燃料电池核心材料“破题”

“以奖代补”政策鼓励在十四五期间，电堆、膜电极、双极板、质子交换膜、催化剂、碳纸、空气压缩机、氢气循环系统等领域取得突破并实现产业化。

在关键材料中，截至目前，除膜电极外，其他距产业化均还有一段路要走。膜电极作为核心材料，国产产品已经占据市场主流；质子交换膜、催化剂、碳纸的国产化应用占总体应用远未形成有效比例，其中质子交换膜和碳纸尤为严重，远远低于其他燃料电池关键零部件水平。

燃料电池关键材料在国产化方面为什么会有如此大的差异？目前这几大材料在技术上处于什么水平，还面临哪些挑战？

膜电极：产能饱满，技术仍有挑战

膜电极是燃料电池商业化应用的核心技术，对燃料电池的性能与寿命起到关键作用，重要性不言而喻。产能供应上，国内膜电极现有产能在满产状态下已基本可以满足年产50000台燃料电池汽车所需，部分膜电极厂商还已经在进军海外市场。

技术层面，现阶段国产膜电极的功率密度等技术指标直逼全球顶尖水平。比如鸿基创能批量出货的膜电极寿命2万小时以上；公司下一代产品功率密度可以达到1.8 W/cm?-2 W/cm?，这款产品预计将在明年开始形成批量供货。

膜电极占燃料电池成本的60%以上，因此其降本力度仍备受关注。近几年来，随着国产膜电极技术和产能的提升，逐渐挤占进口膜电极的份额，膜电极成本明显降低，且已有企业制订出2023年实现膜电极价格达到480元/kW、到2025年目标实现300元/kW的降本路线。

虽然现阶段国产膜电极的应用在增多且在降本上颇有成效，但整体仍面临一些挑战：比如部分核心材料质子交换膜、催化剂载体和离聚物等仍然依赖进口，这类基础材料的国产程度与国际水平差距还较大，是产品迭代、成本下降的重要影响因素。另外，膜电极在性能、价格、耐久性方面存在“不可能三角”，在助力燃料电池与现有燃油车进行抗衡上还有一段距离要走。

该如何进行突破？业界认为路径有这几点：1）开发高性能、高耐久合金催化剂；2）优化催化剂载体和催化剂层微结构；3）开发高透氧离聚物；4）开发高导电，高耐久质子交换膜；5）开发膜电极批量化制备工艺和设备；6）开发低成本、高可靠性膜电极封装方式。

目前，多家企业在积极从多个维度展开破局。比如鸿基创能开发了国际领先的CCM阴阳极双面直接涂布技术、膜电极一体化成型技术、膜电极自动化快速封装技术，结合精益制造提升产品一致性及良率，实现了卓越性能及极具竞争力的成本。擎动科技针对国内市场开发了高性能高耐久Pt/C催化剂及其载体；精准控制浆料中离聚物的形态，优化催化剂层微结构，开发了高性能长耐久膜电极；开发了膜电极自动化封装产线，提升生产效率开发等。

质子交换膜：国产品牌吹响“突围哨”

质子交换膜（PEM）也称为质子膜或氢离子交换膜，被誉为是燃料电池的芯片，其性能的好坏直接决定着燃料电池的性能和使用寿命。目前，质子交换膜仍是燃料电池核心材料中国产化应用较低的一环，并且在国外采购上也是“一家独大”。

出现这种局面，源于质子交换膜技术仍存在工艺周期长、工艺复杂、成膜的成本高等难点。不过现阶段，已经有企业在推进质子交换膜的国产化突围。

比如清驰科技，其通过制备和组合不同特性的分散液、添加剂和骨架膜，达到PEM的机械、极化和耐久性能全面对标进口竞品，实现对原料和成品质量的过程控制，具备成本和供应优势。

东岳未来氢能基于全产业链优势，通过对树脂和质子膜的结构调控和界面协调，也开发针对不同应用场景的全氟质子膜。元隽氢能主打的12μm质子交换膜正式完成批量化交付，在产品性能、质量一致性方面得到大幅提升，现在公司8μm质子交换膜也已完成中试，已进行客户端验证，预计在2024年全面推向市场，形成新一代低成本、高性能质子交换膜。

另外，汉丞科技增强型全氟磺酸质子交换膜也正在加快推进与国内主流膜电极、电堆企业的测试验证。科百特推出的质子交换膜，质量与性能也得到市场认可。

整体看，质子交换膜的国产化势力在快速崛起。国内的质子交换膜企业正在用实际行动缩短与进口品牌的差距。

碳纸：导热问题是个技术难点

碳纸（炭纸）是燃料电池气体扩散层的主要基材，将碳纤维做成碳纸的过程也是气体扩散层生产的核心难点之一，需满足材料多孔可控、导热及导电性优良、具备一定的机械强度、憎水性强以及高度防腐蚀等多重性能要求。长期以来，国产碳纸一直处于“卡脖子”阶段，也是燃料电池“八大件”中国产化率最低的一个环节。它到底难在哪里？

就制造工艺来说，在整个燃料电池产业链中，碳纸的制造工艺其实是最复杂的；而且碳纸是碳化的树脂结构，它的导热性是比较差的，并且随着燃料电池功率往上提，这种问题会更严重，加大整体技术难度。

“前一段时间我看到这样一个数据，所有在跑的出现故障的车辆里面，大概一半的原因是电堆过热发生故障，这说明导热的问题不次于导电的问题，而追究原因，碳纸是一个重要因素。”骊能新能源总经理程立明博士表示。

影响碳纸耐久性的因素有三个：其一是，碳纸碳材料在高电位、启停、大电流等工况下会发生电化学腐蚀；其二是，碳纸碳材料在冲击载荷、振动和气压变化产生的循环应力下，基材受到流道脊剪切应力，导致MPL裂纹、MPL与基材脱离分层，破坏了碳纸主体结构；其三是，多次交变高低温循环后，由于基材与MPL的体积膨胀率不同，MPL的裂缝宽度和长度明显增加。表面接触角从142度降低到125度，疏水性降低。

该如何提升碳纸的耐久性？业界认为一般有三个方面：1）提高碳纸的机械强度；2）孔径和孔径分布可控，实现有序化；3）高功率密度高耐久要求下的MPL技术。现在国内已有企业在“解题”耐久性。比如骊能新能源已经开发出满足高功率密度和长耐久性需求的GDL扩散层产品，产品可应用于2w/c㎡以上高功率密度电堆，产品寿命在原有基础上提高2.2倍以上。

环视整个燃料电池碳纸赛道，目前已经有越来越多企业加入国产化的“战局”。比如仁丰特材依托强大的综合实力，是国内首家从短切碳纤维原料起，布局包括制浆、抄造、涂胶、热压、碳化、石墨化、疏水层涂布、微孔层涂布、烧结全链生产，到卷对卷产品规模化生产的全链条的GDL供应商。目前公司在产品研发、市场开拓、产能建设等方面均取得了显著成效。上海碳际、中国纸院、金博股份、上海嘉资、上海河森电气等企业也都在推进碳纸产品的研发生产。

多方企业加速追赶的局势下，相信碳纸的国产化壁垒与技术难题很快会被攻克。