文章最后更新时间：2023-12-18，由天天资讯负责审核发布，若内容或图片失效，请联系客服！
关键材料中，目前除膜电极外，其他均距离产业化还有一段距离。 膜电极为核心材料，国产产品已占据市场主流； 质子交换膜、催化剂、碳纸等国内应用远未形成整体应用的有效比例。 其中质子交换膜和碳纸尤为严重，且远低于其他燃料。 电池关键零部件水平。
为何燃料电池关键材料国产化差异如此之大？ 目前这些主要材料的技术水平如何，还面临哪些挑战？ 在2023年高工氢电年会上，相关企业分享了经验和想法。
膜电极：产能满负荷，技术仍面临挑战
膜电极是燃料电池商业化应用的核心技术。 它们对燃料电池的性能和寿命起着关键作用，其重要性不言而喻。 从产能供给来看，国内现有膜电极产能基本可以满足满产时年产5万辆燃料电池汽车的需求。 一些膜电极制造商也正在进军海外市场。
在技术层面，国产膜电极的功率密度等技术指标目前已接近世界顶尖水平。 例如，宏基创能批量出货的膜电极寿命超过20000小时； 公司下一代产品功率密度可达1.8 W/cm?-2 W/cm?，该产品预计明年批量上市。
膜电极占燃料电池成本的60%以上，因此其降低成本的努力仍然备受关注。 近年来，随着国产膜电极技术和产能的提升，逐渐挤掉了进口膜电极的份额，膜电极成本显着降低。 一些企业制定了计划，到2023年、2025年实现膜电极价格达到480元/kW，目标是实现300元/kW的成本降低路线。
虽然现阶段国产膜电极的应用不断增多，对降低成本也颇有成效，但整体情况仍面临一些挑战：例如质子交换膜、催化剂载体、离聚物等部分核心材料仍依赖进口。 此类基础材料的生产国内生产水平与国际水平还存在较大差距，这是影响产品迭代和降低成本的重要因素。 此外，膜电极的性能、价格、耐久性等方面都存在“不可能三角”，燃料电池距离现有燃料汽车竞争还有很长的路要走。
如何突破？ 业内认为，路径有以下几点：1）开发高性能、高耐久性合金催化剂； 2）优化催化剂载体和催化剂层的微观结构； 3）开发高透氧性离聚物； 4）开发高电导率、高耐久性质子交换膜； 5）开发膜电极批量制备工艺及设备； 6）开发低成本、高可靠性的膜电极封装方法。
目前，不少企业正积极尝试从多个维度打破这一局面。 例如，宏基创能开发了全球领先的CCM阴极和阳极双面直接涂覆技术、膜电极一体成型技术、膜电极自动化快速封装技术。 它结合精益制造来提高产品的一致性和良率，实现卓越的性能和极具竞争力的成本。 庆东科技面向国内市场开发了高性能、高耐久性的Pt/C催化剂及其载体； 精准控制浆料中离聚物形貌，优化催化剂层微观结构，开发高性能、长效膜电极； 开发膜电极自动化封装生产线、开发提高生产效率等
质子交换膜：国产品牌吹响“突围哨”
质子交换膜（PEM）又称质子膜或氢离子交换膜，被誉为燃料电池的芯片。 其性能直接决定燃料电池的性能和使用寿命。 目前，质子交换膜仍然是我国国内应用量较低的燃料电池核心材料，也是唯一在国外采购的材料。
出现这种情况的原因是质子交换膜技术仍存在工艺周期长、工艺复杂、成膜成本高等困难。 不过，现阶段已有一些企业在推进质子交换膜的国产化。
例如，清池科技通过不同特性的分散液、添加剂和骨架膜的制备和组合，使PEM的机械、极化和耐久性能全面对标进口竞品，实现对原材料和成品质量的过程控制。产品，并具有性价比。 和供货优势。
基于全产业链优势，东岳未来氢能还通过树脂与质子膜的结构调控和界面协调，开发出适合不同应用场景的全氟质子膜。 元君氢能旗舰产品12μm质子交换膜正式完成批量发货，在产品性能和质量一致性方面得到了大幅提升。 目前公司的8μm质子交换膜也已完成中试并得到客户验证。 预计2024年全面推向市场，形成新一代低成本、高性能质子交换膜。
此外，韩城科技的增强型全氟磺酸质子交换膜也在加速与国内主流膜电极及电堆企业的测试验证。 科百特推出的质子交换膜的品质和性能也得到了市场的认可。
总体来看，质子交换膜的国产化正在快速上升。 国内质子交换膜企业正在以实际行动缩小与进口品牌的差距。
碳纸：导热是技术难点
碳纸（ paper）是燃料电池气体扩散层的主要基材。 将碳纤维制成碳纸的工艺也是气体扩散层生产的核心难点之一。 材料必须具有可控的孔隙率、优良的导热、导电性能，并具有一定的机械强度、强疏水性、高防腐性等多重性能要求。 长期以来，国产碳纸一直处于“卡壳”阶段，也是燃料电池“八大部件”中国内产能利用率最低的环节。 这有什么难的呢？
从制造工艺来看，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； 而碳纸是碳化树脂结构，其导热性比较差，随着燃料电池功率的提高，这个问题会更加严重，增加整体技术难度。
“前段时间，我看到这样的数据，在所有运行失败的车辆中，约有一半是由于电堆过热造成的。这说明导热问题并不逊色于导电问题。当寻找原因，碳纸是一个重要因素。” 力能新能源总经理程黎明博士说。
影响碳纸耐用性的因素有三个：一是碳纸碳材料在高电位、启停、大电流等工作条件下会发生电化学腐蚀；二是碳纸碳材料在高电位、启停、大电流等工作条件下会发生电化学腐蚀； 其次，碳纸碳材料在冲击载荷、振动等作用下会发生电化学腐蚀，在气压、气压变化引起的循环应力下，基材受到流道脊剪应力，引起MPL裂纹、MPL分层脱离基材，破坏碳纸的主要结构； 第三，经过多次高低温交替循环后，由于母材和MPL的体积膨胀率不同，MPL的裂纹宽度和长度显着增加。 表面接触角从142度减小到125度，疏水性降低。
如何提高碳纸的耐用度？ 业内人士认为，一般有三个方面：1）提高碳纸的机械强度； 2）可控孔径及孔径分布，实现有序化； 3）高功率密度和高耐久性要求下的MPL技术。 现在国内也有企业在“解决耐久性问题”。 例如，李能新能源开发了GDL扩散层产品，满足高功率密度和长耐用性的需求。 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升2.2倍以上。
环顾整个燃料电池碳纸赛道，越来越多的企业加入到国产化的“战斗”中。 例如，仁丰特材凭借强大的综合实力，是国内首家从短切碳纤维原材料起步的企业，布局包括制浆、造片、涂胶、热压、碳化、石墨化、疏水层涂覆等。 ，和微孔层涂层。 、烧结全链条生产，以全链条GDL供应商实现卷对卷产品规模化生产。 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。 上海碳素国际、中国造纸研究院、金博股份、上海甲子、上海和森电气等企业也在推动碳纸产品的研发和生产。
随着众多企业加速追赶，相信复写纸的国产化壁垒和技术难点将很快被克服。
