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燃料电池电堆渐露锋芒,国产化初见成效

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燃料电池电堆渐露锋芒,国产化初见成效

发布日期:2018-04-17 作者:全球氢能燃料技术大会暨展览会 点击:

前言:中国燃料电池产业开始加速发展。政府补贴为初始动力、物流车和客车为突破点,中国燃料电池产业走了一条适合中国国情,与日本不同的路。电堆成为中国燃料电池产业发展关键因素之一,低成本高性能、批量供应的国产电堆是燃料电池汽车成本下降从而与传统汽车竞争的关键。

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燃料电池产业进入景气高峰起点

2017产业元年,中国燃料电池汽产量达到千辆

2017年是中国燃料电池产业化的元年,部分地区开展小规模的燃料电池汽车运营,截止目前中国燃料电池汽车数量达到1000辆左右,佛山和北京已有燃料电池公交大巴运行,京东、申通等物流公司开始试用燃料电池物流车。

2018年国内燃料电池汽车有望突破3000-5000台规模,中国燃料电池开始令人振奋的高速发展阶段。

路径明确:商用车带动加氢站建设,降低氢气与燃料电池成本

中国燃料电池汽车发展路径明确:通过商用车发展,规模化降低燃料电池和氢气成本,同时带动加氢站配套设施建设,后续拓展到私人用车领域。

优先发展商用车的原因在于:

一方面公共交通的平均成本低,而且能够起到良好的社会推广效果,形成规模后带动燃料电池成本和氢气成本下降;

另一方面商用车行驶在固定的线路上且车辆集中,建设配套的加氢站比较容易。

当加氢站数量增加、氢气和燃料电池成本降低时,又会支撑更多燃料电池汽车。

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燃料电池多地开花,20省市推动产业发展

全国以富氢优势、弃电较多或者产业领先为代表的地区重视燃料电池发展,多地市兴建氢能产业园区,氢能小镇和产业集群等,推动燃料电池公交、物流车示范运营,截至目前超过20省市明确推动氢燃料电池产业发展。

目前仅上海、盐城、武汉、佛山和苏州四城规划显示,到2020年燃料电池汽车数量近1万辆。

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电堆是燃料电池最关键部件,性能满足商业化需求

电堆是最关键部件

电堆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。

电堆是发生电化学反应场所,燃料电池动力系统核心部分。

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。

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。

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国内电堆实现量产,成本进入下行通道

我国掌握燃料电池关键材料、部件及电堆的关键技术

经过863计划,我国初步掌握了燃料电池关键材料、部件及电堆的关键技术,基本建立了具有自主知识产权的车用燃料电池技术平台,燃料电池在国内外开展了多次示范运行。

2015年,我国燃料电池电堆性能达到:-20°C启动及-40°C存储;寿命3000h;功率密度2kW/L、比功率1.5kW/kg;能量效率55%。

2016年11月,国家重点研发计划“新能源汽车”重点专项“燃料电池基础材料与过程机理研究”项目在大连启动。

项目由中国科学院大连化学物理研究所牵头,21家单位共同参与,在催化剂、质子交换膜、金属双极板、膜电极等方面开展基础性研究,同时对燃料电池低温环境适应性、流场结构、水管理过程等方面进行优化设计,掌握批量制备燃料电池所需电化学材料关键技术,项目指标达到DOE2020年目标。

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国内电堆实现量产:自主研发和引进技术路线并举

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,产能量级提升,到2018年国内电堆产能超过40万kW。

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,其余企业有南通百应、嘉兴爱德曼等。

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广东国鸿于2016年5月引进加拿大巴拉德签署引进9SSL电堆生产线技术,并在国内建设年生产2万台电堆(30万kW)和5000套系统的生产线,生产线于2017年7月1日正式投产。

9SSL系列燃料电池电堆是为交通领域设计的液冷式电堆产品,能够满足车用车载动态特性要求。

它具有良好的单电池均一性,工作寿命超过2万h,最长寿命超过2.5万h。

巴拉德9ssl电堆的9SSL系列电堆产品自2009年生产至今已累计生产电堆超过10,000台,部署量达到320MW,产品的成熟性已经过充分的市场验证。

电堆成本进入下行通道

电堆成本在燃料电池汽车中占比最高。

目前燃料电池电堆实现小规模放量和初步国产化,电堆成本已经实现有力下降。随着规模放大以及电堆产业国产化,电堆成本预计可降60%。

具体到各个环节来看,气体扩散层降本主要由规模化效应驱动;而质子交换膜、催化剂和双极板降本则需国内工艺进步和规模化加以推进。

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电堆产业链国产化进行时

国内电堆产业链雏形初具

国内燃料电池电堆产业链初成雏形,上游厂商齐全,膜电极、质子交换膜和双极板具备国产化能力,气体扩散层有小批量供应,催化剂具备研发能力。

国内膜电极具备产业化能力,有序化膜电极是工艺发展趋势

膜电极(membraneelectrodeassembly,MEA)是质子交换膜燃料电池发生电化学反应的场所,是传递电子和质子的介质,为反应气体、尾气和液态水的进出提供通道,膜电极是质子交换膜燃料电池的心脏。

膜电极通常由5部分组成,即中间的质子交换膜、两侧的阳极催化层和阴极催化层,最外侧的阳极气体扩散层和阴极气体扩散层。

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当前膜电极在性能和产能方面可以初步满足商业化需求。

现阶段性能初步满足产业使用,2015年MEA,在工况条件下寿命达到2500小时,性能方面也达到810mW/cm2。

膜电极厂商具备万平米级产能,目前做膜电极的厂商分为两类,一种是具备膜电极产业化能力,能够自给自足的燃料电池厂商,以丰田和Ballard为代表。

另外一种是专业的膜电极供应商,包括Gore、JM、3M、Toray(Greenerity)和国内的武汉理工新能源等,都已经具备了不同程度的自动化生产线,年产能在数千平米到万平米级。

国内武汉理工新能源生产的是燃料电池的核心零部件膜电极,年产量达到12万片,建成自动生产线产能5000平米/年。

武汉理工新能源膜电极产品功率密度,最高可达1W/cm2;Pt用量低至0.3mgPt/cm2。

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质子交换膜:全氟磺酸膜是主流,国内具备量产能力

质子交换膜是作为PEM燃料电池的核心组件,主要功能是充当质子通道实现质子快速传导,同时还起阻隔阳极燃料和阴极氧化物的作用,防止燃料(氢气、甲醇等)和氧化物(氧气)在两个电极见发生互串,此外还需要对催化剂层起到支撑作用。

质子交换膜国产化能力具备,国内东岳集团可量产DF260系列膜。目前市场上主要生产全氟磺酸膜的企业主要来自于美国、日本、加拿大以及中国,其中戈尔的Select复合膜广泛应用于燃料电池,丰田Mirai、本田Clarity和现代ix35均采用戈尔Select系列膜。

除此以外,质子交换膜还有杜邦的Nafion系列膜、陶氏化学(DowChemical)的Xus-B204膜、3M的全氟磺酸膜、日本旭化成的Alciplex系列膜、旭硝子的Flemion系列膜、加拿大Ballard的BAM膜和比利时Solvay的系列膜。

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在国内,山东东岳集团质子交换膜性能出色,具备规模化生产能力。

2004年,东岳集团联合上海交通大学研发出质子交换膜,经日本丰田公司和德国Fuma.Tch公司分别检测,东岳公司生产的质子交换膜性能出色不逊于同类产品。

目前,东岳DF260膜厚度做到15um,在OCV情况下耐久性大于600小时;膜运行时间达到6000小时;在干湿循环和机械稳定性方面,循环次数都超过2万次。

东岳DF260膜技术已经成熟并已定型量产,二代规划产能20万平米,而且东岳集团已建成年产50吨燃料电池离子膜所需要的全氟磺酸树脂生产装置,可满足2.5万辆电动汽车的离子膜所需。

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催化剂:铂用量降至可接受水平,国内具备研发能力

催化剂是燃料电池的关键材料之一,其作用促进氢、氧在电极上的氧化还原过程。目前最好的催化剂仍是Pt和Pt基催化剂。

目前最好的催化剂仍是Pt和Pt基催化剂,当前铂金用量已经降至可接受水平,根据DOE数据,2015年Pt含量达到0.16g/kw,质量比活性大于0.5A/mg。本田FCV燃料电池催化剂Pt含量降至0.12g/kw,丰田Mirai燃料电池催化剂Pt含量达到0.175g/kw。

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催化剂海外企业领先,国内正起步。

在燃料电池催化剂领域, 海外企业处 于领先地位,已经能够实现批量化生产,而且性能稳定,其中英国Johnson Matthey 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,有两 类结构:(1)贵研 铂业;主营汽 车尾气铂催 化剂,和 上汽共同 研发燃料电 池催化剂 ;(2)研 究机构,大 连化物所 、新源动 力等,中 国科学院 大连化学 物理研究 所制备 的 Pd@Pt/C 核壳催化剂,其氧还原活性与稳定性表现优异。

气体扩散层:技术成熟,国内达到小规模生产

多孔气体扩散层将膜电极组合体夹在中间,主要起气体扩散的作用。多孔扩散层的主要功能包括:1实现气体在催化层表面的扩散;2提供机械支撑;3导通电流;4排除反应生成水。

扩散层的材质是经疏水材料处理的碳基材料(碳纸或碳布)。疏水材料的作用是防止水在扩散层孔中积聚,影响气体扩散。

目前碳纸产品主要由几个国际大生产商垄断,包括日本东丽(Toray)和德国SGL等。东丽目前占据较大的市场份额,且拥有的碳纸相关专利较多,生产的炭纸具有高导电性、高强度、高气体通过率、表面平滑等优点。

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国内产品尚处于小规模生产。

上海河森公司有小批量碳纸产品,燃料电池专用高性能气体扩散层具备1000平方米/月生产能力。

台湾碳能科技公司的碳纸产品价格较低,获得了一定市场认可。

同时中南大学、武汉理工大学以及北京化工大学等研究机构也都有研究,其中中南大学提出了化学气相沉积(CVD)热解炭改性碳纸的新技术,发明了与变形机制高度适应的异型结构碳纸,采用干法成型、CVD、催化炭化和石墨化相结合的连续化生产工艺,其产品的耐久性和稳定性有所提升。

双极板:石墨板应用广泛,金属板能量密度高,国内具备小规模生产能力

双极板是电堆中的“骨架”,与膜电极层叠装配成电堆,在燃料电池中起到支撑、收集电流、为冷却液提供通道、分隔氧化剂和还原剂等作用。

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乘用车燃料电池具有高能量密度需求,金属双极板相较于石墨及复合双极板具有明显优势。

如日本丰田Mirai燃料电池汽车用金属双极板PEMFC模块的功率密度达到3kW/L,英国IntelligentEnergy的新一代EC200-192金属双极板燃料电池模块的功率密度达到5kW/L。

金属双极板使PEMFC模块的功率密度大幅提升,金属双极板已成为乘用车燃料电池的主流双极板。

目前金属双极板主要供应商有瑞典Cellimpact、德国Dana、德国Grabener、美国treadstone等。

国内上海治臻新能源装备有限公司已经开发了包括氢空/氢氧、空冷/水冷等适用于各种环境的多款量产金属双极板。

上海交大、新源动力、上汽集团和上海治臻联合开发的汽车燃料电池大面积超薄金属双极板设计与精密制造技术获得2017年度“中国汽车工业科学技术奖”一等奖。

石墨双极板因为耐久性长,广泛应用于商用车。

石墨基双极板的主流供应商有美国POCO、美国SHF、美国Graftech、日本FujikuraRubberLTD、日本KyushuRefractories、英国Bac2等。

石墨双极板目前已实现国产化,国产厂商主要有上海弘枫、杭州鑫能石墨等。

复合材料双极板近年来也开始有应用,如石墨/树脂复合材料、碳/碳复合材料

报告来源:国金证券 / 分析师:张帅

本文网址:http://www.sh-hydropower.com/news/393.html

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