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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(kuò)散層是業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)同的三大難點(diǎn)材料，催化劑和質(zhì)子交換膜已陸續(xù)實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)替代、自主可控，而氣體擴(kuò)散層成為氫燃料電池關(guān)鍵材料國(guó)產(chǎn)化的“最后一個(gè)壁壘”。
氣體擴(kuò)散層位于流場(chǎng)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(kuò)散層，首先需要有一個(gè)好的氣體擴(kuò)散層材料。氣體擴(kuò)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(kuò)散層厚度為 100~400μm。目前國(guó)內(nèi)較難實(shí)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(wèn)題。
01、國(guó)產(chǎn)化難點(diǎn)：打通碳纖維到碳紙工藝
碳纖維紙（簡(jiǎn)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(kuò)散層材料的主流選擇，將碳纖維做成碳紙的過(guò)程是氣體擴(kuò)散層生產(chǎn)的核心難點(diǎn)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(qiáng)等特點(diǎn)。此外，碳紙需具備一定的機(jī)械強(qiáng)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(gè)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(gè)階段，對(duì)擴(kuò)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(jī)聚合物經(jīng)過(guò)紡絲和穩(wěn)定后，在溫度高達(dá)1100℃-1350℃的惰性氣體中進(jìn)行。碳化去除了碳纖維中的揮發(fā)性物質(zhì)，如氫氣、氮?dú)夂脱鯕狻⑺?，制成碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在90%以上的碳纖維制品。其難點(diǎn)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(guò)程中，難以控制其他雜質(zhì)和缺陷對(duì)材料性能產(chǎn)生的負(fù)面影響。
其次，將碳纖維進(jìn)行分段剪切并在專門的溶液中進(jìn)行分散，碳紙成型后，再經(jīng)過(guò)樹(shù)脂浸漬和硫化。短切碳纖維分散效果的好壞會(huì)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(guó)外企業(yè)壟斷，國(guó)內(nèi)還需積極推進(jìn)高溫石墨化設(shè)備的全面本土制造。
當(dāng)前氣體擴(kuò)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(jī)械強(qiáng)度、增強(qiáng)氣體傳輸性能、加強(qiáng)排水、控制滲透深度、平整度，增強(qiáng)導(dǎo)電、導(dǎo)熱性，減緩功能衰減等，力爭(zhēng)早日實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)。
02、2023年碳紙國(guó)產(chǎn)化“結(jié)碩果”
中國(guó)是全球最大的氫燃料電池汽車市場(chǎng)，國(guó)內(nèi)對(duì)于氣體擴(kuò)散層及碳紙的需求也在快速增加，越來(lái)越多企業(yè)加入氫燃料電池碳紙賽道，為攻克碳紙國(guó)產(chǎn)化壁壘與技術(shù)難題努力。
2023年11月7日，國(guó)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(wàn)平“斯帛”碳紙產(chǎn)線完成建設(shè)并實(shí)現(xiàn)投產(chǎn)。該產(chǎn)線是國(guó)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(guó)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(jì)、制造、建造的全球首個(gè)“光氫直柔”建筑——美錦氫能總部基地項(xiàng)目一期2號(hào)樓成功封頂。項(xiàng)目建成后將成為中國(guó)首個(gè)國(guó)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(dòng)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(dá)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(guó)產(chǎn)化炭紙（TANJI? CPM19）實(shí)現(xiàn)成卷交付出貨。今年5月24日，上海碳際傳來(lái)好消息，公司完成千萬(wàn)級(jí)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(duì)接會(huì)暨2023年天尚碳紙新產(chǎn)品發(fā)布會(huì)上，正式發(fā)布廈門大學(xué)能源學(xué)院鄭志鋒教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)的高性能碳紙新產(chǎn)品。據(jù)了解，該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)10萬(wàn)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(guó)紙?jiān)?、金博股份、上海嘉資、上海河森電氣等企業(yè)也紛紛對(duì)外披露碳紙產(chǎn)品研發(fā)生產(chǎn)的最新進(jìn)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?jiān)垵穹ǔ尚偷绞娜に囨滈_(kāi)發(fā)，片狀碳紙已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，已經(jīng)得到膜電極和電堆頭部企業(yè)驗(yàn)證，將根據(jù)下游客戶的需求分別提供碳紙或氣體擴(kuò)散層產(chǎn)品。
03、國(guó)產(chǎn)碳紙標(biāo)準(zhǔn)化 這些問(wèn)題待落實(shí)
在碳紙國(guó)產(chǎn)化應(yīng)用發(fā)展的過(guò)程中，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了從無(wú)到有，而現(xiàn)在是一個(gè)從有到優(yōu)的過(guò)程，這個(gè)過(guò)程中標(biāo)準(zhǔn)化的工作要求相當(dāng)迫切。落實(shí)到具體主要有六個(gè)問(wèn)題：碳纖維材料的全國(guó)產(chǎn)化、生產(chǎn)設(shè)備的自研國(guó)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(shí)現(xiàn)碳紙標(biāo)準(zhǔn)化工作，首先需要規(guī)范、完善碳紙測(cè)試方法，以適應(yīng)實(shí)際工作。針對(duì)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(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，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(guó)產(chǎn)的碳紙和氣體擴(kuò)散層跟進(jìn)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。”批量化制造離不開(kāi)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化和管理標(biāo)準(zhǔn)化，國(guó)內(nèi)氣體擴(kuò)散層企業(yè)發(fā)展時(shí)間短，還缺乏充分的驗(yàn)證，特別是針對(duì)不同工況的應(yīng)用欠缺經(jīng)驗(yàn)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(wèn)題。
新能源、新材料相關(guān)展會(huì)推薦
2024年3月15-17日
為促進(jìn)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(guó)國(guó)際貿(mào)易促進(jìn)委員會(huì)江西省委員會(huì)、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(guó)（江西）新材料產(chǎn)業(yè)鏈大會(huì)暨展覽會(huì)”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(jí)大咖盡數(shù)到場(chǎng)，激烈碰撞思想火花。
