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我国燃料电池行业产业链构成及2019年各环节发展趋势分析

发布时间:2019-04-11  来源:立鼎产业研究网  点击量: 22 

一、燃料电池行业产业链构成

上游材料:氢气供应和电池组件生产环节,包括氢气生产及运输、电池双极板、催化剂、质子交换膜、气体扩散层、密封件等领域;

中游组装:主要是燃料电池系统的组装环节;

下游应用:包括固定式发电装置、交通运输设备和便携式燃料电池三大应用领域厂商。

燃料电池行业产业链构成


资料来源:公开资料

二、燃料电池行业产业链发展概述

上游:我国燃料电池核心原材料仍处于实验室向产业化过渡初期,技术水平相对落后,缺少自产能力,严重依靠进口国外BallardHydrogenics等公司电堆再进行组装;

中游:国内企业多布局于中游系统集成领域,部分企业也向上游材料有所延伸;

下游:国内主要是主流车企进行储备和布局。

燃料电池产业链公司梳理


资料来源:公开资料

三、燃料电池行业产业链各环节发展

1、制氢加氢

统筹发展制氢加氢产业是燃料电池汽车推广的基础。类似于燃油汽车的采油-炼油-运油-加油站产业链和电动汽车的发电-电力输配-充电桩产业链,燃料电池汽车有制氢-储氢-运氢-加氢站产业链。

欧美日韩发达国家均是把制氢、加氢站建设放在了战略发展、区位优先发展、集中优势发展位置。集中国家力量发展氢能产业并做示范推广,从而确保氢能燃料电池产业应用推广的基础建设得以配套。

目前我国加氢站建设主体众多,缺乏国家统筹和政策配套措施。加氢站是公共事业范畴,目前项目选址、规划管理、安全运营缺乏监督与管理。另外加氢站投资巨大,同时也要集中规模化科学管理,以降低建设运营成本和安全运行(后第七、八章有详细论述)。

2、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,目前国产化进程提速。质子交换膜目前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。开发低铂、高反应效率的CCM型薄催化层膜电极是目前质子交换膜燃料电池开发的重要技术方向。

质子交换膜产品


资料来源:公开资料

质子交换膜作用机制


资料来源:公开资料

国外企业有美国的Gore、科慕、3M、日本的旭化成等,国内能够批量化供应只有山东东岳,山东东岳的产品已经进入了奔驰的供应链体系。

国内外质子交换膜基本参数


资料来源:公开资料

3、催化剂

降低催化剂中铂的含量或开发非铂催化剂是未来发展方向。催化剂是燃料电池的关键材料之一,在质子交换膜燃料电池系统的成本中,电堆成本占比最高,达60%左右,其是燃料电池的电能来源;而在电堆的成本构成中,催化剂的成本占比最高,在50 万个/年的年产量水平下高达41%。因此,降低催化剂的成本是降低燃料电池成本的关键,而目前常用的商用催化剂是Pt/C,尽管Pt 用量已从10年前0.8~1.0 gPt·kW-1 降至现在的0.3~0.5 gPt·kW-1,但含量仍较高;Pt 催化剂除了受成本与资源制约外,也存在稳定性问题,燃料电池在车辆运行工况下,Pt催化剂会发生衰减。因此,降低催化剂中Pt 的含量或研究新型高稳定、高活性的低Pt 或非Pt 催化剂,以降低催化剂的成本并提高燃料电池的寿命是燃料电池的未来发展方向。

不同年产量水平下,质子交换膜燃料电池的电堆成本分拆


资料来源:DOE

燃料电池催化剂的国外生产商主要有英国Johnson Matthery、德国BASF、日本Tanaka、日本日清纺、比利时Umicore 等;国内有贵研铂业、武汉喜马拉雅、中科中创、苏州擎动动力、昆山桑莱特等。

燃料电池催化剂行业代表公司及产品性能


资料来源:公开资料整理

4、扩散层

扩散层主要作用是为参与反应的气体和生成的水提供传输通道、支撑催化剂。扩散层由基底层和微孔层组成,其中基底层材料大多是多孔碳纸或碳布,微孔层通常由导电炭黑和憎水剂构成。扩散层规模化生产将会带来大幅的成本削减。DOE数据显示,2017年每生产10万套质子交换膜燃料电池系统成本50美元/kW,其中扩散层占比9%;每生产50万套质子交换膜燃料电池系统成本45美元/kW,其中扩散层占比6%

扩散层示意图(右上碳布,右下碳纸)


资料来源:公开资料

目前全球碳纸/碳布生产厂家较少,供应商主要为日本东丽、德国西格里(SGL)集团、日本JSR、加拿大Ballard、台湾碳能等。东丽占据较大的市场份额,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。中国大陆气体扩散层量产技术还是空白,主要原因是气体扩散层的石墨化工序需要2000℃以上的高温,但高温炉技术尚未掌握。

国内外碳纸基本性能对比


资料来源:公开资料

5、膜电极

燃料电池单体内部最重要的部件就是膜电极,它是燃料电池发电的关键核心部件,决定了电堆性能、寿命和成本的上限。膜电极由质子交换膜、催化剂和扩散层组成,其与其两侧的双极板组成了燃料电池的基本单元。在实际应用中将多个单电池组合成为燃料电池电堆以满足不同大小功率输出的需要。

膜电极在成本和寿命方面有严格的要求,降低铂的使用量可以大幅降低成本,但燃料电池的反应效率也会大大减少。催化层不均匀涂布到膜上,超过几千小时后会发生漏气的情况,减少燃料电池的寿命。

膜电极的主要制造商是3M,杜邦(Chemours),GORE,庄信万丰,BallardGreenerity等。

国内膜电极供应商主要是武汉理工新能源,其产品主要供应美国PlugPower公司。大连新源的膜电极产品主要是为上汽的发动机配套。国产膜电极性能与国际水平接近,但专业特性上如铂载量等性能与国际水平还有一定差距。

国内国际膜电极生产企业产品性能对比


资料来源:公开资料

6、双极板

双极板是质子交换膜燃料电池除了质子交换膜以外的另一个核心组成部分,占整个燃料电池60%的重量和20%的成本,起到收集传导电流、分隔氧化剂和还原剂以及支撑电池等作用,其性能优劣直接影响电池的输出功率和使用寿命。

双极板原理图


资料来源:公开资料

双极板材料目前主要是石墨双极板和金属双极板,丰田Mirai、本田Clarity和现代NEXO等乘用车均采用金属双极板,而商用车一般采用石墨双极板。由于燃料电池特殊的工作环境,要求双极板除具有高导电性,强耐蚀性和疏水性,同时还要具有高的机械强度、高的阻气能力和低成本、易加工等特性。

不同类型双极板性能对比


资料来源:公开资料

石墨基双极板的主流供应商有美国POCO、美国SHF、美国Graftech等。石墨双极板已实现国产化,国产厂商主要有上海神力、上海弘枫等公司。国外金属双极板主要供应商有瑞典Cellimpact、德国Dana、德国Grabener、美国treadstone等。国内还处于研发试制阶段,上海佑戈、上海治臻新能源、新源动力等企业研制出车用燃料电池金属双极板,并尝试在电堆和整车中实际应用。复合双极板的研发目前还比较少,国内仅有大连新源动力和武汉喜玛拉雅等企业有所涉及。

7、电堆

电堆:国内尚处于技术验证阶段。

燃料电池产业链中游是将上游的材料和部件进行组装,集成到燃料电池系统。国外乘用车厂大多自行开发电堆,也有少数采用合作伙伴的电堆来开发发动机的乘用车企业,例如奥迪和奔驰。目前国外可以单独供应车用燃料电池电堆的知名企业主要有加拿大的BallardHydrogenics,欧洲和美国正在运营的燃料电池公交车绝大多数采用这两家公司的石墨板电堆产品。

燃料电池电堆应用场景


资料来源:Ballard官网

国内生产电堆的企业主要有大连新源动力和上海神力,大连新源动力采用的是金属板和复合板的技术路线,与上汽合作,开发了荣威950乘用车和上汽V80客车。上海神力成立于1998年,是中国第一家专业的燃料电池电堆研发生产企业,目前两家都建成了燃料电池电堆中试线,正处于从小批量到产业化转化的关键阶段。另外有一些新兴的燃料电池电堆企业,例如弗尔塞、北京氢璞、武汉众宇等,也开发出燃料电池电堆样机和生产线,正处于验证阶段。

 

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