零下30度低溫啟動能力。

二、雙極闆

雙極闆是電堆的多功能部件,其主要作用是通過表面的流場給膜電極輸送反應氣體,同時收集和傳導電流(多個單電池通過雙極闆串聯)并排出反應的熱量及産物水。其重量約占電堆的80%,成本約占30%。

雙極闆材料目前主要是石墨雙極闆、金屬雙極闆和複合闆,伊維經濟研究院調研發現石墨雙極闆當前應用最為廣泛。石墨雙極闆耐腐蝕性強,導電導熱好,但氣密性較差,厚度大且加工周期長,成本較高。另一方面,而由于乘用車空間限制,高功率、低成本的金屬雙極闆具有更好的應用前景,目前國外已實現商業化利用。複合雙極闆更适合批量化生産,但目前研發程度較低。

伊維經濟研究院認為石墨雙極闆技術成熟,目前主流供應商有POCO、巴拉德等。國産廠商主要有上海神力、上海弘楓、嘉裕碳素等公司。盡管石墨雙極闆已初步實現國産化小規模使用,伊維經濟研究院認為由于缺乏耐久性和工程化驗證,且生産工藝多為機械加工成型,成本難以降低。

伊維經濟研究院通過研究發現國外金屬雙極闆技術成熟,已完成工藝驗證,主要供應商有德國Dana、英國Bac2等。國内企業多數處于試制階段,上海佑戈、上海治臻新能源、新源動力等企業研發較為領先,并已嘗試車用。安泰科技钛雙極闆2018年已實現量産,供應加拿大巴拉德。而複合雙極闆的研發目前還比較少,主要研究企業為武漢喜馬拉雅、新源動力等。

三、膜電極

膜電極是電堆的“電芯”,決定了電堆性能、壽命和成本的上限,成本占據電堆60%以上。膜電極組件是集膜、催化層、擴散層于一體的組合件,是燃料電池單體的最重要組件。伊維經濟研究院研究發現,目前,國際上已經發展了3代膜電極技術路線:一是主要采用熱壓法,将催化劑漿料塗覆在氣體擴散層上,構成陽極和陰極催化層,形成“GDE”結構膜電極,總體性能不高;二是把催化層制備到膜上(CCM),一定程度上提高了催化劑的利用率與耐久性,但催化層結構具有不穩定性;三是有序化的膜電極,把催化劑如Pt制備到有序化的納米結構上,使電極呈有序化結構,獲得堅固、完整的催化層,進一步提高燃料電池性能,降低催化劑鉑載量。目前商業化程度最高的是第二代CCM技術,第三代有序化技術還處于研發試驗階段,隻有戈爾公司實現量産。

伊維經濟研究院在研究報告中分析認為目前膜電極市場主要被國外企業占據,主流專業膜電極的供應商主要有3M、戈爾、東麗等。巴拉德、豐田、本田等電池、乘用車企業自主開發了膜電極。國産膜電極性能與國際水平接近,稍有差距,但在批量化生産工藝和裝備差距較大,國外已實現卷對卷的連續化生産。

國内專業的膜電極供應商,伊維經濟研究院研究發現企業主要是武漢理工新能源,主要出口供應普拉格,以及供應國内車企使用,是全球六大膜電極供應商之一,其規模化量産年産量達到12萬片,建成的自動化膜電極生産線産能達到2萬平米/年,未來預計建設到10萬平米/年。大連新源也自主生産膜電極,主要是自用為上汽的發動機配套。鴻基創能膜電極在建産能10萬平米/年,2020有望實現投産。此外還有大連化物所、武漢漢喜馬拉雅、蘇州擎動等參與膜電極研發工作。

四、質子交換膜

質子交換膜是質子交換膜燃料電池(PEMFC)的核心元件。從膜的結構來看,質子交換膜(PEM)大緻可分為三大類:磺化聚合物膜,複合膜,無機酸摻雜膜。目前研究的 PEM材料主要是磺化聚合物電解質,按照聚合物的含氟量可分為全氟磺酸質子交換膜、部分氟化質子交換膜以及非氟質子交換膜等。伊維經濟研究院在研究報告中提到目前最常用的質子交換膜是美國科慕(杜邦)的Nafion全氟磺酸膜、戈爾公司的select複合膜。

質子交換膜國外已實現規模化生産,主流企業有戈爾、科慕、旭硝子、旭化成等;國内技術水平與國外相當,但多處在中試階段,能夠批量化供應隻有東嶽集團,已進入AFCC(奔馳福特合資公司)供應鍊。

目前應用最多的全氟磺酸膜具有化學性能好、質子傳導率高等優點,但其産品的合成及磺化工藝複雜,成本高;此外全氟磺酸膜對溫度和含水量要求高,以Nafion膜為例,其最佳工作溫度為70~90℃,過高溫度會使其含水量急劇降低,導電性迅速下降,因此電極反應速度難以提高,催化劑也容易中毒,從而損害電堆壽命。故而部分氟化、無氟化、複合質子交換膜、高溫質子交換膜為重要研究方向,它們加工簡單、成本低、穩定性更優。

五、催化劑

催化劑是燃料電池的關鍵材料之一,目前燃料電池中常用催化劑是Pt/C,即由鉑的納米顆粒分散到碳粉載體上的擔載型催化劑。研究目标就是使燃料電池催化劑的鉑載量低于傳統燃油車,國外催化劑鉑載量達到0.1~0.2g/kW,國内鉑載量0.3~0.4g/kW,離傳統燃油車0.05g/kW還有較大下降空間。

伊維經濟研究院研究認為催化劑海外企業領先,已經能夠實現批量化生産,國内正起步。其中英國Johnson Matthey和日本田中(供應本田Clarity)等是全球領軍企業。國内企業尚處于研究階段,包括大連化物所、新源動力、貴研鉑業等高校、企業,大連化物所制備的 Pd@Pt/C 核殼催化劑,其氧還原活性與穩定性優于商業化Pt/C催化劑;貴研鉑業和上汽共同研發燃料電池催化劑,已獲得一定成果。

六、氣體擴散層

氣體擴散層位于流場和膜電極之間,擴散層的材質是經疏水材料處理的碳基材料(碳紙或碳布)。疏水材料的作用是防止水在擴散層孔中積聚,影響氣體擴散。擴散層的主要作用是為參與反應的氣體和産生的水提供傳輸通道,并支撐膜電極。因此,氣體擴散層必須具備良好的機械強度、合适的孔結構、良好的導電性、高穩定性,因而所需碳紙、碳布必須具備優良性能。

伊維經濟研究院在《燃料電池系統産業鍊研究報告(2019)》認為國外日本東麗、巴拉德、德國SGL等廠商的碳紙産品已經實現規模化生産,國内台灣碳能、安泰科技(開始供應普拉格)實現批量生産,全球市場主要由東麗、台灣碳能主導。國内其他研發主體主要集中于中南大學、武漢理工大學、上汽集團等高校、企業,多受制于市場需求規模小、技術不成熟等因素而不能規模化量産。

在伊維經濟研究院發布的《燃料電池系統産業鍊研究報告(2019)》中,還對燃料電池系統未來的發展趨勢做了預測:

(1)燃料電池電堆降成本仍然是行業發展重點。在當前技術條件下,質子交換膜、氣體擴散層等加工成本主導的零部件可以通過規模化實現降成本,而雙極闆、催化劑受原料成本主導難以通過規模化降本,因此需要更疊技術,探索低成本解決方案。

(2)電堆及零部件國産化進程加快。目前國内用于乘用車的金屬雙極闆、膜電極、質子交換膜、催化劑、炭紙生産能力較低,市場由國外企業主導。随着國内研發投入加大,未來電堆生産技術及各零部件技術與國外差距将縮小,國産替代将加速。

(3)石墨雙極闆技術成熟,國内将迎來規模化生産。石墨材料将尋求性能更優、成本更低新型炭基材料,生産工藝由機械加工成型向模壓成型轉變。而随着乘用車技術的進步,體積小、功率高更适宜批量生産的金屬雙極闆前景廣闊。

(4)有序化膜電極技術是未來膜電極制備主流發展趨勢。有序化膜電極能夠解決CCM技術催化層結構不穩定的缺陷,具有優良的多相傳質通道,能有效降低鉑載量,并提高膜電極壽命。目前,行業内小範圍實現量産,規模化量産仍面臨水管理等技術和制備難題。

(5)降低催化劑鉑載量或使用非鉑催化劑是有效的降成本方向。一方面通過改進電極,提高鉑質量比活性以降低鉑用量,開發核殼機構、鉑合金或納米結構的超低鉑催化劑;另一方面研究開發非鉑催化劑,如钯基催化劑、非貴金屬催化劑和非金屬催化劑技術。

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