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2019年中国燃料电池电堆研发单位、竞争格局及成本结构分析

作者:中国储能网新闻中心 来源:华经情报网 发布时间:2020-03-14 浏览:
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在燃料电池产业链中,电堆是处于中游核心环节。催化剂、质子交换膜、气体扩散层组成膜电极和双极板构成电堆的上游,电堆与空压机、储氢瓶系统、氢气循环泵等其它组件构成燃料电池动力系统,下游应用对应交通领域和备用电源领域,主要是客车、轿车、叉车、固定式电源和便携式电源等。

一、中国燃料电池电堆行业概况

电堆是燃料电池最关键部件,由多个单体电池以串联方式层叠组合构成。将双极板与膜电极交替叠合,各单体之间嵌入密封件,经前、后端板压紧后用螺杆紧固拴牢,即构成燃料电池电堆。电堆工作时,氢气和氧气分别由进口引入,经电堆气体主通道分配至各单电池的双极板,经双极板导流均匀分配至电极,通过电极支撑体与催化剂接触进行电化学反应。组成电堆的单体电池主要由双极板和膜电极组成。膜电极包含了质子交换膜、催化剂和气体扩散层。

资料来源:公开资料整理

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电堆成本结构中催化剂和双极板的成本占比较高,分别达到36%以及23%。催化剂通过技术进步降低铂含量降低成本。

资料来源:公开资料整理

相关报告:华经产业研究院发布的《2019-2025年中国燃料电池电堆行业市场前景预测及投资战略研究报告》

二、燃料电池电堆行业发展现状

日韩车企多自主研发电堆,欧美车企同电堆企业合作。目前来看,日韩和欧美的整车厂采用不同的电堆策略。日韩厂商大多自行开发电堆,并不对外开放,例如丰田、本田、现代等。欧美厂商很多采用合作伙伴电堆来开发发动机,例如奥迪(采用加拿大巴拉德定制开发的电堆)和奔驰(采用奔驰与福田的合资公司AFCC的电堆)。

Ballard和Hydrogenics电堆产品已经过长期运营验证。目前国外可以单独供应车用燃料电池电堆的知名企业主要有加拿大的Ballard和Hydrogenics。欧洲和美国正在运营的燃料电池公交车绝大多数采用这两家公司的石墨板电堆产品,已经经过了数千万公里、数百万小时的实车运营考验,这两家加拿大电堆企业都已经具备了一定产能,Ballard还与广东国鸿设立了合资企业生产9SSL电堆。

资料来源:公开资料整理

1、双极板

石墨电堆目前主要用于商用车,金属板电堆有望在乘用车领域获得突破。双极板是电堆的核心结构零部件,起到均匀分配气体、排水、导热、导电的作用,占整个燃料电池60%的重量和20%的成本,其性能优劣直接影响电池的输出功率和使用寿命。双极板材料目前主要是石墨双极板和金属双极板。目前石墨电极板技术相对成熟,在市场上占据了主要的份额。

石墨双极板耐腐蚀性强、导电导热性好,但气密性欠佳、成本较高、加工时间长于金属双极板。得益于国家政策发展风向,在国内现已被大规模应用。石墨双极板在技术层面及商业化层面都相对成熟,但如若继续采用机械加工的方式,石墨双极板的成本费用实难降低,不易实现大批量生产。若要降低成本,可从石墨材料进行优化,开发出性能更优、成本更低、可供模压成型的碳基材料。

金属双极板功率高、成本低、耐抗压,但抗腐蚀性差,成型工艺困难。金属双极板具有优异的导电、导热性能、机械加工性、致密性,以及强度高、阻气性好等优势,可以为汽车应用提供良好的动力密度、低温(-40℃)启动保障,适合大批量低成本生产。考虑到车辆空间限制问题,金属双极板未来有望在乘用车实现大规模应用。

资料来源:公开资料整理

2、膜电极

膜电极是电堆的核心。膜电极组件由质子交换膜、催化剂和气体扩散层(气体扩散层)组成。国外膜电极的供应商主要有3M、JohnsonMatthey、Gored等。丰田、本田等乘用车企业自主开发了膜电极,但不对外销售。国产膜电极性能与国际水平接近,但在铂载量、启停、冷启动、抗反极等方面与国际水平还有一定差距,目前武汉理工新能源有限公司已实现了商业化生产,产能已经达到5000平米,大连新源也自主生产膜电极,主要是自用为上汽的发动机配套。

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3、质子交换膜

从膜的结构来看,PEM大致可分为三大类:磺化聚合物膜,复合膜,无机酸掺杂膜。目前研究的PEM材料主要是磺化聚合物电解质,按照聚合物的含氟量可分为全氟磺酸质子交换膜、部分氟化质子交换膜以及非氟质子交换膜等。目前车用质子交换膜逐渐趋于薄型化,由几十微米降低到十几微米,降低质子传递的欧姆极化,以达到较高的性能。但是薄膜的使用给耐久性带来了挑战,尤其是均质膜在长时间运行会出现机械损伤与化学降解,在车辆工况下,操作压力、干湿度、温度等操作条件的动态变化会加剧这种衰减。迄今最常用的质子交换膜(PEMFC)仍然是美国杜邦公司的Nafion®膜,具有质子电导率高和化学稳定性好的优点,目前PEMFC大多采用Nafion®等全氟磺酸膜。

资料来源:公开资料整理

质子交换膜国产进程处于提速阶段。质子交换膜是膜电极中最核心的部件之一。质子交换膜必须具有较高的质子导电性、必须有足够低的气体渗透率、在运行环境下具有足够的化学和机械稳定性等三个主要的技术要求,还应有低廉的价格。

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4、催化剂

催化剂以Pt(铂)催化剂为主,低Pt催化剂是燃料电池的主要技术方向,目前燃料电池中常用催化剂是Pt/C,即由Pt的纳米颗粒分散到碳粉(如XC-72)载体上的担载型催化剂,目标是使FCV的铂用量低于传统汽车三元催化中铂的用量的,而制备壳型结构的催化剂是降低催化剂用量的一个有效的方法。

催化剂海外企业领先,国内正起步。海外企业处于领先地位,已经能够实现批量化生产。其中英国JohnsonMatthey和日本田中(本田燃料电池车Clarity催化剂供应商)是全球铂催化剂的巨头。国内企业尚处于研究阶段。

资料来源:公开资料整理

三、燃料电池电堆行业竞争格局

目前国内燃料电池电堆正在逐渐起步,电堆及产业链企业数量逐渐增长,产能量级快速提升。目前国内电堆厂商主要有两类:(1)自主研发,以新源动力和神力科技为代表;(2)引进国外成熟电堆技术,以广东国鸿为代表。

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1、新源动力

新源动力涵盖了燃料电池质子交换膜等各个环节,技术水平国内领先。新源动力在国内率先实现了燃料电池实验室科研成果向现实生产力的转化,燃料电池中试基地,生产、测试装备齐全,已实现燃料电池关键材料及关键部件、电堆组装的小批量生产。新源动力江苏子公司将建成可年产5500KW燃料电池堆用关键部件的批量生产线,成为我国第一个燃料电池材料及部件的产业化生产基地。上海子公司将成为新源动力的系统集成、总成生产与技术服务中心。第十五届东京燃料电池展览会上,中国燃料电池厂商新源动力全球首次发布最新一代燃料电池电堆模块HYMOD®-70。新产品系新源动力研发的第三代金属双极板质子交换膜燃料电池,单堆功率85kW,电堆体积功率密度突破3.3kW/L,具备良好的低温适应性,可在-30℃启动/-40℃存储,适用于乘用车和商用车,已获多家主机厂小批量订单。

HYMOD®-70六大显著技术优势

资料来源:公开资料整理

2、上海神力

上海神力科技有限公司是国家科技部重点培育、上海市政府重点支持的民营新能源高科技企业。公司承担并完成国家“九·五”重点攻关计划、“十·五”863及“十一·五”863重大攻关计划燃料电池发动机课题,拥有完全自主知识产权的燃料电池技术。公司自主开发的C290-30燃料电池模块通过国家强制检测认证,达到国内领先水平。

3、广东国鸿

广东国鸿氢能科技有限公司是在广东省委、省政府大力支持下和佛山、云浮两市政府直接领导下,于2015年6月成立的一家以氢燃料电池为核心产品的高科技企业,是国内最早介入燃料电池新能源汽车开发的企业。2017年6月30日广东国鸿氢能科技有限公司在广东云浮市建成投产了全球最大的商用燃料电池9SSL电堆生产线,并成功调试出全球首条燃料电池电堆全自动生产线。2017年全年生产了9SSL电堆2000多个,每个电堆功率15KW,采用石墨柔性双极板。截至目前,公司已成为国内燃料电池领域的龙头企业。公司主要产品9SSL燃料电池电堆和HD85、MD30、MP30车用燃料电池模块,市场主要集中在国内,目前公司的海外市场正在规划当中。

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关键字:燃料电池

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