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行業(yè)新聞

膜電極:氫電池的“心臟”,正處在爆發(fā)前夕!

發(fā)布時(shí)間:2022-12-06 09:11:19  
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膜電極,一個(gè)把握氫燃料電池性能、壽命、成本的核心部件,正開(kāi)啟行業(yè)爆發(fā)期。

燃料電池的“心臟”歷經(jīng)三代革新CCM為主流

膜電極(MEA)被稱(chēng)為氫燃料電池的“心臟”,是多項物質(zhì)傳輸和電化學(xué)反應的核心場(chǎng)所。

從結構上看,燃料電池系統主要包括電堆、氫氣供給系統、空氣供給系統、水熱管理系統、控制系統等。其中,燃料電池電堆是燃料電池系統的核心部件,由雙極板與膜電極交替疊合后以單電池串聯(lián)方式層疊組合,各單體之間嵌入密封件,經(jīng)前、后端板壓緊后用螺桿拴牢,構成的復合組件,其研發(fā)和生產(chǎn)具備較高的技術(shù)壁壘。

膜電極:氫電池的“心臟”,正處在爆發(fā)前夕!(圖1)

而膜電極,則主要由催化劑、質(zhì)子交換膜、氣體擴散層三部分組成,在相應溫度和壓力下,熱壓成為三合一組件,其承擔了燃料電池全部電化學(xué)反應,以及電子、質(zhì)子、氣體和水的傳導,決定了電堆性能、壽命和成本的上限,高性能、低鉑載量、低成本、長(cháng)壽命的膜電極對于加速氫燃料電池商業(yè)化進(jìn)程具有非常重要的意義。

膜電極:氫電池的“心臟”,正處在爆發(fā)前夕!(圖2)

據悉,膜電極技術(shù)共經(jīng)歷了三代革新,大體上可分為GDE熱壓法、CCM法和有序化膜電極三種類(lèi)型:

第一代熱壓法膜電極(GDE),指將催化劑涂布在氣體擴散層上,后用熱壓法將氣體擴散電極和質(zhì)子交換膜結合在一起,該方法總體性能不高,目前已基本淘汰;

第二代CCM膜電極,指采用卷對卷直接涂布、絲網(wǎng)印刷、噴涂等方法直接將催化劑、磺酸樹(shù)脂和適當分散劑組成的漿料涂布到質(zhì)子交換膜兩側,該方法提高了催化劑的利用率(小于0.4mg/cm2)與耐久性,目前商業(yè)化程度最高,已大批量生產(chǎn);

第三代有序化膜電極,指把Pt催化劑制備到有序化的納米結構上,使電極呈有序化結構,獲得堅固、完整的催化層,該方法進(jìn)一步提高了燃料電池性能,降低催化劑鉑載量(≈0.1mg/cm2),是目前膜電極制造研究的熱點(diǎn),但仍處于研發(fā)試驗階段,只有小部分公司實(shí)現量產(chǎn),如3M。

政策助推燃料電池車(chē)起量 膜電極迎行業(yè)爆發(fā)期

作為上游核心部件的膜電極,其發(fā)展主要得益于下游燃料電池車(chē)行業(yè)的戰略推進(jìn)。

為應對全球氣候變化,在2019年聯(lián)合國氣候峰會(huì )上,66個(gè)國家宣布了到2050年實(shí)現凈零碳排放目標,氫能逐漸成為全球能源向綠色低碳轉型的關(guān)鍵驅動(dòng)力之一。

至此,以燃料電池為主要應用的氫能產(chǎn)業(yè)鏈已初步實(shí)現商業(yè)化,美國、日本、韓國、德國等陸續發(fā)布氫能及燃料電池發(fā)展戰略及規劃,預計在未來(lái)5年氫能將迎來(lái)產(chǎn)業(yè)爆發(fā),交通+發(fā)電領(lǐng)域成為燃料電池應用的關(guān)鍵領(lǐng)域。

而在國內,氫能也已經(jīng)納入國家能源戰略。2022年以來(lái),圍繞擴大氫能在推動(dòng)能源消費方式綠色低碳變革方面的重要作用,國家相關(guān)部門(mén)密集出臺了支持燃料電池及其上下游產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展的政策及規劃,將氫能產(chǎn)業(yè)納入戰略性新興產(chǎn)業(yè)和重點(diǎn)發(fā)展方向。

其中,國家發(fā)改委在3月份發(fā)布的《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(cháng)期規劃(2021-2035)》,將氫能戰略定位為用能終端實(shí)現綠色低碳轉型的重要載體。

燃料電池技術(shù)在車(chē)用端應用較為成熟,汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的規模效應能夠有效實(shí)現燃料電池的快速降本,因此,車(chē)輛成為燃料電池產(chǎn)業(yè)開(kāi)局的重要突破口,在下游應用中走在最前端,中長(cháng)期以氫燃料重卡為重點(diǎn)和主體,逐步建立燃料電池電動(dòng)汽車(chē)與鋰電池純電動(dòng)汽車(chē)的互補發(fā)展模式。

膜電極:氫電池的“心臟”,正處在爆發(fā)前夕!(圖3)

為推動(dòng)燃料電池行業(yè)有序發(fā)展,國家還發(fā)布政策采取“以獎代補”方式,對符合條件的城市群開(kāi)展燃料電池汽車(chē)關(guān)鍵核心技術(shù)產(chǎn)業(yè)化攻關(guān)和示范應用給予獎勵。

從2021年8月份開(kāi)始,國家啟動(dòng)了京津冀、上海、廣東和河南、河北“3+2”城市群燃料電池汽車(chē)示范推廣,以及山東省“氫進(jìn)萬(wàn)家”科技示范,同年11月,四川省和重慶市啟動(dòng)成渝氫能走廊。

根據目前披露的數據,五大城市群、山東省、成渝地區將推廣燃料電池車(chē)44305輛。

截至2022年7月,我國共推廣燃料電池車(chē)10574輛;到2025年,五大城市群、山東省、成渝地區推廣數量疊加2021年底保有量,燃料電池車(chē)數量至少為53246輛。

在政策的助推下,燃料電池車(chē)快速起量,必將帶來(lái)燃料電池的需求增加和產(chǎn)量擴張,進(jìn)而對上游相關(guān)部件催生巨大的需求,作為核心部件的膜電極,正迎來(lái)行業(yè)爆發(fā)期。

2021-2025年是發(fā)展關(guān)鍵期 企業(yè)產(chǎn)線(xiàn)落成擴張加速

目前,中國燃料電池車(chē)行業(yè)發(fā)展已居全球前列。

據有關(guān)數據顯示,韓、日、中、美、德為全球燃料電池車(chē)主要推廣國家,2021年,全球主要國家共銷(xiāo)售氫燃料電池車(chē)16313臺,同比增長(cháng)68%。

截至2021年12月31日,全球主要國家氫燃料電池車(chē)保有量為49562臺,同比增長(cháng)49%。其中,中國保有量8938臺,占比18%,僅次于韓國和美國,位居全球第三,系統累計裝機量超過(guò)520MW。

膜電極:氫電池的“心臟”,正處在爆發(fā)前夕!(圖4)

根據《節能與新能源汽車(chē)技術(shù)路線(xiàn)圖2.0》規劃,2025年我國燃料電池車(chē)保有量將達到10萬(wàn)輛FCV,按照2021-2025年年均復合增速,浙商證券預計2025年燃料電池系統銷(xiāo)量約為45322輛,2021-2025CAGR約為131.21%。

“2021-2025年是產(chǎn)業(yè)規??焖侔l(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期?!闭闵套C券在研報中表示,并認為國內燃料電池車(chē)在2022年有望開(kāi)啟行業(yè)爆發(fā)期。

根據2016-2021年燃料電池平均裝機功率的提升趨勢,浙商證券預計2025年燃料電池系統平均功率將達到161kW,在單車(chē)裝機功率及燃料電池車(chē)銷(xiāo)量提升的推動(dòng)下,預計2025年燃料電池系統年銷(xiāo)售功率約7312MW,2021-2025CAGR約為162.57%;

根據保有量及單車(chē)裝機功率,2025年車(chē)用燃料電池系統累計裝機規模將達到14401MW,根據《節能與新能源汽車(chē)技術(shù)路線(xiàn)圖2.0》對保有量的規劃以及DOE對規?;剂想姵叵到y降本通道的預測,預計2025年燃料電池系統價(jià)格將降至2384元/kW,對應2025年車(chē)用燃料電池系統規模將達到343億元,2021-2025CAGR接近90%。

膜電極:氫電池的“心臟”,正處在爆發(fā)前夕!(圖5)

面對燃料電池發(fā)展規模的高速增長(cháng),國內膜電極企業(yè)已加速擴產(chǎn)。

2019年以來(lái),鴻基創(chuàng )能、擎動(dòng)科技、武漢理工氫電以及泰極動(dòng)力等多家企業(yè)的國產(chǎn)生產(chǎn)線(xiàn)先后落成,我國的膜電極領(lǐng)域逐步開(kāi)啟批量化生產(chǎn)步伐。

到2021年,國內膜電極企業(yè)擴張步伐明顯加速,尤其頭部企業(yè)鴻基創(chuàng )能完成了百萬(wàn)片下線(xiàn)里程碑。

當前,我國企業(yè)膜電極主要參數已經(jīng)與國際先進(jìn)水平接近,部分參數可以超過(guò)國外先進(jìn)水平。國內領(lǐng)先膜電極企業(yè)鴻基創(chuàng )能、武漢理工新能源、擎動(dòng)科技膜電極產(chǎn)品功率密度均超過(guò)1W/cm2。

發(fā)展重點(diǎn):降本,實(shí)現核心材料國產(chǎn)替代化

加速擴產(chǎn)的同時(shí),降本,成為膜電極行業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)。

自2019年以來(lái),燃料電池系統的國產(chǎn)化進(jìn)程步入快車(chē)道,現階段,我國在膜電極制備、雙極板、電堆組裝、輔助系統等領(lǐng)域已實(shí)現100%自主化,是近兩年燃料電池系統降本的關(guān)鍵推動(dòng)力。

不過(guò),我國主要的膜電極供應商頭部企業(yè)雖然已經(jīng)實(shí)現膜電極自主制備,但催化劑、PEM和氣體擴散層等核心材料主要依賴(lài)進(jìn)口,僅國電投氫能公司實(shí)現了膜電極核心材料級別的完全自主化。

根據DOE的測算,在大規模生產(chǎn)(50萬(wàn)臺/年)的情況下,膜電極占燃料電池電堆成本的60%左右,而電堆成本在燃料電池系統中的占比超過(guò)60%,燃料電池系統在氫能車(chē)購置成本中占比同樣超過(guò)60%。

也就是說(shuō),膜電極的降本是未來(lái)電堆及系統降本的核心,而膜電極的降本則取決于核心材料的國產(chǎn)化。

據業(yè)內人士表示,預計2022年-2023年開(kāi)始我國將逐步啟動(dòng)從催化劑、PEM到氣體擴散層的國產(chǎn)化滲透,打破膜電極核心材料高度進(jìn)口依賴(lài)導致的電堆高成本現狀。

具體而言,膜電極核心材料國產(chǎn)化突破及降本,主要體現在催化劑、質(zhì)子交換膜、氣體擴散層三部分:催化劑方面,優(yōu)化鉑基催化劑結構,降低鉑載量減少貴金屬使用成本,并尋找新型非鉑催化劑;質(zhì)子交換膜方面,加強磺酸樹(shù)脂材料的自主研發(fā),開(kāi)發(fā)低成本成膜量產(chǎn)制備工藝;氣體擴散層方面,打通從高性能碳纖維到碳紙的制備工藝,開(kāi)發(fā)標準化低成本的擴散層工藝平臺。

企業(yè)“畫(huà)像”

目前,主流膜電極的廠(chǎng)商分為兩類(lèi),一類(lèi)是具備膜電極批量產(chǎn)業(yè)化能力,能自給自足的車(chē)企或燃料電池廠(chǎng)商,以豐田、現代、巴拉德為代表;另外一類(lèi)是專(zhuān)業(yè)的膜電極供應商,包括戈爾、杜邦和國內的鴻基創(chuàng )能、武漢理工氫電、新源動(dòng)力、上海唐鋒能源、蘇州擎動(dòng)科技等企業(yè)。

鴻基創(chuàng )能致力于質(zhì)子交換膜氫燃料電池用高性能膜電極的大規模產(chǎn)業(yè)化,其開(kāi)發(fā)了CCM陰陽(yáng)極雙面直接涂布技術(shù)、膜電極一體化成型技術(shù)、膜電極自動(dòng)化快速封裝技術(shù),為膜電極大規模產(chǎn)業(yè)化奠定堅實(shí)基礎。

目前,鴻基創(chuàng )能的膜電極產(chǎn)品功率密度達到1.4W/cm2,測試使用壽命超過(guò)1~2萬(wàn)小時(shí),已基本滿(mǎn)足產(chǎn)業(yè)化應用需求。

武漢理工氫電由深圳市雄韜股份與武漢理工大學(xué)共同發(fā)起成立,接力一脈相承的武漢理工新能源公司,專(zhuān)注于膜電極的產(chǎn)業(yè)化與研發(fā),目前已完成6000平米潔凈廠(chǎng)房裝修,并建成了自動(dòng)化程度更高的膜電極生產(chǎn)線(xiàn),膜電極產(chǎn)能達到2萬(wàn)平米/年,最終設計產(chǎn)能將達到10萬(wàn)平米/年。

新源動(dòng)力擁有自主知識產(chǎn)權的質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù),部分關(guān)鍵技術(shù)達到國際一流水平。其研發(fā)的HYMEA膜電極產(chǎn)品,活性面積25-400cm2,功率密度≥1.0W/cm2,耐久性5000-10000h。

針對商用車(chē)及乘用車(chē)使用場(chǎng)景,新源動(dòng)力研發(fā)的第二代和第三代車(chē)用質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極,已投入市場(chǎng)使用。目前,第四代低鉑高性能高耐久性膜電極正在進(jìn)行開(kāi)發(fā)和驗證。

低鉑膜電極供應商上海唐鋒能源擁有燃料電池膜電極設計、材料、工藝、設備、測試評估等全套核心技術(shù),開(kāi)發(fā)并建成了國內用于量產(chǎn)燃料電池汽車(chē)電堆的首條低鉑合金膜電極生產(chǎn)線(xiàn)。

蘇州擎動(dòng)科技已通過(guò)國內外多家知名燃料電池廠(chǎng)家及研究院的測試,且和國內外多家燃料電池電堆廠(chǎng)家簽署合作協(xié)議,長(cháng)期為其提供膜電極產(chǎn)品。

2019年2月,擎動(dòng)科技自主研發(fā)的國內首套“卷對卷直接涂布法”膜電極生產(chǎn)線(xiàn)正式投產(chǎn),可實(shí)現年產(chǎn)膜電極100萬(wàn)片。

阜陽(yáng)攀業(yè)正在建設全國首臺涂布幅寬570mm膜電極陽(yáng)極涂布生產(chǎn)線(xiàn),建成后年產(chǎn)能達6萬(wàn)平米,二期擴產(chǎn)后產(chǎn)能也將達到36萬(wàn)平米/年;正在建設中的國內首臺高精度自動(dòng)雙點(diǎn)膠五合一生產(chǎn)線(xiàn),設計產(chǎn)能達13萬(wàn)片/年。

今年10月,長(cháng)城旗下未勢能源實(shí)現了完全自研全新高性能膜電極規?;慨a(chǎn)。據悉,長(cháng)城創(chuàng )新“梯度技術(shù)”,形成了特有的商業(yè)化膜電極技術(shù)序列。依托此項創(chuàng )新性技術(shù),長(cháng)城陸續攻克了高功率密度、可靠封裝和循環(huán)壽命等關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。

未勢能源自主設計全自動(dòng)“卷對卷”膜電極生產(chǎn)線(xiàn),產(chǎn)線(xiàn)全面達產(chǎn)后,可年產(chǎn)膜電極百萬(wàn)片以上,預計年產(chǎn)值超3億元以上。


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