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一文读懂氢能产业链与温度传感器

特普生科技 特普生科技 2022-10-17 12 180

氢能,指氢在物理与化学变化过程中释放的能量,可用于储能、发电、各类交通工具用燃料、家用燃料等。氢能也是二次能源,绿色零排放,或是能源终极形式。

【氢能源产业链】
上游:制氢产氢、储存运输、加氢站运营;
中游:燃料电池系统及零部件生产制造;
下游:氢燃料电池应用等众多环节。

制氢路径会按照制氢地的资源禀赋不同而有所变化,储氢环节主要还是气态储氢,但合金储氢前景较好,加氢站环节会呈现中央制氢与分布式制氢共存互补的格局,燃料电池环节的机会在于质子交换膜、低成本催化剂以及储氢瓶,下游应用环节中汽车市场最大,汽车应用市场中预计氢燃料电池商用车市场最先爆发。

二、氢能产业链

三、氢能产业链上游

1、氢气制取

氢气制取是氢能产业链中的重要一环。按制取技术可分为化石能源制氢、工业副产制氢和电解水制氢:

化石能源制氢(也称灰氢),是我国氢气的主要来源,制取成本较低,但碳排放较高,不利于我国“3060”目标的实现;

工业副产气制氢(即蓝氢),主要指生产焦炉煤气、合成氨、合成甲醇等化工产品时所得到的氢气。

电解水制氢(即绿氢),制氢过程不排放温室气体,且氢气纯度高,是未来制氢的主要方向。但目前电解水制氢的耗电量大,生产成本较高。

2、氢气储运

氢气储运是制约我国氢能产业发展的关键环节。氢气作为自然界最轻的气体,其独特的物理、化学性能,使得储存和运输的难度非常大、成本高昂,这也成为受阻氢能产业发展的原因之一。一种储氢方式对应一种运氢方法,目前储运氢的方式主要有四种,分别是以高压气态、低温液氢、有机液体和固体的方式进行储运。

如今高压气态储氢的技术成熟,在未来一段时间内会成为我国主推的储氢技术;低温液氢储运主要运用在航空航天领域;有机液体和固体储运仍在研究、示范阶段。

3、加氢站

加氢站的主要部件有加氢机、氢气压缩机(占总成本比例约30%)、储氢瓶组等。目前设备制造的发展方向是加速氢气压缩机的国产化进程,进而降低加氢站的建设成本。

截止2022年7月5日,我国累计建成加氢站共272座。其中广东省站数最多,达到52座,全国第一;山东省29座,居全国第二;江苏和浙江的站数量均超20座。在直辖市中,上海站数量最多,到15座;北京14座。目前来说,我国除西藏、青海、甘肃外, 加氢站已实现全覆盖。按加氢站数量规划,2025年总规划数将超800座。

四、氢能产业链中游

在氢能产业链中游,主要围绕燃料电池及其八大关键部件介绍:

1、燃料电池

燃料电池是将氢气和氧气的化学能直接转换成电能的发电装置。基本原理是电解水的逆反应。燃料电池比常见的锂电池系统更复杂,主要由电堆(整个电池系统的核心)和系统部件(空压机、增湿器、氢气循环泵、储氢瓶组)组成。

△ 燃料电池系统工作原理——把氢和氧分别供给阳极和阴极,氢通过阳极向外扩散和电解质发生反应后,放出电子通过外部的负载到达阴极。

2、燃料电池八大关键部件

在氢能领域,工信部将燃料电池的八大关键部件分为:燃料电池电堆、双极板、膜电极、质子交换膜、催化剂、气体扩散层、空压机和氢气循环泵,这也是我国发展氢能产业需要重点攻克的环节。

燃料电池电堆,发动机系统的核心部件,是氢气和氧气发生电化学反应及产生电能的场所。

由于单个燃料电池单元输出功率较小,通常会将多个燃料电池单元串联起来构成电堆,以此提高输出功率。因此,电堆是由双极板与膜电极交替叠合,各单体之间嵌入密封件,经前、后端板压紧后用螺杆拴牢,构成的复合组件。在燃料电池汽车的整车成本中,燃料电池系统约占60%,燃料电池电堆又占燃料电池系统成本的62%以上,所以降低燃料电池电堆成本是发展燃料电池汽车产业的关键。

双极板,质量约占燃料电池电堆的60-80%,成本占20-40%,并且几乎占据了整个燃料电池电堆的全部体积,起到支撑机械结构、均匀分配气体、排水、导热、导电的作用。

根据材料不同,双极板可分为石墨双极板、金属双极板以及复合材料双极板。石墨双极板——质量轻、稳定性强和耐腐蚀性高,但机械性能较差;金属双极板——机械性能强、厚度薄、阻气性好,但易腐蚀,寿命较短;复合双极板——兼具石墨板和金属板的优点,但制备工艺繁杂,成本较高。

膜电极,主要由质子交换膜、催化剂、边框和气体扩散层组成,一般是一种七层叠加结构。

目前,国内外膜电极厂商生产的产品性能差距越来越小,制备价格低廉、性能高、耐久性好的膜电极也成为国内外厂商的关注焦点。从国内企业布局情况看,2021年后膜电极企业扩产加速,双面直接涂布技术和膜电极一体成型技术正在成为主流。

质子交换膜,起到隔绝电子、分隔阴阳两极并传导质子的功能,制作工艺复杂,具有较高的技术壁垒和资质壁垒。

按含氟量,可将质子交换膜分为全氟磺酸膜、部分氟化聚合物膜、新型非氟聚合物膜、复合膜等。全氟质子交换膜,由于其优秀的热稳定性、化学稳定性、较高的力学强度以及较高的产业化程度而得到广泛应用。

燃料电池催化剂,分为铂催化剂、低铂催化剂、非铂催化剂。

在催化剂工业化生产上,我国远落后于国外,曾长时间靠进口,这不仅推高了燃料电池成本,还限制了我国氢能产业的发展进程。目前,我国的燃料电池催化剂的国产化进程不断加快,近期中自环保的燃料电池催化剂生产线建成并顺利通过验收。自环保生产线的建成,对燃料电池核心材料向着国产化推进、实现技术可控并降低成本都有着重大意义。

气体扩散层,通常由基底层和微孔层组成。气体扩散层基底层经过疏水处理后,在其上涂覆单层或多层微孔层,从而制成气体扩散层。在燃料电池中起到支撑催化层、收集电流、传导气体和排出反应产物水的重要作用。

按基底层不同,可分为碳纤维纸基材,碳布基材和金属基材等类型。现阶段,燃料电池生产商大多采用日本东丽、美国AvCarb、德国SGL等厂商的气体扩散层产品,不过我国通用氢能、江苏氢电等企业在技术层面基本可以对标国际先进产品,有望实现产业化。

氢气循环泵,我国主流的氢气循环产品。如果把电堆比作燃料电池的“心脏”,那氢气就是“血液”,而氢气循环系统就是“强心肌”,保障“血液”流动。氢气循环产品主要包括氢气循环泵和氢气引射器:与氢气引射器相比,氢气循环泵具有主动可调节、快响应速度、宽工作区间等优势。

空压机,由压缩元件、驱动器、驱动压缩机元件的机械设备等组成。

不同于普通空压机,燃料电池空压机需要满足绝对无油、低噪声、高可靠性、高效、小型化、工作范围宽、良好的动态响应能力、良好的热管理等诸多严苛要求。从市场占比来说,燃料电池空压机的国产化程度较高,国内领先企业包括金士顿、势加透博等。

五、氢能产业链下游

在产业链下游,氢能的应用主要体现在交通、发电、储能、工业等场景,其中交通是氢能消费重要的突破口。

截至2022年4月30日,新能源汽车国家监测与管理平台累计接入燃料电池汽车共计8198辆。其中燃料电池客车最多,共接入4241辆,占总量的51.73%;专用车接入3945辆,占48.12%,包括物流特种车、工程特种车和环卫特种车等;而乘用车共接入12辆,占0.15%。

从燃料电池汽车示范应用来看,当前我国有京津冀、上海、广东、河北、郑州五大示范城市群。五大示范城市群累计接入5853辆燃料电池汽车,占全国燃料电池汽车接入量的71.40%。其中,广东城市群燃料电池汽车累计接入量最多,达到2604辆。

六、与温度传感器

1. 在温度传感器产品上的应用

本身易爆、易挥发,燃料电池汽车车载氢系统所面临的危险源主要是着火和爆炸,因此人们对于汽车车载氢系统的安全性提出了疑问。联合国欧洲经济委员会为对各国安全技术要求进行协调,使得公众对氢燃料电池更加认可,成立了专项工作组,起草了全球技术法规GTRNO.13《氢燃料电池汽车全球技术法规》,在该技术法规中对氢燃料电池汽车的安全性作出了明确规定。

氢气资源非常好,清洁、可再生。氢燃料电池电动车为例,国外技术已相当成熟,它是一种使用电动机驱动,以氢燃料经电化学反应产生的电能为动力源的新能源汽车。

由于化学反应后只生成水,排放接近于零,对比锂电池类新能源汽车,消费者没有续航焦虑问题,无需改变使用习惯,加氢过程只需5分钟,长期使用后也没有大容量电池报废后带来的污染问题,因此被称为终极清洁能源汽车。

但是,氢燃料电池它容易泄露,且爆炸范围非常宽,是目前波浪范围最宽的一种气体,只要和空气混合,达 4%~75%的比例,就会发生爆炸,属于一级爆炸气体。所以,从制氢站、储氢站、运输车、加氢站,到氢燃料电池汽车都需要对氢气进行检测,尽早发现泄露,立马关掉阀门并发出警报,降低安全隐患。

此外,对于氢燃料电池汽车而言,氢气传感器不仅能用于监测气罐和电堆端氢气的泄露,还能用于检测排放尾气中的氢气浓度。燃料电池汽车也就能根据这些监测的信息来实时分析电堆的性能和反应程度,从而及时调整相关输入指标或数据配置来实现车辆的安全、高效运行。

于是,氢燃料电池车用传感器价值很大。主要有气体泄露传感器、压力传感器、温度传感器、温湿压一体的组合传感器,空气流量传感器等。

譬如氢气传感器,包括敏感探头、电路板、外部壳体以及相关的结构组件;传感器与外部的接口主要为通讯接口,这些子系统有机结合在一起构成了一个氢气传感器零部件。装载氢气传感器,首要作用是为了保障氢燃料电池汽车运行安全。众所周知,氢气是易燃易爆气体,对于氢燃料电池汽车而言,氢气传感器可检测到氢气浓度超过安全范围时,给整车及时输入报警信号,整车系统会立刻做出相应的断电安全保护措施,以防止发生安全事故。

氢气传感器不仅能用于监测气罐和电堆端氢气的泄露,还能用于检测排放尾气中的氢气浓度。氢燃料电池汽车也就能根据这些监测的信息来实时分析电堆的性能和反应程度,从而及时调整相关输入指标或数据配置来实现车辆的安全、高效运行。

譬如氢气温度传感器,主要应用于氢气压力检测。它采用的是316L不锈钢外壳,能够极好地抵抗氢脆和渗透现象,而且它的可靠性、准确度和耐用性都是非常高的,可以有效满足市场上燃料电池和其他氢能源对温度的测量工作。除此之外,新型氢气温度传感器的静态工作压力可以达到160bar(远高于一般的压力要求),测量范围是-40℃到+ 100°C。

一家氢气温度传感器特普生曾老师对研究员表示:“国标对氢燃料电池汽车的氢安全性是有要求的,一辆车需要氢气传感器的数量,要结合空间布置、通风、安全等来综合考量。一般而言,发动机、储氢罐、驾驶舱(车内)至少都要1个,尾排也会需要。”

“值得一提的是,氢气传感器分很多规格,量程也不尽相同。不同的燃料电池车型,同一车型的不同位置,对氢气传感器的需求都不一样,若要求耐高温高湿、高精度,价格也会偏贵些。基于满足车辆需求及降成本的双重考量,用户一般会综合选择氢气传感器方案。”

“从技术角度来看,车用氢气传感器不同于消费类传感器,使用工况非常复杂,需随整车一起经历更为严苛的高温低温,同时也要抵抗外力的作用(如振动、撞击等各种情况)。车用氢气传感器产品的开发需要满足车规产品开发的基本要求和过程,从系统需求描述和分析开始,逐步迭代到设计、分析、验证到整车试验,确保产品的全面性、可靠性和安全性。”

2. 在温度传感器销售渠道与人力资源上的应用

“中游的电池堆行业里面的渠道销售人员,与氢能源车、氢燃料电池用温度传感器的渠道销售销售人员,渠道是重叠的,客户资源是重叠的,销售人员这2个行业跳槽,可以实现无缝衔接。”

“我们温度传感器公司招聘针对氢燃料电池、氢能源车产业销售需求的招聘,也可以精准搜索这些行业的渠道销售人才。”

温度传感器公司销售团队,分析第一波氢能源车、氢燃料电池的生意周期正在开启,就不难决策“氢能源车/氢燃料电池行业销售小组”可以筹备成立。梳理氢能源车、氢燃料电池制造厂家的客户名单及其区域布点,就清楚了这个“氢能源车/氢燃料电池行业销售小组”的区域布局及搭建成本。

3.在温度传感器营销推广上的应用

推广氢燃料电池、氢能源车用温度传感器,已经有了产生垂直的线下活动。组织上譬如国际氢能燃料电池协会,中国氢能联盟,活动上譬如世界氢能技术大会与展览会等等。

线上推广氢燃料电池、氢能源车用温度传感器,主要方式是内容营销,构建PC网、微信号并进行能解决用户需求的内容运营是基本功,针对搜索引擎搭建涵盖百度、知乎、小红书等等内容营销生态是大盘。

4. 在温度传感器投融资上的应用

从整个氢能产业链来看,受益资本最大的是中游电池的系统、电堆以及膜电极(MEA)等氢燃料电池的核心零部件,譬如可以考虑针对氢燃料电池的温度传感器进行提前布局。氢能源车供应链企业,与温度传感器适合相互投资,一起服务共同的客户。

特普生主营温度传感器NTC热敏电阻传感器模块及一体化解决方案,特普生拥有发明专利5项,实用新型27项,保留不公开技术2项,是国内唯一拥有全尺寸全自动单端玻封机、单端热敏电阻测试机的具有芯片设计能力的源头实业,特普生温度传感器,特别好的温度传感器。

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