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燃料電池電堆:國產化初見成效
2018-4-28
來源:未知
點擊數: 6893          作者:未知

  • 2017產業元年,中國燃料電池汽車產量達到千輛

    2017年是中國燃料電池產業化的元年,部分地區開展小規模的燃料電池汽車運營,截止目前中國燃料電池汽車數量達到1000輛左右,佛山和北京已有燃料電池公交大巴運行,京東、申通等物流公司開始試用燃料電池物流車。

    2018年國內燃料電池汽車有望突破3000-5000臺規模,中國燃料電池開始令人振奮的高速發展階段。

    路徑明確:商用車帶動加氫站建設,降低氫氣與燃料電池成本

    中國燃料電池汽車發展路徑明確:通過商用車發展,規模化降低燃料電池和氫氣成本,同時帶動加氫站配套設施建設,后續拓展到私人用車領域。

    優先發展商用車的原因在于: 一方面公共交通的平均成本低,而且能夠起到良好的社會推廣效果,形成規模后帶動燃料電池成本和氫氣成本下降;另一方面商用車行駛在固定的線路上且車輛集中,建設配套的加氫站比較容易。

    當加氫站數量增加、氫氣和燃料電池成本降低時,會支撐更多燃料電池汽車。

    燃料電池多地開花,20省市推動產業發展

    全國以富氫優勢、棄電較多或者產業領先為代表的地區重視燃料電池發展,多地市興建氫能產業園區,氫能小鎮和產業集群等,推動燃料電池公交、物流車示范運營,截至目前超過20省市明確推動氫燃料電池產業發展。

    目前僅上海、鹽城、武漢、佛山和蘇州四城規劃顯示,到2020年燃料電池汽車數量近1萬輛。

    電堆是燃料電池最關鍵部件,性能滿足商業化需求

    電堆是最關鍵部件

    電堆由多個單體電池以串聯方式層疊組合構成。將雙極板與膜電極交替疊合,各單體之間嵌入密封件,經前、后端板壓緊后用螺桿緊固拴牢,即構成燃料電池電堆。

    電堆是發生電化學反應場所,燃料電池動力系統核心部分。電堆工作時,氫氣和氧氣分別由進口引入,經電堆氣體主通道分配至各單電池的雙極板,經雙極板導流均勻分配至電極,通過電極支撐體與催化劑接觸進行電化學反應。

    在燃料電池產業鏈中,電堆是處于中游核心環節。

    催化劑、質子交換膜、氣體擴散層組成膜電極和雙極板構成電堆的上游,電堆與空壓機、儲氫瓶系統、氫氣循環泵等其它組件構成燃料電池動力系統,下游應用對應交通領域和備用電源領域,主要是客車、轎車、車、固定式電源和便攜式電源等。

    電堆性能達到商業化,鉑金不是瓶頸

    目前燃料電池汽車在速度、加速時間和續航均滿足日常使用,商業化瓶頸主要是在耐久性、低溫啟動和鉑金需求方面,目前電堆性能達到商業化需求。

    在耐久性方面,豐田和新源動力轎車用電堆壽命超5000h,BallardFCvelocity-HD6燃料電池已經達到超過25000小時時間的耐久性記錄,已經滿足日常乘用車和商用車使用需求。

    轎車用電堆耐久性達到5000h,普通乘用車用戶日均行駛2h,轎車可使用7年;商用車電堆耐久性達到25000h,一輛商用車日均行駛8h,使用時間可達到8年。

    溫性能方面:目前電堆可以應對全球絕大部分地區和氣候,豐田燃料電池汽車和本田燃料電池汽車分別實現了-37°C和-30°C啟動;即使在冬天,燃料電池汽車依然可以滿足日常使用。

    鉑金需求方面:目前本田電堆鉑金載量已經低至0.12g/kg,鉑載量還處于持續下降過程中,鉑金不會成為燃料電池發展瓶頸。

    以本田Clarity為例,單輛燃料電池車催化劑耗鉑已經降至10g左右,而單輛柴油車需要5g做鉑金作為尾氣凈化催化劑,目前燃料電池催化劑鉑金用量已經降至產業化水平,而且處于持續下降中,不會引起鉑金需求短缺。

    假設到2025年單車鉑載量5g計算,燃料電池汽車100萬輛計算,鉑金需求量5噸,相對2017年鉑金用量244噸,邊際增量只有2%;考慮燃料電池鉑載量持續下降和非貴金屬催化劑的發展,燃料電池汽車規模化的資源瓶頸并不存在。

    國內電堆實現量產,成本進入下行通道

    我國掌握燃料電池關鍵材料、部件電堆的關鍵技術

    經過863計劃,我國初步掌握了燃料電池關鍵材料、部件電堆的關鍵技術,基本建立了具有自主知識產權的車用燃料電池技術平臺,燃料電池在國內外開展了多次示范運行。

    2015年,我國燃料電池電堆性能達到:-20°C啟動-40°C存儲;壽命3000h;功率密度2kW/L、比功率1.5kW/kg;能量效率55%。

    2016年11月,國家重點研發計劃“新能源汽車”重點專項“燃料電池基礎材料與過程機理研究”項目在大連啟動。

    項目由中國科學院大連化學物理研究所牽頭,21家單位共同參與,在催化劑、質子交換膜、金屬雙極板、膜電極等方面開展基礎性研究,同時對燃料電池低溫環境適應性、流場結構、水管理過程等方面進行優化設計,掌握批量制備燃料電池所需電化學材料關鍵技術,項目指標達到DOE2020年目標。

    國內電堆實現量產:自主研發和引進技術路線并舉

    目前國內燃料電池電堆正在逐漸起步,電堆產業鏈企業數量逐漸增長,產能量級提升,到2018年國內電堆產能超過40萬kW。

    目前國內電堆廠商主要有兩類:(1)自主研發,以新源動力和神力科技為代表;(2)引進國外成熟電堆技術,以廣東國鴻為代表,其余企業有南通百應、嘉興愛德曼等。

    新源動力長期致力于燃料電池研發生產,公司現有產能1.5萬kW/年。

    其開發的HYMOD?-300型車用燃料電池電堆模塊,采用高穩定性、高性能的“膜基催化層膜電極設計”和高可靠性的“復合雙極板結構”,達到車用燃料電池5000小時的耐久性,實現電堆-10°C低溫啟動,-40°C儲存。

    廣東國鴻于2016年5月引進加拿大巴拉德簽署引進9SSL電堆生產線技術,并在國內建設年生產2萬臺電堆(30萬kW)和5000套系統的生產線,生產線于2017年7月1日正式投產。

    9SSL系列燃料電池電堆是為交通領域設計的液冷式電堆產品,能夠滿足車用車載動態特性要求。

    它具有良好的單電池均一性,工作壽命超過2萬h,最長壽命超過2.5萬h。巴拉德9ssl電堆的9SSL系列電堆產品自2009年生產至今已累計生產電堆超過10,000臺,部署量達到320MW,產品的成熟性已經過充分的市場驗證。

    ▌電堆成本進入下行通道

    電堆成本在燃料電池汽車中占比最高。目前燃料電池電堆實現小規模放量和初步國產化,電堆成本已經實現有力下降。隨著規模放大以電堆產業國產化,電堆成本預計可降60%。

    具體到各個環節來看,氣體擴散層降本主要由規模化效應驅動;而質子交換膜、催化劑和雙極板降本則需國內工藝進步和規模化加以推進。

    電堆產業鏈國產化進行時

    國內電堆產業鏈雛形初具

    國內燃料電池電堆產業鏈初成雛形,上游廠商齊全,膜電極、質子交換膜和雙極板具備國產化能力,氣體擴散層有小批量供應,催化劑具備研發能力。

    國內膜電極具備產業化能力,有序化膜電極是工藝發展趨勢

    膜電極(membrane electrode assembly,MEA)是質子交換膜燃料電池發生電化學反應的場所,是傳遞電子和質子的介質,為反應氣體、尾氣和液態水的進出提供通道,膜電極是質子交換膜燃料電池的心臟。膜電極通常由5部分組成,即中間的質子交換膜、兩側的陽極催化層和陰極催化層,最外側的陽極氣體擴散層和陰極氣體擴散層。[轉載于搜狐財經]


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