目前，國內(nèi)燃料電堆產(chǎn)業(yè)化功率密度(乘用車)已達(dá)到1.8kW/L，實(shí)驗(yàn)室達(dá)到3.1kW/L，乘用車系統(tǒng)使用壽命普遍達(dá)到5000h，商用車達(dá)到10000h，具備零下30度低溫啟動(dòng)能力。
研究機(jī)構(gòu)EVTank聯(lián)合伊維經(jīng)濟(jì)研究院在相繼發(fā)布了加氫站、氫氣制取、氫氣存儲與運(yùn)輸?shù)确矫娴难芯繄?bào)告后，近日再次發(fā)布《燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈研究報(bào)告(2019)》。在研究報(bào)告中，伊維經(jīng)濟(jì)研究院從產(chǎn)業(yè)鏈的角度梳理了燃料電池電堆、雙極板、膜電極、質(zhì)子交換膜、催化劑、氣體擴(kuò)散層等產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行了深度的研究和分析，并詳細(xì)梳理了燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)的企業(yè)的基本情況。
關(guān)于燃料電池系統(tǒng)，伊維經(jīng)濟(jì)研究院認(rèn)為其關(guān)鍵部件包括電堆、供氣系統(tǒng)等輔助系統(tǒng)，關(guān)鍵技術(shù)包括水熱管理技術(shù)、低溫冷啟動(dòng)、系統(tǒng)的控制技術(shù)等。燃料電池電堆是這個(gè)系統(tǒng)的核心，包括雙極板、膜電極、催化劑、質(zhì)子交換膜、氣體擴(kuò)散層等部件。其中，催化劑、質(zhì)子交換膜和氣體擴(kuò)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(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的場所。單體電池是由雙極板與膜電極組成。按目標(biāo)負(fù)載需求，將多個(gè)單電池層疊組合，嵌入密封件，經(jīng)前、后端板壓緊后用螺桿緊固拴牢，即構(gòu)成燃料電池堆(簡稱電堆)。
電堆工作時(shí)，陽極為氫燃料發(fā)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(xué)反應(yīng)的催化劑，質(zhì)子交換膜作為傳遞氫離子的介質(zhì)，只允許氫離子通過，電子則在外部形成電流。工作時(shí)，電堆相當(dāng)于一個(gè)直流電源，陽極即電源負(fù)極，陰極即電源正極。實(shí)際上燃料電池電堆不是一個(gè)儲能裝置，而是一個(gè)發(fā)電裝置。
在《燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈研究報(bào)告(2019)》，伊維經(jīng)濟(jì)研究院將燃料電池電堆主要供應(yīng)商分為兩大梯隊(duì)，第yi梯隊(duì)主要是乘用車大廠，如豐田、本田、現(xiàn)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(duì)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(shí)巴拉德、hydrogenics等企業(yè)積極布局中國市場，采取技術(shù)合作、技術(shù)轉(zhuǎn)讓、合資建廠、定向采購的模式，供應(yīng)國內(nèi)商用車。
關(guān)于國內(nèi)電堆生產(chǎn)企業(yè)，伊維經(jīng)濟(jì)研究院在報(bào)告中歸為三大體系：規(guī)模較大屬“巴拉德系”，發(fā)展模式選擇引進(jìn)巴拉德技術(shù)，通過合資建設(shè)生產(chǎn)線，購買巴拉德電堆組件生產(chǎn)，主要供應(yīng)國內(nèi)商用車、物流車，代表企業(yè)有廣東國鴻、大洋電機(jī)、濰柴動(dòng)力等；億華通則通過產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，自主研發(fā)，同時(shí)引進(jìn)*技術(shù)加以吸收、創(chuàng)新，成為國內(nèi)燃料電池供應(yīng)多的廠家之一；國內(nèi)純自主研發(fā)的代表企業(yè)主要是新源動(dòng)力、上海神力、明天氫能等，依靠與高校合作，產(chǎn)學(xué)研結(jié)合以及承擔(dān)國家相關(guān)課題，經(jīng)過多年技術(shù)積累，形成了一定產(chǎn)能。
伊維經(jīng)濟(jì)研究院研究發(fā)現(xiàn)，目前，國內(nèi)燃料電堆產(chǎn)業(yè)化功率密度(乘用車)已達(dá)到1.8kW/L，實(shí)驗(yàn)室達(dá)到3.1kW/L，乘用車系統(tǒng)使用壽命普遍達(dá)到5000h，商用車達(dá)到10000h，具備零下30度低溫啟動(dòng)能力。
二、雙極板
雙極板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(yīng)氣體，同時(shí)收集和傳導(dǎo)電流(多個(gè)單電池通過雙極板串聯(lián))并排出反應(yīng)的熱量及產(chǎn)物水。其重量約占電堆的80%，成本約占30%。
雙極板材料目前主要是石墨雙極板、金屬雙極板和復(fù)合板，伊維經(jīng)濟(jì)研究院調(diào)研發(fā)現(xiàn)石墨雙極板當(dāng)前應(yīng)用為廣泛。石墨雙極板耐腐蝕性強(qiáng)，導(dǎo)電導(dǎo)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、低成本的金屬雙極板具有更好的應(yīng)用前景，目前國外已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化利用。復(fù)合雙極板更適合批量化生產(chǎn)，但目前研發(fā)程度較低。
伊維經(jīng)濟(jì)研究院認(rèn)為石墨雙極板技術(shù)成熟，目前主流供應(yīng)商有POCO、巴拉德等。國產(chǎn)廠商主要有上海神力、上海弘楓、嘉裕碳素等公司。盡管石墨雙極板已初步實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化小規(guī)模使用，伊維經(jīng)濟(jì)研究院認(rèn)為由于缺乏耐久性和工程化驗(yàn)證，且生產(chǎn)工藝多為機(jī)械加工成型，成本難以降低。
伊維經(jīng)濟(jì)研究院通過研究發(fā)現(xiàn)國外金屬雙極板技術(shù)成熟，已完成工藝驗(yàn)證，主要供應(yīng)商有德國Dana、英國Bac2等。國內(nèi)企業(yè)多數(shù)處于試制階段，上海佑戈、上海治臻新能源、新源動(dòng)力等企業(yè)研發(fā)較為領(lǐng)xian，并已嘗試車用。安泰科技鈦雙極板2018年已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，供應(yīng)加拿大巴拉德。而復(fù)合雙極板的研發(fā)目前還比較少，主要研究企業(yè)為武漢喜馬拉雅、新源動(dòng)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(jù)電堆60%以上。膜電極組件是集膜、催化層、擴(kuò)散層于一體的組合件，是燃料電池單體的重要組件。伊維經(jīng)濟(jì)研究院研究發(fā)現(xiàn)，目前，上已經(jīng)發(fā)展了3代膜電極技術(shù)路線：一是主要采用熱壓法，將催化劑漿料涂覆在氣體擴(kuò)散層上，構(gòu)成陽極和陰極催化層，形成“GDE”結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)具有不穩(wěn)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(jié)構(gòu)上，使電極呈有序化結(jié)構(gòu)，獲得堅(jiān)固、完整的催化層，進(jìn)一步提高燃料電池性能，降低催化劑鉑載量。目前商業(yè)化程度gao的是第二代CCM技術(shù)，第三代有序化技術(shù)還處于研發(fā)試驗(yàn)階段，只有戈?duì)柟緦?shí)現(xiàn)量產(chǎn)。
伊維經(jīng)濟(jì)研究院在研究報(bào)告中分析認(rèn)為目前膜電極市場主要被國外企業(yè)占據(jù)，主流專業(yè)膜電極的供應(yīng)商主要有3M、戈?duì)枴|麗等。巴拉德、豐田、本田等電池、乘用車企業(yè)自主開發(fā)了膜電極。國產(chǎn)膜電極性能與水平接近，稍有差距，但在批量化生產(chǎn)工藝和裝備差距較大，國外已實(shí)現(xiàn)卷對卷的連續(xù)化生產(chǎn)。
國內(nèi)專業(yè)的膜電極供應(yīng)商，伊維經(jīng)濟(jì)研究院研究發(fā)現(xiàn)企業(yè)主要是武漢理工新能源，主要出口供應(yīng)普拉格，以及供應(yīng)國內(nèi)車企使用，是六大膜電極供應(yīng)商之一，其規(guī)?；慨a(chǎn)年產(chǎn)量達(dá)到12萬片，建成的自動(dòng)化膜電極生產(chǎn)線產(chǎn)能達(dá)到2萬平米/年，未來預(yù)計(jì)建設(shè)到10萬平米/年。大連新源也自主生產(chǎn)膜電極，主要是自用為上汽的發(fā)動(dòng)機(jī)配套。鴻基創(chuàng)能膜電極在建產(chǎn)能10萬平米/年，2020有望實(shí)現(xiàn)投產(chǎn)。此外還有大連化物所、武漢漢喜馬拉雅、蘇州擎動(dòng)等參與膜電極研發(fā)工作。
四、質(zhì)子交換膜
質(zhì)子交換膜是質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)的核心元件。從膜的結(jié)構(gòu)來看，質(zhì)子交換膜(PEM)大致可分為三大類：磺化聚合物膜，復(fù)合膜，無機(jī)酸摻雜膜。目前研究的 PEM材料主要是磺化聚合物電解質(zhì)，按照聚合物的含氟量可分為全氟磺酸質(zhì)子交換膜、部分氟化質(zhì)子交換膜以及非氟質(zhì)子交換膜等。伊維經(jīng)濟(jì)研究院在研究報(bào)告中提到目前常用的質(zhì)子交換膜是美國科慕(杜邦)的Nafion全氟磺酸膜、戈?duì)柟镜膕elect復(fù)合膜。
質(zhì)子交換膜國外已實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)，主流企業(yè)有戈?duì)?、科慕、旭硝子、旭化成等；國?nèi)技術(shù)水平與國外相當(dāng)，但多處在中試階段，能夠批量化供應(yīng)只有東岳集團(tuán)，已進(jìn)入AFCC(奔馳福特合資公司)供應(yīng)鏈。
目前應(yīng)用多的全氟磺酸膜具有化學(xué)性能好、質(zhì)子傳導(dǎo)率高等優(yōu)點(diǎn)，但其產(chǎn)品的合成及磺化工藝復(fù)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jia工作溫度為70～90℃，過高溫度會使其含水量急劇降低，導(dǎo)電性迅速下降，因此電極反應(yīng)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、復(fù)合質(zhì)子交換膜、高溫質(zhì)子交換膜為重要研究方向，它們加工簡單、成本低、穩(wěn)定性更優(yōu)。
五、催化劑
催化劑是燃料電池的關(guān)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(dān)載型催化劑。研究目標(biāo)就是使燃料電池催化劑的鉑載量低于傳統(tǒng)燃油車，國外催化劑鉑載量達(dá)到0.1~0.2g/kW，國內(nèi)鉑載量0.3~0.4g/kW，離傳統(tǒng)燃油車0.05g/kW還有較大下降空間。
伊維經(jīng)濟(jì)研究院研究認(rèn)為催化劑海外企業(yè)領(lǐng)xian，已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)批量化生產(chǎn)，國內(nèi)正起步。其中英國Johnson Matthey和日本田中(供應(yīng)本田Clarity)等是企業(yè)。國內(nèi)企業(yè)尚處于研究階段，包括大連化物所、新源動(dòng)力、貴研鉑業(yè)等高校、企業(yè)，大連化物所制備的 Pd@Pt/C 核殼催化劑，其氧還原活性與穩(wěn)定性優(yōu)于商業(yè)化Pt/C催化劑；貴研鉑業(yè)和上汽共同研發(fā)燃料電池催化劑，已獲得一定成果。
六、氣體擴(kuò)散層
氣體擴(kuò)散層位于流場和膜電極之間，擴(kuò)散層的材質(zhì)是經(jīng)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(kuò)散層孔中積聚，影響氣體擴(kuò)散。擴(kuò)散層的主要作用是為參與反應(yīng)的氣體和產(chǎn)生的水提供傳輸通道，并支撐膜電極。因此，氣體擴(kuò)散層必須具備良好的機(jī)械強(qiáng)度、合適的孔結(jié)構(gòu)、良好的導(dǎo)電性、高穩(wěn)定性，因而所需碳紙、碳布必須具備優(yōu)良性能。
伊維經(jīng)濟(jì)研究院在《燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈研究報(bào)告(2019)》認(rèn)為國外日本東麗、巴拉德、德國SGL等廠商的碳紙產(chǎn)品已經(jīng)實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，國內(nèi)中國臺灣碳能、安泰科技(開始供應(yīng)普拉格)實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，市場主要由東麗、中國臺灣碳能主導(dǎo)。國內(nèi)其他研發(fā)主體主要集中于中南大學(xué)、武漢理工大學(xué)、上汽集團(tuán)等高校、企業(yè)，多受制于市場需求規(guī)模小、技術(shù)不成熟等因素而不能規(guī)?；慨a(chǎn)。
在伊維經(jīng)濟(jì)研究院發(fā)布的《燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈研究報(bào)告(2019)》中，還對燃料電池系統(tǒng)未來的發(fā)展趨勢做了預(yù)測：
(1)燃料電池電堆降成本仍然是行業(yè)發(fā)展重點(diǎn)。在當(dāng)前技術(shù)條件下，質(zhì)子交換膜、氣體擴(kuò)散層等加工成本主導(dǎo)的零部件可以通過規(guī)?；瘜?shí)現(xiàn)降成本，而雙極板、催化劑受原料成本主導(dǎo)難以通過規(guī)模化降本，因此需要更迭技術(shù)，探索低成本解決方案。
(2)電堆及零部件國產(chǎn)化進(jìn)程加快。目前國內(nèi)用于乘用車的金屬雙極板、膜電極、質(zhì)子交換膜、催化劑、炭紙生產(chǎn)能力較低，市場由國外企業(yè)主導(dǎo)。隨著國內(nèi)研發(fā)投入加大，未來電堆生產(chǎn)技術(shù)及各零部件技術(shù)與國外差距將縮小，國產(chǎn)替代將加速。
(3)石墨雙極板技術(shù)成熟，國內(nèi)將迎來規(guī)模化生產(chǎn)。石墨材料將尋求性能更優(yōu)、成本更低新型炭基材料，生產(chǎn)工藝由機(jī)械加工成型向模壓成型轉(zhuǎn)變。而隨著乘用車技術(shù)的進(jìn)步，體積小、功率高更適宜批量生產(chǎn)的金屬雙極板前景廣闊。
(4)有序化膜電極技術(shù)是未來膜電極制備主流發(fā)展趨勢。有序化膜電極能夠解決CCM技術(shù)催化層結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的缺陷，具有優(yōu)良的多相傳質(zhì)通道，能有效降低鉑載量，并提高膜電極壽命。目前，行業(yè)內(nèi)小范圍實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，規(guī)?；慨a(chǎn)仍面臨水管理等技術(shù)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(jìn)電極，提高鉑質(zhì)量比活性以降低鉑用量，開發(fā)核殼機(jī)構(gòu)、鉑合金或納米結(jié)構(gòu)的超低鉑催化劑；另一方面研究開發(fā)非鉑催化劑，如鈀基催化劑、非貴金屬催化劑和非金屬催化劑技術(shù)。
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