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在氫燃料電池的關(guān)鍵零部件中，催化劑、質(zhì)子交換膜、氣體擴散層是業(yè)內(nèi)普遍認同的三大難點材料，催化劑和質(zhì)子交換膜已陸續(xù)實現(xiàn)國產(chǎn)替代、自主可控，而氣體擴散層成為氫燃料電池關(guān)鍵材料國產(chǎn)化的“最后一個壁壘”。
氣體擴散層位于流場板和催化層之間，在燃料電池中起到收集電流、傳導(dǎo)氣體、支撐和穩(wěn)定電極結(jié)構(gòu)、水管理等作用。要做好氣體擴散層，首先需要有一個好的氣體擴散層材料。氣體擴散層由基底層和微孔層構(gòu)成，其中構(gòu)成基底層的材料一般為碳紙、碳布等，通常氣體擴散層厚度為 100~400μm。目前國內(nèi)較難實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)碳紙，主要是受制于碳纖維石墨化和后處理等復(fù)雜工藝及設(shè)備問題。
01、國產(chǎn)化難點：打通碳纖維到碳紙工藝
碳纖維紙（簡稱碳紙），是由短切碳纖維為原料，基質(zhì)為天然紙漿或合成紙漿，輔以黏合劑和填料經(jīng)抄紙工藝制造而成的紙狀復(fù)合材料。
碳紙是氣體擴散層材料的主流選擇，將碳纖維做成碳紙的過程是氣體擴散層生產(chǎn)的核心難點之一，需滿足材料具有輕質(zhì)、孔隙率均勻、導(dǎo)熱導(dǎo)電性優(yōu)異、耐腐蝕、憎水性強等特點。此外，碳紙需具備一定的機械強度，以保障質(zhì)子交換膜燃料電池的安裝和使用，從而穩(wěn)定電極結(jié)構(gòu)，提高電池的壽命。
在制造工藝方面，環(huán)視整個燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈，碳紙的制造工藝是最復(fù)雜的，其生產(chǎn)流程中的每個階段，對擴散層最終產(chǎn)品的性能都起著不同的影響。其中，碳化、物料分散及高溫石墨化是核心步驟。
具體而言，碳化是將有機聚合物經(jīng)過紡絲和穩(wěn)定后，在溫度高達1100℃-1350℃的惰性氣體中進行。碳化去除了碳纖維中的揮發(fā)性物質(zhì)，如氫氣、氮氣和氧氣、水等，制成碳質(zhì)量分數(shù)在90%以上的碳纖維制品。其難點在于碳材料本身很容易受到氧化、碳化等化學(xué)反應(yīng)的影響，在高溫高壓的制備過程中，難以控制其他雜質(zhì)和缺陷對材料性能產(chǎn)生的負面影響。
其次，將碳纖維進行分段剪切并在專門的溶液中進行分散，碳紙成型后，再經(jīng)過樹脂浸漬和硫化。短切碳纖維分散效果的好壞會直接影響到基底層的均勻性，從而影響燃料電池性能。所以，在分散工藝中，需要格外注意材料的孔徑和孔徑分布是否可控。
另外，碳紙的石墨化階段非常重要，石墨化可全面提升碳紙的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性以及力學(xué)性能等。然而，此工序需要在2000℃以上的高溫下制備，設(shè)備和工藝成本較高，目前主要由國外企業(yè)壟斷，國內(nèi)還需積極推進高溫石墨化設(shè)備的全面本土制造。
當(dāng)前氣體擴散層技術(shù)創(chuàng)新方向主要集中在控制成本、提高碳紙的機械強度、增強氣體傳輸性能、加強排水、控制滲透深度、平整度，增強導(dǎo)電、導(dǎo)熱性，減緩功能衰減等，力爭早日實現(xiàn)大批量生產(chǎn)。
02、2023年碳紙國產(chǎn)化“結(jié)碩果”
中國是全球最大的氫燃料電池汽車市場，國內(nèi)對于氣體擴散層及碳紙的需求也在快速增加，越來越多企業(yè)加入氫燃料電池碳紙賽道，為攻克碳紙國產(chǎn)化壁壘與技術(shù)難題努力。
2023年11月7日，國氫科技宣布兩款“斯帛”系列碳紙產(chǎn)品正式發(fā)布，年產(chǎn)30萬平“斯帛”碳紙產(chǎn)線完成建設(shè)并實現(xiàn)投產(chǎn)。該產(chǎn)線是國內(nèi)首條超高溫、大幅寬碳紙自主技術(shù)量產(chǎn)線，產(chǎn)線各環(huán)節(jié)設(shè)備全部國產(chǎn)化，并已完全打通碳纖維分散、抄紙制氈、碳紙成型等主要工藝環(huán)節(jié)。
2023年11月20日，由中建科技設(shè)計、制造、建造的全球首個“光氫直柔”建筑——美錦氫能總部基地項目一期2號樓成功封頂。項目建成后將成為中國首個國產(chǎn)碳紙產(chǎn)業(yè)基地，能有效提升碳紙的生產(chǎn)規(guī)模和速度。
2023年3月16日，在上海碳際GDL量產(chǎn)線投產(chǎn)貫通儀式暨合格產(chǎn)品下線活動上，上海碳際總經(jīng)理姜永燚表示，該公司GDL產(chǎn)品已基本達到穩(wěn)定量產(chǎn)狀態(tài)。早在2022年12月8日，該公司自主量產(chǎn)制造的國產(chǎn)化炭紙（TANJI? CPM19）實現(xiàn)成卷交付出貨。今年5月24日，上海碳際傳來好消息，公司完成千萬級A+輪融資，其資金將用于加大產(chǎn)品技術(shù)研發(fā)投入、加快原紙合資工廠建設(shè)等。
2023年11月7日，在安徽宿州市新能源碳材料產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展對接會暨2023年天尚碳紙新產(chǎn)品發(fā)布會上，正式發(fā)布廈門大學(xué)能源學(xué)院鄭志鋒教授團隊研發(fā)的高性能碳紙新產(chǎn)品。據(jù)了解，該團隊已經(jīng)實現(xiàn)年產(chǎn)10萬m2碳紙（片材）生產(chǎn)線的建設(shè)和高性能碳紙產(chǎn)品的生產(chǎn)。
此外，中國紙院、金博股份、上海嘉資、上海河森電氣等企業(yè)也紛紛對外披露碳紙產(chǎn)品研發(fā)生產(chǎn)的最新進展。其中，4月25日，金博股份表示，全資子公司金博氫能已完成從碳紙原紙濕法成型到石墨化的全工藝鏈開發(fā)，片狀碳紙已經(jīng)實現(xiàn)量產(chǎn)，已經(jīng)得到膜電極和電堆頭部企業(yè)驗證，將根據(jù)下游客戶的需求分別提供碳紙或氣體擴散層產(chǎn)品。
03、國產(chǎn)碳紙標(biāo)準(zhǔn)化 這些問題待落實
在碳紙國產(chǎn)化應(yīng)用發(fā)展的過程中，已經(jīng)實現(xiàn)了從無到有，而現(xiàn)在是一個從有到優(yōu)的過程，這個過程中標(biāo)準(zhǔn)化的工作要求相當(dāng)迫切。落實到具體主要有六個問題：碳纖維材料的全國產(chǎn)化、生產(chǎn)設(shè)備的自研國產(chǎn)化、設(shè)備工藝能耗控制、水氣管理能力、抗老化能力以及產(chǎn)品均一性。
實現(xiàn)碳紙標(biāo)準(zhǔn)化工作，首先需要規(guī)范、完善碳紙測試方法，以適應(yīng)實際工作。針對材料耐久性、親疏水性和透氣性等方面，制定合適且統(tǒng)一的評價標(biāo)準(zhǔn)。同時，探索更加精準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)體系，保障批量化產(chǎn)品的均一性、穩(wěn)定性和性能的優(yōu)異性。
一位業(yè)內(nèi)人士曾表示，“如果單看產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)，國產(chǎn)的碳紙和氣體擴散層跟進口之間的差距已經(jīng)很小了，差距主要體現(xiàn)在批次的一致性上?！迸炕圃祀x不開技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化和管理標(biāo)準(zhǔn)化，國內(nèi)氣體擴散層企業(yè)發(fā)展時間短，還缺乏充分的驗證，特別是針對不同工況的應(yīng)用欠缺經(jīng)驗和數(shù)據(jù)積累，最關(guān)鍵是要解決供應(yīng)鏈管理和質(zhì)量控制這兩大核心問題。
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2024年3月15-17日
為促進新能源、新材料全產(chǎn)業(yè)鏈業(yè)務(wù)交流和投資合作，由中國國際貿(mào)易促進委員會江西省委員會、江西省工業(yè)和信息化廳、江西省能源局、南昌市人民政府主辦的“2024中國（江西）新材料產(chǎn)業(yè)鏈大會暨展覽會”將于2024年3月15日至17日在南昌舉辦。不僅有新能源、新材料產(chǎn)業(yè)鏈頭部企業(yè)高規(guī)格出席，更有業(yè)內(nèi)院士專家、行業(yè)頂級大咖盡數(shù)到場，激烈碰撞思想火花。
