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丰田向国内供应燃料电池关键零部件,行业商业化进程加速

   2019-12-28 1700
导读

氢能在能源、交通、工业、建筑等具有广阔的应用前景,尤其以燃料电池车为代表的交通领域是氢能初期应用的突破口与主要市场。燃料

 氢能在能源、交通、工业、建筑等具有广阔的应用前景,尤其以燃料电池车为代表的交通领域是氢能初期应用的突破口与主要市场。
 
燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置,又称电化学发电器。它是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术。是电池产业中具有战略性、前瞻性的一项绿色储能技术,代表着未来新能源的发展方向,具有良好的发展前景。
 
2019年燃料电池汽车进入行业快速发展期,一方面国内企业在燃料电池制造技术的不断突破使得具备生产燃料电池核心零部件的企业数量快速增加,国产化进程加快;另一方面,燃料电池配套产业链不断完善,制氢、储氢、运氢链条层层相扣,加氢站等基础设施的建设为燃料电池汽车的长期发展提供保障。

2016年,我国首次提出氢能产业发展路线图,计划到2020年我国燃料电池汽车数量达到1万辆,到2025年达到10万辆,2030年达到百万辆的规模,氢能源和燃料电池的发展已经上升到国家战略层面。国务院《十三五发展纲要》明确指出要支持氢能源与燃料电池等核心技术的突破和产业化。
 
目前全世界已有多种高性能燃料电池汽车产品,初步进入了商业化应用阶段。我国燃料电池增速高于全球,2018年增速达67.79%。
 
预计未来我国燃料需求仍将保持高增长,2018-2020年CAGR达75.12%。2020年我国燃料电池需求将达到230兆瓦,占全球总需求14.38%,成为全球主要的燃料电池生产和销售国。

燃料电池汽车产业链条较长,包括上游材料、中游组装、下游应用和配套设施。
 
上游材料是燃料电池产业链的核心环节,率先突破的企业将掌握一定市场主动权。
 
上游原材料中的膜电极及其组分催化剂和质子交换膜等核心环节仍依赖进口,气体扩散层则由国外完全垄断
 
国内燃料电池采取“剥洋葱”式发展模式,下游产品与国外水平相当。国内燃料电池从产业链下游产品动力系统的控制切入,采取自下而上、由表及里、逐环突破燃料电池发动机、电堆、膜电极及关键原材料技术链的发展路径。

燃料电池汽车本身的电驱动系统主要由燃料电池系统与驱动电机及其附件组成。燃料电池汽车的主要成本来自于燃料电池系统和储氢系统,其中燃料电池电堆是燃料电池系统的主要成本支出,占燃料电池成本的60%。
 
根据美国能源局披露的燃料电池成本情况,2018年燃料电池的成本为$46.16/kW,不同整车部件的成本构成占比分别为:燃料电池系统(50%,绝大部分)、储氢系统(14%)、电驱动系统(7%)、车身(23%)。

电推是发生电化学反应的场所,也是燃料电池动力系统的核心。
 
国外乘用车厂大多自行开发电堆,并不对外开放,例如丰田、本田、现代等。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(采用加拿大巴拉德定制开发的电堆)和奔驰(采用奔驰与福田的合资公司AFCC的电堆)。
 
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Ballard和Hydrogenics,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,这两家加拿大电堆企业都已经具备了一定产能,Ballard还与广东国鸿设立了合资企业生产9SSL电堆。

此外还有一些规模较小的电堆开发企业,例如英国的Erlingklinger、瑞典的PowerCell、荷兰的Nedstack等,在个别项目有过应用,目前产能比较有限。
 
国内能够独立自主开发电堆并经过多年实际应用考验的只有大连新源动力和上海神力两家企业。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。
 
根据E4Tech的报告,至2020年全球燃料电池汽车的产量将达到50万辆,此产能下美国能源局DOE2020年燃料电池成本目标为$40,对应的燃料电池系统市场空间为16亿美元,而燃料电池电堆的成本支出占总电池系统的60%,则至2020年燃料电池电堆市场空间将达到9.6亿美元

在燃料电池催化剂领域,海外企业处于领先地位,已经能够实现批量化生产,而且性能稳定。其中英国JohnsonMatthey和日本Tanaka(本田燃料电池车Clarity催化剂供应商)是全球铂催化剂的巨头。
 
我国催化剂核心材料长期依赖高成本进口,严重制约了我国氢能源产业的自主发展。唯一的上市标的公司贵研铂业用催化剂开发进展进入实验室放大阶段,暂时还没有产品应用,2018年清华大学氢燃料电池实验室与武汉喜玛拉雅光电科技股份有限公司合作成立了联合研发团队,攻克了氢燃料电池催化剂生产难题,未来可实现催化剂的量产。
 
双极板:石墨双极板已经国产化,金属双极板仍存差距
 
双极板的基体材料的选择直接影响燃料电池的电性能和使用寿命,是燃料电池的关键组件之一。石墨双极板已实现商业化大规模应用,目前已实现国产化。
 
目前主流供应商有美国POCO、SHF、Graftech、日本FujikuraRubberLTD、KyushuRefractories、英国Bac2等。
 
国产厂商主要有杭州鑫能石墨、江阴沪江科技、淄博联强碳素材料、上海喜丽碳素、南通黑匣、上海弘枫等。

质子交换膜:海外公司技术领先已经产业化,国内仍处研发阶段
 
目前常用的商业化质子交换膜有全氟磺酸膜和复合膜。全氟磺酸膜已实现产业化,其供应商集中于日本和欧美国家,其中应用最广泛的是美国科慕公司的Nafion系列膜,国内能够批量化供应只有山东东岳,其产品已进入奔驰的供应链体系。
 
此外国内的武汉理工新能源公司、上海神力科技、大连新源动力和三爱富都有均质膜的生产能力,武汉理工的产品还出口国外。
 
在复合膜方面,戈尔占据的全球市场份额最高,其Select复合膜广泛应用于燃料电池,丰田Mirai、本田Clarity和现代ix35均采用戈尔Select系列膜,国内武汉理工已向国内外数家研究单位提供测试样品;大连化物所、上海交大也在质子交换膜的研究领域有所突破。

膜电极:已经逐步国产化,但仍落后于外资
 
膜电极是电化学反应的核心部件。由电催化剂、质子交换膜、气体扩散层组成。国产膜电极性能与国际水平接近,但专业特性上(例如铂载量、启停、冷启动、抗反极等)与国际水平还有一定差距。
 
批量化生产工艺和装备差距较大,国外已实现连续化生产。随着国内市场的快速增长,国内工程化和质量控制的差距有望进一步缩小。
 
膜电极国内外存在一定技术差距。国外膜电极的供应商主要3M、JohnsonMatthey、Gore、Ballard等。丰田、本田等乘用车企业自主开发了膜电极,但不对外销售。
 
国内专业的膜电极供应商主要是武汉理工新能源,其产品大部分出口到美国的PlugPower公司,大连新源实现自主生产,主要是自用为上汽的发动机配套。
 
此外昆山桑莱特、南京东焱氢能、苏州擎动等企业都开发了膜电极的样品,但未形成量产。

目前全球燃料电池汽车销量仍处于极低水平,截至2018年全球除中国以外的其他国家累计销售11149辆燃料电池汽车,中国累计销售3447辆燃料电池汽车,燃料电池汽车的销售主要集中在北美和亚洲。
 
全球范围内的氢能-燃料电池产业进展主要包括整车端的燃料电池整车进展和加氢站建设进展等。整车端,丰田Mirai,本田Clarity,奔驰F-cell,现代Nexo等车型验证了燃料电池为高性能乘用车提供动力的可实现性。
 
丰田Mirai是全球首部量产的氢燃料电池汽车。1992年丰田汽车开始进行FCV(FuelCellVehicle)技术开发,2013年FCV概念车首次亮相东京车展。
 
丰田Mirai率先于2015年实现量产,由氢燃料电池驱动电机提供全部动力,拥有500km续航能力,最高车速可达200km/h。氢气可在5分钟内补充完毕,攻克电动汽车充电时间长的最大“痛点”。

丰田Mirai燃料电池系统目前是搭配的六叶螺杆罗茨式空压机,由丰田自动织机公司开发。
 
从目前国内外研究发展方向来看,离心式和罗茨式空气压缩机或将是今后主流的发展方向。同时,随着燃料电池系统对空气供应系统性能要求的提高,离心式空压机与涡轮匹配工作也将成为燃料电池用空压机未来发展的主要趋势之一。
 
目前,很多企业开始研究如何降低铂在催化剂中的用量,或是用其他金属来替代铂,比如钯金属,尽管如此,催化剂的成本仍然较高。但非金属催化剂的研发进度较为缓慢,短时间难以商业化。

我国氢能-燃料电池产业总体处于起步阶段
 
中国氢能产业已初步形成“东西南北中”五大发展区域。其中氢能布局最广泛的东部区域以上海、江苏和山东为代表,是中国燃料电池车研发与示范最早的地区。
 
目前,已有多家上市/非上市公司涉及产业链诸多环节,但关键环节不同程度有待突破。
 
2019年上半年共有超过17个省份22个城市就地区出台了氢能产业发展或氢能燃料电池发展规划,国家以及各地政府针对发展燃料电汽车出台了一系列补贴政策,氢燃料电池汽车进入快速发展期。
 
2019年1月至7月,氢燃料电池汽车产销量分别为1169辆和1098辆,较上年同期分别增长8.75倍和10.08倍。
 
受益于政策支持,国内燃料电池申请数量快速增加。2018年国内氢燃料电池相关专利申请数量为942项。
 
我国氢燃料电池研发主力以企业为主,专利申请数量前十名中有九位为企业,高校和研究所对于氢燃料电池的研究相对较少。
 
同时,日本企业氢燃料电池专利申请数量最多,丰田和松下的专利申请数量分别为429个和348个,燃料电池技术研究领先全球。

2019年的《中国氢能源及燃料电池产业白皮书》对氢能及燃料电池产业的技术路线及技术水平进行了估计。制氢成本至远期降至10元/公斤;储氢密度提升至6.5wt%;电堆比功率提升至6.5kW/L,寿命大幅延长,成本急剧下降。
 
白皮书对氢能及燃料电池产业的总体目标也进行了估计,氢能源比例至远期将达10%;产值将达12万亿元;加氢站、燃料电池车、固定式电源、燃料电池系统等相关装备保有量不同程度增加,其中燃料电池车是装备的主要组成部分。
 
白皮书预计到2050年,氢能将在中国终端能源体系中占比达到10%。届时氢燃料电池汽车产业产值将达到12万亿元,累计拉动33万亿元经济产值。

产业发展基础设施先行,加氢站建设运营及相关配套设备有望率先受益。
 
加氢站的布局和建设是燃料电池汽车商业化发展的突破口,低价制氢和运输也是氢燃料电池汽车进一步普及推广的关键环节,决定了行驶成本的经济性与否。
 
一方面加氢站和氢气作为燃料电池车产业重要的原料及基础设施,在燃料电池车商业化的过程中具有关键性的作用。
 
另一方面,从三大工业气体巨头依托空分技术储备及资源调配能力在氢能产业链的全方位布局的能力向国内产业发展推导,国内具有氢的制备和纯化技术储备的本土空分设备及工业气体公司,有望受益国内氢能产业的发展。
 
截至2019年12月,国内已建成51座加氢站,已投入运营的有41座,另有多座在建,但与日本、德国以及美国相比差距仍然较大。国内关于氢燃料电池产业相关投资及规划资金已超过850亿元,关于燃料电池汽车的研发支持资金达到近4.36亿元,我国计划2025年加氢站建设总数赶超日本及英国。
 
加氢站发展关键在于与下游客户取得长期稳定的合作关系,以降低外部风险因素影响使加氢站建设持续稳定进行。降低加氢站建设成本,加速加氢站关键设备的国产化进程,是促进氢能产业链发展的重要方向。
 
根据国内部分省市加氢站规划建设时间表,可以看出我国加氢站建设将在2020年迎来爆发期。
 
目前新能源汽车销量逐年上涨,燃料电池汽车也处在商业化初级阶段。而我国汽油车销量今年来明显增速放缓,相对的,新能源汽车有望迎来大发展,尤其是燃料电池汽车被世界各国认为是具有最广阔的前景。
 
类比锂电池,在燃料电池产业化催化下,国内燃料电池技术将加速突破,因此具有更多下游客户资源的企业将获得更加充分的产品验证,加速迭代;同时享受下游市场放量红利,占据市场先发优势。
 
 
(文/小编)
 
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