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随着全球对清洁能源的日益重视,燃料电池因“加氢排水”的“零排放”特质普遍应用于牢靠式发电、交通运输、便携式电子、航空航海等领域,被视为能源领域的最终解决方案之一,其中,燃料电池汽车(Fuel Cell Vehicle,FCV)是燃料电池的重点应用偏向,也是新能源汽车的生长路径之一,FCV因“充电快、续航长”而被誉为未来汽车手艺竞争的制高点。自上世纪90年月以来各大车企纷纷结构燃料电池汽车,在2015年前后丰田、本田、现代等车企陆续量产燃料电池汽车车型,飞跃、宝马和奥迪等车企也均入局燃料电池汽车领域。现在,西欧、日韩以及中国均已宣布燃料电池汽车支持政策,提出了差异阶段的燃料电池产量、设计、加氢站建设数目等详细目的。

中国电动汽车和燃料电池汽车的政策设计时间对比

(资料泉源:工信部官网、西部证券(002673,股吧)研发中央)

◆全球燃料电池产业生长迅速,日韩领跑

从燃料电池产业链来看,燃料电池产业链主要包罗质料和零部件组成的上游、电堆生产为焦点的中游、以动力应用为主的下游,其中电堆在燃料电池的成本占比高达62%。催化剂、质子交流膜和气体扩散层配合组成膜电极(MEA)、双极板、端板以及密封圈等质料组成电堆的上游,其中膜电极(MEA)系燃料电池的手艺、成本“中枢”,膜电极在燃料电池成本占比超30%。现在全球燃料电池生产企业主要集中在北美、欧洲、日韩等国家和区域,其中,日本在燃料电池产业的手艺贮备遥遥领先。据能源咨询公司E4tech统计,2019年全球燃料电池的出货量到达了1.1GW,同比增速到达了40%,其中,日本、韩国的出货量划分到达了408MW、245MW。

氢燃料电池产业链

◆我国燃料电池产业国产化水平快速提升,但要害手艺---催化剂和气体扩散层尚未形成产业化

随着新能源汽车的生长,我国燃料电池产业国产化水平快速提升,电堆产业链国产化水平到达50%,国产电堆性能已到达国际平均水平,海内如国鸿氢能、新源动力等领先企业已与天下水平相当,但总体上,电堆比功率、效率等方面还存在较大的提高空间,成本另有大幅降价空间。

从电堆质料环节来看,国产膜电极性能与国际水平靠近,但在专业特征上尚有一定差距,武汉理工新能源有限公司已实现了商业化生产并出口美国。海内催化剂手艺与外洋的差距正不停缩小,济平新能源、中科科创、喜玛拉雅、擎动科技等企业已实现小批量出货。山东东岳团体已率先实现质子交流膜量产,但有待进一步加速海内产业化历程。气体扩散层和双极板海内手艺条件相对成熟,规模化生产能力有待提升。现在,上海治臻已规模化量产金属双极板,我国在气体扩散层领域的手艺探索已经有所建树,中南大学、武汉理工大学、东华大学以及南方科技大学碳纸类质料的实验室手艺可对标国际部门先进产物水平。但由于气体扩散层由于碳纸选材及手艺具有极高的手艺壁垒,以及海内企业受制于市场需求量低、手艺不够成熟等多方面缘故原由,海内能够实现小批量生产的企业仅有上海河森、济平新能源、通用氢能以及碳能科技等公司,在实现大规模商用方面还差距甚远。

◆气体扩散层是现在燃料电池堆各部件中手艺条件最成熟、商业化行使潜力最高的产物

气体扩散层(GDL)包罗基底层(BL)和笼罩在其上的外面涂层微孔层(MPL),是质子交流膜燃料电池(PEMFC)的主要组成部门,对燃料电池的性能利害起着至关主要的作用。现在,气体扩散层手艺相对成熟,碳纤维纸依附制造工艺成熟、性能稳固、成真相对较低和适于再加工等优点,成为气体扩散层商业化的首选基底质料,外面涂层微孔层一样平常由碳粉和憎水剂组成,现在面临的主要挑战为大电流密度下水气通畅传质的手艺难点。

气体扩散层的成本主要由制造成本主导,凭证美国能源部(DOE)与巴拉德动力系统公司(Ballard)的团结研究项目,当气体扩散层的年产量为1000万m2/年(约莫可供应50万套燃料电池系统)时,气体扩散层的生产成本为4.45美元/m2,当气体扩散层的生产规模为10万m2/年时,生产成本则约为56美元/m2,凸显其商业化行使潜力。

气体扩散层规模化生产的成本优势

(资料泉源:美国能源部)

◆气体扩散层领域已形成寡头垄断现状

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气体扩散层焦点工艺主要是碳纸选材及手艺,1980年,日本东丽将碳纤维通过石墨化的碳层毗邻起来,并保证较高的孔隙率和导电性,然后用聚四氟乙烯(PTFE)疏水处置,之后一侧用碳粉处置做成有利于催化剂附着的微孔层,以此形成气体扩散层,开启了碳纸作为气体扩散层基底层的商业化历程。

从碳纸质料角度来看,全球局限内气体扩散层焦点质料碳纸市场已形成寡头垄断现状,现在全球的碳纸、碳布质料主要由日本东丽、加拿大巴拉德动力系统及德国SGL三家企业供应,日本东丽和德国SGL的气体扩散层产物价值链始于自己生产的碳纤维碳纸,一直到外面涂层微孔层MPL涂布,两家企业均具备深挚的基础碳质料开发和规模化生产能力。现在,日本东丽占有较多的市场份额,德国SGL的原质料由日本三菱供应,但供应量在逐年削减,而加拿大巴拉德动力系统仅面向汽车行业供应。我国在气体扩散层领域尚未形成产业化。

此外,气体扩散层的石墨化工序需要经由2000℃以上的高温才气制备,在高温石墨化妆备方面,现在主要由外洋企业垄断。全球气体扩散层量产手艺生长整体还不够成熟,生产的一致性和成本问题另有待解决。

◆全球气体扩散层领域的专利申请主要漫衍在日本、美国、欧洲、中国、韩国等国家;我国气体扩散层手艺的相关研发自2009年最先进入手艺成耐久,呈快速增进趋势

住手2021年2月中旬,气体扩散层手艺领域的全球专利公然量共有约2.5万件,中国专利公然量共有约3859件。从公然趋势看,我国气体扩散层手艺的相关研发自2009年最先进入手艺成耐久,专利公然量出现出逐年快速增进的趋势。

从申请人地域漫衍来看,全球气体扩散层手艺的专利申请主要漫衍在日本、美国、欧洲、中国、韩国等国家。其中,日本居首,专利公然11849件,占全球专利公然量的46.6%,代表企业有丰田、松下电器、本田、日产、东芝、住友电气、日立等。美国次之,专利公然4116件,占全球专利公然量的16.2%,代表企业有西屋电气、3M、团结手艺公司等;欧洲再次之,专利公然4090件,占全球专利公然量的16.1%,代表企业有西门子、瓦尔塔(VARTA)、博世、奥迪等;中国专利公然量位居全球第四,专利公然2797件,占全球专利公然量的11%,代表企业有新柯力化工科技、新源动力、一汽解放、比亚迪等。

从海内31省市和外洋来华专利结构对比情形看,海内专利公然数目高于外洋来华专利公然数目,自2014年最先拉大差距,我国气体扩散层手艺的研发力度不停加大。

从手艺领域看,我国气体扩散层产业专利手艺主要涉及膜电极组件(H01M)、催化剂(B01J)及基底质料(C01B)等手艺和方式,占总公然量的93.3%,其中,膜电极组件(H01M)占90.6%。

◆气体扩散层手艺创新偏向主要集中在提高碳纸的机械强度、增强气体传输性能、增强排水、控制渗透深度、平整度,降低粗拙度、增添涂层平均性以及增强导电性等方面

气体扩散层(GDL)主要用于燃料和氧化剂的传输、天生水的倾轧、支持催化剂和质子交流膜,以及电子传导和热传导等,对燃料电池的电化学性能有主要影响。主要手艺指标有孔隙率、电导率、热导率、压缩回弹性能、气体渗透性能、亲疏水特征等。完善其孔隙结构、降低传质阻力、增强排水、提高耐久性是当前研发烧点,扩散层大规模生产工艺是其重点生长偏向。

现在,国际上气体扩散层领域面临的主要挑战有:大电流密度下水气通畅传质的手艺难点;当前扩散层大规模生产工艺手艺仍不成熟,生产的一致性和成本问题另有待解决。此外,我国气体扩散层领域还存在其他风险:一是碳纸、碳布延续化生产所需的高温石墨化妆备主要由外洋企业垄断,二是碳纤维石墨化工艺庞大,我国碳纤维产业起步落伍于西欧日,熟练掌握焦点手艺并能规模化生产的企业相对较少。

未来气体扩散层的生长偏向是:在基底层,提高碳纸的机械强度阻止机械损坏,削减碳纸厚度以提高气体扩散的性能,增强气体传输性能以及增强排水削减流体侵蚀;在外面涂层微孔层,对要害参数如最优厚度、孔隙率与孔尺寸、疏水性和渗透深度加以控制,实现排水性、含水量和气体传导率的平衡,组织疏水层排水梯度、增强疏水层力学性能等。此外,海内还应起劲推进高温石墨化妆备等的周全本土制造,加速推进气体扩散层的产业化历程。

当前燃料电池汽车产业受政策与手艺助推产业化历程加速,海内燃料电池产业生长还缺乏要害质料基础,要打破外洋的耐久手艺垄断,实现要害质料的国产化突围是一定的选项,需要加大对燃料电池要害质料产业化的研发投入,动员新质料、新能源、汽车高端装备制造发展,才气促进燃料电池产业化优越生长。


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