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氢燃料电池车迎风口机遇!首批量产车引进国内,核心环节梳理
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2023.08.17 河南

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除了纯电车型外,氢能源作为新能源的另一分支,目前已经有一部分车企开始涉足氢能源,如长安、广汽、一汽等,而丰田汽车则是较早布局的车企。丰田Mirai作为世界首批量产的氢燃料电池车,自2014年推出以来全球销量已超过2万台。据报道,第二代Mirai由广汽丰田引进内陆市场,市场建议零售价为74.8-75.1万元,首批限量50台。#氢能源##氢能##燃料电池#

和电动车相比,氢燃料电池车续航足、加氢快;和传统燃油车比,氢燃料电池车又具有节能减排的属性。因此,氢能源汽车被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源汽车,开发氢能已引起各国的高度重视。

氢燃料电池是将氢气和氧气的化学能直接转换成电能的发电装置,基本原理是电解水的逆反应,把氢和氧分别供给给阳极和阴极,氢通过阳极向外扩散和电解质发生反应后,放出电子通过外部的负载到达阴极。燃料电池对环境无污染,运行噪声小,发电效率可达50%以上,是目前极具发展前景的新能源方式之一。

氢燃料电池汽车上游为汽车零部件生产,主要包括氢燃料电池、电机、电控系统、仪表盘、车灯等。汽车厂商将各种零部件组装成氢燃料电池汽车,下游为汽车保险、汽车金融、汽车售后维修、汽车养护、汽车IT等。

按照氢燃料电池的构造进行划分,关键材料可以分为电堆材料和氢燃料电池系统材料。

电堆材料包括膜电极材料、气体扩散层材料、双极板材料、密封圈材料和端板材料五大类;

氢燃料电池体系的核心电堆由双极板和膜电极构成,膜电极由反应催化剂、质子交换膜、气体扩散层等组成。

氢燃料电池系统材料包括储氢瓶材料、压缩机材料、氢循环系统材料和增湿器材料四大类,各类部件对于材料性能均有较高要求。

除电堆以外,氢燃料电池系统还包括空气供应系统、氢气供给系统、水、热管理员系统、电气系统、控制系统等。这些配套系统和电堆的有机结合、相互配合,共同完成了氢燃料电池系统的正常运行。

燃料电池电堆(fuel cell stack)是燃料电池发电系统的核心。

通常为了满足一定的功率及电压要求,电堆通常由数百节单电池串联而成,而反应气、生成水、冷剂等流体通常是并联或按特殊设计的方式(如串并联)流过每节单电池。

双极板

电堆是燃料电池系统的“心脏”,而双极板则是电堆的“骨架”。资料显示,双极板占电堆体积的80%、成本的20%至40%,承载氢、氧、水三场传输和导电功能。

双极板是燃料电池的阴极板和阳极板,其作用是传导电子、分配反应气并带走生成水。国内石墨双极板技术近年来发展迅速,技术水平与国外相当,但厚度通常在2mm以上。复合膜压碳板在国外已突破0.8mm薄板技术,具备与金属板同样的体积功率密度。

双极板按材料主要分为石墨板、金属板、复合板。

双极板制备程序包括石墨双极板生产涉及模压、浸渍和CNC设备等,金属双极板生产涉及冲压(蚀刻、液压)、清洗、激光焊接和PVD等设备。

目前主要的产品应用是石墨板,金属双极板是未来趋势。乘用车因空间要求高配备金属板、商用车倾向配备石墨板

石墨板目前在技术、商业化层面均已成熟且占据大量市场份额,成本难以进一步降低,行业发展,需等待上游石墨材料技术升级带来成本降低激发需求。

常用石墨双极板厚度约2~3.7mm,经铣床加工成具有一定形状的导流流体槽及流体通道,其流道设计和加工工艺与电池性能密切相关。

由于车辆空间限制(尤其是轿车),要求燃料电池具有较高的功率密度,因此薄金属双极板成为目前的热点技术,几乎各大汽车公司都采用金属双极板技术,如丰田公司、通用公司、本田公司等。

生产双极板的代表企业有丰田、巴拉德、神力科技、国鸿氢能、新源动力、未势能源、上海弘枫、三佳机械、治臻股份等。

目前国内薄碳板开发方面,国鸿氢能有来自于加拿大巴拉德公司的授权技术;治臻股份在国内金属双极板市场中独占鳌头。

膜电极

膜电极(MEA)由质子交换膜、催化层和气体扩散层组成,是燃料电池发电的关键核心部件,同时也是多相物质传输和电化学反应的场所,决定了燃料电池的性能、寿命和成本。

膜电极是燃料电池电堆最具技术含量的实际“功能区”。在行业定义中膜电极可分为三种:3层膜电极/5层膜电极和7层膜电极,其中5层膜电极较为典型,由一层聚合物电解质膜(PEM)、两层催化剂和两层气体扩散层(GDL)组成。

每个燃料电池电堆均由数百个膜电极组件(MEA)组成,MEA的具体数量取决于电池电堆的功率。每个MEA都由一个PEM和位于其两端的阳极和阴极电极组成,PEM是MEA的核心部件。

催化剂是膜电极的关键材料,在燃料电池中,催化剂起到分解氢气和氧气进行电化学反应产生电流的作用。目前商用催化剂为铂碳催化剂,而稀有金属铂的高成本是燃料电池商业化的主要阻碍之一。国内催化剂厂商包括贵研铂业、中自科技、武汉喜马拉雅以及上海济平新能源等也从事相关产品研发。

质子交换膜主要用途为燃料电池和电解制氢。燃料电池本质上就是水电解的逆反应装置,其中核心部件双极板的原材料就是质子交换膜。而电解制氢路线中,有质子交换膜(PEM)和碱性电解槽两种方法,两种方案各有优劣。具体到水电解,2015年以来,质子交换膜法制氢的比例增速明显高于其他电解方式,但其产能占总电解水制氢产能比例仍不高(31%)。

全球从事质子膜研究的主要有美国科慕、陶氏、3M公司、戈尔公司,比利时索尔维(Solvay)公司,日本旭硝子玻璃(AsahiGlass)、旭化成(AsahiKASEI),以及我国的东岳氢能、泛亚微透、鸿基创能、武汉理工氢电、捷氢科技等十余家公司。

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