...和量產化破解成本難題,燃料電池膜電極發展現狀 | 未來能源創投風向標

作者 | 韓哲熙;編輯 | 張麟

膜電極(MEA)是燃料電池中的核心部件,由氣體擴散層、催化劑層、質子交換膜三層組成,既是多相物質傳輸的場所,也是燃料電池化學反應發生的場所,對電池整體的化學效能有直接影響,其成本更是佔到電堆成本的70%,因此膜電極也被形象稱為是燃料電池的“心臟”“晶片”。

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氫燃料電池原理 來源:氫能源網

一般而言,理想的膜電極需要具備高功率密度、低鉑載量、長耐久性和使用壽命等效能特點,美國能源部要求2020年車用膜電極達到耐久性≥5000h;功率密度≥1W/cm2額定功率。

具體到膜電極的各個部件來看,質子交換膜(PEM)以全氟磺酸型膜為主,其他的複合膜、高選擇性膜、石墨烯改性膜、高溫膜、鹼性膜還處在研發階段,是近年來的研究熱點和前沿方向。

催化劑以鉑基為主,目前主流的催化層是鉑碳催化劑,即將鉑負載到活性炭上的一種載體催化劑。但由於鉑是貴金屬,資源稀缺,成本高昂,因此處於降本的考慮,發展低鉑催化劑、無鉑非貴金屬催化劑被認為是膜電極企業未來的重點攻關方向。

氣體擴散層將催化劑層和質子交換膜夾在中間,起到導電、散熱和排水的作用,由微孔層、支撐層組成,微孔層由碳黑、憎水劑構成,支撐層材料以碳紙為主。

膜電極的製備工藝主要有四種,分別是熱壓法、梯度法、CCM、有序化。其中CCM採用卷對卷直接塗布、絲網印刷、噴塗等方法先將催化劑塗布到質子交換膜兩側形成CCM,再將氣體擴散層熱壓在CCM兩側形成膜電極,是目前市場應用最廣泛、商業化最成熟的製備方法。

反映到市場層面來看,隨著今年來各地陸續出臺氫能產業發展規劃,未來下游氫燃料汽車的需求擴大將會為燃料電池核心零部件膜電極市場帶來更大的增長空間。

高工產研氫電研究所資料顯示,2021年國產膜電極需求量為12。9萬m²,假設2030年燃料電池車需求達100萬輛,對應2030年膜電極需求接近1000萬平方米,對應2030年市場規模在350億元上下。

雖然市場層面給出的估計比較樂觀,但由於我國膜電極技術相對國外(尤其是美國、日本、德國)起步較晚,早期膜電極產品主要依賴進口,價格較高,一定程度上制約了氫燃料電池的大規模應用。

但自2018年以後,隨著國內膜電極技術的進步,國內的膜電極廠商的出貨量有了“逆襲”之勢,進口膜電極市場份額隨之逐年降低,從18年的72%到21年已降至25%。

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進口膜電極市場份額走勢 來源:勢銀

根據全球氫能的測算,如果可以實現關鍵部件的國產化替代,產業規模從年產1000套提升至年產50萬套,可以帶動膜電極成本降低13%。因此未來,透過實現關鍵部件的國產化替代、擴大生產規模來降低膜電極生產成本將是必然的發展趨勢。

就市場格局而言,國內目前從事膜電極生產的主要有三類企業:第一類是獨立第三方膜電極供貨商,如鴻基創能、武漢理工氫電、擎動科技等。第二類是自建膜電極生產線的燃料電池廠商,如未勢能源、捷氫科技、南科燃料,其膜電極產品以自建自供為主。

此外,還有一些跨界佈局氫能的企業,如汽車零部件製造商威孚高科、塗布材料供貨商納爾股份等。本文接下來將按照上述三種類型,根據現有公開資料對國內膜電極供貨商進行詳細梳理。

第三方獨立膜電極供應商

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2021年國產第三方膜電極供貨商出貨top5 來源:高工產研氫電研究所

第三方獨立膜電極供應商

鴻基創能科技(廣州)有限公司成立於2017年12月,美錦能源參股。公司致力於質子交換膜燃料電池用自主化高效能催化劑塗層質子膜(CCM)及膜電極(MEA)的產業化和商業化,是我國較早實現膜電極大規模產業化的企業之一,目前在佛山、廣州設立了研發生產雙中心,在重慶、北京、上海、溫哥華等地設有分部。團隊以加拿大國家工程院院士葉思宇博士為核心,掌握CCM雙面直接塗布、膜電極一體化、膜電極自動化快速封裝技術。其膜電極產品在1。5A/ cm2的條件執行時產品功率密度超1W/ cm2。客戶以國內市場為主,國外公司佔20%。

鴻基創能科技CEO稱,目前公司膜電極市場佔有率在30%左右。公司共有三條膜電極生產線,其中一條在建,CCM日產能達3萬片,MEA日產能超過2。4萬片。2021年膜電極產能為400萬片,出貨108萬片,位於行業首位。計劃到2025實現膜電極產能2000萬片。

2022年6月,鴻基創能膜電極及PEM電解水制氫專案在廣州投產,膜電極年產能500萬片。

鴻基創能

上海唐鋒能源科技有限公司創建於2017年7月,主營業務為燃料電池膜電極研發、生產、測試和銷售,現已完成億元級B輪融資。核心技術依託於上海交通大學燃料電池研究所成果轉化,核心成員來自上汽、蔚來等知名企業。工藝方面,自主開發CCM塗敷工藝,MEA自動封裝工藝及膜電極成型工藝,年產能達到100萬片,2021年膜電極出貨量排名國內第二。產品方面,由唐鋒能源自主研發的低鉑膜電極,鉑載量

鴻基創能

武漢理工氫電科技有限公司成立於2018年3月,雄韜股份控股,技術來自武漢理工大學潘牧團隊,專注於膜電極的產業化與研發,是國內早期成功開發出CCM膜電極的企業之一,主要產品包含車用和電站用燃料電池膜電極以及PEM電解水膜電極,其車用膜電極功率密度達1。68W/cm2 ,鉑載量≤0。5 mg/cm2 。產品大批量出口美國、德國、韓國等國際市場,累計銷售超200萬片,是全球第五大膜電極生產商,年營收過億,國內客戶包括東風、北汽福田、宇通和金龍等。

2019年,公司膜電極自動化產線建成投產,年產能達2萬平方米,2022年4月擬投資2億元自建廠房,將膜電極的產能擴大5到10倍至10到20萬平方米,預計明年底投產。

唐鋒能源

蘇州擎動科技成立於2016年7月,是一家燃料電池核心關鍵材料製造商,核心技術來自國家高層次海外人才朱威博士帶領的團隊,具備自主研發生產催化劑,並將其批次搭載至膜電極上的能力,其最新的一代開發的膜電極效能可超過到2W/cm2 ,使用壽命2萬小時以上。產品包括Pt/C催化劑、車用和非車用MEA、燃料電池MEA等,目前已有30餘款使用擎動催化劑和膜電極的燃料電池車輛入圍工信部公告目錄,2021年膜電極出貨量排名國內第4,已累計出售100萬片。

公司現擁有催化劑產線一條(產能1000kg/年),全自動膜電極直接塗布生產線和膜電極封裝生產線2條,MEA年產能可達200萬片。2022年5月被燃料電池電堆廠商氫晨新能源全資收購。

唐鋒能源

上海億氫科技有限公司成立於2019年6月,由億華通、東嶽集團、水木清華聯合創立,已完成兩輪融資。主要產品為膜電極,目前億氫科技已完成第一代到第三代產品的開發並裝車實況執行(單堆實況執行>5萬公里,累計超400萬公里),最新一代膜電極功率密度超過1。35W/cm2。

武漢理工氫電

江蘇延長桑萊特新能源有限公司 成立於2011年5月,是陝西延長石油集團旗下企業,有氫能利用和智慧光電兩個事業部,其中 氫能利用事業部聚焦於燃料電池低鉑催化劑、膜電極、電堆等關鍵材料及部件的研發生產、檢測和銷售,核心技術來自南京大學鄒志剛院士帶領的團隊。產品主要針對空冷電堆和車用水冷電堆兩種用途,可根據客戶的需求按需定製,海外客戶包括美國Plug Power、印度DRE、美國Alternative Energy、英國ENOCEll等。

2021年膜電極累計出貨量超2萬片,公司新建廠線將達到年產30萬平方米的膜電極、1000公斤的催化劑的產能。

武漢理工氫電

擎動科技

未勢能源科技有限公司成立於2019年4月,是一家燃料電池動力系統及零部件製造商,主要產品涵蓋燃料電池發動機、電堆、膜電極、35MPa/70MPa車載氫系統、瓶閥及減壓閥等,其第一代膜電極產品目前已完成功率密度≥1。2W/cm2的開發與測試評價,應用於自主開發的電堆產品中。

2021年9月由未勢能源自主研發的“卷對卷”膜電極生產線,從小批次試製生產轉為大規模量產。該產線全面達產後,可年產膜電極百萬片以上。

擎動科技

新源動力股份有限公司成立於2001年4月,大連物化所參股並提供技術支援,主要從事氫燃料電池膜電極、電堆模組、系統及相關測試裝置的設計開發、生產製造和技術服務。由新源動力研發的HYMEA膜電極產品效能功率密度≥1。0W/cm2,耐久性5000-10000h。

新源動力研發的第二代和第三代車用質子交換膜燃料電池膜電極,已投入市場使用。目前,第四代低鉑膜電極正在開發驗證階段。

億氫科技

廣東喜瑪拉雅氫能科技有限公司成立於2020年,是一家氫燃料電池及發電機生產企業,核心技術來自清華大學成果轉化,主要產品為催化劑、膜電極、雙極板、電堆、氫燃料電池和發動系統等。由喜瑪拉雅研發的專利產品七合一膜電極採用熱定型一體化封裝技術,和石墨烯熱電管理層技術以改善膜電極的效能,目前可日產10臺36kW電堆用膜電極。

億氫科技

深圳市南科燃料電池有限公司成立於2016年6月,由加拿大國家科學院王海江院士團隊、南方科技大學、深圳市政府、正道產業投資集團合資設立。產品包括燃料電池電堆、膜電極、雙極板等,掌握膜電極批次化生產工藝技術,其膜電極產品可應用於乘用車、商用車和無人機等領域,能量密度最高1。64W/cm2,壽命超過1萬小時。現已完成一條規模化生產的膜電極生產線(年產量可供2000臺30千瓦電堆使用)搭建。

桑萊特

阜陽攀業氫能源科技有限公司成立於2020年3月,是攀業氫能的全資子公司,主要從事燃料電池核心原材料製造以及水冷電堆的研發和生產,具備從催化劑、膜電極到燃料電池堆的批次化生產能力。現已建成幅寬達570mm膜電極陰極生產線,年產36萬平方米,另有一條年產36萬平方米CCM膜電極陽極塗布生產線在建。

桑萊特

浙江鋒源氫能科技有限公司成立於2015年,是一家氫燃料電池以及核心零部件生產製造商,為汽車、發電站等平臺提供氫能源解決方案,目前已完成四輪融資。公司獲得清華大學氫燃料電池實驗室多項核心專利的轉移和授權,並承擔其產業化任務。由鋒源氫能自主研發的Lucifer系列膜電極峰值功率1。68W/cm2,單片電壓0。6V,電流密度達到2800mA/cm2,設計壽命25000h,實測2000h效能衰減1%,單日產能3000餘片。

電堆供應商

上海捷氫科技股份有限公司成立於2018年6月,是上汽集團旗下的氫燃料電池研發生產商,產線覆蓋膜電極、燃料電池電堆、燃料電池系統、儲氫系統,擁有萬臺級“卷對卷”膜電極生產線,其膜電極產品已應用於燃料電池電堆——捷氫啟源M4H。2022年8月,與新能源裝備製造商先導智慧就實現燃料電池催化劑漿料製備技術、CCM塗布技術升級達成戰略合作。

電堆供應商

愛德曼氫能源裝備有限公司成立於2016年,是一家氫能源燃料電池系統供應商,產品包括金屬雙極板、膜電極、質子膜燃料電池等。其膜電極MEA效能指標為2000mA@0。66V,掌握金屬表面塗層技術;擁有催化劑漿料配方。2021年7月宣佈完成超4億元B輪系列融資,此前在6月完成近億元A輪融資。

未勢能源

東方電氣(成都)氫燃料電池科技有限公司成立於2018年,是能源裝備製造國企東方電氣旗下的燃料電池供應及服務商,產品包括膜電極、電堆、燃料電池發動機、供氫系統、燃料電池車輛動力總成解決方案等。膜電極方面,東方氫能採用直接CCM製備技術,可提供3-Layer/5-Layer/7-Layer規格的高效能膜電極系列產品。功率密度超過1。6W/cm2,動態車況壽命實測超過1萬小時。可批次化應用於車用系統、備用電源,目前已小批次應用於一汽、廣汽等客戶,具備量產基礎。2022年3月,東方氫能獲6位投資者增資2。49億,現正推進IPO。

未勢能源

國家電投集團氫能科技發展有限公司由2017年由國家電投批准成立,旗下擁有7家氫能產線子公司,分別在華東、華中、華南等地建設氫能產業基地,主要生產電堆、膜電極等全套氫燃料電池原料及電解水制氫裝置等開發。由國氫科技研發的膜電極功率密度1。5W/cm2,鉑載量0。4 mg/cm2,耐久壽命1萬小時。2021年,膜電極年產能6萬平方米,預計到2025年將達50萬平方米。

新源動力

東莞眾創新能源科技有限公司成立於2017年,核心技術來自東莞北京航空航天大學研究院的研究成果,主要從事氫燃料電池、氫燃料電池核心部件(膜電極、雙極板)及氫燃料電池供電系統的研發、生產與銷售。由其自主研發的ZCA7型風冷自增溼膜電極產品,裝堆實測電流密度超過800mA/cm2@0。6V,ZCW7水冷型膜電極產品裝堆實測電流密度達到1100mA/cm2@0。65V,風冷型膜電極產品已在國內其他燃料電池生產企業的多款高效能燃料電池中得到應用和效能驗證。

新源動力

清能股份成立於2003年,是一家大功率燃料電池電堆和系統供應商,可實現膜電極、雙極板、電堆及氫迴圈系統4大核心零部件自主研發生產。主要研發及生產基地在中國,並在新加坡、美國、澳大利亞等地設有多家子公司。2021年11月,清能股份子公司——廣東清能的萬臺級燃料電池核心零部件與系統製造基地投產。

喜瑪拉雅

紹興俊吉能源科技有限公司成立於2007年,產品包括氫燃料電池核心材料(催化劑、膜電極)、電堆、應急電源、控制系統等。由俊吉科技研發的膜電極功率密度1。44W/cm2 ,主要透過第三方供應給大型車企,應用於貨車、客車等商用車(功率15kW-150kW)。

喜瑪拉雅

南科燃料

無錫威孚高科技集團股份有限公司成立於1958年,是國內汽車零部件的著名生產廠商。公司字2018年著手佈局氫燃料電池零部件,先後收購了丹麥老牌燃料電池部件公司IRD和金屬雙極板供應商比利時Borit,擁有多項膜電極產品專利技術。2022年1月威孚高科公告,宣佈成立氫能事業部及氫燃料電池零部件業務合資公司,並計劃在2021-2025年期間,實現全球產能膜電極800萬片,其中亞太(中國)實現產能膜電極400萬。

南科燃料

廣東道氏技術股份有限公司成立於2007年,業務包括鋰電材料、碳材料、陶瓷材料三大板塊,2019年與上海重塑共同出資設立道氏雲杉,從事氫燃料電池膜電極(MEA)等材料的研製和銷售,另外增資泰極動力,由道氏雲杉為泰極動力提供膜電極設計及關鍵材料,泰極動力負責膜電極驗證、組裝及大規模生產。據悉,泰極動力第一條脈衝噴塗膜電極(MEA)產線已投產,第二條狹縫塗布膜電極產線預計第四季度投產,已為上海韻量、山東氫探、一汽解放供貨膜電極。

阜陽攀業

上海納爾實業股份有限公司成立於2002年,是一家精密塗布材料供應商。2021年公司跨界進入氫電領域,與中科院上海有機化學研究所博士胡裡清合資成立納爾氫電,主營高效能燃料電池,膜電極等燃料電池系統核心零部件。

納爾氫電配套CCM生產線,一期規劃產能為200萬片,目前已經處於產品試生產及測試除錯中。

總體來看,膜電極市場還處在一個以國產代替進口的快速變動時期,尚未形成穩定局面和幾家獨大的寡頭廠商,新入局者眾多且勢頭迅猛。根據勢銀統計,2020年膜電極行業CR5達84%,其他國內企業有東方氫能、清能股份、新源動力等5家,2021年膜電極行業CR5降至67%,其他國內企業增至10家,新增擎動科技、國電投氫能等。

未來,隨著政策完善扶持與下游需求規模擴大,膜電極市場的競爭將會進一步加劇,有分析認為,開拓增量市場,如PEM電解水制氫和多場景燃料電池膜電極開發,將會是膜電極企業的新一輪發展方向。

阜陽攀業

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