焦道寬,王睿迪,張妍懿,王曉兵,郝 冬

(1.中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心有限公司,天津 300300;2.中汽研新能源汽車(chē)檢驗(yàn)中心(天津)有限公司,天津 300300)

0 引言

質(zhì)子交換膜燃料電池作為實(shí)現(xiàn)氫能轉(zhuǎn)換利用的關(guān)鍵載體,在新一輪能源革命的驅(qū)動(dòng)下,受到了基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用層面的高度關(guān)注[1]。全球范圍內(nèi),燃料電池技術(shù)的發(fā)展得到了政策層面的大力支持。歐洲燃料電池和氫能聯(lián)合組織在2019年發(fā)布了“歐洲氫能路線(xiàn)圖”,預(yù)計(jì)到2030年,氫能將占最終能源需求的6%,并創(chuàng)造出1 300億歐元的市場(chǎng)。我國(guó)也積極跟進(jìn)氫能相關(guān)發(fā)展戰(zhàn)略,國(guó)家能源局將氫能及燃料電池技術(shù)列為“十四五”時(shí)期能源技術(shù)裝備的重點(diǎn)任務(wù)。財(cái)政部等五個(gè)部門(mén)聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于啟動(dòng)燃料電池汽車(chē)示范應(yīng)用工作的通知》,對(duì)促進(jìn)關(guān)鍵材料和核心部件的技術(shù)攻關(guān)和轉(zhuǎn)化應(yīng)用起到了有力的推動(dòng)作用。

在質(zhì)子交換膜燃料電池的工作過(guò)程中,空氣和氫氣通過(guò)陰陽(yáng)極的入口進(jìn)入流道,并通過(guò)多孔結(jié)構(gòu)的氣體擴(kuò)散層(gas diffusion layer,GDL)擴(kuò)散至催化層內(nèi)進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng),生成水并釋放出反應(yīng)熱。因此,GDL在傳熱和傳質(zhì)方面起到了傳輸路徑的作用,實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)物的有效供給和反應(yīng)產(chǎn)物的及時(shí)排出,從而保證了電池的穩(wěn)定工作[2-3]。

由于GDL在燃料電池工作中的重要作用,涉及多物理傳熱傳質(zhì)等復(fù)雜機(jī)理和多學(xué)科融合的制造工藝支撐,GDL的設(shè)計(jì)及優(yōu)化引起了產(chǎn)業(yè)界及學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。作為燃料電池關(guān)鍵核心零部件的重要組成部分,GDL的技術(shù)自主化和規(guī)模產(chǎn)業(yè)化能力是制約燃料電池批量應(yīng)用的關(guān)鍵因素。基于這一背景,本研究對(duì)GDL的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了分析,對(duì)上下游產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵核心技術(shù)自主化的態(tài)勢(shì)進(jìn)行了介紹。

1 GDL產(chǎn)業(yè)技術(shù)現(xiàn)狀分析

1.1 市場(chǎng)情況分析

從制造材料類(lèi)型來(lái)看,單層型的GDL可分為炭紙、碳布、無(wú)紡布以及碳黑紙四種。其中,炭紙由于制造工藝成熟、耐腐蝕、孔隙率均勻、強(qiáng)度高、性能穩(wěn)定等特點(diǎn),成為GDL材料的主流選擇。雙層型的GDL除了具有炭紙型的基底層外,還會(huì)涂布由碳顆粒及聚四氟乙烯組成的微孔層,以改善水熱管理性能[4-5]。

近年來(lái),隨著燃料電池行業(yè)的快速發(fā)展,炭紙型GDL的市場(chǎng)規(guī)模逐年增長(zhǎng)。由于加工工藝復(fù)雜和制造難度較高等,GDL的生產(chǎn)成本在燃料電池堆中占比較高,甚至在小批量生產(chǎn)時(shí)可能占到總成本的20%。然而,規(guī)?；a(chǎn)將會(huì)大幅降低成本。根據(jù)美國(guó)能源部的數(shù)據(jù),2017年每生產(chǎn)10萬(wàn)套質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng),GDL的成本占比可降至目前的9%左右,而每生產(chǎn)50萬(wàn)套,GDL的成本占比可降至6%左右。

現(xiàn)階段,燃料電池GDL的供應(yīng)基本被日本東麗、德國(guó)SGL和科德寶、美國(guó)AvCarb等國(guó)際廠(chǎng)商壟斷,其中日本東麗、美國(guó)AvCarb占據(jù)較大的市場(chǎng)份額。日本東麗在炭紙制造、微孔層涂布等方面具備深厚的研發(fā)及規(guī)?；a(chǎn)能力,在業(yè)內(nèi)享有良好的聲譽(yù)。相比之下,我國(guó)尚未實(shí)現(xiàn)高性能GDL的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化,國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)燃料電池所用的氣體擴(kuò)散層材料大多來(lái)源于日本東麗、德國(guó)科德寶等國(guó)際廠(chǎng)商生產(chǎn)的炭紙。長(zhǎng)期以來(lái),由于碳纖維復(fù)合材料被各國(guó)列為戰(zhàn)略資源,技術(shù)封鎖較為嚴(yán)格,不僅出售價(jià)格高而且購(gòu)買(mǎi)困難,這在一定程度上制約了技術(shù)的發(fā)展。

1.2 GDL上游產(chǎn)業(yè)鏈現(xiàn)狀

目前全球碳纖維行業(yè)的上市公司主要包括日本東麗公司、三菱麗陽(yáng)、美國(guó)赫氏HXL、西格里集團(tuán)、臺(tái)灣臺(tái)塑、光威復(fù)材、江蘇恒神等。隨著國(guó)內(nèi)碳纖維新產(chǎn)能的釋放,及疊加“雙碳政策”下光伏、儲(chǔ)氫氣瓶等行業(yè)的迅速發(fā)展,國(guó)內(nèi)碳纖維廠(chǎng)商在高、中、低檔都迎來(lái)了市場(chǎng)機(jī)遇。

當(dāng)前GDL用碳纖維僅需T300原絲,T300材料的抗拉強(qiáng)度為3 500 MPa,相比之下,T700的抗拉強(qiáng)度為4 900 MPa,T800達(dá)到5 800 MPa,而國(guó)內(nèi)已具備T1200的研發(fā)和生產(chǎn)能力。因此,炭紙用碳纖維的上游供應(yīng)在國(guó)內(nèi)已不存在技術(shù)瓶頸和規(guī)?；?yīng)問(wèn)題。

1.3 GDL國(guó)產(chǎn)化現(xiàn)狀

綜上可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)前雖然碳纖維供應(yīng)不存在難題,但國(guó)內(nèi)利用碳纖維進(jìn)行短切加工制造炭紙及GDL的從業(yè)廠(chǎng)商極少,且競(jìng)爭(zhēng)力低下。這是由兩方面原因造成的。

(1)行業(yè)需求。總體來(lái)看,國(guó)內(nèi)炭紙及炭紙型GDL市場(chǎng)占比跟國(guó)外比還存在較大差距。當(dāng)前國(guó)內(nèi)從事造紙行業(yè)的企業(yè)并不在少數(shù),但從事特種造紙行業(yè)的企業(yè)數(shù)量大大減少。當(dāng)前,燃料電池市場(chǎng)規(guī)模小,考量新增產(chǎn)線(xiàn)投入及市場(chǎng)回報(bào)率,難以吸引眾多傳統(tǒng)造紙行業(yè)及特種造紙行業(yè)的廠(chǎng)商進(jìn)入。此外,生產(chǎn)電堆和膜電極的廠(chǎng)商更傾向于使用國(guó)外成熟的GDL產(chǎn)品。因此,國(guó)內(nèi)炭紙市場(chǎng)發(fā)展面臨較大阻力,內(nèi)部研發(fā)動(dòng)力不足。

(2)技術(shù)難點(diǎn)。炭紙型GDL的制備技術(shù)路線(xiàn)可概括為以下幾個(gè)步驟:先將干燥的碳纖維材料與聚合物黏結(jié)劑、水混合形成懸浮液,并制備成厚度均勻的碳纖維紙;然后將制備好的炭紙進(jìn)行樹(shù)脂浸漬和干燥,以提升其導(dǎo)電及導(dǎo)熱能力;再將石墨化后的炭紙進(jìn)行憎水處理;最后在憎水處理后的炭紙上涂布微孔層,并進(jìn)行燒結(jié)。每個(gè)步驟的工藝調(diào)控都會(huì)影響GDL的性能指標(biāo)。當(dāng)前技術(shù)瓶頸主要集中在碳纖維的分散,以實(shí)現(xiàn)對(duì)炭紙的孔隙率和孔徑分布的有效控制[6-7]。

隨著近兩年國(guó)內(nèi)燃料電池行業(yè)的快速發(fā)展,炭紙及氣體擴(kuò)散層廠(chǎng)商也逐漸增多,國(guó)內(nèi)已經(jīng)涌現(xiàn)出一些具有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品。過(guò)去,廠(chǎng)商及高校常采用進(jìn)口炭紙,并通過(guò)微孔層(micro-porous layer,MPL)涂布進(jìn)行二次加工制造GDL產(chǎn)品。目前,通用氫能、上海嘉資、上海碳際等公司具備生產(chǎn)和研發(fā)GDL的能力。此外,上海嘉資、金博氫能、仁豐特材、上海碳際等公司還具備自主生產(chǎn)炭紙?jiān)埖哪芰?。隨著燃料電池整體市場(chǎng)的逐漸擴(kuò)大,以及國(guó)產(chǎn)炭紙產(chǎn)業(yè)化和規(guī)?；某掷m(xù)推進(jìn),未來(lái)國(guó)產(chǎn)炭紙?jiān)诋a(chǎn)量及價(jià)格方面有望形成顯著的優(yōu)勢(shì)。

1.4 文獻(xiàn)研究熱點(diǎn)分析

從國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀來(lái)看,主要集中在對(duì)GDL制備過(guò)程及工作過(guò)程中性能變化的探究,尤其是產(chǎn)品性能研究方面,而在產(chǎn)業(yè)化技術(shù)研究方面相對(duì)較少[8]。研究的主要內(nèi)容大致可以總結(jié)為如下幾個(gè)方面。

(1)對(duì)GDL制備過(guò)程的影響分析,包括GDL的材料類(lèi)型、制漿過(guò)程、石墨化處理過(guò)程、聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylen,PTFE)的處理等對(duì)GDL性能的影響。研究人員通過(guò)調(diào)整炭紙材料的制備工藝、石墨化過(guò)程、PTFE載量、燒結(jié)溫度、GDL厚度、孔隙率大小等參數(shù),不斷優(yōu)化和改進(jìn)GDL產(chǎn)品[9-15]。

(2)對(duì)GDL成品的性能參數(shù)的分析,包括孔隙率性質(zhì)、壓縮特性、透氣/排水性能、面內(nèi)和法向的電/熱導(dǎo)率、接觸電/熱阻等對(duì)燃料電池性能的影響[16-19]。

(3)對(duì)GDL成品制造工藝和原材料的探究,例如研究采用黃麻纖維、劍麻纖維、棉等替代聚丙烯腈纖維以降低成本[20-21]。

為了解決現(xiàn)有氣、水、熱、電、力傳輸過(guò)程中的相關(guān)問(wèn)題以及滿(mǎn)足未來(lái)高電流密度下對(duì)GDL新的要求,目前主要的研究熱點(diǎn)包括以下幾個(gè)方面。

(1)梯級(jí)孔隙率分布的GDL可以強(qiáng)化毛細(xì)作用,促進(jìn)氣體傳輸,通過(guò)調(diào)控孔隙率分布實(shí)現(xiàn)GDL的優(yōu)化設(shè)計(jì)[22]。

(2)通過(guò)對(duì)GDL進(jìn)行激光打孔、加工溝槽以及潤(rùn)濕性分布的非均勻性處理實(shí)現(xiàn)排水能力的提升[23]。

(3)改變炭紙型GDL的復(fù)雜多孔結(jié)構(gòu),采用有序結(jié)構(gòu)的GDL設(shè)計(jì)來(lái)改善電池性能;新型的GDL/流場(chǎng)一體化的膜電極設(shè)計(jì)兼具了反應(yīng)物的均勻分配及液態(tài)水的有效排出功能,膜電極的厚度得到大大的降低,電池的性能得到提升[24]。

2 總結(jié)與展望

國(guó)內(nèi)具備自主能力的廠(chǎng)商雖然數(shù)量仍較少,但已經(jīng)具備產(chǎn)品批量化生產(chǎn)能力。整體來(lái)看,我國(guó)氣體擴(kuò)散層技術(shù)層面已經(jīng)可以對(duì)標(biāo)國(guó)際先進(jìn)產(chǎn)品,國(guó)內(nèi)產(chǎn)品有望逐漸進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段,但目前普遍處于送樣測(cè)試驗(yàn)證階段,預(yù)計(jì)未來(lái)2年內(nèi)有望實(shí)現(xiàn)氣體擴(kuò)散層產(chǎn)業(yè)鏈國(guó)產(chǎn)化供應(yīng)。為了促進(jìn)以氣體擴(kuò)散層為代表的關(guān)鍵核心材料的國(guó)產(chǎn)化發(fā)展,還需要做到以下幾點(diǎn)。

(1)加強(qiáng)關(guān)鍵核心材料自主化政策引導(dǎo)。得益于國(guó)家相關(guān)政策支持,燃料電池關(guān)鍵材料均已實(shí)現(xiàn)規(guī)?；灾魃a(chǎn),為未來(lái)大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)儲(chǔ)備了技術(shù)基礎(chǔ)條件,但當(dāng)前應(yīng)用規(guī)模還不高,需要進(jìn)一步接受市場(chǎng)的檢驗(yàn)。當(dāng)前,在燃料電池汽車(chē)示范應(yīng)用政策的引導(dǎo)下,關(guān)鍵核心材料部件迎來(lái)了重大發(fā)展機(jī)遇。加強(qiáng)關(guān)鍵核心材料部件全面自主化替代政策性引導(dǎo)是行業(yè)所需,同時(shí)要在應(yīng)用場(chǎng)景領(lǐng)域進(jìn)行細(xì)化,明確并落實(shí)關(guān)鍵材料的市場(chǎng)化前景,以保持行業(yè)信心。

(2)加大關(guān)鍵核心材料的政策扶持力度。當(dāng)前在“雙碳”背景下,燃料電池行業(yè)面臨重要發(fā)展機(jī)遇,但也面臨著鋰電池等其他新能源動(dòng)力裝置對(duì)燃料電池應(yīng)用場(chǎng)景不斷壓縮的問(wèn)題。燃料電池裝車(chē)量仍較少,行業(yè)整體面臨較大困難。因此,推進(jìn)燃料電池汽車(chē)發(fā)展需進(jìn)一步在源頭加強(qiáng)關(guān)鍵核心材料的政策指導(dǎo),加大資金扶持力度,使燃料電池關(guān)鍵核心材料企業(yè)在充分面臨市場(chǎng)導(dǎo)向競(jìng)爭(zhēng)之前,保持資金活力,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品力的不斷迭代。

(3)加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì),進(jìn)一步明確燃料電池的發(fā)展定位。我國(guó)燃料電池汽車(chē)技術(shù)起步晚,存在產(chǎn)業(yè)鏈不完備和供應(yīng)鏈關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新不足等問(wèn)題。因此,燃料電池汽車(chē)發(fā)展應(yīng)完善頂層設(shè)計(jì),明確氫能發(fā)展定位;圍繞燃料電池汽車(chē)產(chǎn)業(yè)鏈,開(kāi)展氫氣“制、運(yùn)、儲(chǔ)、加”環(huán)節(jié)的瓶頸問(wèn)題基礎(chǔ)研究,形成加氫站與燃料電池汽車(chē)推廣協(xié)同發(fā)展的局面,以此帶動(dòng)整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展,提振行業(yè)信心,這對(duì)于保障和促進(jìn)市場(chǎng)資金不斷注入關(guān)鍵核心材料研發(fā)具有重要意義。

(4)推進(jìn)產(chǎn)學(xué)研用深度融合。高校在燃料電池炭紙等關(guān)鍵材料領(lǐng)域已經(jīng)進(jìn)行了大量的探索,形成了豐富的成果。應(yīng)進(jìn)一步推進(jìn)高校研究成果的轉(zhuǎn)化,如專(zhuān)利布局[25],加強(qiáng)企業(yè)與高校間的互通交流,發(fā)揮各自?xún)?yōu)勢(shì),共同推進(jìn)行業(yè)進(jìn)步。