燃料电池材料“从有到强”进化

材料是一个产业发展的根基，对于正处在初级发展阶段的我国燃料电池产业来说更是如此。在经历了多年的发展之后，我国燃料电池产业从材料端逐渐摆脱了卡脖子风险，跨越了“从无到有”，开始向“从有到强”的商用征途迈进。

“新形势下，我国氢电产业链开始由‘有’向‘强’转变。”在不久前刚刚结束的“2023（第五届）高工氢电产业峰会”上，GGII分析师李瑞连表示，整个产业链在材料端的表现来看，伴随各细分领域的降本提效，材料环节的国产化已经进入到一个新的阶段。

在该会议上，来自相关材料企业的嘉宾也从各自的细分领域出发，介绍了质子交换膜、气体扩散层、膜电极、双极板等不同领域的发展现状，并针对产业发展过程中出现的问题，提出了专业的看法和建议。

国产材料进化动力在于“降本提效”

氢电产业要进入规模化商用时代，意味着产品的价格要符合终端用户的要求，这样就势必会倒逼整个产业链加速降本。实际上，在加速降本的过程中，不同材料的进展有所不同，但殊途同归的是，大家都在快速推动降本提效，为迎接规模化商用时代的到来做好准备。

“现在市场对石墨双极板提出来低成本、高寿命、可大批量生产的需求，越来越多的电堆企业看好模压石墨双极板的发展。” 惠州杜科总经理、青岛杜科常务副总郑健保表示，模压石墨双极板的市场化正在不断加快，目前杜科新材已为5家头部电堆企业完成开模，今年将形成稳定的批量供货。另一方面，杜科新材的氢电用胶方案已经拓展至整个产业链。

与杜科新材采用模压工艺不同，另一家石墨双极板代表企业华熔科技则是以机加工（CNC）为主。华熔科技副总经理叶天龙表示，华熔科技开发的第三代石墨原材料，石墨化的温度2500℃，按照严格的升温程序进行，以避免石墨板基材收缩和弯曲等变形。石墨原材料实体厚度突破至大于0.3mm，极大地提高相应电堆体积功率密度。

质子交换膜方面，国产与进口的差距正在不断缩小。元隽氢能技术中心主任李海滨博士表示，当前质子交换膜的技术挑战主要包括机械耐久性不足、化学耐久性不足。元隽氢能提出的一个解决方案是对ePTFE骨架进行表面改性；另一个方案是在膜体中加入双层ePTFE增强。目前元隽氢能已经建成了中试线和量产线，可以通过连续涂布、在线干燥、自动卷绕，实现增强型质子交换膜的高质量生产。

除了元隽氢能，汉丞科技也是一家在质子交换膜领域产业化探索方面取得较大进展的公司。汉丞科技副总经理张德玉在其演讲“创新超薄增强膜、强化功能又降本”的演讲中，提到了其降本提效的方法。针对目前PEM制氢膜的成本过高和均质膜溶胀率过大痛点，汉丞科技首创超薄增强PEM膜卷材，创新解决方案。降低了膜的厚度及成本，提高了膜的电导率、强度及抗热水溶胀率。其首创的可干法制膜电极及电解槽封装，保证了PEM在使用时的尺寸稳定性及长寿命，有全球专利保护。

金属板龙头企业治臻股份则展示了其对于“超薄金属板高质量大批量制造前景”的展望。治臻股份总经理蓝树槐表示，不管是制氢端还是用氢端，都面临高性能、长寿命、低成本这三个挑战。治臻股份致力于氢能核心组件全链条解决方案，从多维度构型设计（金属极板大幅宽、小尺度流场结构）、长寿命涂层、低成本高性能密封、高精密成型等多层面对金属极板制造降本提效，公司所生产的金属极板及复合钛毡等已经累计供应多家客户超30款产品，在全国18个城市实现商业化运行。

膜电极方面，鸿基创能可谓是降本提效的先锋企业。鸿基创能副总经理兼董事唐军柯博士表示，燃料电池处在爆发前夜，核心材料膜电极面临着单位千瓦成本降低、批量制造及质量能力6Σ提升、可靠性验证、市场开拓等一系列极限的挑战，需要业界共同努力做好。

鸿基创能团队开发了国际领先的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。鸿基创能膜电极产品自2020 年投产至今，已完成超过3000台燃料电池汽车装车并投入使用，总运行里程超过5000万公里。

加快验证 突破技术和市场掣肘

燃料电池产业在材料端已经解决“从无到有”的问题，要实现“从有到强”就必须进一步扩大市场，走向规模化商用。这里面既有技术上需要突破的难点，也有市场规模偏小导致的动力不足。具体来看，体现在质子交换膜、气体扩散层和催化剂等不同环节上既有相同点，也有不同之处。

质子交换膜方面，产品的一致性和稳定性与进口品牌存在一定的差距，目前最大的瓶颈在于缺乏足够的匹配验证数据，在追求安全可靠的前提下，下游电堆厂商更倾向采购进口产品。

在当前缺乏足量市场订单的前提下，国产质子交换膜对比进口品牌的价格优势并不明显，进口品牌仍有较大降本空间，替换进口意味着需要经过必要的验证和测试，这样势必会延长交付周期，下游企业缺乏替换的动力，这需要终端企业具备战略耐心，给到国产供应商足够的验证时间。

气体扩散层方面，当前气体扩散层技术创新方向主要集中在提高碳纸基底层的机械强度、增强气体传输性能、加强排水、控制渗透深度、平整度，降低粗糙度、增加涂层均匀性以及增强导电性等方面。

事实上，气体扩散层的国产化难度不是特别大，主要难点在工程化上。国内气体扩散层企业发展时间短，还缺乏充分的验证，特别是针对不同工况的应用欠缺经验和数据积累，最关键是要解决供应链管理和质量控制这两大核心问题。

催化剂方面，从技术方向来看，主要聚焦在降低铂使用量的基础上提高催化剂性能，目前国内企业研究以铂碳催化剂为主，同时储备铂钴等合金催化剂技术。与此同时，有效提升耐久性也是当下催化剂企业关注的重点。

低铂技术的验证还需要时间，目前市面上那些宣称已掌握铂合金催化技术的公司，基本处在早期的研发阶段。铂合金催化剂在性能和成本上优势明显，但要突破商用仍有较长的一段路要走，这需要整个产业链进行系统性的验证跟配合。

在双极板和膜电极环节，以治臻股份和鸿基创能等为代表的国内先锋企业已经强大起来，甚至已经为将来的规模化生产预备了足够的空间。

总体上看，燃料电池核心材料已经有了相当大的突破和进步，虽然尚未在规模化商用上实现国产化替代，但其国产化进程并未止步。在这些国内材料企业的共同努力下，有力地推动了燃料电池电堆的大幅降本，这也为将来燃料电池规模化商用打下坚实基础。