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燃料电池降本之路 从电堆核心组件国产化开始

   日期:2019-02-14     来源:高工锂电网    浏览:226    评论:0    
 电堆作为电化学反应的场所,也是燃料电池系统最为核心的部分。而随着氢燃料电池浪潮的推动,近几年国内亦不断涌现出一批优秀的国产电堆企业。从国内产业链布局来看,目前部分领先企业基本具备了氢燃料电池核心部件的国产化能力,但产品性能还尚需完善,与国际领先技术仍旧存在较大差距。

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。

电堆国产化程度低导致成本过高


如今,电池高成本是燃料电池汽车大规模推广的最大瓶颈。电堆关键材料成本高、电堆设计技术门槛高、规模化程度低是造成燃料电池成本居高的主要原因。

从2018年高工产研氢电研究所(GGII)对全国主要氢燃料电池电堆及系统企业调研结果来看,中国氢燃料电堆目前成本在8000-10000元/kW,是国外的2倍以上。燃料电池电堆寿命大多数在实验室台架实测3000-5000h,实测后电堆性能衰减6%-10%不等。

具体到各个环节来看,气体扩散层、空压机、储氢瓶、电机电控系统和其他常用零部件(管路、连接部件等)降本主要由规模化效应驱动;而质子交换膜、催化剂、双极板和其他较为关键的零部件(氢气电池阀等)降本则需技术和材料工艺的进步加以推进。

催化剂:低铂用量是主要发展趋势

催化剂是燃料电池的关键材料之一,其作用促进氢、氧在电极上的氧化还原过程。目前最好的催化剂仍是Pt和Pt基催化剂。

然而当下与催化剂并存的另一个关键词非“成本高”莫属,对此,魔方新能源蒋中林博士曾表示:“燃料电池中比较昂贵的材料当属铂类催化剂与质子交换树脂,其他材料均为普通工业材料,价格会随工业化规模进程急速下降。铂类催化剂目前单位面积用量已大大降低,在发动机总成本中占比约1-3%。”

此外也有业内人士声称,未来技术将着重于进一步降低Pt用量、增强耐久性以及开发非Pt催化剂,通过降低对贵金属的依赖,大幅度降低成本。

质子交换膜:电堆最为核心的组件

作为电堆中的另一关键性材料,质子交换膜的好坏直接决定着燃料电池的性能和使用寿命。当下商业应用主要以全氟磺酸膜为主,但大多数种类膜在燃料电池高温工况下化学性能不稳定,成本较高。采用多种材质掺杂的复合膜可以大大改善机械性能,降低内阻从而提升输出功率,目前国内外商业化均转向复合膜领域。

而国内市场上采用的全氟磺酸质子交换膜大多采用国际知名企业杜邦、戈尔等,国内相关技术目前主要掌握在东岳集团、新源动力及武汉理工,其中东岳集团占据市场份额较大,并已实现量产。

气体扩散层:核心技术仍发展需提速

气体扩散层主要由导电的多孔材料组成,可以支撑催化层、收集电流,同时实现气体和水在流场区域和催化剂之间的再分配。现阶段该产品市场份额主要垄断在德国SGL、日本东丽、加拿大巴拉德等几家国际产商手中,国内技术较为落后,目前仅有小批量的生产。

双极板:石墨双极板已实现国产化

值得一提的是,当下国内双极板技术相对较为成熟,尤其是石墨双极板已实现大规模应用。得益于我国氢燃料电池的特殊发展路线,石墨双极板在国内相较于金属双极板占据较多的市场份额。在金属双极板方面国内亦有不少企业拥有成熟的技术,并已实现大规模生产。

而作为后起之秀的金属双极板现正逐渐被国内市场导入,但受制于燃料电池乘用车市场发展缓慢,目前金属双极板市场化程度仍旧不高。有不少业内人士声称,金属双极板将开始在部分领域替代石墨双极板。
 

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