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膜电极:氢电池的“心脏”,正处在爆发前夕!

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膜电极,一个把握氢燃料电池性能、寿命、成本的核心部件,正开启行业爆发期。

燃料电池的“心脏”历经三代革新CCM为主流

膜电极(MEA)被称为氢燃料电池的“心脏”,是多项物质传输和电化学反应的核心场所。

从结构上看,燃料电池系统主要包括电堆、氢气供给系统、空气供给系统、水热管理系统、控制系统等。其中,燃料电池电堆是燃料电池系统的核心部件,由双极板与膜电极交替叠合后以单电池串联方式层叠组合,各单体之间嵌入密封件,经前、后端板压紧后用螺杆拴牢,构成的复合组件,其研发和生产具备较高的技术壁垒。

膜电极:氢电池的“心脏”,正处在爆发前夕!(图1)
 

而膜电极,则主要由催化剂、质子交换膜、气体扩散层三部分组成,在相应温度和压力下,热压成为三合一组件,其承担了燃料电池全部电化学反应,以及电子、质子、气体和水的传导,决定了电堆性能、寿命和成本的上限,高性能、低铂载量、低成本、长寿命的膜电极对于加速氢燃料电池商业化进程具有非常重要的意义。

膜电极:氢电池的“心脏”,正处在爆发前夕!(图2)
 

据悉,膜电极技术共经历了三代革新,大体上可分为GDE热压法、CCM法和有序化膜电极三种类型:

第一代热压法膜电极(GDE),指将催化剂涂布在气体扩散层上,后用热压法将气体扩散电极和质子交换膜结合在一起,该方法总体性能不高,目前已基本淘汰;

第二代CCM膜电极,指采用卷对卷直接涂布、丝网印刷、喷涂等方法直接将催化剂、磺酸树脂和适当分散剂组成的浆料涂布到质子交换膜两侧,该方法提高了催化剂的利用率(小于0.4mg/cm2)与耐久性,目前商业化程度最高,已大批量生产;

第三代有序化膜电极,指把Pt催化剂制备到有序化的纳米结构上,使电极呈有序化结构,获得坚固、完整的催化层,该方法进一步提高了燃料电池性能,降低催化剂铂载量(≈0.1mg/cm2),是目前膜电极制造研究的热点,但仍处于研发试验阶段,只有小部分公司实现量产,如3M。

政策助推燃料电池车起量 膜电极迎行业爆发期

作为上游核心部件的膜电极,其发展主要得益于下游燃料电池车行业的战略推进。

为应对全球气候变化,在2019年联合国气候峰会上,66个国家宣布了到2050年实现净零碳排放目标,氢能逐渐成为全球能源向绿色低碳转型的关键驱动力之一。

至此,以燃料电池为主要应用的氢能产业链已初步实现商业化,美国、日本、韩国、德国等陆续发布氢能及燃料电池发展战略及规划,预计在未来5年氢能将迎来产业爆发,交通+发电领域成为燃料电池应用的关键领域。

而在国内,氢能也已经纳入国家能源战略。2022年以来,围绕扩大氢能在推动能源消费方式绿色低碳变革方面的重要作用,国家相关部门密集出台了支持燃料电池及其上下游产业链发展的政策及规划,将氢能产业纳入战略性新兴产业和重点发展方向。

其中,国家发改委在3月份发布的《氢能产业发展中长期规划(2021-2035)》,将氢能战略定位为用能终端实现绿色低碳转型的重要载体。

燃料电池技术在车用端应用较为成熟,汽车产业的规模效应能够有效实现燃料电池的快速降本,因此,车辆成为燃料电池产业开局的重要突破口,在下游应用中走在最前端,中长期以氢燃料重卡为重点和主体,逐步建立燃料电池电动汽车与锂电池纯电动汽车的互补发展模式。

膜电极:氢电池的“心脏”,正处在爆发前夕!(图3)
 

为推动燃料电池行业有序发展,国家还发布政策采取“以奖代补”方式,对符合条件的城市群开展燃料电池汽车关键核心技术产业化攻关和示范应用给予奖励。

从2021年8月份开始,国家启动了京津冀、上海、广东和河南、河北“3+2”城市群燃料电池汽车示范推广,以及山东省“氢进万家”科技示范,同年11月,四川省和重庆市启动成渝氢能走廊。

根据目前披露的数据,五大城市群、山东省、成渝地区将推广燃料电池车44305辆。

截至2022年7月,我国共推广燃料电池车10574辆;到2025年,五大城市群、山东省、成渝地区推广数量叠加2021年底保有量,燃料电池车数量至少为53246辆。

在政策的助推下,燃料电池车快速起量,必将带来燃料电池的需求增加和产量扩张,进而对上游相关部件催生巨大的需求,作为核心部件的膜电极,正迎来行业爆发期。

2021-2025年是发展关键期 企业产线落成扩张加速

目前,中国燃料电池车行业发展已居全球前列。

据有关数据显示,韩、日、中、美、德为全球燃料电池车主要推广国家,2021年,全球主要国家共销售氢燃料电池车16313台,同比增长68%。

截至2021年12月31日,全球主要国家氢燃料电池车保有量为49562台,同比增长49%。其中,中国保有量8938台,占比18%,仅次于韩国和美国,位居全球第三,系统累计装机量超过520MW。

膜电极:氢电池的“心脏”,正处在爆发前夕!(图4)
 

根据《节能与新能源汽车技术路线图2.0》规划,2025年我国燃料电池车保有量将达到10万辆FCV,按照2021-2025年年均复合增速,浙商证券预计2025年燃料电池系统销量约为45322辆,2021-2025CAGR约为131.21%。

“2021-2025年是产业规模快速发展的关键时期。”浙商证券在研报中表示,并认为国内燃料电池车在2022年有望开启行业爆发期。

根据2016-2021年燃料电池平均装机功率的提升趋势,浙商证券预计2025年燃料电池系统平均功率将达到161kW,在单车装机功率及燃料电池车销量提升的推动下,预计2025年燃料电池系统年销售功率约7312MW,2021-2025CAGR约为162.57%;

根据保有量及单车装机功率,2025年车用燃料电池系统累计装机规模将达到14401MW,根据《节能与新能源汽车技术路线图2.0》对保有量的规划以及DOE对规模化燃料电池系统降本通道的预测,预计2025年燃料电池系统价格将降至2384元/kW,对应2025年车用燃料电池系统规模将达到343亿元,2021-2025CAGR接近90%。

膜电极:氢电池的“心脏”,正处在爆发前夕!(图5)
 

面对燃料电池发展规模的高速增长,国内膜电极企业已加速扩产。

2019年以来,鸿基创能、擎动科技、武汉理工氢电以及泰极动力等多家企业的国产生产线先后落成,我国的膜电极领域逐步开启批量化生产步伐。

到2021年,国内膜电极企业扩张步伐明显加速,尤其头部企业鸿基创能完成了百万片下线里程碑。

当前,我国企业膜电极主要参数已经与国际先进水平接近,部分参数可以超过国外先进水平。国内领先膜电极企业鸿基创能、武汉理工新能源、擎动科技膜电极产品功率密度均超过1W/cm2。

发展重点:降本,实现核心材料国产替代化

加速扩产的同时,降本,成为膜电极行业发展的重点。

自2019年以来,燃料电池系统的国产化进程步入快车道,现阶段,我国在膜电极制备、双极板、电堆组装、辅助系统等领域已实现100%自主化,是近两年燃料电池系统降本的关键推动力。

不过,我国主要的膜电极供应商头部企业虽然已经实现膜电极自主制备,但催化剂、PEM和气体扩散层等核心材料主要依赖进口,仅国电投氢能公司实现了膜电极核心材料级别的完全自主化。

根据DOE的测算,在大规模生产(50万台/年)的情况下,膜电极占燃料电池电堆成本的60%左右,而电堆成本在燃料电池系统中的占比超过60%,燃料电池系统在氢能车购置成本中占比同样超过60%。

也就是说,膜电极的降本是未来电堆及系统降本的核心,而膜电极的降本则取决于核心材料的国产化。

据业内人士表示,预计2022年-2023年开始我国将逐步启动从催化剂、PEM到气体扩散层的国产化渗透,打破膜电极核心材料高度进口依赖导致的电堆高成本现状。

具体而言,膜电极核心材料国产化突破及降本,主要体现在催化剂、质子交换膜、气体扩散层三部分:催化剂方面,优化铂基催化剂结构,降低铂载量减少贵金属使用成本,并寻找新型非铂催化剂;质子交换膜方面,加强磺酸树脂材料的自主研发,开发低成本成膜量产制备工艺;气体扩散层方面,打通从高性能碳纤维到碳纸的制备工艺,开发标准化低成本的扩散层工艺平台。

企业“画像”

目前,主流膜电极的厂商分为两类,一类是具备膜电极批量产业化能力,能自给自足的车企或燃料电池厂商,以丰田、现代、巴拉德为代表;另外一类是专业的膜电极供应商,包括戈尔、杜邦和国内的鸿基创能、武汉理工氢电、新源动力、上海唐锋能源、苏州擎动科技等企业。

鸿基创能致力于质子交换膜氢燃料电池用高性能膜电极的大规模产业化,其开发了CCM阴阳极双面直接涂布技术、膜电极一体化成型技术、膜电极自动化快速封装技术,为膜电极大规模产业化奠定坚实基础。

目前,鸿基创能的膜电极产品功率密度达到1.4W/cm2,测试使用寿命超过1~2万小时,已基本满足产业化应用需求。

武汉理工氢电由深圳市雄韬股份与武汉理工大学共同发起成立,接力一脉相承的武汉理工新能源公司,专注于膜电极的产业化与研发,目前已完成6000平米洁净厂房装修,并建成了自动化程度更高的膜电极生产线,膜电极产能达到2万平米/年,最终设计产能将达到10万平米/年。

新源动力拥有自主知识产权的质子交换膜燃料电池技术,部分关键技术达到国际一流水平。其研发的HYMEA膜电极产品,活性面积25-400cm2,功率密度≥1.0W/cm2,耐久性5000-10000h。

针对商用车及乘用车使用场景,新源动力研发的第二代和第三代车用质子交换膜燃料电池膜电极,已投入市场使用。目前,第四代低铂高性能高耐久性膜电极正在进行开发和验证。

低铂膜电极供应商上海唐锋能源拥有燃料电池膜电极设计、材料、工艺、设备、测试评估等全套核心技术,开发并建成了国内用于量产燃料电池汽车电堆的首条低铂合金膜电极生产线。

苏州擎动科技已通过国内外多家知名燃料电池厂家及研究院的测试,且和国内外多家燃料电池电堆厂家签署合作协议,长期为其提供膜电极产品。

2019年2月,擎动科技自主研发的国内首套“卷对卷直接涂布法”膜电极生产线正式投产,可实现年产膜电极100万片。

阜阳攀业正在建设全国首台涂布幅宽570mm膜电极阳极涂布生产线,建成后年产能达6万平米,二期扩产后产能也将达到36万平米/年;正在建设中的国内首台高精度自动双点胶五合一生产线,设计产能达13万片/年。

今年10月,长城旗下未势能源实现了完全自研全新高性能膜电极规模化量产。据悉,长城创新“梯度技术”,形成了特有的商业化膜电极技术序列。依托此项创新性技术,长城陆续攻克了高功率密度、可靠封装和循环寿命等关键技术瓶颈。

未势能源自主设计全自动“卷对卷”膜电极生产线,产线全面达产后,可年产膜电极百万片以上,预计年产值超3亿元以上。

编辑:敬之

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