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燃料电池电堆产业链:中国技术积累情况

2020-12-10 13:52 作者:dongjie 来源:新财富 浏览:

摘要:电堆是燃料电池的电能来源,也是燃料电池中最为关键的部分,成本占比高达62%。国内能够独立自主开发电堆并经过多年实际应用考验的只有大连新源动力和上海神力两家企业。从各个材料环节来看,国产膜电极性能与国际水平接近,但专业特性上与国际水平还有一定差距,武汉理工新能源

  1.自主研发和海外引进双轮驱动
 
  1.1燃料电池产业链的关键——电堆
 
  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。
 
  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。
 
  863计划推动燃料电池电堆体系建立。我国早在2001年就通过国家科技部863电动汽车重大专项设立课题,以在燃料电池、燃料电池发动机以及整车系统方面形成一套拥有自主知识产权的核心技术。经过863计划,我国初步掌握了燃料电池关键材料、部件及电堆的部分关键技术,基本建立了具有自主知识产权的车用燃料电池技术平台。
 
  国家“新能源汽车”重点专项实现电堆技术难题突破。2016年,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。2018年,中国科学院大连化学物理研究所在经过寿命测试和整车应用验证后,研发的HYMOD-300型车用燃料电池模块成为中国首例自主研发,耐久性超越5000小时的燃料电池产品。此次研发的HYMOD-300型燃料电池电堆模块突破了多项技术难关,产品实现了电堆在-10℃环境下的低温启动,以及在-40℃下的储存。
 
  1.2国内企业自主研发和海外引进并举
 
  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。
 
  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。
 
  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。
 
  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。
 
  公司与加拿大巴拉德动力有限公司以及上海重塑能源科技有限公司合作成立合资控股公司,建成投产全球最大规模的商用燃料电池电堆生产线和燃料电池动力系统集成生产线,年产电堆可达2万台,动力系统5000套。公司在引进、消化和吸收加拿大巴拉德公司的电堆生产线技术和电堆组装技术后,对产品进行了二次创新,首先是在保证电堆品质的条件下将电堆零部件逐步替换为国产零部件,其次是在掌握引进技术的基础上开发了拥有自主知识产权的新一代燃料电池电堆,同时公司正在研发高比功率的燃料电池电堆。目前公司已申请专利43项,拥有授权专利9项。
 
  2.海内外电堆发展现状
 
  2.1海外电堆发展模式存在一定差异
 
  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。
 
  2.2石墨板较为成熟,金属板有待发展
 
  石墨电堆目前主要用于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。
 
  石墨双极板国内具备量产能力,金属双极板国内尚处于试制阶段。石墨基双极板的主流供应商有美国POCO、美国SHF等。石墨双极板已实现国产化,国产厂商主要有上海神力、上海弘枫等公司。上海弘枫产品已经实现出口海外。目前国外金属双极板主要供应商有瑞典Cellimpact、德国Dana、德国Grabener、美国treadstone等。国内还处于研发试制阶段,上海佑戈、上海治臻新能源、新源动力等企业研制出车用燃料电池金属双极板,并尝试在电堆和整车中实际应用。上海治臻新能源装备有限公司依托于上海交通大学的技术力量,已经攻克了双极板成型、焊接、涂层三道技术难关,可以实现双极板国产化、批量化生产,设计年产量可达50万副,至少可供1500辆以上FCV使用。
 
  2.3膜电极具备一定国产能力
 
  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、Johnson Matthey、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。
 
  2.4全氟磺酸膜是主流交换膜
 
  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&reg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&reg等全氟磺酸膜。
 
  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。
 
  国内山东东岳集团在质子交换膜领域处于领先地位。以东岳的DF260隔膜为例,膜厚度为15微米,在开路电位情况下耐久性大于600小时,膜在保证性能的前提下运行寿命超过6000小时,干湿循环次数超过20000次,得到AFCC(Automotive Fuel Cell Cooperation,戴姆勒-奔驰与福特的合资公司)的认可。目前,该膜已经定型量产,二代规划产能20万平方米,至少可满足每年20000辆全功率型FCV的需求。
 
  2.5催化剂朝着低铂和新型催化剂方向发展
 
  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。(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。虽然中国新型催化剂,其中一部分在性能和稳定性上已经超过商业催化剂,但尚未实现量产制备。
 
  催化剂发展趋势为低铂和新型替代。目前Pt用量已从10年前0.8~1.0g/kw降至现在国内的0.1~0.3g/kw,未来有希望进一步降低,目标2020年燃料电池电堆的Pt用量降至0.1 g/kw左右。Pt催化剂除了受成本与资源制约外,也存在稳定性问题,通过燃料电池衰减机理分析可知,燃料电池在车辆运行工况下,催化剂会发生衰减,如在动电位作用下会发生Pt纳米颗粒的团聚、迁移、流失,在开路、怠速及启停过程产生氢空界面引起的高电位导致催化剂碳载体的腐蚀,从而引起催化剂流失。因此,针对目前商用催化剂存在的成本与耐久性问题。研究新型高稳定、高活性的低Pt或非Pt催化剂是未来发展方向。
 
  2.6扩散层技术相对成熟
 
  燃料电池电堆的扩散层一般可以分为两层,包括扩散层基底(BL)和覆盖在其上的微孔层(MPL)。BL由碳纸或碳布构成。扩散层基底与流场相接触,起到收集电流,并支撑微孔层和催化层的作用。BL也是MEA中的弹性部件,使电池在组装过程中保证各个部件紧密接触的同时不会产生过大的应力。MPL一般由碳粉和聚四氟乙烯(PTFE)聚合物组成。MPL与催化层相接触,增强扩散层与催化层的紧密接触,使电子传导顺畅,而且MPL可以阻挡催化层中的催化剂渗透到扩散层基底,避免催化剂的失效、浪费。
 
  国内气体扩散层领域国内产业化有待进步。主要原因是气体扩散层的石墨化工序需要2000℃以上的高温,但高温炉技术尚未掌握。目前燃料电池生产商多采用日本东丽、加拿大Ballard、德国SGL等厂商的碳纸产品。东丽占据较大的市场份额,我国对碳纸的研发主要集中于中南大学、武汉理工大学等高校,国内江苏天鸟具备优秀的碳纤维织物的生产能力,但由于燃料电池市场太小,尚无量产计划。
 
  3.电堆降本途径多样
 
  3.1电堆占燃料电池成本比重最高
 
  电堆成本占比62%,仍有较大下降空间。燃料电池系统的关键成本在电堆和辅助系统2个部分。在产业化的背景下,电堆和辅助系统零部件的成本均会下降。但在当前国内尚未达到产业化批量化生产、供应链体系尚未成熟、系统相关的法规标准尚未完善的背景下,上述系统成本依然会维持高价。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。
 
  3.2燃料电池成本下降是必然趋势
 
  根据美国能源部(DOE)的测算,以80kW质子交换膜燃料电池为例,在大规模生产条件假设下,燃料电池的生产成本从在2010年以前大幅下降,从2011年开始较为稳定地维持在50美元/kW以上的水平,同时美国目标在2020年将燃料电池成本降低到40美元/kW,并最终达到35美元/kW。目前质子交换膜燃料电池实际成本在1000-2000美元/kW左右,据估计,汽车厂商制造燃料电池堆的价格约在50000到100000美元之间。
 
  从现有的技术与市场出发,未来燃料电池成本的降低可以从两个方面入手:一是技术进步和制造工艺提升;二是规模化效应降低摊销成本。原材料价格昂贵或工艺不完善的部件,例如催化剂、质子交换膜、双极板等可以通过优化制造材料改进制备工艺的方式降低成本,现有技术已经较完善的部件可通过规模化生产的效应有效建立成本优势。
 
  降低铂含量主要是降本需求,新型催化剂有助于改善中毒情况。从实际车型中降本来看,当前丰田在其Mirai车型中铂含量为20g/辆,比上一代Mirai降低了90%的用量,整车成本较之2008年丰田FCHV-adv降低了95%。铂催化剂在燃料电池系统启停期间也是发生铂溶解现象,加速燃料电池衰减。使用非铂催化剂可以避免复杂的MEA加工过程、催化剂中毒现象,由于铂催化剂提供反应活性位点促进氢气和氧气的电化学反应,一氧化碳和其他杂质气体极易吸附在催化剂表面,降低反应活性面积,从而影响电堆效率和稳定性。
 
  膜电极是燃料电池发生电化学反应产生电能的关键部件,膜电极技术从最初的热压法到CCM法一直到最新的有序化膜电极技术,其生产成本持续下降,3M推出的有序化膜电极已经把成本降到5美元/kW,预计未来可通过材料优化,开发低成本量产工艺,进一步降低制造成本。
 
  质子交换膜方面,目前国内虽然已有部分企业能生产全氟磺酸膜,但市场仍然被进口产品牢牢掌握,目前主流的供应商是最早开发应用全氟磺酸膜的美国杜邦公司。杜邦膜价格按乘用车用量计算相当于120美元/kW,按上汽荣威950FuelCell搭载的30kW燃料电池计算,其质子交换膜成本在25000元人民币以上。依靠国产化技术探索,开发新型制备工艺是目前降低质子交换膜成本的必由之路。
 
  气体扩散层是目前燃料电池堆各部件中技术条件最成熟,商业化利用潜力最好的产品,未来通过在国内建立批量化的生产设备,开发标准化平台化的产品,降低开发生产成本,可以大幅降低燃料电池中扩散层的制造成本。
 
  3.3电堆产业链初步形成
 
  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。
 
  燃料电池产业下游需求有充分保障。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。
 
  2019年3月15日,科技部高技术研究发展中心发布《关于国家重点研发计划“可再生能源与氢能技术”重点专项2018年度项目安排公示的通知》。据重点专项公示通知,2018年拟立项的项目共有31个,其中有9项涉及氢能和燃料电池。这说明未来燃料电池的市场空间是开阔的,相应带动电堆行业的发展。
 
  乘用车领域仍处于验证阶段。国内在燃料电池乘用车方面,投入研发的主要企业是上汽集团,已完成前后四代氢燃料电池轿车的开发。在国家创新工程支持下,上汽氢燃料电池轿车在动力性、续驶里程等性能指标方面取得了重大进步,已累计实现81辆示范运行,部分车辆在2014年参加了上汽的“新能源汽车万里行”全国巡游,历经10000km的实际路试,通过各种地形、海拔、环境气温的综合考验。
 
  物流车已经开始逐步向企业渗透。物流快递用户对燃料电池物流车有极大兴趣。目前京东、申通等企业已经开始采用燃料电池物流车运输,该批车辆载重达3.5吨,配载3瓶组车载供氢系统,一次加氢时间5-10分钟,续航里程可达400公里。宜家、邮政、盒马的物流供应商等多家知名物流企业也在考虑引进燃料电池车辆,未来燃料电池物流车将有较大发展空间,物流车的兴起将进一步促进电堆行业的技术研发以及产业化的进程。
 
  4.国内上市公司电堆情况梳理
 
  4.1国内上市公司电堆产业发展情况
 
  虽然国内燃料电池电堆技术水平不如国外,但在一系列新能源政策的刺激下,已经有了长足的发展。从发展的路径来看,其一是通过控股股外国著名企业来引进技术,如潍柴动力控股加拿大巴拉德,成立潍柴巴拉德合资公司,引进技术。其次,是通过自己的独立研发,如上汽集团,专门成立上汽大通全资子公司,自主掌握的“电池+电机+电控”三电核心技术。另外,又如洲际油气,主营业务是石油服务,但是通过参股世能氢电,成为其大股东来进军燃料电池产业。
 
  5.投资建议
 
  我们推荐产业布局合理的潍柴动力(参股巴拉德、弗尔赛等)、雄韬股份(布局膜电极、电堆、系统企业)。
 
  6.风险提示
 
  新建产能建设不及预期,电池价格与上游原材料价格波动风险,新能源补贴政策出现重大调整。


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