皇冠官网:燃料电池制造成本大幅降低,我国氢燃料电池产业规模化进程加快

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我国燃料电池,技术、核心材料、供应链管理水平持续提升,成本进一步下降。


近日,氢蓝时代自主研发的燃料电池系统通过国家强检认证,额定功率达到260千瓦。近年来,在政策推动下,加氢站布局持续加速为燃料电池行业的稳步发展提供了重要支撑,国内燃料电池电堆及系统正向大功率快速迭代升级,技术水平快速提高。与此同时,燃料电池产品的制造成本大幅降低。燃料电池产业“一升一降”发展特征愈发突出。基于此,我国氢燃料电池产业即将进入产业化发展阶段。

产业链上游:材料


氢燃料


制氢的过程可以分为三种。目前,我国氢气主要来自灰氢,但事实上只有绿氢才是真正零排放制氢方式。


根据相关数据,2021年,我国氢气年产能约4000万吨,产量为3300万吨。


膜电极


膜电极是氢燃料电池系统的核心组件,是质子交换膜燃料电池发生电化学反应的场所,是传递电子和质子的介质,通常由催化层、气体扩散层和质子交换膜构成。


质子交换膜


质子交换膜类型主要包括全氟磺酸质子交换膜、非全氟化质子交换膜、无氟化质子交换膜复合膜以及高温膜。代表性产品有:


美国GORE公司的GORE-select复合膜


美国科慕化学有限公司的Nafifion系列膜


武汉理工新能源有限公司的复合质子交换膜


东岳集团公司的DF988、DF2801的短链全氟硫磺酸膜。


电催化剂


常见的氢燃料催化剂分为3种:铂催化剂、低铂催化剂、非铂催化剂。


目前,燃料电池中常用的商用催化剂是Pt/C,除此之外,可以其他二元合金来做催化,如Pt-Co/C、Pt-Pb/C、Pt-Ni/C。Pt昂贵的价格导致低铂催化剂和非铂催化剂是目前的研究重点。


气体扩散层


气体扩散层的主要作用是支撑催化剂,同时为电极反应提供气体、质子、电子和水等多个通道。气体扩散层生产的一关键元素是碳纸选材,在全球范围内气体扩散层所需碳纸、碳布的供需呈现寡头格局,主要生产企业有加拿大Ballard、日本东丽、德国SGL、德国Freudenberg、加拿大Zenyatta等。


双极板


双极板起到均匀分配气体、排水、导热、导电的作用,占整个燃料电池60%的重量和20%的成本。燃料电池常采用的双极板材料包括石墨双极板、复合双极板、金属双极板3大类。


产业链中游:集成


氢燃料电池系统按结构来拆分主要包括燃料电池电堆及辅助系统。电堆是氢燃料电池的主体部分,成本方面在系统中占比超过60%。


燃料电池电堆


电堆是氢燃料电池的主体部分,所占成本最多它主要由质子交换膜、电催化剂、气体扩散层、双极板、集流板、密封圈等零件组成,是决定氢燃料电池技术发展的主要方面。


据相关数据,2021年我国燃料电池电堆年新增市场规模约为6.2亿元。预计2021-2025年燃料电池电堆新增市场需求的CAGR为87%。2025/2030年,燃料电池电堆新增市场分别为75/238亿元。

辅助系统


为了维持电堆的正常工作,氢燃料电池系统还需要供氢系统、供气系统、水管理系统、热管理系统等外部辅助子系统的协同配合,对应的系统部件有氢循环泵、氢瓶、增湿器、空气压缩机等。


氢循环泵


氢循环泵是燃料电池供氢系统的核心零部件可以实现将电堆的尾排端氢气重新加压至电堆入端口,实现氢气的循环利用。同时,可以将化学反应生成水供应到电堆,改善电堆湿润水平,提高水管理能力。


氢气循环泵类型及涉足企业


氢瓶


高压气态储氢是目前发展最成熟、各厂商采用最多的储氢技术,其关键是储氢瓶。对于储气瓶,全球呈现出从I型储氢瓶到IV型储氢瓶的技术发展趋势。储氢瓶类型及性能。


空气压缩机


空气压缩机是燃料电池进气系统的重要组成部分,通过对进堆的空气进行增压,可提高电堆的输出功率和效率。目前燃料电池系统使用的空压机主要包括:


其中离心式空压机是主要的发展方向。


产业链下游:应用


交通运输


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交通动力应用是目前氢燃料电池应用领域中关注度最高的。2021年我国氢燃料电池汽车销量为1881辆,同比增长25.7%。从车型结构来看,2021年:


氢燃料电池客车


销量达到1032辆,尽管同比下降23.6%,但氢燃料电池客车依然是燃料电池汽车最主要的车型。


2017-2021年燃料电池汽车车型结构分析


同时,受政策导向作用影响,2021年氢燃料电池汽车车型结构进一步丰富,半挂牵引车、自卸车等中重型氢燃料电池汽车销量增幅明显:


半挂牵引车


由2020年的17辆增长到2021年的375辆


自卸车


从0辆增长到340辆


2021年氢燃料电池专用车销量为115辆,同比小幅下滑,但氢燃料电池专用车车型结构基本保持一致,仍以保温,冷藏及厢式运输车等城市物流场景用车为主。除了氢燃料电池汽车,船舶、电动自行车、电动摩托车等也是氢燃料电池在交通运输方面需要考量的环节,尤其船舶领域。英国造船和航运市场分析机构Clarkson Research预测,2030年LNG将位居船舶替代能源的首位,而到2050年,氢燃料船舶将成为占比最大的替代能源船舶,占比达到40%。


替代燃料船舶占比预测


分布式发电


氢燃料电池分布式能源发电站适用于储能容量大、供电时间长的新能源储能、电网侧调峰等领域,且适用于热电联供的场合。当前国际上大型固定式氢燃料电池发电站主要分布在北美、韩国和日本。在这里就不得不提一下以“氢能社会”为国家愿景的日本了。家用燃料电池热电联供系统(ENE-FARM)是日本氢能利用的重要领域之一,


截至到2021年年中,日本的ENE-FARM系统累计销售超过40万套,仅松下一家就超过了20万套。


移动式电源


目前小于5kW功率等级的氢燃料电池主要作为笔记本电脑、手机、收音机及其他需要电源的移动设备的移动备用电源,应急供电及便携式电源等,以碱性氢燃料电池、质子交换膜氢燃料电池为主。


航空航天


氢燃料电池最早是应用在航空航天领域,20世纪60年代初期,燃料电池首次应用于宇宙飞船的空间电源。氢燃料电池的转化效率高达55%,比氢燃料发动机高出20%。目前,国际航空巨头波音、空客都在积极研发未来氢动力客机。


而随着氢燃料电池技术的不断发展,我们也同步迎来了工业无人机2.0时代,也就是理电无人机向氢能无人机转变的时代。目前,工业无人机市场正在快速增长,据据全球知名的咨询公司弗若斯特沙利文的相关数据显示,预计2024年,我国工业级无人机的市场规模可以1500亿元,复合增长率近100%。


产业规模化进程加快


根据中汽协发布的数据,今年10月,燃料电池汽车产销分别完成277辆和301辆,同比分别增长370%和540%。今年前10个月,燃料电池汽车产销分别完成2700辆和2400辆,同比分别增长180%和150%。


作为燃料电池最重要的应用领域之一,氢燃料电池汽车产销量的大幅上涨意味着燃料电池应用规模的进一步提升。统计数据显示,截至2021年底,我国建成加氢站255座,共计超过8000辆燃料电池汽车在示范运行。


武汉雄韬氢雄燃料电池科技有限公司研发经理江坤表示,从2018年到现在,燃料电池电堆和系统成本已大幅降低,随着我国加氢站的布局持续加速,预计到2025年,我国加氢站数量将呈指数级增长,为燃料电池行业的稳步发展提供重要保障。因此,目前来看,我国燃料电池产业发展正处于蓄势待发的状态。


佛吉亚零排放事业部工程部经理顾鹏洲认为,当前,我国燃料电池产业更多是由政策主导,以补贴为主,与国外直接以“车规级”进行燃料电池系统研发不同,国内更多寻求尽快交付。从长远角度来讲,我国整个燃料电池市场将逐步与国际接轨,最终走向“车规级”。


“除交通应用外,燃料电池还可在固定发电、备用电源等多个领域得到应用,其中固定发电又包括大型分布式发电,小型家用热电联产和备用电源。”中国工程院院士彭苏萍公开指出,预计未来10到20年,我国燃料电池产业将迎来发展的重要机遇期。


技术、管理水平持续迭代


佛山市清极能源科技有限公司电堆开发部总监刘锋表示,现阶段在国家政策及整个市场的引导下,燃料电池主要面向氢能重卡,燃料电池电堆及系统正向大功率快速迭代升级。


“更大功率的电堆意味着单节电池片数量增长,对企业的产品质量、精度、一致性等工艺提出了更高要求。”刘锋表示,催化剂、膜等关键零部件和原材料的技术进步,关乎电堆性能的提升,未来,燃料电池企业在散热、膜材料等技术方面还需要更多研发。


值得注意的是,产业规模化进程提速过程中,我国燃料电池技术、核心材料、供应链管理等方面也在持续升级。


以国氢科技为例,据其关键材料事业部工程师蒙启骏介绍,国氢科技目前已具备燃料电池核心材料部件系统千台以上的规模产能,并已开展万套催化剂、双极板电堆的组装产线建设,同时还在推进碳纸、膜材料、空冷堆与发电堆的中试产线建设。“目前,国氢科技已掌握催化剂、气体扩散层、双极板等关键技术的量产工艺,自主研发的催化剂经行业专家鉴定已达到国际先进水平,其性能特点是高活性、高耐久以及杂质含量非常低,可满足不同场景的应用需求。”


刘锋表示,为尽快实现燃料电池电堆关键零部件国产化、供应链完善升级,清极能源加强了供应商质量审核与管理,实现从产品开发质量、工艺保障到优异运营的全过程质量提升。在项目管理方面,根据产品规划和开发计划的时间安排,将所有的先进技术陆续应用到燃料电池产品,加快产品迭代,不断提高产品的技术含量和附加值。

成本将更具竞争优势


企业对燃料电池在技术等方面的提升,将进一步带动燃料电池产业降本。


研究数据显示,氢燃料电池系统的国产化程度已从2017年的30%,提高到了2020年的60%。2021年,产业实现了更多技术突破:鸿基创能100万片膜电极正式下线,东岳未来氢能年产50万平米质子膜自动化产线已投产,济平新能源催化剂年产量达到1500千克。


基于此,燃料电池企业通过技术降本成效显著。江坤表示,雄韬氢雄通过产品的结构优化、材料优化和工艺优化,同时采取核心零部件降本、设计优化降本、规模化制造降本,以及梯次利用降本等一系列降本策略,目前公司的燃料电池产品已同时具备大功率、高效率、低氢耗等优势。


浙商证券分析认为,受益于燃料电池规模化发展,2021-2025年,我国燃料电池系统及电堆将进入快速降本区间。预计在2021-2025年、2025-2035年系统成本复合年均降幅分别为16.9%、5.3%。预计2025年,国产电堆及系统成本将分别降至1227.9元/千瓦、2384.3元/千瓦;到2035年,国产电堆及系统成本将分别降至603.9元/千瓦、1388.9元/千瓦。同时,电堆在系统总成本中的占比将逐渐降低。


业内专家一致认为,未来随着政策加码和大规模商业化应用不断落地,国内氢能产业链发展将进一步规范化、系统化,未来5-10年内,氢能产业将会在关键材料、核心零部件、电堆系统、产线装备、基础设施等领域出现一批龙头企业,氢燃料电池将进一步降本增效,迎来快速发展。



来源:第一氢能与燃料电池、中国能源报

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