“以獎(jiǎng)代補(bǔ)”政策鼓勵(lì)在十四五期間，電堆、膜電極、雙極板、質(zhì)子交換膜、催化劑、碳紙、空氣壓縮機(jī)、氫氣循環(huán)系統(tǒng)等領(lǐng)域取得突破并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

在關(guān)鍵材料中，截至目前，除膜電極外，其他距產(chǎn)業(yè)化均還有一段路要走。膜電極作為核心材料，國產(chǎn)產(chǎn)品已經(jīng)占據(jù)市場主流；質(zhì)子交換膜、催化劑、碳紙的國產(chǎn)化應(yīng)用占總體應(yīng)用遠(yuǎn)未形成有效比例，其中質(zhì)子交換膜和碳紙尤為嚴(yán)重，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他燃料電池關(guān)鍵零部件水平。

燃料電池關(guān)鍵材料在國產(chǎn)化方面為什么會有如此大的差異？目前這幾大材料在技術(shù)上處于什么水平，還面臨哪些挑戰(zhàn)？在2023高工氫電年會上，相關(guān)企業(yè)分享了他們的見聞與所思所想。

膜電極：產(chǎn)能飽滿，技術(shù)仍有挑戰(zhàn)

膜電極是燃料電池商業(yè)化應(yīng)用的核心技術(shù)，對燃料電池的性能與壽命起到關(guān)鍵作用，重要性不言而喻。產(chǎn)能供應(yīng)上，國內(nèi)膜電極現(xiàn)有產(chǎn)能在滿產(chǎn)狀態(tài)下已基本可以滿足年產(chǎn)50000臺燃料電池汽車所需，部分膜電極廠商還已經(jīng)在進(jìn)軍海外市場。

技術(shù)層面，現(xiàn)階段國產(chǎn)膜電極的功率密度等技術(shù)指標(biāo)直逼全球頂尖水平。比如鴻基創(chuàng)能批量出貨的膜電極壽命2萬小時(shí)以上；公司下一代產(chǎn)品功率密度可以達(dá)到1.8 W/cm?—2 W/cm?，這款產(chǎn)品預(yù)計(jì)將在明年開始形成批量供貨。

膜電極占燃料電池成本的60%以上，因此其降本力度仍備受關(guān)注。近幾年來，隨著國產(chǎn)膜電極技術(shù)和產(chǎn)能的提升，逐漸擠占進(jìn)口膜電極的份額，膜電極成本明顯降低，且已有企業(yè)制訂出2023年實(shí)現(xiàn)膜電極價(jià)格達(dá)到480元/kW、到2025年目標(biāo)實(shí)現(xiàn)300元/kW的降本路線。

雖然現(xiàn)階段國產(chǎn)膜電極的應(yīng)用在增多且在降本上頗有成效，但整體仍面臨一些挑戰(zhàn)：比如部分核心材料質(zhì)子交換膜、催化劑載體和離聚物等仍然依賴進(jìn)口，這類基礎(chǔ)材料的國產(chǎn)程度與國際水平差距還較大，是產(chǎn)品迭代、成本下降的重要影響因素。另外，膜電極在性能、價(jià)格、耐久性方面存在“不可能三角”，在助力燃料電池與現(xiàn)有燃油車進(jìn)行抗衡上還有一段距離要走。

該如何進(jìn)行突破？業(yè)界認(rèn)為路徑有這幾點(diǎn)：1）開發(fā)高性能、高耐久合金催化劑；2）優(yōu)化催化劑載體和催化劑層微結(jié)構(gòu)；3）開發(fā)高透氧離聚物；4）開發(fā)高導(dǎo)電，高耐久質(zhì)子交換膜；5）開發(fā)膜電極批量化制備工藝和設(shè)備；6）開發(fā)低成本、高可靠性膜電極封裝方式。

目前，多家企業(yè)在積極從多個(gè)維度展開破局。比如鴻基創(chuàng)能開發(fā)了國際領(lǐng)先的CCM陰陽極雙面直接涂布技術(shù)、膜電極一體化成型技術(shù)、膜電極自動化快速封裝技術(shù)，結(jié)合精益制造提升產(chǎn)品一致性及良率，實(shí)現(xiàn)了卓越性能及極具競爭力的成本。擎動科技針對國內(nèi)市場開發(fā)了高性能高耐久Pt/C催化劑及其載體；精準(zhǔn)控制漿料中離聚物的形態(tài)，優(yōu)化催化劑層微結(jié)構(gòu)，開發(fā)了高性能長耐久膜電極；開發(fā)了膜電極自動化封裝產(chǎn)線，提升生產(chǎn)效率開發(fā)等。

質(zhì)子交換膜：國產(chǎn)品牌吹響“突圍哨”

質(zhì)子交換膜（PEM）也稱為質(zhì)子膜或氫離子交換膜，被譽(yù)為是燃料電池的芯片，其性能的好壞直接決定著燃料電池的性能和使用壽命。目前，質(zhì)子交換膜仍是燃料電池核心材料中國產(chǎn)化應(yīng)用較低的一環(huán)，并且在國外采購上也是“一家獨(dú)大”。

出現(xiàn)這種局面，源于質(zhì)子交換膜技術(shù)仍存在工藝周期長、工藝復(fù)雜、成膜的成本高等難點(diǎn)。不過現(xiàn)階段，已經(jīng)有企業(yè)在推進(jìn)質(zhì)子交換膜的國產(chǎn)化突圍。

比如清馳科技，其通過制備和組合不同特性的分散液、添加劑和骨架膜，達(dá)到PEM的機(jī)械、極化和耐久性能全面對標(biāo)進(jìn)口競品，實(shí)現(xiàn)對原料和成品質(zhì)量的過程控制，具備成本和供應(yīng)優(yōu)勢。

東岳未來氫能基于全產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)勢，通過對樹脂和質(zhì)子膜的結(jié)構(gòu)調(diào)控和界面協(xié)調(diào)，也開發(fā)針對不同應(yīng)用場景的全氟質(zhì)子膜。元雋氫能主打的12μm質(zhì)子交換膜正式完成批量化交付，在產(chǎn)品性能、質(zhì)量一致性方面得到大幅提升，現(xiàn)在公司8μm質(zhì)子交換膜也已完成中試，已進(jìn)行客戶端驗(yàn)證，預(yù)計(jì)在2024年全面推向市場，形成新一代低成本、高性能質(zhì)子交換膜。

另外，漢丞科技增強(qiáng)型全氟磺酸質(zhì)子交換膜也正在加快推進(jìn)與國內(nèi)主流膜電極、電堆企業(yè)的測試驗(yàn)證。科百特推出的質(zhì)子交換膜，質(zhì)量與性能也得到市場認(rèn)可。

整體看，質(zhì)子交換膜的國產(chǎn)化勢力在快速崛起。國內(nèi)的質(zhì)子交換膜企業(yè)正在用實(shí)際行動縮短與進(jìn)口品牌的差距。

碳紙：導(dǎo)熱問題是個(gè)技術(shù)難點(diǎn)

碳紙（炭紙）是燃料電池氣體擴(kuò)散層的主要基材，將碳纖維做成碳紙的過程也是氣體擴(kuò)散層生產(chǎn)的核心難點(diǎn)之一，需滿足材料多孔可控、導(dǎo)熱及導(dǎo)電性優(yōu)良、具備一定的機(jī)械強(qiáng)度、憎水性強(qiáng)以及高度防腐蝕等多重性能要求。長期以來，國產(chǎn)碳紙一直處于“卡脖子”階段，也是燃料電池“八大件”中國產(chǎn)化率最低的一個(gè)環(huán)節(jié)。它到底難在哪里？

就制造工藝來說，在整個(gè)燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈中，碳紙的制造工藝其實(shí)是最復(fù)雜的；而且碳紙是碳化的樹脂結(jié)構(gòu)，它的導(dǎo)熱性是比較差的，并且隨著燃料電池功率往上提，這種問題會更嚴(yán)重，加大整體技術(shù)難度。

“前一段時(shí)間我看到這樣一個(gè)數(shù)據(jù)，所有在跑的出現(xiàn)故障的車輛里面，大概一半的原因是電堆過熱發(fā)生故障，這說明導(dǎo)熱的問題不次于導(dǎo)電的問題，而追究原因，碳紙是一個(gè)重要因素?！斌P能新能源總經(jīng)理程立明博士表示。

影響碳紙耐久性的因素有三個(gè)：其一是，碳紙?zhí)疾牧显诟唠娢?、啟停、大電流等工況下會發(fā)生電化學(xué)腐蝕；其二是，碳紙?zhí)疾牧显跊_擊載荷、振動和氣壓變化產(chǎn)生的循環(huán)應(yīng)力下，基材受到流道脊剪切應(yīng)力，導(dǎo)致MPL裂紋、MPL與基材脫離分層，破壞了碳紙主體結(jié)構(gòu)；其三是，多次交變高低溫循環(huán)后，由于基材與MPL的體積膨脹率不同，MPL的裂縫寬度和長度明顯增加。表面接觸角從142度降低到125度，疏水性降低。

該如何提升碳紙的耐久性？業(yè)界認(rèn)為一般有三個(gè)方面：1）提高碳紙的機(jī)械強(qiáng)度；2）孔徑和孔徑分布可控，實(shí)現(xiàn)有序化；3）高功率密度高耐久要求下的MPL技術(shù)。現(xiàn)在國內(nèi)已有企業(yè)在“解題”耐久性。比如驪能新能源已經(jīng)開發(fā)出滿足高功率密度和長耐久性需求的GDL擴(kuò)散層產(chǎn)品，產(chǎn)品可應(yīng)用于2w/c㎡以上高功率密度電堆，產(chǎn)品壽命在原有基礎(chǔ)上提高2.2倍以上。

環(huán)視整個(gè)燃料電池碳紙賽道，目前已經(jīng)有越來越多企業(yè)加入國產(chǎn)化的“戰(zhàn)局”。比如仁豐特材依托強(qiáng)大的綜合實(shí)力，是國內(nèi)首家從短切碳纖維原料起，布局包括制漿、抄造、涂膠、熱壓、碳化、石墨化、疏水層涂布、微孔層涂布、燒結(jié)全鏈生產(chǎn)，到卷對卷產(chǎn)品規(guī)?；a(chǎn)的全鏈條的GDL供應(yīng)商。目前公司在產(chǎn)品研發(fā)、市場開拓、產(chǎn)能建設(shè)等方面均取得了顯著成效。上海碳際、中國紙?jiān)?、金博股份、上海嘉資、上海河森電氣等企業(yè)也都在推進(jìn)碳紙產(chǎn)品的研發(fā)生產(chǎn)。

多方企業(yè)加速追趕的局勢下，相信碳紙的國產(chǎn)化壁壘與技術(shù)難題很快會被攻克。