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燃料电池核心材料局面打开 国产材料商业化进程加快

   2023-08-30 氢能观察李航34490
核心提示:燃料电池是一种直接将燃料的化学能转化为电能的装置。从理论上来讲,只要连续供给燃料,燃料电池便能连续发电,已被誉为是继水力、火力、核电之后的第四代发电技术。氢燃料电池与常见的锂电池不同,系统更为复杂,主要由电堆和系统部件(空压机、增湿器、氢循

燃料电池是一种直接将燃料的化学能转化为电能的装置。从理论上来讲,只要连续供给燃料,燃料电池便能连续发电,已被誉为是继水力、火力、核电之后的第四代发电技术。
氢燃料电池与常见的锂电池不同,系统更为复杂,主要由电堆和系统部件(空压机、增湿器、氢循环泵、氢瓶)组成。电堆是整个电池系统的核心,包括由膜电极、双极板构成的各电池单元以及集流板、端板、密封圈等。膜电极的关键材料是质子交换膜、催化剂、气体扩散层,这些部件及材料的耐久性(与其他性能)决定了电堆的使用寿命和工况适应性。
氢燃料电池核心材料的技术研发和精益制造是产业发展的基石。目前,国内燃料电池材料产业布局持续加码,市场局面进一步打开。
双极板
燃料电池常用的双极板包括金属双极板、无孔石墨双极板以及复合材料双极板3大类。
目前国内石墨双极板应用较为广泛,多用于商用车领域。金属双极板则多用于乘用车领域,丰田 Mirai、 现代 NEXO 等均采用的是金属双极板。复合材料双极板多数处于研究阶段,目前市场上 复合石墨板电堆较少,主要由于其成本高,工艺复杂, 难以批量生产。
今年1月,广东环华氢能科技有限公司100万片柔性石墨双极板量产基地正式投产。3月初,氢璞创能正式对外发布第六代碳复合板电堆以及高功率密度200kW金属板电堆。整体来看,国内双极板市场正不断扩张,技术水平也不断提升。
质子交换膜
质子交换膜按照含氟量分为全氟磺酸膜、部分氟化聚合物膜、新型非氟聚合物膜、复合膜等。
目前全氟质子交换膜是主流的技术,产业化程度较高,主要应用在下游燃料电池、上游电解水制氢、储能电池等领域。
近年来,国内质子交换膜市场发展迅速,国产化进程不断推进。东岳未来氢能150万m²质子交换膜生产线一期工程、武汉绿动华中氢能产业基地30万m²的质子交换膜生产线已正式投产,浙江汉丞已建成了年产30万m²的质子交换膜生产线,未来还将扩建至100万m²。北京冬奥会中投运的氢能大巴、淄博首批氢燃料电池冷藏车就应用了武汉绿动、东岳未来氢能的质子交换膜产品。
催化剂
燃料电池的关键材料之一,其作用是降低反应的活化能,促进氢、氧在电极上的氧化还原过程、提高反应速率。催化剂分为铂基催化剂和非铂基催化剂,Pt/C是目前质子交换膜燃料电池中所用的商业化催化剂。
国内催化剂目前已进口为主,2022年7月,优美科于宣布在中国本土投资建厂,国产催化剂企业也在加快推进商用进程。目前以氢电中科、深航院、南京东焱、中科科创、中自科技等为代表的催化剂企业走进客户验证,向批量化生产的方向探索。
气体扩散层
气体扩散层的成本通常占燃料电池的20%-25%,由于涉及多个领域,技术要求较高,限制了很多企业入局,所以相比其他材料发展较慢。国外机构对于碳纤维纸的研究起步较早,工艺较成熟,性能较好。气体扩散层难点在于碳纸,我国“八五”期间,专门研究过碳纤维造纸技术,但燃料电池用气体扩散层的碳纤维纸处于起步阶段。
膜电极
是集膜、催化层、扩散层于一体的组合件,也是燃料电池的核心部件之一。目前,国际上已经发展了3代MEA技术路线。其中第一代、第二代技术已基本成熟,有序化膜电极是未来的发展方向。国产膜电极已经占据主流,以鸿基创能、唐锋能源、武汉理工氢电、擎动科技、亿氢科技为代表的企业已经助推国产膜电极进入快速发展阶段。2022年,鸿基创能在2022年6月达成了佛山基地的投产,其广州基地加佛山基地总产能达1000万片。
燃料电池发展
我国燃料电池材料自2022年以来进步明显,有质子交换膜稳定性和可靠性在提升,气体扩散层生产工艺优化,催化剂耐久性提升等。燃料电池材料国产化进程也十分迅速,膜电极企业代表有鸿基创能、唐锋能源、武汉理工氢电、擎动科技、亿氢科技等;质子交换膜企业代表有东岳未来氢能、武汉绿动、科润新材料等;氢电中科、中科科创等企业在催化剂领域开发成果显著。
根据平安证券预测,2030年氢燃料电池产业的应用将是万亿级的市场,以膜电极、双极板为代表的电堆市场约600亿,空压机、循环泵等产值也是百亿级。预计到2050年,氢能产业链的产值将达到十万亿级。

 
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