氫能裝備市場調(diào)研分析報告（2022年最新版）

氫能裝備卡脖子“八大件”《中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書2020》顯示：

氫能將在重工業(yè)等難以脫碳的行業(yè)發(fā)揮重要作用，2060年氫氣年需求量從三百多萬噸的用量，將增加到1.3億噸左右，可能實現(xiàn)翻4倍增長，氫能在終端能源消費中的比例到2060將達(dá)到20%！不過，氫能裝備中有八項卡脖子技術(shù)被認(rèn)為是限制整個氫能行業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)，分別是氫燃料電池中的催化劑、擴散層、質(zhì)子交換膜、膜電極、雙極板、電堆以及上車之后的系統(tǒng)中的空氣壓縮機、氫循環(huán)泵。國家電投氫能科技公司董事長、黨委書記李連榮表示，這八項技術(shù)既限制了整個氫能行業(yè)的發(fā)展，同時這八項技術(shù)也對上游電解水制氫的技術(shù)路線的整個裝備也構(gòu)成了制約。催化劑催化劑是質(zhì)子交換膜燃料電池的核心部件，分別是陽極催化劑和陰極催化劑。里面陽極催化劑催化反應(yīng)為氫氧化反應(yīng)，陰極催化劑反應(yīng)為氧還原反應(yīng)。氫氧化反應(yīng)經(jīng)歷的是兩電子反應(yīng)，而氧還原反應(yīng)經(jīng)歷的是四電子反應(yīng)。氧還原反應(yīng)經(jīng)歷的電子轉(zhuǎn)移步驟多且復(fù)雜，導(dǎo)致其慢速的反應(yīng)動力學(xué)，從而成為制約整個反應(yīng)的速度。在已研發(fā)的燃料電池催化劑中，鉑的效率是最高的，然而鉑屬于貴金屬，產(chǎn)量低，價格昂貴，這使它提高了燃料電池的成本；其次鉑的化學(xué)穩(wěn)定性比較低，在催化過程中容易被其他的有毒化學(xué)物質(zhì)影響，導(dǎo)致其催化效率降低?？茖W(xué)家們也在不斷尋找可替代的非貴金屬催化劑來降低燃料電池的成本，延長其使用壽命。目前，開發(fā)高活性，高穩(wěn)定性，低成本，低鉑，甚至得到無鉑的氧化還原催化材料是燃料電池研究中的重要課題。國內(nèi)主要企業(yè)：濟平新能源、貴研鉑業(yè)、中科科創(chuàng)、中自環(huán)保等；國外主要企業(yè)：日本田中、英國莊信萬豐、日本JSR、巴拉德等。氣體擴散層氫燃料電池氣體擴散層（GDL）是燃料電池膜電極的重要組成部分，位于流場和催化劑層之間，是支撐催化劑層和收集電流的重要結(jié)構(gòu)，同時為電極反應(yīng)提供氣體、質(zhì)子、電子和水等多個通道。因此，開發(fā)高性能的GDL對燃料電池的耐久性和可靠性具有非常重要的意義。在燃料電池進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)時，氣體擴散層不但提供了氣相反應(yīng)物和和液體水的傳輸通道，還提供了電和熱的傳導(dǎo)通道。性能良好的氣體擴散層需滿足：多孔均質(zhì)結(jié)構(gòu)，透氣性能好；導(dǎo)熱導(dǎo)電能力強；表面平整、機械強度高、柔韌性好，利于膜電極的制造和長期使用的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；適當(dāng)?shù)挠H水/憎水平衡，防止過多的水分阻塞孔隙而導(dǎo)致氣體透過性能下降；耐腐蝕，化學(xué)穩(wěn)定性好。氣體擴散層的材料主要有碳纖維紙、碳纖維編織布、無紡布和碳黑紙等，也有利用泡沫金屬、金屬網(wǎng)等來制備。其中，碳纖維紙由于制造工藝成熟、性能穩(wěn)定、成本相對較低和適于再加工等優(yōu)點，成為擴散層的首選。目前燃料電池生產(chǎn)商多采用日本東麗、加拿大Ballard、德國SGL等廠商的碳紙產(chǎn)品。東麗占據(jù)較大的市場份額，且擁有的炭紙相關(guān)的專利較多，生產(chǎn)的炭紙具有高導(dǎo)電性、高強度、高氣體通過率、表面平滑等優(yōu)點。我國對碳紙的研發(fā)主要集中于中南大學(xué)、武漢理工大學(xué)等高校，還有臺灣碳能科技。碳能科技的碳紙不像前面幾家（主要供應(yīng)航天、汽車等領(lǐng)域），生產(chǎn)燃料電池膜電極專用碳紙，價格較低但是性能也相對較差。國內(nèi)江蘇天鳥具備優(yōu)秀的碳纖維織物的生產(chǎn)能力，但可惜的是但由于燃料電池市場太小，尚無量產(chǎn)計劃。質(zhì)子交換膜質(zhì)子交換膜（PEM）是PEMFC的核心部件之一，能傳遞質(zhì)子但對電子絕緣，直接影響著燃料電池的性能和使用壽命。

目前，工業(yè)應(yīng)用的膜材料主要是全氟磺酸膜、非全氟磺酸膜、無氟化質(zhì)子交換膜等。作為電池的電解質(zhì)，PEM的作用包括:(1)防止電池陰陽極接觸，避免兩極燃料直接反應(yīng)，確保能源利用率;(2)傳輸氫質(zhì)子，高質(zhì)子電導(dǎo)率的PEM是電池效率的保證;(3)阻隔電子，確保電子從外電路傳輸，達(dá)到使用電能的目的。因此，PEM實質(zhì)上是一種致密的選擇性透過膜。從所起的作用和商用的實際需求來看，用于PEMFC的質(zhì)子交換膜必須滿足的條件包括:(1)高的質(zhì)子傳導(dǎo)性能，可以降低電池內(nèi)阻，提高電流密度;(2)較好的穩(wěn)定性，包括物理穩(wěn)定和化學(xué)穩(wěn)定，阻止聚合物鏈降解;(3)較低的尺寸變化率，防止膜吸水和脫水過程中的膨脹和收縮引起的局部應(yīng)力增大造成膜與電極剝離;(4)較高的機械強度，可加工性好，滿足大規(guī)模生產(chǎn)的要求;(5)較低的氣體滲透率，防止氫氣和氧氣在電極表面發(fā)生反應(yīng)，造成電極局部過熱，影響電池的電流效率;(6)適當(dāng)?shù)男詢r比。由于全氟磺酸型質(zhì)子交換膜具有機械強度高、質(zhì)子傳導(dǎo)能力強兩大優(yōu)勢，使得其真正應(yīng)用于質(zhì)子交換膜燃料電池。目前市場上在售的全氟磺酸型質(zhì)子交換膜主要有美國杜邦公司(DuPont)的Nafion系列膜，比利時蘇威(Solvay)的Aquivion膜，美國陶氏化學(xué)(Dow)的Dow膜，日本旭硝子(AsahiGlass)的Flemion膜，日本旭化成(AsahiChemical)的Aciplex膜等。我國山東東岳集團也已可以自主生產(chǎn)全氟磺酸樹脂。膜電極作為燃料電池電堆的“心臟”，膜電極很大程度上決定著電堆的性能水平。其結(jié)構(gòu)上由質(zhì)子交換膜、催化劑和氣體擴散層三大基礎(chǔ)部件構(gòu)成。作為燃料電池中技術(shù)門檻最高的一環(huán)，膜電極的結(jié)構(gòu)設(shè)計和制備工藝都較為復(fù)雜。因此能否實現(xiàn)膜電極的自產(chǎn)成為了眾多投資者選擇電堆制造企業(yè)的重要衡量標(biāo)準(zhǔn)，也從某種意義上說明了膜電極的重要性。由于較高的技術(shù)壁壘，國內(nèi)商業(yè)化膜電極來源主要依靠進(jìn)口，據(jù)統(tǒng)計資料表明，截至2021年2月，累計裝車使用的電堆中超過70%的膜電極來自進(jìn)口。其原因主要是產(chǎn)業(yè)初期，產(chǎn)業(yè)鏈的攻關(guān)重點集中在系統(tǒng)和電堆上，對膜電極的關(guān)注度不夠，產(chǎn)業(yè)鏈上存在缺失，自產(chǎn)膜電極相比技術(shù)成熟的進(jìn)口膜電極性能相差較大。膜電極是燃料電池多重反應(yīng)的一個交匯點，包括燃料電池的傳質(zhì)傳熱，需要把整個反應(yīng)過程控制好，對燃料電池性能和壽命起到至關(guān)重要的作用。所以，膜電極不管是在燃料電池電堆中的作用性以及成本來講都非常重要。早期的發(fā)展中，主要是引進(jìn)和消化巴拉德的技術(shù)，膜電極都是以進(jìn)口采購為主。不過現(xiàn)在國內(nèi)有一批膜電極制造企業(yè)站了出來，從小規(guī)模應(yīng)用到規(guī)模化出貨，功率密度達(dá)到1.2W/cm2甚至少數(shù)企業(yè)能達(dá)到1.4W/cm2以上，測試使用壽命達(dá)到了1-2萬小時，產(chǎn)品良品率也大幅提高。雙極板雙極板作為

質(zhì)子交換膜燃料電池（

PEMFC）

的重要組成部分，其質(zhì)量約占電池堆的80%，成本約占38%，幾乎占據(jù)了燃料電池堆的所有體積。因此，其材料的選擇與PEMFC電化學(xué)性能密切相關(guān)。因此，對雙極板材料的研究已成為PEMFC研究中的熱點之一。目前，國內(nèi)外對于PEMFC雙極板材料的研究主要集中在石墨、金屬和聚合物復(fù)合材料方面。國際市場上，歐美日石墨、金屬雙極板整體較強，美、英復(fù)合材料雙極板處于世界先進(jìn)水平。國內(nèi)石墨雙極板較成熟，個別廠商生產(chǎn)的石墨雙極板部分性能已達(dá)國際先進(jìn)水平。金屬和復(fù)合材料雙極板在我國研究較晚，技術(shù)仍有較大提升空間。燃料電池電堆電堆是燃料電池動力系統(tǒng)核心部分，由多個單體電池以串聯(lián)方式層疊組合構(gòu)成。將雙極板與膜電極交替疊合，各單體之間嵌入密封件，經(jīng)前、后端板壓緊后用螺桿緊固拴牢，即構(gòu)成燃料電池電堆。國外乘用車廠大多自行開發(fā)電堆，并不對外開放，例如豐田、本田、現(xiàn)代等。也有少數(shù)采用合作伙伴的電堆來開發(fā)發(fā)動機的乘用車企業(yè)，例如奧迪（采用加拿大巴拉德定制開發(fā)的電堆）和奔馳（采用奔馳與福田的合資公司AFCC的電堆）。乘用車因為空間限制，目前只能采用高壓金屬板電堆的技術(shù)方案。目前國外可以單獨供應(yīng)車用燃料電池電堆的知名企業(yè)主要有加拿大的Ballard和Hydrogenics，歐洲和美國正在運營的燃料電池公交車絕大多數(shù)采用這兩家公司的石墨板電堆產(chǎn)品，已經(jīng)經(jīng)過了數(shù)千萬公里、數(shù)百萬小時的實車運營考驗，這兩家加拿大電堆企業(yè)都已經(jīng)具備了一定產(chǎn)能，Ballard還與廣東國鴻設(shè)立了合資企業(yè)生產(chǎn)9SSL電堆。此外還有一些規(guī)模較小的電堆開發(fā)企業(yè)，例如英國的Erlingklinger，荷蘭的Nedstack等，在個別項目有過應(yīng)用，目前產(chǎn)能比較有限。國內(nèi)能夠獨立自主開發(fā)電堆并經(jīng)過多年實際應(yīng)用考驗的有大連新源動力和上海神力，大連新源動力采用的是金屬板和復(fù)合板的技術(shù)路線，與上汽合作，開發(fā)了榮威950乘用車和上汽V80客車。上海神力成立于1998年，是中國第一家專業(yè)的燃料電池電堆研發(fā)生產(chǎn)企業(yè)，目前兩家都建成了燃料電池電堆中試線，正處于從小批量到產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵階段。另外有一些新興的燃料電池電堆企業(yè)，例如弗爾塞、北京氫璞、武漢眾宇等，也開發(fā)出燃料電池電堆樣機和生產(chǎn)線，正處于驗證階段?？諝鈮嚎s機燃料電池工作系統(tǒng)在燃料電池電動車工作中起著至關(guān)重要的作用，而此系統(tǒng)的運行離不開空壓機對其提供的壓縮空氣，空壓機的性能直接影響著整個燃料電池系統(tǒng)的壓縮比、效率、噪聲等重要性能指標(biāo)。目前，車用氫燃料電池空氣壓縮機主要有離心式、螺桿式、羅茨式、渦旋式等。離心式空壓機轉(zhuǎn)速高、尺寸小、質(zhì)量輕，但存在喘振現(xiàn)象，在變工況下，性能會變差，甚至影響到壓縮機的使用和壽命安全。螺桿式屬于機械增壓，在工況變化的情況下，其性能幾乎不變，效率高、可靠性高，但噪聲較大、質(zhì)量較重。羅茨式因壓力值達(dá)不到氫燃料電池工作的最佳效率點，且振動噪聲大、效率低。渦旋式受限于自身結(jié)構(gòu)原因，空間占用較大；同時，因無油渦旋空壓機的密封方式為PTFE密封條結(jié)構(gòu)，在工作運轉(zhuǎn)過程中，密封條磨損大、壽命短；在車用變工況使用的情況下，可靠性差。離心式空壓機通過旋轉(zhuǎn)葉輪對氣體做功，在葉輪與擴壓器流道內(nèi)，利用離心升壓和降速擴壓作用，將機械功轉(zhuǎn)化為氣體內(nèi)能。由于具有結(jié)構(gòu)緊湊、響應(yīng)快、壽命長和效率高的特點，是最被看好的增壓方式之一。氫循環(huán)泵對于燃料電池發(fā)動機這個心臟來說，作為“血液”的氫氣是否能高效循環(huán)反應(yīng)，是動力能否順暢輸出的關(guān)鍵，而氫循環(huán)模塊就像是一個“起搏器”，是氫燃料電池發(fā)動機的關(guān)鍵技術(shù)之一?，F(xiàn)階段氫循環(huán)產(chǎn)品主要有氫氣循環(huán)泵、氫氣引射器等產(chǎn)品，系統(tǒng)廠家根據(jù)各自產(chǎn)品