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国内燃料电池发展现状-膜电极篇

2021-03-31 16:27:58 675

作为燃料电池电堆的“心脏”,膜电极很大程度上决定着电堆的性能水平。其结构上由质子交换膜、催化剂和气体扩散层三大基础部件构成。作为燃料电池中技术门槛最高的一环,膜电极的结构设计和制备工艺都较为复杂。因此能否实现膜电极的自产成为了众多投资者选择电堆制造企业的重要衡量标准,也从某种意义上说明了膜电极的重要性。


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结构及原理示意图


技术现状


由于较高的技术壁垒,国内商业化膜电极来源主要依靠进口,据统计资料表明,截至2021年2月,累计装车使用的电堆中超过70%的膜电极来自进口。其原因主要是产业初期,产业链的攻关重点集中在系统和电堆上,对膜电极的关注度不够,产业链上存在缺失,自产膜电极相比技术成熟的进口膜电极性能相差较大。

 

膜电极是燃料电池多重反应的一个交汇点,包括燃料电池的传质传热,需要把整个反应过程控制好,对燃料电池性能和寿命起到至关重要的作用。所以,膜电极不管是在燃料电池电堆中的作用性以及成本来讲都非常重要。早期的发展中,主要是引进和消化巴拉德的技术,膜电极都是以进口采购为主。

 

不过现在国内有一批膜电极制造企业站了出来,从小规模应用到规模化出货,功率密度达到1.2W/cm2甚至少数企业能达到1.4 W/cm2以上,测试使用寿命达到了1-2万小时,产品良品率也大幅提高。


质子交换膜


质子交换膜是质子交换膜燃料电池(PEMFC)的核心元件,以全氟磺酸膜为主,目前国产化进程在提速中,主流趋势是全氟磺酸增强型复合膜,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,以达到更高的性能。

 

一直以来,质子交换膜作为燃料电池的关键核心材料,在技术上落后于美国、德国和日本,最优质的质子交换膜被美国杜邦、苏维等国外公司长期垄断。


2020年东岳未来氢能完成了高达3亿元的融资,同时150万m2质子交换膜生产线一期工程也正式投产;2021年2月,科润年产100万m2质子交换膜项目奠基仪式举行。根据企业给出的产品数据来看,在制造质子交换膜技术上的产品性能与国外差距较小,但产品大规模生产的一致性和可靠性有待验证。不论如何,这些都表明,国内企业正在加快推进膜产品的应用进程,东岳的膜已经进入了奔驰的供应链体系也能很好的佐证这一点。有膜电极厂商反映,已经有下游企业主动询问国产膜应用。因此,2021年国产质子交换膜将实现一定批量的商业化上车运行将极大概率成为现实。

 

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国内外质子交换膜主要性能参数比较

 

一家电堆企业高层说:“单纯从市场角度来看,就今年来说,我们还没有采用国产膜的迫切性,我们更愿意用保险的膜,没有意愿担这个风险。如果到了新政给予窗口期的最后一年,采用国产膜也是有可能的。”不过,从整个行业来看,为了推动国产膜的应用,打开一道口子,应该会有些特殊示范项目率先采用国产膜。


需注意的是,国产膜从长远来看是有广阔前景的,但短期内实现大批量进口替代有难度。即使政策倾向补贴国产膜,膜补贴占整个补贴的比例也没有很高,从下游企业立场来看,必须先做好燃料电池,让车辆很好地跑起来,先稳当地拿到这部分补贴是首要的。在国产膜验证不充足的情况下,企业一般不会单纯为了拿膜补贴而刻意采用国产膜,如果导致应用出问题就得不偿失,所以他们短期内仍会倾向采用成熟的经过验证的产品。对于国内膜企业而言,冲破第一道批量装车验证关口是最难的,也是最耗费时间的,而一旦突破了这道关口,预计后续上量速度会快很多。



催化剂


催化剂是燃料电池的关键材料之一,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载体上的担载型催化剂。


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Pt/C催化剂


在燃料电池催化剂领域,海外企业较为领先,国内尚处于实验室阶段,逐步具备一定国产化能力。海外部分企业已经能够实现批量化生产,而且性能稳定,其中英国的JohnsonMatthey(庄信万丰)和日本的Tanaka(田中)是全球铂催化剂巨头。

 

虽然现阶段国内主要采用田中贵金属、庄信万丰的催化剂,但据公开资料表示,今年3月12日,搭载济平国产燃料电池催化剂的车辆实现了长三角和珠三角的多地运行。

 

不过受限于多方面的因素,国内催化剂采用铂的含量普遍偏高。丰田Mirai燃料电池催化剂Pt含量为0.175g/kW,国内较高水平产品能达到0.3g/kW,稍差些的在0.4-0.5g/kW。美国DOE设定的2020年催化剂技术指标是铂族金属总量(两极总和)是0.125g/kW,按照国内现有的技术水平,2021年还是难以抹平国内铂炭催化剂活性与国际先进水平存在差距。


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我国催化剂Pt载量与国外对比


气体扩散层


气体扩散层(GDL)位于流场和膜电极之间,主要作用是为参与反应的气体和产生的水提供传输通道,并支撑膜电极。因此,GDL必须具备良好的机械强度、合适的孔结构、良好的导电性、高稳定性。


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气体扩散层碳纸

 

气体扩散层的材料主要有碳纤维纸、碳纤维编织布、无纺布和碳黑纸等,也有利用泡沫金属、金属网等来制备。其中,碳纤维纸由于制造工艺成熟、性能稳定、成本相对较低和适于再加工等优点,成为扩散层的首选。

 

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,且拥有的炭纸相关的专利较多,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。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,还有台湾碳能科技。碳能科技的碳纸不像前面几家(主要供应航天、汽车等领域),生产燃料电池膜电极专用碳纸,价格较低但是性能也相对较差。国内江苏天鸟具备优秀的碳纤维织物的生产能力,但可惜的是但由于燃料电池市场太小,尚无量产计划。


燃料电池系统中电堆成本占比超过50%。而在电堆中,膜电极成本超过双极板并超过50%,因此膜电极的成本下降对电堆系统的成本下降起到决定性的因素。实现膜电极及其原材料的国产化就是最首要的降本方式。膜电极的国产化企业现在已经有部分崭露头角、小有成就,但是其关键零部件的原材料大部分依然是国外进口,而要从根本上大幅降低MEA生产成本,仅靠一家或少数几家企业并不容易,需要上游原材料国产化,但是上游原材料技术瓶颈与难度也相对较高,技术的进步需要时间的沉淀以及后期试验跟踪改进产品。

 

国产化之后才是依靠规模效应带来的成本大幅下探。燃料电池及其核心技术发展较慢,根本原因还是市场太小。2018年、2019年膜电极出货量仅为0.76万m2、2.27万m2。《2021年中国氢电产业发展蓝皮书》显示,2020年国内市场膜电极出货量为3.68万m2,同比增长62.11%,主要增长动力来自下游电堆生产量增长。结合来看,得益于下游市场需求的提高,近三年国内市场膜电极出货量一直处于稳步增长态势。2020年,受疫情和政策调整影响,部分订单将延至2021年释放,再加上示范城市群政策落地,加之国内经济平稳、地方财政刺激,预计2021年氢燃料电池汽车产销量将呈现爆发式增长。全年产销突破6000辆成为大概率事件,破万也有可能发生。燃料电池汽车市场规模的扩张,必然带动燃料电池核心材料膜电极市场需求的提高,资本关注度提高,相关企业技术研发进程加快。广阔的前景和市场空间,大批量的出货也给相关制造企业以规模摊平成本的机会。


*文中部分数据来自相关资料

PGO氢能与燃料电池产业研究院

2021年3月31日



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