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摆设量到达320MW

【更新时间】2019-11-22

  2016年11月,国度沉点研发打算“新能源汽车”沉点专项“燃料电池根本材料取过程机理研究”项目正在大连启动。项目由中国科学院大连化学物理研究所牵头,21家单元配合参取,正在催化剂、质子互换膜、金属双极板、膜电极等方面开展根本性研究,同时对燃料电池低温顺应性、流场布局、水办理过程等方面进行优化设想,控制批量制备燃料电池所需电化学材料环节手艺,项目目标达到DOE2020年方针。

  国内燃料电池电堆财产链初成雏形,上逛厂商齐备,膜电极、质子互换膜和双极板具备国产化能力,气体扩散层有小批量供应,催化剂具备研发能力。

  正在耐久性方面,丰田和新源动力轿车用电堆寿命超5000h,Ballard FCvelocity-HD6燃料电池曾经达到跨越25000小不时间的耐久性记实,曾经满脚日常乘用车和商用车利用需求。轿车用电堆耐久性达到5000h,通俗乘用车用户日均行驶2h,轿车可利用7年;商用车电堆耐久性达到25000h,一辆商用车日均行驶8h,利用时间可达到8年。

  溶液浇铸成型是指正在常压下将树脂溶液注入固有模具,经溶液挥发后加热成膜的工艺。浇铸成膜方式成本较低和操做简单可控,目前国内研究机构大多采用此法,不外尝试室厚度平均性不脚。全氟磺酸钠盐树脂溶液钢带流延成型的工艺过程次要有4个部门:全氟磺酸钠盐树脂溶液配制 、钢带流延成型 、溶剂挥发和质子膜转型干燥。

  新源动力持久努力于燃料电池研发出产,公司现有产能1.5万kW/年。其开辟的HYMOD® -300型车用燃料电池电堆模块,采用高不变性、高机能的“膜基催化层膜电极设想”和高靠得住性的“复合双极板布局”,达到车用燃料电池5000小时的耐久性,实现电堆-10℃低温启动,-40℃储存。

  复合材料双极板近年来也起头有使用,如石墨/树脂复合材料、碳/碳复合材料等,国内具备研制能力。

  催化剂是燃料电池的环节材料之一,其感化推进氢、氧正在电极上的氧化还原过程。目前最好的催化剂仍是Pt和Pt基催化剂。

  PFSIEM 挤出成型工艺可分为熔融挤出成型和凝胶挤出成型,熔融挤出成型又分为熔融挤出流延成型和熔融挤出压延成型。熔融挤出成型工艺,具有厚度平均,出产效率高,树脂熔融时性小,产质量量不变等长处。PFSIEM的挤出工艺过程中次要有3 部门构成 :全氟磺酰氟树脂 (perfluorosulfonyl fluoride resin简称PFSR )挤出制粒、全氟磺酰氟薄膜制制和全氟磺酰氟薄膜的转型。

  2017年是中国燃料电池财产化的元年,部门地域开展小规模的燃料电池汽车运营,截止目前中国燃料电池汽车数量达到1000辆摆布,佛山和已有燃料电池公交大巴运转,京东、申通等物流公司起头试用燃料电池物流车。2018年国内燃料电池汽车无望冲破3000-5000台规模,中国燃料电池起头令人振奋的高速成长阶段。

  全国以富氢劣势、弃电较多或者财产领先为代表的地域注沉燃料电池成长,多地市兴建氢能财产园区,氢能小镇和财产集群等,鞭策燃料电池公交、物流车示范运营,截至目前跨越20省市明白鞭策氢燃料电池财产成长。目前仅上海、盐城、武汉、佛山和姑苏四城规划显示,到2020年燃料电池汽车数量近1万辆。

  Pt质量比活性能够通过提高概况Pt的面积比活性来改善,改变概况Pt面积比活性的主要理论指点是Pt取其他金属发生彼此间感化后,Pt原子的几何布局和电子布局发生改变。次要研究标的目的有Pt合金催化剂、Pt单层催化剂、Pt纳米管和Pt核壳等:

  颠末863打算,我国初步控制了燃料电池环节材料、部件及电堆的环节手艺,根基成立了具有自从学问产权的车用燃料电池手艺平台,燃料电池正在国表里开展了多次示范运转。2015年,我国燃料电池电堆机能达到:-20℃启动及-40℃存储;寿命3000h;功率密度2kW/L、比功率1.5kW/kg;能量效率55%。

  电堆由多个单体电池以体例层叠组合形成。将双极板取膜电极交替叠合,各单体之间嵌入密封件,经前、后端板压紧后用螺杆紧固拴牢,即形成燃料电池电堆。

  催化剂海外企业领先,国内正起步。正在燃料电池催化剂范畴, 海外企业处于领先地位,曾经可以或许实现批量化出产,并且机能不变,此中英国 Johnson Matthey和日本田中(本田燃料电池车Clarity催化剂供应商)是全球铂催化剂的巨头。国内企业尚处于研究阶段,有两类布局:(1)贵研铂业;从营汽车尾气铂催化剂,和上汽配合研发燃料电池催化剂;(2)研究机构,大连化物所、新源动力等,中国科学院大连化学物理研究所制备的Pd@Pt/C核壳催化剂,其氧还原活性取不变性表示优异。

  考虑到铂金高贵和罕见,降低Pt用量一曲是催化剂研究次要标的目的。对于质子互换膜燃料电池Pt用量的降低,一方面通过提高催化剂的催化活性来实现Pt用量降低,一方面寻找替代Pt的催化剂:

  全氟磺酸复合膜中采用其他材料改善全氟磺酸质子膜机能,好比采用 PTFE的多孔材料,以削减全氟磺酸树脂的用量,提拔力学机能,降低成本。制备复合膜工艺有溶液复合成型工艺;溶液取其他材料的复合凡是有淹没、涂布、喷涂等工艺,产物复合后再进行干燥成膜,溶液复合成型工艺如下图:

  MEA出产工艺对准低铂和高功率密度,有序化膜电极工艺是将来成长趋向。膜电极手艺履历了三代成长,大体上能够分为热压法、CCM(catalyst coating membrane)法和有序化膜电极三品种型。目前大部门厂商选择第二代CCM三合一膜电极手艺,有序化膜电极是当下工艺成长趋向。有序化膜电极能兼顾超薄电极和布局节制,具有庞大的单元体积的反映活性面积及孔隙布局彼此贯通的别致特征,能够达到高效三相传输、高Pt操纵率、高耐久性,使其成为了PEMFC范畴的研究热点,皇冠手机地址,也是下一代膜电极制备手艺的从攻标的目的。

  广东国鸿于2016年5月引进巴拉德签订引进9SSL电堆出产线手艺,并正在国内扶植年出产2万台电堆(30万kW)和5000套系统的出产线SSL系列燃料电池电堆是为交通范畴设想的液冷式电堆产物,可以或许满脚车用车载动态特征要求。它具有优良的单电池均一性,工做寿命跨越2万h,最长命命跨越2.5万h。巴拉德9ssl电堆的9SSL系列电堆产物自2009年出产至今已累计出产电堆跨越10,000台,摆设量达到320MW,产物的成熟性曾经过充实的市场验证。

  中国燃料电池财产起头加快成长,2018年估计冲破3000-5000台规模,电堆成为中国燃料电池财产成长的环节要素之一。目前电堆国产化取得长脚的前进,环节零部件能实现分歧程度的国产化,取国际先辈程度差距会敏捷缩短。

  目前碳纸产物次要由几个国际大出产商垄断,包罗日本东丽(Toray)和SGL等。东丽目前占领较大的市场份额,且具有的碳纸相关专利较多,出产的炭纸具有高导电性、高强度、高气体通过率、概况滑润等长处。

  气体扩散层凡是由基底层和微孔层构成,基底层凡是利用多孔的碳纤维纸、碳纤维织布、 碳纤维非纺材料及碳黑纸,也有的操纵泡沫金属、金属网等来制备,次要起到支持微孔层的催化层的感化,微孔条理要是改善基底层孔隙布局的一层碳粉,目标是降低催化层和基底层之间的接触电阻,使得流道气体以及发生水平均分派。

  电堆成本正在燃料电池汽车中占比最高。目前燃料电池电堆实现小规模放量和初步国产化,电堆成本曾经实现无力下降。跟着规模放大以及电堆财产国产化,电堆成本估计可降60%。

  目前燃料电池汽车正在速度、加快时间和续航均满脚日常利用,贸易化瓶颈次要是正在耐久性、低温启动和铂金需求方面,目前电堆机能达到贸易化需求。

  正在燃料电池财产链中,电堆是处于中逛焦点环节。催化剂、质子互换膜、气体扩散层构成膜电极和双极板形成电堆的上逛,电堆取空压机、储氢瓶系统、氢气轮回泵等其它组件形成燃料电池动力系统,下逛使用对应交通范畴和备用电源范畴,次要是客车、轿车、叉车、固定式电源和便携式电源等。

  质子互换膜国产化能力具备,国内东岳集团可量产DF260系列膜。目前市场前次要出产全氟磺酸膜的企业次要来自于美国、日本、以及中国,此中戈尔的Select复合膜普遍使用于燃料电池,丰田Mirai、本田Clarity和现代ix35均采用戈尔Select系列膜。除此以外,质子互换膜还有杜邦的Nafion系列膜、陶氏化学(Dow Chemical)的Xus-B204 膜、3M的全氟磺酸膜、日本旭化成的Alciplex系列膜、旭硝子的Flemion系列膜、Ballard的BAM膜和比利时Solvay的系列膜。

  电堆是发生电化学反映场合,燃料电池动力系统焦点部门。电堆工做时,氢气和氧气别离由进口引入,经电堆气体从通道分派至各单电池的双极板,经双极板导流平均分派至电极,通过电极支持体取催化剂接触进行电化学反映。

  具体到各个环节来看,气体扩散层降本次要由规模化效应驱动;而质子互换膜、催化剂和双极板降本则需国内工艺前进和规模化加以推进。

  石墨双极板由于耐久性长,普遍使用于商用车。石墨基双极板的支流供应商有美国POCO、美国SHF、美国 Graftech、日本FujikuraRubber LTD、日本Kyushu Refractories、英国 Bac2等。石墨双极板目前已实现国产化, 国产厂商次要有上海弘枫、杭州鑫能石墨等。

  国内电堆企业可分为自从研发和手艺引进两大类,自从研发企业劣势是手艺和供应链自从,但靠得住性、规模出产和供应链办理需要更大勤奋。手艺引进企业益处是研发风险低、构成产能快,错误谬误是手艺授权成本高。

  目前最好的催化剂仍是Pt和Pt基催化剂,当前铂金用量曾经降至可接管程度,按照DOE数据,2015年Pt含量达到0.16g/kw,质量比活性大于0.5A/mg。本田FCV燃料电池催化剂Pt含量降至0.12g/kw,丰田Mirai燃料电池催化剂Pt含量达到0.175g/kw。

  多孔气体扩散层将膜电极组合体夹正在两头,次要起气体扩散的感化。多孔扩散层的次要功能包罗:①实现气体正在催化层概况的扩散;②供给机械支持;③导通电流;④解除反映生成水。扩散层的材质是经疏水材料处置的碳基材料(碳纸或碳布)。疏水材料的感化是防止水正在扩散层孔中储蓄积累,影响气体扩散。

  目前国内燃料电池电堆正正在逐步起步,电堆及财产链企业数量逐步增加,产能量级提拔,到2018年国内电堆产能跨越40万kW。目前国内电堆厂商次要有两类:(1)自从研发,以新源动力和神力科技为代表;(2)引进国外成熟电堆手艺,以广东国鸿为代表,其余企业有南通百应、嘉兴爱德曼等。

  乘用车燃料电池具有高能量密度需求,金属双极板相较于石墨及复合双极板具有较着劣势。如日本丰田Mirai燃料电池汽车用金属双极板PEMFC模块的功率密度达到3kW/L,英国Intelligent Energy的新一代EC200-192金属双极板燃料电池模块的功率密度达到5kW/L。金属双极板使PEMFC模块的功率密度大幅提拔,金属双极板已成为乘用车燃料电池的支流双极板。目前金属双极板次要供应商有Cellimpact、Dana、Grabener、美国treadstone 等。国内上海治臻新能源配备无限公司曾经开辟了包罗氢空/氢氧、空冷/水冷等合用于各类的多款量产金属双极板。上海交大、新源动力、上汽集团和上海治臻结合开辟的汽车燃料电池大面积超薄金属双极板设想取细密制制手艺获得2017年度“中国汽车工业科学手艺”一等。

  按照DOE,目前质子互换膜机能正在某些方面曾经达到或跨越DOE2020年方针,机械耐久性达到23000次,化学耐久性742h,成本17$/平米。

  全氟磺酸膜是支流质子互换膜。质子互换膜按照含氟环境进行分类次要包罗全氟磺酸膜、非全氟化质子互换膜、无氟化质子互换膜和复合膜。目宿世界上支流质子互换膜是全氟磺酸膜,全氟磺酸聚合物具有聚四氟乙烯布局,其碳-氟键的键能高,使其力学机能和化学不变性优异,其聚合物膜的利用寿命远远好于其他膜材料的利用寿命,其次链上的亲水性磺酸基团具有优秀的氢离子传导特征。全氟磺酸膜也是目前正在PEMFC中独一获得普遍使用的质子互换膜,如美国杜邦的Nafion膜、陶氏公司的Dow系列质子互换膜、日本旭化成公司的Aciplex膜和日本旭叫子公司的Flemion膜,此中Nafion膜使用最普遍。

  国内产物尚处于小规模出产。上海河森公司有小批量碳纸产物,燃料电池公用高机能气体扩散层具备1000平方米/月出产能力。碳能科技公司的碳纸产物价钱较低,获得了必然市场承认。同时中南大学、武汉理工大学以及化工大学等研究机构也都有研究,此中中南大学提出了化学气相堆积(CVD)热解炭改性碳纸的新手艺,发了然取变形机制高度顺应的异型布局碳纸,采用干法成型、CVD、催化炭化和石墨化相连系的持续化出产工艺,其产物的耐久性和不变性有所提拔。

  质子互换膜是做为PEM燃料电池的焦点组件,次要功能是充任质子通道实现质子快速传导,同时还起阻隔阳极燃料和阴极氧化物的感化,防止燃料(氢气、甲醇等)和氧化物(氧气)正在两个电极见发生互串,此外还需要对催化剂层起到支持感化。质子互换膜机能黑白间接决定着PEM燃料电池的机能和利用寿命,做为PEM材料,应具有以下性质:

  当前膜电极正在机能和产能方面能够初步满脚贸易化需求。现阶段机能初步满脚财产利用,2015年MEA,正在工况前提下寿命达到2500小时,机能方面也达到810mW/cm2。膜电极厂商具备万平米级产能,目前做膜电极的厂商分为两类,一种是具备膜电极财产化能力,可以或许自给自脚的燃料电池厂商,以丰田和Ballard为代表。别的一种是专业的膜电极供应商,包罗Gore、JM、3M、Toray(Greenerity)和国内的武汉理工新能源等,都曾经具备了分歧程度的从动化出产线,年产能正在数千平米到万平米级。

  双极板是电堆中的“骨架”,取膜电极层叠拆卸成电堆,正在燃料电池中起到支持、收集电流、为冷却液供给通道、分隔氧化剂和还原剂等感化。

  手艺前提最成熟,需提高规模化出产能力。气体扩散层是目前燃料电池堆各部件中手艺前提最成熟,贸易化操纵潜力最好的产物。目前,气体扩散层面对的次要挑和除了大电流密度下水气畅达传质的手艺难点外,还存正在缺乏大量出产的问题,这使得其成本正在燃料电池堆的总成本中仍占相当一部门。DOE基于巴拉德(Ballard)动力系统公司出产的L进行成本估算,如大量出产(每年批量出产50万个电堆),其价钱可下降到4.45美元/m2 。因而,正在研究提高扩散层的机能的同时,开辟扩散层大规模出产工艺同样是研究沉点。

  中国燃料电池汽车成长径明白:通过商用车成长,规模化降低燃料电池和氢气成本,同时带动加氢坐配套设备扶植,后续拓展到私家用车范畴。优先成长商用车的缘由正在于:一方面公共交通的平均成本低,并且可以或许起到优良的社会推广结果,构成规模后带动燃料电池成本和氢气成本下降;另一方面商用车行驶正在固定的线上且车辆集中,扶植配套的加氢坐比力容易。当加氢坐数量添加、氢气和燃料电池成本降低时,又会支持更多燃料电池汽车。

  国内武汉理工新能源出产的是燃料电池的焦点零部件膜电极,年产量达到12万片,建成从动出产线平米/年。武汉理工新能源膜电极产物功率密度,最高可达1W/cm²;Pt用量低至0.3mg Pt/ cm²。

  膜电极(membrane electrode assembly,MEA)是质子互换膜燃料电池发生电化学反映的场合,是传送电子和质子的介质,为反映气体、尾气和液态水的进出供给通道,膜电极是质子互换膜燃料电池的心净。膜电极凡是由5部门构成,即两头的质子互换膜、两侧的阳极催化层和阴极催化层,最外侧的阳极气体扩散层和阴极气体扩散层。

  低温机能方面,目前电堆能够应对全球绝大部门地域和天气,丰田燃料电池汽车和本田燃料电池汽车别离实现了-37℃和-30℃启动;即便正在冬天,燃料电池汽车仍然能够满脚日常利用。

  铂金需求方面,目前本田电堆铂金载量曾经低至0.12g/kg,铂载量还处于持续下降过程中,铂金不会成为燃料电池成长瓶颈。以本田Clarity为例,单辆燃料电池车催化剂耗铂曾经降至10g摆布,而单辆柴油车需要5g做铂金做为尾气净化催化剂,目前燃料电池催化剂铂金用量曾经降至财产化程度,并且处于持续下降中,不会惹起铂金需求欠缺。假设到2025年单车铂载量5g计较,燃料电池汽车100万辆计较,铂金需求量5吨,相对2017年铂金用量244吨,边际增量只要2%;考虑燃料电池铂载量持续下降和非贵金属催化剂的成长,燃料电池汽车规模化的资本瓶颈并不存正在。

  正在国内,山东东岳集团质子互换膜机能超卓,具备规模化出产能力。2004年,东岳集团结合上海交通大学研发出质子互换膜,经日本丰田公司和Fuma.Tch公司别离检测,东岳公司出产的质子互换膜机能超卓不逊于同类产物。目前,东岳DF260膜厚度做到15um,正在OCV环境下耐久性大于600小时;膜运转时间达到6000小时;正在干湿轮回和机械不变性方面,轮回次数都跨越2万次。东岳DF260膜手艺曾经成熟并已定型量产,二代规划产能20万平米,并且东岳集团已建成年产50吨燃料电池离子膜所需要的全氟磺酸树脂出产安拆,可满脚2.5万辆电动汽车的离子膜所需。

  双极板材料次要包罗石墨、金属以及复合材料三类。石墨基双极板正在燃料电池的中具有很是优良的化学不变性,同时具有很高的导电率,是目前质子互换膜燃料电池研究和使用中最为普遍的材料。金属材料比拟石墨材料具有更好的导电和热传导机能,同时金属材料优良的机加工机能会大大降低双极板的加工难度。复合材料双极板能较好地连系石墨板取金属板的长处,使电堆拆卸后达到更好的结果。

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