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燃料电池电堆产业链分析,及成本下降的路径选择

原标题:燃料电池电堆产业链分析,及成本下降的路径选择

燃料电池产业链:电堆是核心

燃料电池产业链

燃料电池上游主要是氢气和氧气,是燃料电池的动力来源。氧气较容易获得,主要通过直接吸取空气作为氧气的来源。

目前氢气的来源主要分为三类,一类是烧碱、钢铁及石油制炼产生的副产物,一类是通过化石燃料改制及电解水产生氢气,而第三类目前使用较少,主要通过碘硫反应及光触媒等技术制备制取。

燃料电池储氢方式主要包括高压储氢、液态储氢以及储氢材料储氢,目前燃料电池汽车储氢的主流技术是高压储氢,储存的气体氢通过氢泵进入电堆,同时氢泵也可以调节氢气压力实现与空气压力的协调以保障电化学反应的稳定。

中游产业主要包括燃料电池电堆、空压机、水泵、氢泵、储氢器、加湿器以及部分装配件,最终根据不同需求装堆组成燃料电池。

下游主要是市场运用,包括汽车、电子设备等。

燃料电池堆是产业链核心

电堆是燃料电池的电能来源,也是燃料电池中最为关键的部分,成本占比高达 62%。国内外在电堆性能方面差异较大,以丰田为例电堆中的单电池数量可达 300-400 片,而输出功率可达114KW,而国内水平通常在30-60KW。

燃料电池电堆产业链及主要供应商

电堆产业链分析

燃料电池电堆由端板、绝缘板、集流板以及多个单电池组成,其中催化剂和双极板的成本占比较高,分别达到 36%以及 23%。

单电池主要由双极板和膜电极组成,其中膜电极 MEA 由 5 层材料构成,分别是最外层的两层气体扩散层、两层催化层以及一层质子交换膜。

单电池需要由堆栈的方式构成电池电堆,电堆的两侧需要端板、绝缘板以及集流板 等结构装配,起固定、绝缘以及收集电流的作用。

质子交换膜:电堆核心组件

质子交换膜是电堆的核心组件,以聚合物膜作为电解质,其性能直接影响燃料电池的性能。

质子交换膜主要作用:一方面为电解质提供氢离子通道,一方面作为隔膜隔离两级反应气体,此外还需要对催化剂层起到支撑作用。

燃料电池工作时,负极供给燃料氢气在铂 催化剂的质子交换膜作用下分解成质子氢离子和电子,氢离子可以通过质子交换膜进入正极和氧气反应生成水并释放热量,而电子则不能通过质子交换膜,只能通过外电路形 成电流为负载供电。

质子交换膜类型主要包括全氟磺酸膜、非全氟化质子交换膜、无氟化质子交换膜、无氟化质子交换膜、复合膜以及高温膜。

目前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。

目前市场上应用较多的质子交换膜产品主要来源于美国、日本以及加拿大等国家的企业,其中美国 Du Pont 研制的全氟酸质子交换膜应用最为广泛,主体材料是氟磺酸型离子交换树脂。

催化层:低铂用量是趋势

催化层:铂催化剂兼备较高的利用率和催化活性,同时催化性能稳定。

据哥本哈根研究团队研究表明,一般每毫克传统催化剂能够产生 1 安培电流,而 1 毫克铂金属能生成 8 安培电流。

铂金属属于稀有的金属,且全球分布不均匀,主要分布在南非、俄罗斯、津巴布韦等地区,三个地区铂产量约占全球产量的 90%。

燃料电池中出货量较高的 PEM、 PA、DM 均使用铂族金属作为催化剂的主要材料。

铂价格大约在 250 元/克,高昂的铂成本是燃料电池汽车降本的关键,低铂用量是趋势。催化剂主要来源于日本、德国等的公司,如日本的田中贵金属等公司。

扩散层:有望降低生产成本

气体扩散层通常由基底层和微孔层组成,基底层通常使用多孔的碳纤维纸、碳纤维织布、 碳纤维非纺材料及碳黑纸,主要起到支撑微孔层的催化层的作用,微孔层主要是改善基底层孔隙结构的一层碳粉,目的是降低催化层和基底层之间的接触电阻,使得流道气体以及产生水均布分配。

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。

扩散层现阶段主要供应商是日本的东丽、德国 SGL 等公司,若国产化后,可降低开发生 产成本,可降低燃料电池制造成本。

双极板:材料有待优化

双极板是将质子交换膜燃料电池串联起来组装成电堆的关键部件,双极板两侧分别与阳 极和阴极的膜电极接触。

双极板原材料主要包括:石墨、金属材料、复合材料。

目前使用较多的是石墨,石墨拥有优异的化学稳定性和导电性,但石墨气密性欠佳。

不锈钢、钛合金等金属具有良好的导电性和散热性,也可作为双极板原材料,但由于金属本身的耐腐蚀性能较弱,需要在金属表面通过镀膜的方式改变金属表面特性以增加其耐腐蚀性,镀层材料一般为镍、铬、 钛等涂层金属以及这些金属的碳化物或氮化物。

复合材料双极板因其质量较轻,较易加工也是双极板的常用材料。 双极板供应商国外主要是德国 Dana 公司提供金属双极板。

燃料电池电堆成本下降的路径选择

燃料电池成本下降是必然趋势

根据美国能源部(DOE)的测算,以 80kW 质子交换膜燃料电池为例,在大规模生产条件假设下,燃料电池的生产成本从在 2010 年以前大幅下降,从 2011 年开始较为稳定地维持在 50 美元/kW 以上的水平,同时美国目标在 2020 年将燃料电池成本降低到 40 美元 /kW,并最终达到 35 美元/kW。

目前质子交换膜燃料电池实际成本在 1,000-2,000 美元/kW 左右,根据 Lux Research 估计,汽车厂商制造燃料电池堆的价格约在 50,000 到 100,000 美元之间,而 2016 年 12 月丰田推出的新一代 Mirai 燃料电池汽车整车价格已经低至 5 万美元。

燃料电池电堆成本下降路径

从现有的技术与市场出发,我们认为,未来燃料电池成本的降低可以从三个方面入手:一是优化材料和创新制造工艺,二是利用规模化效应降低量产成本,三是建立标准化平 台化的体系。

原材料价格昂贵或工艺不完善的部件,例如催化剂、质子交换膜、双极板等可以通过优化制造材料改进制备工艺的方式降低成本,现有技术已经较完善的部件可通过建立标准化平台化的产品体系并利用规模化生产的效应有效建立成本优势。

优化膜电极制备工艺。

膜电极是燃料电池发生电化学反应产生电能的关键部件,膜电极技术从最初的热压法到 CCM 法一直到最新的有序化膜电极技术,其生产成本持续下降,3M 推出的有序化膜电极已经把成本降到 5 美元/kW,预计未来可通过材料优化,开发低成本量产工艺,进一步降低制造成本。

降低 Pt 用量,开发低成本催化剂。

催化剂成本是制约膜电极成本的最大因素,现在最常用的催化剂是将纳米 Pt 颗粒搭载在碳粉载体上使用。

铂金属因其储量稀有,价格高昂, 催化剂的材料成本很难通过量产规模化来降低,而只能通过技术革新来实现。

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。

创新成膜工艺,静待规模量产。

质子交换膜主要功能是分隔氢气与氧气传递质子,是电化学反应的关键部分。

全氟磺酸膜具有高温分解、合成成本高等缺点,仍然需要开发性 能更好的复合膜。

目前国内虽然已有部分企业能生产全氟磺酸膜,但市场仍然被进口产品牢牢掌握,目前主流的供应商是最早开发应用全氟磺酸膜的美国杜邦公司。

杜邦膜价格按乘用车用量计算相当于 120 美元/kW,按上汽荣威 950FuelCell 搭载的 30kW 燃料电 池计算,其质子交换膜成本在 25000 元人民币以上。依靠国产化技术探索,开发新型制 备工艺是目前降低质子交换膜成本的必由之路。

扩散层国产化加速打破国际垄断。

气体扩散层用于分布反应气体,在电极和双板之间传导子热量。

碳纸是目前应用最广泛的扩散层材料,其制备技术研究比较完善,但其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生产商手中,国内的生产开发起步较晚,目前仅有小批量的生产。

气体扩散层是目前燃料电池堆各部件中技术条件最成熟,商业化利用潜力最好的产品,未来通过在国内建立批量化的生产设备,开发标准化平台化的产品,降低开发生产成本,可以大幅降低燃料电池中扩散层的制造成本。

优化双极板材料,降低加工成本。

双极板用于分隔氢气与氧气并收集电流,通常使用的 材料是无孔石墨板或碳板,加工费用高,石墨板材机械加工的费用占据了双极板的绝大部分,限制了双极板规模化生产。

发展趋势是开发石墨-树脂复合材料与金属基材料,其中金属基材料最被看好,但同时也面临着材料腐蚀与毒化的问题。

我国是世界最大的石墨储量国和出口国,开发潜力巨大,未来的研究可以尝试优化石墨的加工方式,充分利用资源优势,有利于未来产品的产业化。

来源:东方证券

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